專利名稱：燃料電池系統(tǒng)凍結性能的水管理策略的制作方法
燃料電池系統(tǒng)凍結性能的水管sm略
獄領域
本發(fā)明一il^涉M用下面算法的TO電池系統(tǒng)，該算法用于確定在系統(tǒng)停
止之后燃料電池堆中產生的水是否易于凍結，如果易于凍結，進行堆凈化更 具體地，本發(fā)明涉及采用下面算法的燃料電池系統(tǒng)，該算法周期性確定系統(tǒng)停
止:t后是否，f^度以下的^^牛，^ia行堆mt。 背景默
由于氣氣是清潔的并且肖調于在燃料電池中有^^生電能，因此它是非
常有吸引力的。i(BN"電池是包括陽極、陰極和它們之間的,質的電化學裝 置。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氨氣在陽極離解產生自由iiM子和 電子。誠子通過電解質傳遞到陰極。,子與w卩陰極中的電子腿產^7k。
陽極產生的電子不肖隨過嚇質傳遞，而是在到達陰極之前直接3I31負載進行工作。
質子^WI斗電池(PEMFC)是機動，的熱門燃料電池。PEMFC — 般包括固體電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極典型地包括擔載
在ra粒上的細碎催化齊鵬粒并與離聚物混合，所述催化劑顆粒一般是鈾(pt)。
催化混合^r沉積在膜的相對的兩面上。陽極催化混，、陰極催化混，和膜 的組合限定膜電極組件(MEA)。制造MEA相對昂貴并且有效運行需要特定 的餅。
在燃料電池堆中通常將若干個燃料電池組合在一起以產生所需功率。例 如，機動糊的典型的燃料電池堆可以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^131壓縮機被ilM)l堆的空氣流。并不是所有 的氧氣都被堆消耗， 一些空氣作為包括作為堆副產物的水的陰極廢氣排出。燃 料電池堆也接收EA至雌陽極側的陽，跑輸入氣體。
燃料電池堆包括一系列^g在堆中若干個MEA之間的雙極板。雙極板包 括堆中相令,料電池的陽極側和陰極側。陽極氣鵬動鵬體在雙極板的陽 極側以允許陽極^3Z氣^A到各自的MEA中。陰極氣^^動鵬體在雙
極板的陰極側，其允許陰極反應氣1WA到各自的MEA中。雙極板由導電材 料例如不糊制成，因此它們肖辦將燃料電池產生的電傳導到堆外。雙極板還 包括糊流滅的流動鵬。
如本領域技術人員所公知，燃料電^^行在根Mm電池堆運療溫度的特 定相對濕度和堆內壓力下以提條效的艇行。而且，堆產生產物水。因此，
當燃料電池堆停止時，堆中的MEA具有特定量的濕氣。如果 電池系統(tǒng)碰 巧在零度以下的環(huán)境中，這些濕氣會凍結，這可以損壞MEA、擴散介質、板 和/鵬片。因此，在現(xiàn)有駄中已知的是，在系統(tǒng)停止時千燥,電池堆和其 中的膜，從而防止堆由于凍結導致的損壞。
在一種現(xiàn)有技術中，通過壓縮機迫使干燥的空氣通過堆來凈化(purge) 水并千燥堆。由于產物7K在MEA的陰極側存在大部分的濕氣,然而，由于MEA 是濕潤的并且濕^131 MEA從陰極側擴te卿極側，因此MEA的陽極側也
有一些濕氣。因此，為了千燥的目的，堆干燥技術直接將陰極空氣ma陽t腿
已知技術中，燃料電池堆的電力用于運行壓縮機:供空氣凈化:然而:作這些
需要燃料。可選,，可以〗頓電池組的能量供應靴。然而，這減少了電池 組存儲的育遣。
