燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括：燃料電池堆；噴射器，與燃料電池堆流體連通、具有縮擴(kuò)(CD)噴嘴并且具有位于CD噴嘴的喉部上游的供氫噴嘴和再循環(huán)管道；熱源，被構(gòu)造為加熱噴射器。用于燃料電池系統(tǒng)的氫供給組件包括：噴射器，具有縮擴(kuò)(CD)噴嘴和位于CD噴嘴上游的混合室。混合室具有再循環(huán)管道和供氫噴嘴。熱源被構(gòu)造為加熱噴射器?？刂朴糜谌剂想姵氐臍涔┙o裝置的方法包括：響應(yīng)于檢測(cè)到燃料電池啟動(dòng)時(shí)的加熱條件，控制熱源對(duì)陽(yáng)極堆上游的噴射器進(jìn)行加熱，以防止噴射器中的冰形成。
【專利說(shuō)明】燃料電池系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]各個(gè)實(shí)施例涉及一種具有氫噴射器的燃料電池系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)暴露至凝固條件時(shí)，因在燃料電池的初始啟動(dòng)過(guò)程中或在初始啟動(dòng)之后形成的冰，導(dǎo)致包括反應(yīng)液和水的氫燃料電池組件會(huì)遇到運(yùn)行問(wèn)題。
[0003]對(duì)于在陽(yáng)極側(cè)上具有被動(dòng)再循環(huán)回路的基于噴射器的燃料電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)該系統(tǒng)在寒冷的周圍溫度下開(kāi)始運(yùn)行時(shí)或在啟動(dòng)之前的冷吹掃循環(huán)過(guò)程中，再循環(huán)料流中存在的水會(huì)凝固。例如，當(dāng)其最初進(jìn)入噴射器并接觸冷表面時(shí)，該水會(huì)凝固?；蛘?，該水遇到從主噴射器入口流入的冷的新鮮氫流時(shí)，隨后會(huì)在混合室中凝固片刻。對(duì)于車輛中的燃料電池應(yīng)用來(lái)說(shuō)，新鮮氫的溫度很大程度上取決于燃料儲(chǔ)存罐的溫度，該溫度很可能與環(huán)境溫度相對(duì)應(yīng)。另外，流過(guò)噴射器的新鮮的氫和再循環(huán)的氫的混合物隨著其在整個(gè)擴(kuò)散器中擴(kuò)展而進(jìn)一步冷卻，為水凝固提供了另一個(gè)機(jī)會(huì)。
[0004]噴射器是動(dòng)量傳遞裝置，因此，其引起的被動(dòng)再循環(huán)流是由噴射器執(zhí)行的壓縮功的函數(shù)。在陽(yáng)極回路中的任何壓降增大了用于噴射器的壓縮功并且會(huì)限制再循環(huán)流。陽(yáng)極回路中的主要壓降是燃料電池堆本身，為了使噴射器和燃料電池正常運(yùn)行，需要將跨其它所有組件的壓降最小化。因此在陽(yáng)極回路中的任何位置(包括噴射器)的冰形成表現(xiàn)出額外的壓降，這會(huì)引起燃料電池性能劣化直到來(lái)自燃料電池運(yùn)行的潛熱使冰被動(dòng)地融化為止。
[0005]對(duì)于車輛中的燃料電池的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，燃料電池需要在車輛可能遭遇的凝固溫度下運(yùn)行。車輛和燃料電池車輛可能暴露于-25攝氏度或甚至更低的溫度下，其遠(yuǎn)低于水的凝固點(diǎn)。對(duì)于燃料電池車輛來(lái)說(shuō)，需要解決寒冷天氣運(yùn)行問(wèn)題，以在具有極端環(huán)境溫度的氣候下運(yùn)行并且滿足用戶對(duì)于車輛的期望。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在實(shí)施例中，提供一種具有燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)。噴射器與燃料電池堆流體連通、具有縮擴(kuò)(⑶)噴嘴并且具有位于⑶噴嘴的喉部上游的供氫噴嘴和再循環(huán)管道。熱源被構(gòu)造為加熱噴射器。
[0007]在另一實(shí)施例中，提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的氫供給組件。噴射器具有縮擴(kuò)(CD)噴嘴和位于CD噴嘴的上游的混合室，混合室具有再循環(huán)管道和供氫噴嘴。熱源被構(gòu)造為加熱噴射器。
[0008]CD噴嘴可以是第一材料，供氫噴嘴可以是第二材料。
[0009]熱源可以可以是正溫度系數(shù)(PTC)加熱器。
[0010]氫供給組件還可以包括氫供給閥，所述氫供給閥可位于噴射器的上游并且與供氫噴嘴流體連通，其中，所述閥與噴射器可形成為一體。
