專利名稱：使用于低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件的燃料電池電站操作系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，其適合用于運(yùn)輸車輛、移動(dòng)電站、或如固定電站，以及本發(fā)明特別是涉及用于最小化有關(guān)燃料電池水凍結(jié)問題的燃料電池電站操作系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是眾所周知的，并且通常被用于從包含還原液態(tài)燃料(reducingfluid fuel)的氫和包含氧化劑反應(yīng)物流的氧產(chǎn)生電功率以向諸如發(fā)電機(jī)和運(yùn)輸車輛這樣的電氣設(shè)備供電。在現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池中，使用質(zhì)子交換膜(proton exchangemembrane, “PEM”)作為電解質(zhì)是已知的。如眾所周知的，在陽極催化劑層處形成的質(zhì)子穿過電解質(zhì)移動(dòng)到陰極催化劑層，而電子移動(dòng)穿過電路來給負(fù)載供電。當(dāng)電子完成該電路回到燃料電池時(shí)并且當(dāng)氧化劑經(jīng)過陰極催化劑附近時(shí)，在陰極催化劑處形成燃料電池產(chǎn)物水(fuel cell product water)。使用這樣的燃料電池來給運(yùn)輸車輛供電必要地包括許多起動(dòng)-停止循環(huán)，其中的一些會(huì)發(fā)生在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中。一般，在PEM燃料電池中的燃料電池產(chǎn)物水至少部分地被再循環(huán)，或被利用以使膜與水化合，以使反應(yīng)物流濕潤(rùn)，以從膜電極組裝(membraneelectrode assembly, “MEA”)去除熱，以支持燃料重整器，以及為了其他眾所周知的目的。在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中，燃料電池水的凍結(jié)可能阻塞引導(dǎo)反應(yīng)物流穿過燃料電池的流動(dòng)路徑(f 1w path ),從而破壞燃料電池性能。

最小化燃料電池產(chǎn)物水的凍結(jié)問題的努力包括使用復(fù)雜的和昂貴的燃料加熱器(fuel fired heater),使用來自燃料電池電站電池組(battery)的寄生功率(parasiticpower)的電加熱器，冷卻水流動(dòng)流內(nèi)復(fù)雜的防凍解決方案，等等。排他地依賴在燃料電池的啟動(dòng)時(shí)由操作燃料電池所生成的熱以防止燃料電池產(chǎn)物水凍結(jié)和阻塞反應(yīng)物流流動(dòng)通道(flow channel)也是已知的。這樣的啟動(dòng)常常被稱作“輔助程序啟動(dòng)”(boot strapstart-up)，因?yàn)槿剂想姵乇旧硖峁┢渥约旱臒嵊糜诜乐乖趩?dòng)期間產(chǎn)生的燃料電池產(chǎn)物水的凍結(jié)。然而不幸地，當(dāng)環(huán)境條件極端冷的時(shí)候，或者當(dāng)燃料電池在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中只被操作短的持續(xù)時(shí)間(諸如，2-3分鐘或者更短的車輛操作)時(shí)，在啟動(dòng)時(shí)生成的燃料電池產(chǎn)物水可能在陰極催化劑層的孔隙內(nèi)和在鄰近陰極和/或陽極催化劑層的反應(yīng)物流動(dòng)孔隙或通道內(nèi)保持在低于冰點(diǎn)的條件。于是這樣低于冰點(diǎn)的燃料電池水可能凍結(jié)和阻塞或限制氣態(tài)反應(yīng)物流到燃料電池催化劑的通路。這是特別棘手的問題，如果燃料電池供電的車輛經(jīng)歷一次或更多中止的起動(dòng)(aborted start)的話，其意味著操作者發(fā)起燃料電池停止運(yùn)轉(zhuǎn)，一般通過在燃料電池達(dá)到凍結(jié)-安全(freeze-safe)操作溫度之前在燃料電池啟動(dòng)過程期間關(guān)斷燃料電池開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(on/off switching device)。這可能由于正常車輛操作境況的各種典型原因而發(fā)生，諸如操作者返回到住處內(nèi)去取遺忘的物項(xiàng)，非常短的旅程，諸如去鄰居的住處，等等。于是凍結(jié)的燃料電池水通過阻止和/或嚴(yán)重限制鄰近燃料電池催化劑、尤其是鄰近陰極催化劑的反應(yīng)物流的流動(dòng)，可能相當(dāng)大地妨礙在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中啟動(dòng)燃料電池時(shí)的后續(xù)努力。關(guān)鍵點(diǎn)或主要問題是當(dāng)電站由于其操作環(huán)境不適宜停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電站停止運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)被發(fā)送到電站控制器。

