專利名稱：給予燃料電池系統(tǒng)-25℃冰凍啟動性能的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)以確保冰凍啟動性能的方法，且更具體地涉及用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)以確保在低至_25°C的溫度下的可靠冰凍啟動性能的方法。
背景技術(shù)：
氫是非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的且能夠用于在燃料電池中有效地產(chǎn)生電力。氫燃料電池是電化學(xué)裝置，包括陽極和陰極，電解質(zhì)在陽極和陰極之間。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處分解以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子與氧和電子在陰極催化劑處反應(yīng)產(chǎn)生水。來自于陽極的電子不能穿過電解質(zhì)，且因而被引導(dǎo)通過負(fù)載，以在輸送至陰極之前做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的普遍燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極電極或催化劑層，通常包括細(xì)分的催化劑顆粒，通常是鉬(Pt)，所述催化劑顆粒通常支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對側(cè)上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。每個MEA通常夾在兩個多孔材料片材(擴(kuò)散層(GDL))之間，其保護(hù)膜的機(jī)械整體性且還有助于一致的濕度分布。MEA的制造相對昂貴且需要某些條件以有效操作。多個燃料電池通常組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望功率。例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機(jī)強(qiáng)制通過燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為陰極排氣輸出，所述陰極排氣可以包括作為燃料電池堆的副產(chǎn)物的水。燃料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽極側(cè)的陽極氫輸入氣體。燃料電池堆包括位于燃料電池堆中多個MEA之間的一系列雙極板，其中，雙極板和MEA設(shè)置在兩個端板之間。雙極板包括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)流分配器或流場。陽極氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上，且允許陽極反應(yīng)物氣體流向相應(yīng)MEA。陰極氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，且允許陰極反應(yīng)物氣體流向相應(yīng)MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料制成，如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的電傳導(dǎo)到燃料電池堆之外。雙極板也包括冷卻流體流經(jīng)的流動通道。燃料電池內(nèi)的膜需要具有一定的水含量，從而經(jīng)過膜的離子電阻足夠低以有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。膜濕化可以來自于燃料電池堆水副產(chǎn)物或外部濕化。通過燃料電池堆流動通道的反應(yīng)物流對電池膜具有干燥效應(yīng)，最明顯在反應(yīng)物流的入口處。然而，在流動通道內(nèi)的水滴積聚將防止反應(yīng)物從中流過，且由于低的反應(yīng)物氣體流可能導(dǎo)致電池故障，從而影響燃料電池堆穩(wěn)定性。在反應(yīng)物氣體流動通道內(nèi)以及在GDL內(nèi)的水積聚在低燃料電池堆輸出負(fù)載時特別易出故障。如上所述，水作為燃料電池堆操作的副產(chǎn)物產(chǎn)生。因而，來自于燃料電池堆的陰極排氣通常包括水蒸汽和液體水。