[0011 ] 熱源還可以被構(gòu)造為加熱所述閥。
[0012]閥和噴射器可以由導(dǎo)熱材料形成，并且可以被熱絕緣材料包圍，熱源可設(shè)置在導(dǎo)熱材料與隔熱材料之間。
[0013]在又一實(shí)施例中，提供一種控制用于燃料電池的氫供給裝置的方法。響應(yīng)于檢測(cè)到燃料電池啟動(dòng)時(shí)的加熱條件，控制熱源對(duì)陽(yáng)極堆上游的噴射器進(jìn)行加熱，以防止噴射器中的冰形成。
[0014]控制用于燃料電池的氫供給裝置的方法還可以包括:響應(yīng)于檢測(cè)到燃料電池啟動(dòng)時(shí)的加熱條件，指示熱源以對(duì)噴射器上游的氫供給閥進(jìn)行加熱，以防止噴射器中的冰形成。
[0015]本公開(kāi)的各個(gè)實(shí)施例具有相關(guān)聯(lián)的非限制性優(yōu)點(diǎn)。燃料電池在堆的陽(yáng)極側(cè)上具有噴射器，該噴射器驅(qū)動(dòng)被動(dòng)再循環(huán)回路。當(dāng)燃料電池在冷的環(huán)境溫度中起動(dòng)時(shí)，冰會(huì)在噴射器內(nèi)形成并造成燃料電池性能的劣化和系統(tǒng)內(nèi)的不穩(wěn)定性。噴射器上游的噴射器和/或氫供給閥具有一個(gè)或更多個(gè)熱源諸如加熱元件，以防止冰形成或使冰形成最少化。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1示出根據(jù)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)；
[0017]圖2示出在具有冰形成的傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)中的噴射器；
[0018]圖3示出根據(jù)實(shí)施例的氫供給閥和噴射器；
[0019]圖4示出根據(jù)另一實(shí)施例的噴射器；
[0020]圖5A示出啟動(dòng)時(shí)在凝固條件下跨用于現(xiàn)有技術(shù)燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極堆的壓降；
[0021]圖5B示出啟動(dòng)時(shí)在凝固條件下用于現(xiàn)有技術(shù)燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極堆入口溫度；
[0022]圖6A示出啟動(dòng)時(shí)在凝固條件下跨用于根據(jù)本公開(kāi)的具有閥和噴射器的燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極堆的壓降；
[0023]圖6B示出啟動(dòng)時(shí)在凝固條件下用于根據(jù)本公開(kāi)的具有閥和噴射器的燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極堆入口溫度。

【具體實(shí)施方式】
[0024]根據(jù)需要，將本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施例公開(kāi)于此，然而，將要理解的是，所公開(kāi)的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的可以以各種方式和替換方式實(shí)施的示例。附圖不必然按比例繪制，一些特征可以被夸大或縮小以示出特定組件的細(xì)節(jié)。因此，在此所公開(kāi)的特定結(jié)構(gòu)性和功能性細(xì)節(jié)不被解釋為是限制性的，而僅作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以不同方式采用本發(fā)明的典型性基礎(chǔ)?；瘜W(xué)術(shù)語(yǔ)中的成分的描述是指添加到說(shuō)明書中說(shuō)明的任意組合時(shí)的成分，并且不必然排除一旦混合之后混合物的成分之間的化學(xué)相互作用。
[0025]圖1作為工藝流程圖，示意性地示出根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)10。例如，燃料電池系統(tǒng)10可用于車輛中，以提供電力來(lái)使電馬達(dá)運(yùn)行從而驅(qū)動(dòng)車輛或執(zhí)行其它車輛功能。燃料電池系統(tǒng)10可以是作為本領(lǐng)域已知的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。其它系統(tǒng)架構(gòu)也可以用于根據(jù)本公開(kāi)的精神和范圍的燃料電池系統(tǒng)10。