發(fā)明內(nèi)容
本公開是用于在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中啟動(dòng)燃料電池的燃料電池電站操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括燃料電池，用于引導(dǎo)氧化劑和燃料反應(yīng)流通過燃料電池以生成電流并且通過負(fù)載電路向主要負(fù)載提供電流。系統(tǒng)控制器控制燃料電池的操作以及向操作電路傳送控制信號(hào)，該操作電路被固定(secured)在與系統(tǒng)控制器和燃料電池及在系統(tǒng)控制器和燃料電池之間的通信中，用于控制燃料電池的操作，包括通過控制通過燃料電池的反應(yīng)物流的流動(dòng)。溫度傳感器被固定在燃料電池上，用于感測(cè)鄰近燃料電池的電解質(zhì)的溫度，并且溫度傳感器將所感測(cè)的溫度傳送給系統(tǒng)控制器。開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備被固定在與系統(tǒng)控制器和操作電路及在系統(tǒng)控制器和操作電路之間的通信中，并且選擇性地允許操作電路來操作燃料電池。開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路(by-pass circuit)被固定在與系統(tǒng)控制器和操作電路及在系統(tǒng)控制器和操作電路之間的通信中，用于在開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備被關(guān)斷并且溫度傳感器感測(cè)到燃料電池溫度低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度時(shí)，選擇性地允許操作電路來操作燃料電池。為了此處的目的，短語“開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備”指的是任意轉(zhuǎn)換設(shè)備、信號(hào)、能夠?qū)⒅噶顐魉徒o系統(tǒng)控制器以選擇性地啟動(dòng)和停止運(yùn)轉(zhuǎn)燃料電池的通信設(shè)備或方法。通過允許燃料電池的操作，開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路允許燃料電池生成足夠的熱以將燃料電池催化劑層內(nèi)和其附近的燃料電池水保持在液態(tài)形式直到燃料電池溫度達(dá)到預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度為止。在該溫度，燃料電池將達(dá)到了液態(tài)和氣態(tài)燃料電池產(chǎn)物水的可接受的平衡。升高的溫度將幫助液態(tài)水從陰極催化劑及其附近蒸發(fā)，并且于是水蒸氣將和氧化劑反應(yīng)物流一起移出燃料電池。同時(shí)地，升高的燃料電池溫度將融化在氣體擴(kuò)散層的孔隙內(nèi)凍結(jié)的燃料電池水，所述氣體擴(kuò)散層擴(kuò)散鄰近催化劑的反應(yīng)物流的流動(dòng)。在凍結(jié)-安全操作溫度，燃料電池可能被停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而沒有在催化劑層的孔隙內(nèi)和/或在鄰近的反應(yīng)物流動(dòng)路徑內(nèi)形成 不可接受水平的破壞性冰。在開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路受控制的燃料電池操作期間所產(chǎn)生的燃料電池電流可以被引導(dǎo)通過旁路電路至諸如燃料電池電池組(fuel cell battery)、加熱器的輔助負(fù)載(auxiliary load),或者僅僅至諸如散熱器等等的電阻性負(fù)載(resistive load)，而不是至主要負(fù)載(例如，車輛發(fā)動(dòng)機(jī))。因此，本公開的一般目的是提供用于在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中使用的燃料電池電站操作系統(tǒng)和方法，其克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。更特定的目的是提供用于在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中使用的燃料電池電站操作系統(tǒng)和方法，其最小化在燃料電池電站啟動(dòng)過程和后續(xù)燃料電池電站操作期間有關(guān)燃料電池產(chǎn)物水凍結(jié)的問題。當(dāng)結(jié)合附圖閱讀下列描述時(shí)，本公開的這些和其他目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。