本領(lǐng)域已知使用水蒸汽傳輸(WVT)單元來捕獲陰極排氣中的一些水，且使用所述水來濕化陰極輸入空氣流。在水傳輸元件(如膜)的一側(cè)處的陰極排氣中的水由水傳輸元件吸收且傳輸給水傳輸元件的另一側(cè)處的陰極空氣流。高頻電阻(HFR)是燃料電池的熟知屬性，且與燃料電池膜的歐姆電阻或膜質(zhì)子電阻緊密相關(guān)。歐姆電阻本身是燃料電池膜濕化程度的函數(shù)。因而，通過測量激勵電流頻率具體頻帶內(nèi)燃料電池堆的燃料電池膜的HFR，可以確定燃料電池膜濕化程度。如上所述，由于水積聚在氣體流動通道內(nèi)，過濕的膜可能會引起問題，且在低溫環(huán)境期間，燃料電池堆中的水冰凍可能會產(chǎn)生冰，所述冰阻塞流動通道，從而影響系統(tǒng)再次啟動。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)在冰凍燃料電池堆的情況下啟動時，燃料電池堆產(chǎn)生內(nèi)部廢熱且開始升溫。燃料電池堆在升溫過程期間也產(chǎn)生水。在燃料電池堆加熱和燃料電池堆產(chǎn)生水之間通常存在流道(race)。如果在產(chǎn)生足夠的熱量之前產(chǎn)生太多的水，水可能在燃料電池堆中凍結(jié)且阻塞氣體流，從而引起電池電壓下降，這可能使得燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉。如果燃料電池堆從上一次系統(tǒng)關(guān)閉以來在其中具有過多的水，那么在長啟動期間產(chǎn)生的水會阻塞氣體流動通道。通常，燃料電池堆啟動時越冷，其充分加熱花費(fèi)的時間越長，且在啟動期間產(chǎn)生的水阻塞氣體流動通道的可能性越大。因而，在非常冷的啟動溫度 (例如，低于-15°C)下，燃料電池堆加熱到0°C花費(fèi)的時間較長。因而，關(guān)閉方法對于燃料電池堆的成功再次啟動非常關(guān)鍵，尤其是在燃料電池堆溫度處于_15°C或更冷時。關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的典型方法是用高空氣流量吹掃陰極側(cè)，從而將水蒸發(fā)并推出燃料電池系統(tǒng)。通常進(jìn)行陰極側(cè)空氣流吹掃，直到HFR達(dá)到具體水平的干度。HFR值越高， 膜越干燥，且在關(guān)閉時通常用于干燥燃料電池堆的HFR的具體水平(大約225πιΩ · cm2)不夠。因而，本領(lǐng)域需要在溫度條件低于冰凍時的更穩(wěn)固關(guān)閉策略。此外，需要確保燃料電池堆的燃料電池以一致的方式干燥，以便使得電池-電池濕度梯度以及燃料電池堆入口 -燃料電池堆出口濕度梯度最小化。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種用于關(guān)閉燃料電池堆的方法。所述方法包括使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池堆，從而干燥燃料電池堆中的燃料電池膜，直到實現(xiàn)第一期望水平的高頻電阻；再次水化燃料電池堆的電池膜，直到實現(xiàn)第二期望水平的高頻電阻；以及使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆，直到實現(xiàn)第三期望水平的高頻電阻。方案1. 一種用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括
使用增加的空氣流量操作燃料電池堆從而干燥燃料電池堆中的多個燃料電池膜，直到實現(xiàn)第一期望水平的平均高頻電阻；
再次水化燃料電池堆的電池膜，直到實現(xiàn)第二期望水平的平均高頻電阻； 使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆，直到實現(xiàn)第三期望水平的平均高頻電阻；以及
關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)。方案2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池堆在持續(xù)時間上比再次水化燃料電池堆的電池膜和使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆更長。