,如果堆中的產物水不凍結，不進行凈化反應氣體流動皿，因為凈化 4鵬千燥，潛在地陶氐了它們的壽命，并且需要育譴^it行壓織幾5l^靴。 因此，期望在機動 5停止之后預測它是否會經受凍結條件。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的教導，公開了一種燃料電池系統(tǒng)，其4頓這樣的方法，該方 法確定系統(tǒng)停止之后根據預定輸入(例如環(huán)^^溫度、地理位置、日期、天氣預 報等)來確定凍結條件的可能性。如果系統(tǒng)確定凍結條件是可能的，那么系統(tǒng)
開^M料電池系統(tǒng)的凈化停止，其中水和7K蒸氣被凈化出陽極流動ait禾n/或陰
極流動通道。如果系統(tǒng)確定凍結條件是不可能的，那么開始正常的停止程序， 無需凈化陽極流動通道柳或陰極 通道。然后系統(tǒng)將周期性確定條件是否改 變，如果隨后凍結剝牛變成是可能的，貝鵬開始鵬氣鵬動鵬的靴。如 果系統(tǒng)包括保皿略和存在可能的凍結條件，然后系統(tǒng) 定是否具有足夠的 燃料和/或電池組能M^^行保麟略，如果為否，則進療鵬鵬凈化。
系統(tǒng)可以包括低功率喚醒計時電路來周期性喚醒發(fā)動鵬制器以確定停止 之后凍結剝牛的可能性是否改變?？蛇x糊，系統(tǒng)可以包括確定、離的低功率 喚醒檢測電路，而不是使用高功耗的發(fā)動機控制器來確定停止之后凍結可能性 是否改變。
結合附圖，從下面的說明和所附權利要求中本發(fā)明的其他特征伶變得顯而 易見。


圖1是示出根據本發(fā)明一個實 案的確定燃料電池系統(tǒng)停止時是否#^ 可能的凍結條件和如果雜則進行凈化鵬氣條動通道的過程的流程亂
圖2是根據本發(fā)明一個實旨案的周期M知發(fā)動機控庫iJM定系統(tǒng)停止 之后可能的凍結剝牛是否被的喚醒計時電路的示意圖；以及
圖3是根據本發(fā)明的另一個實l^案的如果系統(tǒng)停止之后溫叟下降到予^ 閾值驗之下喚戯動鵬制器的喚醒檢測電路的示意圖。
具體實施例方式
下面的本發(fā)明實 案的討論這樣的系統(tǒng)和方法，它們用于確定在;^料電 池系統(tǒng)停止時是否存在可能的凍結條件，如果為是，則進行凈化；這些討論實 際上只是示例性的，并不意在限定發(fā)明或其應用^途。
圖1是流程圖10，示出了根據本發(fā)明實驗案的方法，該方法用于雄 料電池系統(tǒng)停止時確定是否由于凍結條件的可能性而需要堆的凈化，此后周期 性地確定。算法在判定，(diamond) 12處確定是否作出機動^5停止請求。 如果在判定菱形12處制定機動^f止請求，然后算法在框14 ^g^MJt算 法以確定當下凍結條件是否存在或者可能。為此目的可以使用任何適當?shù)臏囟?算法，例如讀取提供環(huán)境溫度、冷卻流皿度、堆、M^或其他適當溫叟的溫度 傳繊。另外，算法可以〗頓^1信系統(tǒng)，例如GlVTs On-Star 或接受GPS 信號。在GM On-Star 的實 案中，算法能識別日期和錢以確定凍結條 件的可能性，甚至接收當下的天氣信息。例如，機動糊仲夏在佛羅里達機動 車輛停止之后凍結條件可能性低，而一月在密歇根機動車輛凍結條4牛可能性 高。在GPS的實駄案中，算法識別日期和體以確定凍結剝牛的可能性。
然后算法將信息提供給判定菱形16,其確定是否存在可能的凍結條件。 如果雜可能的凍結剝牛，那么在框18中算法開始靴停止，用壓縮空氣凈
化堆中陽極側和域陰極側反應氣體流動通道。在凈化停止期間可以進行幾件