圖1是依照本公開而構(gòu)造的用于在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中使用的燃料電池電站操作系統(tǒng)和方法的簡(jiǎn)化示意表示。圖2是判定流程圖，表示了依照本發(fā)明的用于在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中使用的燃料電池電站操作方法。
具體實(shí)施例方式詳細(xì)地參考附圖，在圖1中示出了用于在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中操作電站的燃料電池電站操作系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意表示，并且通常由參考數(shù)字10指定。燃料電池電站系統(tǒng)10包括燃料電池12，用于引導(dǎo)氧化劑和燃料反應(yīng)物流通過燃料電池12以生成電流并且通過負(fù)載電路14和主要負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備15向諸如電動(dòng)機(jī)的主要負(fù)載16提供電流。燃料電池12包括氧化劑源18，用于存儲(chǔ)并且引導(dǎo)氧化劑反應(yīng)物流通過被固定在氧化劑吸入管路(oxidant inlet Iine>20上的氧化劑鼓風(fēng)機(jī)19和氧化劑吸入閥22進(jìn)入陰極流場(chǎng)(cathodeflow field) 24用于引導(dǎo)氧化劑反應(yīng)物流以經(jīng)過陰極催化劑26附近并且通過陰極排出管路(cathode exhaust line) 28和被固定在管路28上的陰極排出閥30從陰極流場(chǎng)24出來。燃料電池12也包括燃料源32，用于存儲(chǔ)和引導(dǎo)富氫反應(yīng)物流通過燃料吸入管路34和燃料吸入閥36進(jìn)入陽極流場(chǎng)38用于引導(dǎo)氫反應(yīng)物流以經(jīng)過陽極催化劑40附近并且通過陽極排出管路42和被固定在管路42上的陽極排出閥44從陽極流場(chǎng)38出來。系統(tǒng)控制器46控制燃料電池12的操作，并且可以是任意已知的并且能夠如此處所述執(zhí)行系統(tǒng)控制功能的控制裝置，諸如計(jì)算機(jī)、微計(jì)算機(jī)、機(jī)電閥和由人工操作者、傳輸?shù)介y和轉(zhuǎn)換設(shè)備的由計(jì)算機(jī)生成的控制信號(hào)操作的轉(zhuǎn)換設(shè)備等等。系統(tǒng)控制器46向操作電路48傳送控制信號(hào)，該操作電路48被固定在與系統(tǒng)控制器46和燃料電池12及在系統(tǒng)控制器46和燃料電池12之間的通信中，用于控制燃料電池12的操作，包括通過控制通過燃料電池吸入閥22、36和排出閥30、44的反應(yīng)物流的流動(dòng)，和通過控制主要負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備
15。為了解釋的效率，操作電路48在圖1中被示意性地示出為延伸在系統(tǒng)控制器46和閥
22、30、36、44和主要負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備15之間的操作線路50A、50B、50C和50D。然而，操作電路48可能更加復(fù)雜，包括已知的電路控制裝置，其通過任意形式的信號(hào)通信裝置激活用于控制閥和轉(zhuǎn)換設(shè)備，并且可以包括很多對(duì)于本公開的解釋不是必要的、但對(duì)于燃料電池12的有效操作是必要的中間的和補(bǔ)助的裝置。溫度傳感器52被固定在燃料電池12上，用于感測(cè)鄰近燃料電池12的電解質(zhì)54的溫度，并且用于將所感測(cè)的溫度傳送給系統(tǒng)控制器46，諸如通過溫度線路56。開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58被固定在與系統(tǒng)控制器46和操作電路48及在系統(tǒng)控制器46和操作電路48之間的通信中，并且如以上所述的，選擇性地允許操作電路48來操作燃料電池12。(通過短語“選擇性地允許”，這意味著該開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58可以由操作者(未示出)或者系統(tǒng)控制器46從以下來選擇:位置“開(on)”(轉(zhuǎn)換設(shè)備閉合)以允許控制電路48的操作，或者位置“關(guān)(off)”(轉(zhuǎn)換設(shè)備斷開)以結(jié)束燃料電池12的操作。)