方案3.根據(jù)方案1所述的方法，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池堆從而干燥燃料電池堆中的多個燃料電池膜的時間量與再次水化燃料電池堆的電池膜的時間量的比為至少3 :1。方案4.根據(jù)方案1所述的方法，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池堆包括調(diào)節(jié)壓縮機(jī)速度，以在期望時間窗內(nèi)實現(xiàn)期望高頻電阻。方案5.根據(jù)方案1所述的方法，其中，在使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆時的陰極輸入相對濕度是大約35%。方案6.根據(jù)方案1所述的方法，其中，使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆包括增加陰極空氣流量。方案7.根據(jù)方案1所述的方法，還包括將壓縮機(jī)速度設(shè)定為期望陰極空氣流量， 從而減少高頻電阻信號噪音。方案8.根據(jù)方案1所述的方法，其中，用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的方法包括在請求燃料電池系統(tǒng)的再次啟動且所測量高頻電阻處于期望水平時中斷關(guān)閉的過程。方案9. 一種用于關(guān)閉燃料電池的方法，所述方法包括
將壓縮機(jī)速度設(shè)定為期望陰極空氣流量，從而減少高頻電阻信號噪音； 使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池從而干燥燃料電池膜，直到實現(xiàn)第一期望水平的電池高頻電阻，且在使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池從而干燥燃料電池膜時測量電池高頻電阻；
再次水化燃料電池膜，直到實現(xiàn)第二期望水平的電池高頻電阻，且在再次水化燃料電池膜時測量電池高頻電阻；
減少陰極輸入相對濕度且操作燃料電池，直到實現(xiàn)第三期望水平的電池高頻電阻，并且在減少陰極輸入相對濕度且操作燃料電池時測量電池高頻電阻；以及關(guān)閉燃料電池。方案10.根據(jù)方案9所述的方法，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池從而干燥燃料電池膜在持續(xù)時間上比再次水化燃料電池膜和減少陰極輸入相對濕度且操作燃料電池更長。方案11.根據(jù)方案9所述的方法，其中，使用增加的陰極流量操作燃料電池從而干燥燃料電池膜的時間量與再次水化電池膜的時間量的比為至少3 :1。方案12.根據(jù)方案9所述的方法，還包括監(jiān)測使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池從而干燥燃料電池膜的持續(xù)時間，且在需要時調(diào)節(jié)壓縮機(jī)速度，以在期望時間窗內(nèi)實現(xiàn)期望高頻電阻。方案13.根據(jù)方案9所述的方法，其中，減少陰極輸入相對濕度且操作燃料電池還包括增加陰極空氣流量。方案14.根據(jù)方案9所述的方法，其中，在減少陰極輸入相對濕度且操作燃料電池時的陰極輸入相對濕度是大約35%。方案15.根據(jù)方案9所述的方法，其中，用于關(guān)閉燃料電池的方法包括在請求燃料電池的再次啟動且所測量高頻電阻處于期望水平時中斷關(guān)閉的過程。方案16. —種用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括 將壓縮機(jī)速度設(shè)定為第一期望陰極空氣流量，從而減少高頻電阻信號噪音；使用增加的空氣流量操作燃料電池堆從而干燥燃料電池堆中的多個燃料電池膜，直到實現(xiàn)第一期望水平的平均高頻電阻；
再次水化燃料電池堆的電池膜，直到實現(xiàn)第二期望水平的平均高頻電阻； 使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆，直到實現(xiàn)第三期望水平的平均高頻電阻，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池在持續(xù)時間上比再次水化燃料電池堆的電池膜和使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆更長；以及關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)。方案17.根據(jù)方案16所述的方法，其中，在使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆時的陰極輸入相對濕度是大約35%。