事，包括繞過陰極出口處的水蒸氣轉Wwvn裝置、停止冷卻流，、陶氏燃
料電池堆的壓力和提供高陰極化學計量比。設計這些步驟中的一些，將液態(tài)水 轉化為蒸汽，例如陶氏系統(tǒng)中的壓力，使其更易于^1道中清除。而且，停止
y襯口流體流以防止快速mByt的溫度，這有助于防止水蒸氣^r液態(tài)。通過打
開陰極廢氣反壓閥斷氏系統(tǒng)的壓力。供應髙陰極計量比皿壓縮機提供相對高
空氣流。ii^頓^M電池堆的電力驅動臓機，節(jié)約了電池組的肯譴，然而, 繼續(xù)產生少量的產物水。
如果算法在判定菱形16處確定不TO可能的凍結條件，然后在框22處開 始正常停止，其不包括流動通道的凈化，以使下一次啟動盡可能髙地保持膜的 濕潤性。由于不知道天氣剝牛變得有多快、機動 ^停止多長時間，以及當 機動，停止時它是否會被移動，因此需要周期性地確定系統(tǒng)停止后凍結條件
的可能性是否發(fā)生改變。因此，在機動糊停止預定長的一段時間之后，算法 喚醒機動糊電動控制器，或其他裝置，以在框24處再次確定天氣^j牛是否 保證可能的凍結條件。在框24處確定可能的凍結條件是否存在的算法與框14 處j頓的系統(tǒng)規(guī)則可以是相同的，例如{頓環(huán)境鵬傳繊、GPS接收器等。 根據框24處算法確定的信息，算法隨后在判定菱形26處確定是否^可能的 凍結條件。
如果在判定菱形26處^#在可能的凍結條件，之后算法將再次回至雌24 處的周期性喚醒禾^以進纟亍溫度算法。設計并寫A^法以便根據許多因素制定 確定的時間間隔。制定確定凍結^^牛的間隔將影響在系統(tǒng)停止時有多大的可能 性引微行凈化停止。換句話說，如果系統(tǒng)相對頻繁iiiS行凍結剝牛確定，那 么在系統(tǒng)停止時的初始凈化決定將直到凍結條件可能性相對髙時才會決定凈 化。在一個實施方案中，每小時制定一次決定。可選擇地，根據傳感器的輸入, 例如堆的旨和環(huán)境溫度，模型可以估計適當?shù)臅r間。
如果^aS算法在判定菱形26處確定存在可能的凍結條件，那么算法在判 定菱形28處確定機動，是否存在"保溫"策略。當機動，停止時，一些 燃料電池機動，可以包括用于操作燃料電池堆的算法，使得燃料電池堆能加 熱且防止堆中的，水凍結。如果機動糊不包括"保溫"策略，那么在框30
M^s新啟動以在框is處mt停止。
在判定菱形28處，如果機動^^F采用"保溫"策略，那么在判定菱形
32處，算法確定是否有足夠燃料禾n/或電、M會譴^it行"保溫"策略。當算
法確定多少燃料和/或電池的能量是可接受的時，它應當考慮地理位置和/或用 戶OT狀況信息。例如，算法根據到燃料站的距離作出決定。如果機動車輛不
具有足夠的鵬禾n/或電池組肖遣，那么算法轉到系縫啟框30以進行框18的 g停止操作。如果在判定菱形32處機動^5包括足夠的^^料禾P/或電池組能 量，那么算法在框34^I行"保溫"策略，然后在預定時間之后回到框24如 上所述確定是否存在可能的凍結剝牛。本領域已知不同的進行"保溫"策略的 駄，包跪 料電池堆預定時間，鄉(xiāng)電池組能量驅動電加熱器保持堆的 溫度、冷卻流體和/或其他元件加溫預定時間周期。