開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備芳路電路60被固定在與系統(tǒng)控制器46和 呆作電路48及在系統(tǒng)控制器46和操作電路48之間的通信中。響應(yīng)于從溫度傳感器52接收到的所感測(cè)的溫度，當(dāng)開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58被關(guān)斷并且溫度傳感器52感測(cè)到燃料電池12的溫度低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度時(shí)，系統(tǒng)控制器46選擇性地允許開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路60繞過開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58從而允許操作電路48來操作燃料電池12。通過短語“預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度”，這意味著為每個(gè)特定的燃料電池確定特定的溫度，在該特定的溫度時(shí)或高于該特定的溫度，在停止運(yùn)轉(zhuǎn)燃料電池時(shí)冰的形成不導(dǎo)致或?qū)е伦钚∠薅鹊膯栴}。開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路60也與系統(tǒng)控制器46、操作電路48、主要負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備15和輔助負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備62固定及被固定在其之間。旁路電路60被配置用于關(guān)斷(斷開)主要負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備15，并且同時(shí)地接通(閉合)輔助負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備62，從而在使用旁路電路60期間生成的電流被引導(dǎo)至輔助負(fù)載64，而不是主要負(fù)載16。輔助負(fù)載64可以是電池組和/或電容器、加熱電路、電阻性負(fù)載或者其他這樣的負(fù)載。開/關(guān)旁路電路60在圖1中被示意性地示出為延伸在系統(tǒng)控制器46、操作電路48、主要負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備15和輔助負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備62之間的多個(gè)通信線路66A、66B和66C(例如，電氣線路、傳輸路徑，等等)。然而，旁路電路60也可以包括能夠執(zhí)行所述功能的任意信
號(hào)通信裝置。當(dāng)開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58、控制電路48和旁路電路60被示出為與系統(tǒng)控制器46分開時(shí)，通過該描述意味著轉(zhuǎn)換設(shè)備58、控制電路48和旁路電路60具有單獨(dú)的功能?？赡艿氖?，開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58、控制電路線路50A、50B、50C、50D、旁路電路60和旁路電路線路66A、66B、66C可以以各種協(xié)作結(jié)構(gòu)在物理上被集成在系統(tǒng)控制器46內(nèi)，并且對(duì)于每個(gè)部件僅通過在此處所述的功能分開。 圖2示出了判定流程圖，其有效地解釋了本公開的燃料電池電站操作系統(tǒng)10的操作。針對(duì)燃料電池12，其會(huì)是為運(yùn)輸車輛(未示出)供電的燃料電池電站(未示出)的燃料電池堆(未示出)內(nèi)的多個(gè)互連燃料電池中的一個(gè)，在圖2中示出的行動(dòng)和判定開始于車輛操作者或者用戶發(fā)起的車輛停止70，諸如通過關(guān)斷(斷開)開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58。當(dāng)用戶發(fā)起停止運(yùn)轉(zhuǎn)、(轉(zhuǎn)換設(shè)備-關(guān))，控制器46判定，如在判定框72中所示的，是否發(fā)生了中止的凍結(jié)起動(dòng)(aborted freeze start)。中止的凍結(jié)起動(dòng)被定義為當(dāng)在用戶發(fā)起的車輛起動(dòng)(轉(zhuǎn)換設(shè)備-開)時(shí)燃料電池的內(nèi)部溫度低于0°C并且在用戶發(fā)起的停止(轉(zhuǎn)換設(shè)備-關(guān))時(shí)燃料電池12的內(nèi)部溫度沒有升至高于凍結(jié)-安全操作溫度時(shí)發(fā)生。如果確定沒有發(fā)生中止的凍結(jié)起動(dòng)，那么如在圖2的框78中所示，系統(tǒng)控制器46的中止起動(dòng)計(jì)數(shù)器被重置為0，并且如在圖2的框80中所示，控制器46繼續(xù)進(jìn)行燃料電池12電站正常停止運(yùn)轉(zhuǎn)程序。如果如圖2中在參考74處由“是”所示的，確定發(fā)生中止的凍結(jié)起動(dòng)，那么如在框82和判定框84中所示，系統(tǒng)控制器46判定中止的凍結(jié)起動(dòng)的次數(shù)是否超過了預(yù)定的極限。如果中止的凍結(jié)起動(dòng)的次數(shù)小于或等于預(yù)定的極限，那么中止的凍結(jié)起動(dòng)的次數(shù)被遞增I并且如在參考86和“正常停止運(yùn)轉(zhuǎn)”框88處由“否”判定所示，控制器46正常地停止運(yùn)轉(zhuǎn)燃料電池12。