方案18.根據(jù)方案16所述的方法，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池堆從而干燥燃料電池堆中的多個燃料電池膜的時間量與再次水化燃料電池堆的電池膜的時間量的比為至少3 :1。方案19.根據(jù)方案16所述的方法，其中，用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的方法包括在請求燃料電池系統(tǒng)的再次啟動且所測量高頻電阻處于期望水平時中斷關(guān)閉的過程。方案20.根據(jù)方案16所述的方法，其中，減少陰極輸入相對濕度且操作燃料電池還包括增加陰極空氣流量。本發(fā)明的附加特征將從以下說明和所附權(quán)利要求書結(jié)合附圖顯而易見。


圖1是燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖； 圖2是燃料電池的截面圖；和
圖3A和;3B是曲線圖，其中，χ軸為時間，y軸為高頻電阻。
具體實施例方式涉及用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的方法的本發(fā)明實施例的以下闡述本質(zhì)上僅僅是示例性的且絕不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的示意性框圖。燃料電池堆12在陽極輸入管線16上從氫源14接收氫，且在陽極排氣管線18上排出陽極排氣。壓縮機(jī)20 通過水蒸汽傳輸(WVT)單元沈?qū)⒖諝饬髟陉帢O輸入管線22上提供給燃料電池堆12的陰極側(cè)，WVT單元沈濕化陰極輸入空氣。陰極排氣在陰極排氣管線觀上從燃料電池堆12輸出。陰極排氣管線觀將陰極排氣引導(dǎo)到WVT單元26，以提供濕度以便濕化陰極輸入空氣。 旁通管線36圍繞WVT單元沈設(shè)置，旁通閥32設(shè)置在旁通管線36中且被控制以將陰極排氣選擇性地重新引導(dǎo)通過或繞過WVT單元26，以將期望量的濕度提供給陰極輸入空氣?？刂破?0控制旁通閥32和壓縮機(jī)20。高頻電阻(HFR)傳感器42測量燃料電池堆12的HFR， 從而允許由控制器40確定燃料電池堆12的電池膜濕度水平。圖2是燃料電池M的截面圖，燃料電池M是所述類型的燃料電池堆的一部分。燃料電池M包括由電解質(zhì)膜48隔開的陰極側(cè)44和陽極側(cè)46。陰極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層50設(shè)置在陰極側(cè)44上，陰極側(cè)催化劑層52設(shè)置在膜48和擴(kuò)散介質(zhì)層50之間。類似地，陽極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層M設(shè)置在陽極側(cè)46上，陽極側(cè)催化劑層56設(shè)置在膜48和擴(kuò)散介質(zhì)層M之間。催化劑層52和56以及膜48限定MEA。擴(kuò)散介質(zhì)層50和M是多孔層，其將輸入氣體輸送到MEA且從MEA輸送水。本領(lǐng)域已知用于分別在擴(kuò)散介質(zhì)層50和M或膜48上沉積催化劑層52和56的各種技術(shù)。陰極側(cè)流場板或雙極板58設(shè)置在陰極側(cè)44上，陽極側(cè)流場板或雙極板60設(shè)置在陽極側(cè)46上。雙極板58和60設(shè)置在燃料電池堆的燃料電池之間。來自于雙極板60中的流動通道62的氫反應(yīng)物氣體流借助于催化劑層56發(fā)生反應(yīng)，以分解氫離子和電子。來自于雙極板58中的流動通道64的空氣流中的氧借助于催化劑層52發(fā)生反應(yīng)。氫離子能夠傳送通過膜48，其中，它們與空氣流中的氧和催化劑層52中的返回電子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生水作為副產(chǎn)物。雙極板58在流動通道64之間包括脊臺66，雙極板60在流動通道62 之間包括脊臺68。冷卻流體流動通道70設(shè)置在雙極板58中，冷卻流體流動通道72設(shè)置在雙極板60中。來自于相鄰電池(未示出)的電子行進(jìn)通過雙極板58到達(dá)陰極側(cè)催化劑層52。質(zhì)子向上移動通過膜48且電子向下移動通過雙極板和擴(kuò)散介質(zhì)層以與氧氣結(jié)合且產(chǎn)生水。