圖2是根據本發(fā)明實施方案的在框24 ，供系統(tǒng)喚醒的系統(tǒng)40的示意 圖。系統(tǒng)40包括喚醒計時電路42和發(fā)動鵬庫勝44。喚醒計時電路42可以 是發(fā)動機控庫i勝44的一部分。喚醒計時電路42包^i十時器46和晶體管開關 48。在正常割牛下當發(fā)動t鵬偉幡44運轉時，將高信號施加到線50上的晶體 管開關48的基極以允許晶體管開關48導通。與門62的一^IA^到晶體 管開關48的集電極終端。與門62的輸出是育g^吏信號至l踐52的計時器，當 晶體管開關48導通時該信號為低，因此斷開計時器46。其他到與門62的輸入 是門鎖電路64的豐M嘗輸出， 一般為高。
在系統(tǒng)停止之后當發(fā)動鵬制器44關閉時，晶體管開關48不再導通以使 到與門62的輸入為高，并且計時器M^吏線52變?yōu)楦邅砑ぐl(fā)計時器46。當計 時器46運考ff!S計數(shù)時,在線54上輸出高信號來設置門鎖電路56并喚醒線58 上的發(fā)動機控制器44,這使晶體管開關48導通并關閉計時器46。然后發(fā)動機 控制器44艦確定凍結條件可能性的f辨，如上所述，艦適當?shù)膫鼢牖?其他獄。發(fā)動t鵬制器44艦確定凍結剝?？赡苄赞k之后，錢線60上 的門鎖電路56。
如果發(fā)動機控制器44確定由于凍結剝?？赡苄愿淖冃枰蜒?，如上所 述，將在線66上輸出高信號來設置門鎖電路64,這使門鎖電路64的補償輸出 變?yōu)榈鸵允褂嫊r器46在凈貌后關閉，和j撥動豐鵬制器44停止。門鎖電路 64的復位終端連接至機動車輛點火處，當機動車輛啟動時，使門鎖電路64復 位。因此，發(fā)動纟鵬制器44僅僅周期性艇轉，這M^、了從電池組的電力牽
弓l。喚醒計時電路42牽引最小電力，這并不纟腫要。
圖3是系統(tǒng)70的示意圖，與系統(tǒng)40相似，其中相同的元件用相同附圖標 記標。在這一實 案中，喚醒計時電路42由喚醒檢測電路72割戈，該喚 醒檢測電路72包括晶體管開關48、與門62和門鎖電路64。喚醒檢測電路72 也可以是發(fā)動機控帝i勝44的一部分。喚醒檢測電路72還包掛鵬電路74,該 、鵬電路74在線52上被歡活。M電路74包括、M傳繊76和閾值電路78。 將來自溫度傳感器76的溫度信號和來自閾值電路78的閾值信號施加到溫度比 較裝置80上，例如叩-amp。如果驗變?yōu)榈陀陬A定閾值，溫度比較電路80喚 醒線58上的發(fā)動機控帝勝44鄉(xiāng)行靴。,比較裝置80的輸出也設置門 鎖電路64以使喚醒檢測電路72在以J^^f述方式凈itt后斷開。值得注意的 是，喚醒計時電路42和喚醒檢測電路72可以^g成合并電路。
在這個實驗案中，當存在可能的凍結劍牛時僅僅喚戯動鵬制器44, 而不是每^f頁定時間間隔都經歷。因此，即使喚醒檢測電路72可能有點昂貴 并且要比喚醒計時電路42多消耗一些電九而iiil^動t鵬制器44確定歸 存在可能的凍結^f牛會節(jié)約一些電力。可選擇地，一旦發(fā)動機控制器44被溫 度比較電路80喚醒就可以核對可能的凍結條件。溫度傳感器76可以是緊靠燃 料電池系統(tǒng)中任何適當結構(例如燃料電池堆中的管子)設置的熱電偶線。
，討論僅僅公開并描述本發(fā)明的示例性實施方案。本領域的皿人員很 容易從這些討論和附圖以及權利要求中認識到，可以在不脫離權利要求限定的 本發(fā)明的精神和范圍內作出各種改變、修改和變形。
權利要求