如果如在參考90處由“是”判定所示，中止的凍結(jié)起動(dòng)的次數(shù)超過了預(yù)定的極限，那么如在參考92中所示,控制器發(fā)起燃料電池變熱(warm-up)程序。通過短語“中止凍結(jié)起動(dòng)(abort freeze start)”, “中止啟動(dòng)”,或者“中止的凍結(jié)起動(dòng)”，并不意味著燃料電池12沒能起動(dòng)。代替地,中止的凍結(jié)起動(dòng)意味著在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中起動(dòng)之后并且在燃料電池12達(dá)到預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度之前，燃料電池用戶關(guān)斷燃料電池開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58。例如，可能在極端冷的環(huán)境條件中發(fā)生這樣的中止的起動(dòng)，其中車輛行駛了短于幾百米的非常短的旅程。在燃料電池變熱程序中，當(dāng)旁路電路60關(guān)斷(斷開)主要負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備15，并且接通(閉合)輔助負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備62時(shí)，系統(tǒng)控制器46將占用開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路60以保持氧化劑和燃料反應(yīng)物流流經(jīng)燃料電池12。于是燃料電池12將操作或運(yùn)行直到溫度傳感器52感測(cè)到燃料電池12的溫度超過了預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度“X”，如在圖2的框92中所示。于是系統(tǒng)控制器46將控制燃料電池12以進(jìn)行正常的停止運(yùn)轉(zhuǎn)程序，如在圖2的框94中所示。這樣的“正常停止運(yùn)轉(zhuǎn)”可以包括取決于燃料電池12的設(shè)計(jì)、燃料電池12的操作環(huán)境、和環(huán)境條件等等的各種步驟和/或過程。例如，氧化劑鼓風(fēng)機(jī)19可以由系統(tǒng)控制器46控制，以便以變化的流速操作并且根據(jù)這樣的因素操作變化的持續(xù)時(shí)間。此外，由系統(tǒng)控制器46通過開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路60進(jìn)行的燃料電池12的操作可以被控制以在有用的電壓上操作燃料電池12 (例如，大于0.6伏特)，或者氧化劑鼓風(fēng)機(jī)19可以被控制以便以最低速度操作以產(chǎn)生虛擬氧化劑匱乏模式，而讓電壓降至大約0.0伏特。用于燃料電池的該操作的功率可以來自輔助負(fù)載64電池組，等等。因此，在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中啟動(dòng)燃料電池12的有效方法包括通過接通開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58來啟動(dòng)燃料電池12，從而氧化劑和燃料反應(yīng)物流流經(jīng)燃料電池12，以產(chǎn)生用于主要負(fù)載16的電流；當(dāng)燃料電池12在燃料電池電解質(zhì)54附近具有低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度的溫度時(shí)，關(guān)斷開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58 ;并且，控制燃料電池12以繼續(xù)操作直到當(dāng)開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58被關(guān)斷時(shí)燃料電池12在電解質(zhì)54附近的溫度高于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度為止。該方法也可以包括，在關(guān)斷開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備58之后，將電流從主要負(fù)載16引導(dǎo)至輔助負(fù)載64，以及在第一中止的起動(dòng)84之后只控制燃料電池12以繼續(xù)操作，如在圖2中所示的。如以上所描述的，當(dāng)燃料電池12在溫度方面升高到凍結(jié)-安全操作溫度“X”時(shí)，燃料電池12將達(dá)到了液態(tài)和氣態(tài)水的可接受的和穩(wěn)定的操作平衡，從而于是燃料電池12可以被停止運(yùn)轉(zhuǎn)而沒有在陰極催化劑26和/或陽極催化劑40的孔隙內(nèi)以及在鄰近的陰極流場(chǎng)24和陽極流場(chǎng)38和有關(guān)的反應(yīng)物流流動(dòng)路徑內(nèi)形成不可接受水平的破壞性冰。