為了在燃料電池系統(tǒng)中實現(xiàn)_25°C冰凍啟動性能，使用具體步驟和控制方法以確保在系統(tǒng)關(guān)閉期間空氣吹掃結(jié)束時燃料電池堆12具有可接受的水含量和水分布，如下文詳細(xì)所述。下述方法在燃料電池堆12內(nèi)提供可接受的水含量和水分布，而不需要各個燃料電池空氣流控制。下述方法還可以在燃料電池系統(tǒng)10關(guān)閉時在任何溫度下使用，然而，其在燃料電池堆12在關(guān)閉之后可能暴露于低于_15°C的溫度時是最有益的。關(guān)閉方法包括三個主要階段，其為(1)相對長的燃料電池堆干燥階段；(2)燃料電池堆12的相對短的再濕化階段；和(3)燃料電池堆12的最終干燥階段。在下文詳細(xì)討論這些階段中的每個。在所有這三個階段期間，使用HFR傳感器42測量燃料電池堆12的平均HFR。因而，燃料電池堆12中每個電池M的HFR和因而水分量不需要已知。第一階段1，相對長的燃料電池堆干燥階段，使用來自于壓縮機(jī)20的高陰極空氣流量，直到燃料電池堆12干燥至比正常操作條件下更干燥的平均HFR，例如大約400 πιΩ-cm2。雖然400 m Ω-cm2比各個燃料電池12所需的更干燥，但是其給燃料電池堆12中的比平均更潮濕的燃料電池M提供足夠空氣流量和時間，以升高至期望水平的更典型測量HFR，例如225 πιΩ-cm2，如下文更詳細(xì)所述。圖3A和;3B示出了基于對正常水化燃料電池(圖3A)和額外潮濕燃料電池(圖3B) 之間的干燥進(jìn)行比較的模型的結(jié)果。如圖3A所示，正常水化燃料電池的HFR在與圖;3B中的額外潮濕電池的HFR最終達(dá)到225 πιΩ-cm2大致相同的時間上升至400 πιΩ-cm2。曲線圖3A和;3B中的線θ表示擴(kuò)散介質(zhì)中的水量，且有助于闡述圖;3Β中的潮濕燃料電池的HFR 為什么低于圖3Α中的正常水化燃料電池的HFR。在燃料電池M的擴(kuò)散介質(zhì)層50和M缺乏水時，膜48中的水容易通過擴(kuò)散介質(zhì)層50抽出且進(jìn)入陰極空氣流。然而，如果燃料電池 24的擴(kuò)散介質(zhì)層50包含水，那么燃料電池M的膜48將不會如此快速干燥，因為陰極空氣流僅能夠保持有限量的水。如果擴(kuò)散介質(zhì)層50將水供應(yīng)給陰極空氣流，那么膜48將保持潮濕。膜48中的水量在圖3Α和;3Β中由λ示出。圖;3Β中所示的高λ是膜48中的水-
SQH+的比。如圖:3Β所示，高的λ與膜48中相對高的水量相關(guān)。圖3Α和;3Β中的模型結(jié)
果表明，在燃料電池堆的其余部分干燥至400 πιΩ-cm2的HFR時，圖的額外潮濕電池將干燥至225 πιΩ-cm2的期望HFR。因而，燃料電池堆12必須被干燥至比系統(tǒng)再次啟動所需更大的HFR值(例如，大約400 πιΩ-cm2)，以確保燃料電池堆12的潮濕電池足夠干燥，以確保可靠的冰凍啟動性能。雖然400 πιΩ-cm2的平均HFR值用作目標(biāo)HFR值，但是該值是可標(biāo)定值且所使用的實際平均HFR值取決于所使用的燃料電池系統(tǒng)10。上述第一階段也是依賴于時間的。因而，如果期望平均HFR值(例如，400 πιΩ-cm2的平均HFR)過快或過慢地實現(xiàn)，那么所述方法可根據(jù)需要繼續(xù)或中止干燥吹掃，以確保實現(xiàn)執(zhí)行干燥吹掃的合適時間窗。所述方法還可以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)20的速度，以確保在預(yù)定時間窗內(nèi)實現(xiàn)期望平均HFR值，如下文更詳細(xì)所述。階段2是再濕化步驟，且包括燃料電池堆12的低陰極空氣量。由于如果燃料電池堆12使用400 πιΩ-cm2的平均HFR關(guān)閉，那么燃料電池堆12對于下一次啟動來說可能太干燥，因而包括該階段。由于燃料電池堆12中的燃料電池M的膜可能在質(zhì)子傳導(dǎo)性方面具有困難，從而導(dǎo)致欠佳性能，因而過度干燥的燃料電池堆12是有問題的。此外，在干燥地操作燃料電池堆12時，燃料電池堆12的耐用性降低，因為可能發(fā)生在膜48中形成針孔或者對燃料電池M的其它損害，例如一個或多個燃料電池的電壓電勢改變方向。再濕化階段必須相對快速地進(jìn)行，以防止燃料電池堆12中的任何潮濕電池過多地再濕化。圖3A和;3B中的HFR線表明，干燥電池比潮濕電池更快地再濕化，從而進(jìn)一步表明短的再濕化階段就足夠了。燃料電池越干燥再濕化越快的原因是由于水積聚在擴(kuò)散介質(zhì)層50中，潮濕電池接收更少的陰極空氣流，如上所述。階段1-階段2的時間比需要高，例如大于3 :1，以實現(xiàn)期望的一致膜相對濕度。