1、一種用于在燃料電池系統(tǒng)中選擇性進行燃料電池堆凈化的方法，該方法包括根據預定的參數(shù)確定在燃料電池系統(tǒng)停止時是否存在可能的凍結條件；如果存在可能的凍結條件，凈化燃料電池堆中的反應氣體流動通道；如果不存在可能的凍結條件，正常停止燃料電池系統(tǒng)，無需凈化反應氣體流動通道；如果正常停止系統(tǒng)，則在正常停止之后周期地確定是否存在可能的凍結條件；以及如果隨后確定存在可能的凍結條件，則進行反應氣體流動通道的凈化。
2、 根據權利要求1的方法，其中預定參數(shù)包括環(huán):^ag、 y賴喊mg、 堆驗、地理位置、用戶的i柳狀況、日辦妖氣預報中的一種或多種。
3、 根據權利要求1的方法，其中周期性地確定是否存在可能的凍結條件 包括^ffi喚醒計時電路來周期，喚醒發(fā)動機控庫幡來根據予I^參數(shù)確定是否 ，可能凍結的條件。
4、 根據權利要求1的方法，其中周期性地確定是否存在可能的凍結條件 包括i頓喚醒檢測電路，它具有提供驗測量值的、鵬傳感器和比較測量的溫 度和閾值、鵬的比較裝置，從而確定是否存在可能的凍結條件，如果絲，喚 醒發(fā)動機控律幡以進行靴。
5、 根據權利要求1的方法，還包括如果確定在系統(tǒng)停止之后存在可能的 凍結剝牛，貝贓進行凈4t^前開始保麟略。
6、 根據權利要求5的方法，還包括根據 跪的標準確定是否有足夠的燃料或電池組育遣進行保Mm略，如果為否，則進行凈化。
7、 根據權利要求6的方法，其中預定標準選自由地理信息、用戶狀況信 息和至臓料站的距離組成的組。
8、 根據權利要求1的方法，其中燃料電池系統(tǒng)在機動^5上。
9、 一種燃料電池系統(tǒng)，包括.-含有反應氣 動鵬的^*斗電池堆；用于迫使空^aa，氣^i動通道的rai機；以及 控制i^斗電池系統(tǒng)的控諱幡，所鵬諱幡根據預定參數(shù)確定燃料電池系統(tǒng)停止時是否存在可能的凍結條件，如果存在可能的凍結條件，所述控審M使得壓縮機凈化反應氣條動鵬如果不存在凍結剝牛的可能性，所述控制器正常停ihii料電池系統(tǒng)，無需進行反應氣 動通道的凈化；正常停止之后，所，帶勝周期性地確定是否存在可能的凍結條件，以及如果隨后確定存在可能 的凍結^#,所，制器進行反應氣，動通道的凈化。
10、 根據權利要求9的系統(tǒng)，還包掛鵬傳麟，所述的驗傳感^C溫 度信號提供給控庫l藤以指示是否雜可能的凍結^f牛。
11、 根據權利要求9的系統(tǒng)，還包括接收器，^&接收l^收無線信號以 皿可能的凍結條件的指示。
12、 根據權利要求9的系統(tǒng)，其中預定參數(shù)包括環(huán)^M^、冷卻流mS、 堆溫度、地理位置、用戶的^ffl狀況、日期和天氣預報中的一種或多種。
13、 根據權利要求9的系統(tǒng)，還包括喚醒計時電路，所述喚醒計時電路在 系統(tǒng)停止后根據預定參數(shù)周期性喚醒所，制器，以確定是否存在可能的凍結 餅。
14、 根據權利要求9的系統(tǒng)，還包括喚醒檢測電路，所述喚醒檢測電, 括用于測量鵬的、鵬傳繊，所述喚醒檢測電路比較測量的、鵬和閾值、鵬以確定是否存在可能的凍結條件，如果存在，喚醒所，制^iia行皿。
15、 根據權利要求9的系統(tǒng)，如果控帶JM定在系統(tǒng)停止之后，可能的 凍結餅，則在進行^mt前開始保麟略。
16、 根據權利要求15的系統(tǒng)，其中控審i勝確定是否有足夠的燃料或電池 組肖&fc^ft行保g略，如果為否，貝腿行凈化。
17、 根據權利要求9的系統(tǒng)，其中燃料電池系統(tǒng)在機動糊上。