通過允許燃料電池12的操作 ，開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路60允許燃料電池12生成足夠的熱來將在燃料電池催化劑內(nèi)及附近的燃料電池12水保持在液態(tài)形式，直到燃料電池12的溫度達(dá)到預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度“X”。升高的溫度將特別地幫助液態(tài)水從陰極催化劑26及附近蒸發(fā)，并且于是水蒸氣將和氧化劑反應(yīng)物流一起從燃料電池12中移出，從而燃料電池12可以經(jīng)歷正常和安全的停止運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然關(guān)于已說明的用于在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中使用的燃料電池12電站操作系統(tǒng)10和方法描述了本申請(qǐng)，要理解的是本發(fā)明并不局限于那些實(shí)施例。例如，雖然出于解釋的目的將燃料電池12示出為單一的電池12，要理解的是燃料電池12的使用更有可能是在眾所周知的燃料電池堆組裝(fuel cell stack assembly)(未示出)中以協(xié)作歧管等等布置的各種鄰近的燃料電池(未示出)內(nèi)。因此，應(yīng)當(dāng)主要地參考下列權(quán)利要求而不是先前的描述來確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池電站操作系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)(10)包括: a.燃料電池(12)，其被配置用于引導(dǎo)氧化劑和燃料反應(yīng)物流通過燃料電池(12)以生成電流并且在燃料電池(12)的操作期間通過負(fù)載電路(14)向主要負(fù)載(16)提供該電流； b.系統(tǒng)控制器(46)，其被固定在與燃料電池(12)的通信中，用于當(dāng)開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)指示系統(tǒng)控制器(46)停止運(yùn)轉(zhuǎn)燃料電池(12)時(shí)并且當(dāng)溫度傳感器(52)感測(cè)到燃料電池(12)溫度低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度時(shí)，維持燃料電池的操作(12)。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)(10)，進(jìn)一步包括輔助負(fù)載(64)，其被固定在與燃料電池(12)的電力通信中，并且被固定在與系統(tǒng)控制器(46)的通信中，從而每當(dāng)在開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)指示系統(tǒng)控制器(46 )停止運(yùn)轉(zhuǎn)燃料電池(12 )時(shí)和在溫度傳感器(52 )感測(cè)到燃料電池(12 )溫度低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度時(shí)，系統(tǒng)控制器(46)維持燃料電池(12)的操作的時(shí)候，燃料電池(12)生成的電流從主要負(fù)載(16)被引導(dǎo)到輔助負(fù)載(64)。
3.一種燃料電池電站操作系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)(10)包括: a.燃料電池(12)，其被配置用于引導(dǎo)氧化劑和燃料反應(yīng)物流通過燃料電池(12)以生成電流并且在燃料電池(12)的操作期間通過負(fù)載電路(14)向主要負(fù)載(16)提供該電流； b.系統(tǒng)控制器(46)，其被固定在與燃料電池(12)的通信中，用于控制燃料電池(12)的操作； c.操作電路(48)，其被固定在與系統(tǒng)控制器(46)和燃料電池(12)及在系統(tǒng)控制器(46)和燃料電池(12)之間的通信中，用于控制燃料電池(12)的操作，包括通過響應(yīng)于從系統(tǒng)控制器(46)接收的控制信號(hào)控制反應(yīng)物流通過燃料電池(12)的流動(dòng)； d.溫度傳感器(52)，其被固定在燃料電池(12 )上，用于感測(cè)燃料電池(12 )的溫度，并且用于將所 感測(cè)的溫度傳送給系統(tǒng)控制器(46)； e.開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)，其被固定在與系統(tǒng)控制器(46 )和操作電路(48 )及在系統(tǒng)控制器(46)和操作電路(48)之間的通信中，用于選擇性地允許操作電路(48)來操作燃料電池(12);和 f.開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路(60)，其被固定在與系統(tǒng)控制器(46 )和操作電路(48 )及在系統(tǒng)控制器(46)和操作電路(48)之間的通信中，用于當(dāng)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)被關(guān)斷并且溫度傳感器(52)感測(cè)到燃料電池(12)溫度低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度時(shí)，選擇性地允許燃料電池(12)的操作。