此外，在階段1和階段2期間，監(jiān)測燃料電池堆12的平均HFR的斜率。如果在關(guān)閉之前HFR 狀況相對干燥，那么階段1可以在對于用于階段1中的高壓縮機(jī)空氣流量來說過短的時間幀內(nèi)實現(xiàn)400 πιΩ-cm2的平均HFR。為了避免該情況，監(jiān)測燃料電池堆12的平均HFR，且如果平均HFR過快地升高，那么控制器40可減少壓縮機(jī)20的速度，以確保平均HFR在期望時間幀內(nèi)升高至期望水平。階段3是最終干燥階段，且類似于階段1。在該階段期間，為了提供燃料電池堆 12和裝置的其余部分的最終水吹掃，使用高陰極空氣流量。由于階段2的再濕化相對短， 因而預(yù)期僅需要從燃料電池堆12和裝置的其余部分掃除最小量的水。為了允許階段3中的充分干燥吹掃，階段2的再濕化必須下降低于預(yù)定平均HFR值，例如低于225 m Ω -cm2的平均HFR。例如，階段2的再濕化的平均HFR可以將燃料電池堆12的平均HFR下降至160 πιΩ-cm2。如果階段2的再濕化在225 m Ω-cm2或更高的平均HFR時結(jié)束，那么階段3的最終干燥可使得燃料電池堆12對于隨后啟動來說處于過度干燥狀況。如上所述，所選擇的平均HFR是可標(biāo)定值。與階段3期間的低入口相對濕度(例如，35%)相比，階段1和2具有非常高的入口相對濕度，例如，60%。階段2是再濕化階段，因而，高入口相對濕度對于再濕化燃料電池 24是必需的。與階段3相比，階段1也需要相對高的入口相對濕度，以確保燃料電池的上游側(cè)不會由于高陰極空氣流量而干燥。燃料電池的下游側(cè)趨于保持濕化，因為在燃料電池堆12中形成的附加水，其通過陰極空氣流向下游傳送。因而，在階段1期間使用高入口相對濕度，以確保燃料電池的入口側(cè)在階段1內(nèi)保持充分水化。具有來自于HF傳感器42的無瑕疵HFR信號是重要的，因為每個階段的結(jié)束至少部分地基于HFR。如果壓縮機(jī)20的速度變化，來自于HF傳感器42的HFR信號往往測量更多噪音。因而，根據(jù)該方法，控制器40在關(guān)閉期間設(shè)定壓縮機(jī)20的速度，而不是使用空氣流量設(shè)定點。為了實現(xiàn)期望空氣流量，控制器40表征燃料電池系統(tǒng)10且設(shè)定壓縮機(jī)20的正確速度以實現(xiàn)期望空氣流量?？刂破?0還控制再次啟動燃料電池系統(tǒng)10的方法。例如，如果系統(tǒng)10正在關(guān)閉且駕駛員想要再次啟動系統(tǒng)10，那么再次啟動應(yīng)當(dāng)盡可能快速地發(fā)生。然而，在平均HFR大于225 πιΩ-cm2時將負(fù)載施加到燃料電池堆12會損害燃料電池堆12。為了避免該情況，在本文所述方法完成之前命令再次啟動的情況下，燃料電池系統(tǒng)10具有特定退出標(biāo)準(zhǔn)。在下文更詳細(xì)描述這些特定退出標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果在階段1期間命令系統(tǒng)10的再次啟動且由HFR傳感器42測量的平均 HFR低于225 πιΩ-cm2，那么中斷階段1，跳過階段2和3且允許系統(tǒng)10再次啟動。然而，如果在階段1期間命令再次啟動且平均HFR高于225 πιΩ-cm2，那么中斷階段1，進(jìn)行階段2， 直到平均HFR達(dá)到225 mQ-cm2或更低，然后中斷階段2，跳過階段3且允許系統(tǒng)10再次啟動。當(dāng)在上述方法處于階段2時命令再次啟動時，在平均HFR達(dá)到225 πιΩ-cm2或更低時中斷階段2，跳過階段3且允許燃料電池系統(tǒng)10再次啟動。當(dāng)在方法處于階段3時命令再次啟動時，中斷階段3且允許燃料電池系統(tǒng)10再次啟動。前述說明僅僅公開和描述本發(fā)明的示例性實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員從這種說明和附圖以及權(quán)利要求書將容易認(rèn)識到，能夠?