18、 一種用于機動糊的燃料電池系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 含有反應氣,動ilit的燃料電池堆； 用于迫使空^131反應氣 動通道的壓縮機；以及 控制燃料電池系統(tǒng)的控制器，所，翁勝根據預定參數(shù)確定燃料電池系統(tǒng)停止時是否存在可能的凍結條件，如果存在可能的凍結條件，所述控諱螺促使 壓縮機凈化反應氣體流動,；如果不存在凍結條件的可能性，所述控制器正 常停ihM料電池系統(tǒng)，無需進行反應氣滅動通道的凈化；臓控制驗所述 正常停止之后周期性確定是否#^可能的凍結條件，和如果隨后確定存在可能 的凍結條件，所述控制器進行腿氣鵬動通道的凈化，如驗葡鵬定系統(tǒng)停止之后存在可能的凍結條件，,行m^t前開始保溫策略；以及 在系統(tǒng)停止之后用于喚醒控制器進行凈化的喚醒電路。
19、 根據權利要求18的系統(tǒng)，還包括鵬傳繊，所述驗傳li^溫 度信號提供給控第l藤以指示是否雜可能的凍結剝牛。
20、 根據權利要求18的系統(tǒng)，還包括接收器，所述接收器接收^信號 以提供可能的凍結條件的指示。
21、 根據權利要求18的系統(tǒng)，其中預定參數(shù)包括環(huán)境鵬、7襯喊鄉(xiāng) 度、堆鵬、地理錢、日期和天氣預報中的一種或多種。
22、 根據權利要求18的系統(tǒng)，其中喚醒電路是喚醒計時電路，它在系統(tǒng) 停止之后周期性喚醒控帝幡，以根據預定參數(shù)確定是否存在可能的凍結條件。
23、 根據權利要求18的系統(tǒng)，其中喚醒電路是喚醒檢測電路，它包括用 于測量溫度的驗傳感器，所述的喚醒檢測電路比較測得的M和鵬閾值， 以確定是否存在可能的凍結割牛，如果為是，則喚醒控帝勝進行凈化。
24、 根據權利要求18的系統(tǒng)，其中控庫幡根據預定的標準確定是否有足 夠的燃料或電池組育遣^iS行保麟略，如果為否，貝腿行靴。
25、 根據權利要求24的系統(tǒng)，其中 腕標鵬自由地理信息、用戶狀況 信息和至IJ燃料站的距離組成的組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)凍結性能的水管理策略。一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用在系統(tǒng)停止之后根據預定輸入例如環(huán)境溫度、地理位置、用戶使用狀況、日期、天氣預報等，來確定是否存在凍結條件的可能性的方法。如果系統(tǒng)確定有凍結條件的可能性，然后系統(tǒng)引發(fā)燃料電池系統(tǒng)的凈化停止，將水凈化出反應氣體流動通道。如果系統(tǒng)確定凍結條件不可能，然后開始正常停止程序而無需凈化流動通道。然后系統(tǒng)將周期性確定條件是否發(fā)生改變，如果隨后凍結條件變?yōu)榭赡?，則將開始凈化。
文檔編號H01M8/00GK101098020SQ20071012829
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權日2006年6月27日
發(fā)明者A·B·阿爾普, B·J·克林格曼, D·S·基爾默, D·S·馬休斯, J·R·科羅茲, M·K·霍爾托普, P·A·拉帕波特, S·科查, W·H·佩蒂特 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司