4.權(quán)利要求3的燃料電池電站操作系統(tǒng)(10)，進(jìn)一步包括輔助負(fù)載(64)，其被固定在通過輔助負(fù)載轉(zhuǎn)換設(shè)備(62)與燃料電池(12)的電力通信中，并且被固定在與系統(tǒng)控制器(46)的通信中，從而每當(dāng)在開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)指示系統(tǒng)控制器(46)停止運(yùn)轉(zhuǎn)燃料電池(12)時(shí)和在溫度傳感器(52)感測(cè)到燃料電池(12)溫度低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度時(shí)，系統(tǒng)控制器(46)維持燃料電池(12)的操作的時(shí)候，燃料電池(12)生成的電流從主要負(fù)載(16)被引導(dǎo)到輔助負(fù)載(64)。
5.—種在低于冰點(diǎn)的環(huán)境條件中操作燃料電池電站系統(tǒng)(10)的方法,該方法包括: a.通過接通開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)啟動(dòng)燃料電池(12 )以引導(dǎo)氧化劑和燃料反應(yīng)物流流經(jīng)燃料電池(12)，以操作燃料電池(12)來產(chǎn)生被引導(dǎo)到主要負(fù)載(16)的電流； b.當(dāng)燃料電池(12)在燃料電池電解質(zhì)(54)附近具有低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度的溫度時(shí)，通過關(guān)斷開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)來執(zhí)行第一中止的凍結(jié)起動(dòng)；并且C.控制燃料電池(12)以繼續(xù)操作直到當(dāng)開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)被關(guān)斷時(shí)燃料電池(12)在在電解質(zhì)(54)附近的溫度高于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度為止。
6.權(quán)利要求5的方法進(jìn)一步包括，在關(guān)斷開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)之后，將電流從主要負(fù)載(16)引導(dǎo)至輔助負(fù)載(64)。
7.權(quán)利要求5的方法進(jìn)一步包括，在執(zhí)行了第一中止的凍結(jié)起動(dòng)之后，然后當(dāng)燃料電池在燃料電池電解質(zhì)(54)附近具備低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度的溫度時(shí)通過接通開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)接著關(guān)斷開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)來執(zhí)行第二中止的凍結(jié)起動(dòng)，并且然后控制燃料電池(12)以繼續(xù)操作，直到當(dāng)開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)被關(guān)斷時(shí)燃料電池(12)在電解質(zhì)(54)附近的溫度高于預(yù) 定的凍結(jié)-安全操作溫度為止。
全文摘要
燃料電池電站操作系統(tǒng)(10)包括開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備旁路電路(60)用以每當(dāng)在燃料電池操作溫度低于預(yù)定的凍結(jié)-安全操作溫度時(shí)燃料電池(12)開/關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備(58)被關(guān)斷的時(shí)候維持燃料電池(12)的操作。旁路電路(60)操作燃料電池(12)直到燃料電池(12)溫度達(dá)到或者超過凍結(jié)-安全溫度從而防止燃料電池(12)產(chǎn)物水在燃料電池催化劑(26，40)中及附近變成冰。
文檔編號(hào)H01M8/04GK103229340SQ201080070576
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者T.帕特森, P.巴德里納拉亞南 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司