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行各種變化、修改和變型，而不偏離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括使用增加的空氣流量操作燃料電池堆從而干燥燃料電池堆中的多個燃料電池膜，直到實現(xiàn)第一期望水平的平均高頻電阻；再次水化燃料電池堆的電池膜，直到實現(xiàn)第二期望水平的平均高頻電阻； 使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆，直到實現(xiàn)第三期望水平的平均高頻電阻；以及關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池堆在持續(xù)時間上比再次水化燃料電池堆的電池膜和使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆更長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池堆從而干燥燃料電池堆中的多個燃料電池膜的時間量與再次水化燃料電池堆的電池膜的時間量的比為至少3:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池堆包括調(diào)節(jié)壓縮機(jī)速度，以在期望時間窗內(nèi)實現(xiàn)期望高頻電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆時的陰極輸入相對濕度是大約35%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆包括增加陰極空氣流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將壓縮機(jī)速度設(shè)定為期望陰極空氣流量，從而減少高頻電阻信號噪音。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的方法包括在請求燃料電池系統(tǒng)的再次啟動且所測量高頻電阻處于期望水平時中斷關(guān)閉的過程。
9.一種用于關(guān)閉燃料電池的方法，所述方法包括將壓縮機(jī)速度設(shè)定為期望陰極空氣流量，從而減少高頻電阻信號噪音； 使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池從而干燥燃料電池膜，直到實現(xiàn)第一期望水平的電池高頻電阻，且在使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池從而干燥燃料電池膜時測量電池高頻電阻；再次水化燃料電池膜，直到實現(xiàn)第二期望水平的電池高頻電阻，且在再次水化燃料電池膜時測量電池高頻電阻；減少陰極輸入相對濕度且操作燃料電池，直到實現(xiàn)第三期望水平的電池高頻電阻，并且在減少陰極輸入相對濕度且操作燃料電池時測量電池高頻電阻；以及關(guān)閉燃料電池。
10.一種用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括將壓縮機(jī)速度設(shè)定為第一期望陰極空氣流量，從而減少高頻電阻信號噪音； 使用增加的空氣流量操作燃料電池堆從而干燥燃料電池堆中的多個燃料電池膜，直到實現(xiàn)第一期望水平的平均高頻電阻；再次水化燃料電池堆的電池膜，直到實現(xiàn)第二期望水平的平均高頻電阻； 使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆，直到實現(xiàn)第三期望水平的平均高頻電阻，其中，使用增加的陰極空氣流量操作燃料電池在持續(xù)時間上比再次水化燃料電池堆的電池膜和使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆更長；以及關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及給予燃料電池系統(tǒng)-25℃冰凍啟動性能的控制。一種用于關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的方法包括操作燃料電池堆。所述方法包括提供增加的陰極空氣流量從而干燥燃料電池堆中的燃料電池膜，直到實現(xiàn)第一期望水平的高頻電阻；再次水化燃料電池堆的電池膜，直到實現(xiàn)第二期望水平的高頻電阻；以及使用減少的陰極輸入相對濕度操作燃料電池堆，直到實現(xiàn)第三期望水平的高頻電阻。
文檔編號H01M8/04GK102237535SQ20111010083
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月21日
發(fā)明者B. 阿爾普 A., 羅加恩 A., J. 克林格曼 B., C. 格爾塞尼 J., 蔡 J., 辛哈 M., D. 伯奇 S. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司