[0026]燃料電池系統(tǒng)10具有燃料電池堆12。該堆12包括陽(yáng)極側(cè)14、陰極側(cè)16和位于它們之間的膜18。燃料電池系統(tǒng)10與例如高壓總線20或牽引電池電連通并向其提供能量。燃料電池堆12可以還具有冷卻回路(未示出)。
[0027]在燃料電池系統(tǒng)的初始啟動(dòng)和運(yùn)行的過(guò)程中，產(chǎn)物水、諸如氫的殘余燃料和諸如氮的副產(chǎn)物會(huì)在燃料電池堆12的陽(yáng)極側(cè)14處累積。陽(yáng)極的產(chǎn)物流會(huì)被收集在燃料電池堆12的下游的分離器中。可以通過(guò)分離器去除至少一部分液態(tài)水和/或氮，包括未使用的氫和水蒸氣的剩余成分可通過(guò)再循環(huán)回路中的返回通道返回燃料電池堆12。燃料電池啟動(dòng)時(shí)的條件可能足夠寒冷，使得在噴射器或噴射器的下游之中的返回的水蒸氣和/或小水滴形成冰。本公開(kāi)的各個(gè)實(shí)施例提供了防止或減少噴射器中的冰形成的系統(tǒng)和方法。
[0028]諸如主氫源的主燃料源22被連接到燃料電池堆12的陽(yáng)極側(cè)14。主氫源22的非限制性示例是高壓氫儲(chǔ)存罐或氫化物儲(chǔ)存裝置。氫源22被連接到一個(gè)或更多個(gè)氫供給閥24?？衫寐菥€管26來(lái)控制氫通過(guò)該閥的流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，閥24和螺線管26作為脈沖寬度調(diào)制(PWM)閥而運(yùn)行。當(dāng)然，可使用本領(lǐng)域已知的其它氫相容閥。閥24將氫提供至一個(gè)或更多個(gè)噴射器28。該閥和噴射器可以結(jié)合為組件29，或者替代地，可以是單獨(dú)的組件。噴射器28具有主入口噴嘴30或供氫噴嘴，該主入口噴嘴30或供氫噴嘴將氫提供到縮擴(kuò)噴嘴32的收縮段中。噴嘴32的擴(kuò)散段被連接到陽(yáng)極側(cè)14的輸入端34。
[0029]陽(yáng)極側(cè)34的輸出端36連接到被動(dòng)再循環(huán)回路38。通常，過(guò)量氫氣被提供至陽(yáng)極側(cè)14以保證有充足的氫可用于堆12中的所有電池。也就是說(shuō)，以超過(guò)一個(gè)化學(xué)計(jì)量比(即，以相對(duì)于精確的電化學(xué)需要量的燃料富余比例)的方式將氫提供至燃料電池堆12。設(shè)置再循環(huán)回路38使得未被陽(yáng)極側(cè)14使用的多余的氫返回至輸入端38以供利用且未被浪費(fèi)。
[0030]另外，所累積的液相和汽相水是陽(yáng)極側(cè)14的輸出物。陽(yáng)極側(cè)14需要濕化，其用于有效化學(xué)轉(zhuǎn)化并且以延長(zhǎng)膜壽命。再循環(huán)回路38可用于提供水，以使氫氣在進(jìn)入陽(yáng)極側(cè)14的輸入端34之前潤(rùn)濕。
[0031 ] 再循環(huán)回路38包括分離器40，分離器40可以是除水裝置(water knock-outdevice)或其它裝置，以從液流中分離液體水和過(guò)量的氮。分離器40從陽(yáng)極側(cè)14的輸出端36接收氫氣、氮?dú)夂退幕旌衔锪骰蚧旌衔镆?。該水可以是混合相并且可包括液相水和汽相水。分離器40去除通過(guò)排泄線(或排泄管道)42離開(kāi)分離器的液相水的至少一部分。例如，在燃料電池堆12的吹掃工藝過(guò)程中，氮?dú)狻錃夂推嗨闹辽僖徊糠忠部梢噪x開(kāi)排泄線42并穿過(guò)控制閥44。分離器40中的剩余流體通過(guò)再循環(huán)回路38中的連接到噴射器28的通路46而離開(kāi)。通路46中的流體被供給到縮擴(kuò)噴嘴32的收縮段或混合室中，在此處其與從噴嘴30和氫源22進(jìn)入的氫混合，以使氫潮濕。
[0032]在噴射器28內(nèi)或燃料電池系統(tǒng)10的其它位置形成結(jié)冰或水會(huì)導(dǎo)致電池電壓降低和/或燃料電池堆12內(nèi)的電壓不穩(wěn)定。結(jié)冰會(huì)引起噴射器28內(nèi)的阻塞或部分阻塞。在縮擴(kuò)噴嘴28的擴(kuò)散段中的結(jié)冰有效地在噴嘴32內(nèi)建立第二文丘里段(venturi sect1n)并且會(huì)導(dǎo)致噴射器28的泵送不穩(wěn)定。
[0033]閥24和/或噴射器28可安裝有一個(gè)或更多個(gè)熱源48或加熱元件。熱源48可運(yùn)行以防止噴射器18和燃料電池系統(tǒng)10中的冰形成或融化存在的冰。在圖1中示出的示例中，熱源48使用電能產(chǎn)生熱量來(lái)加熱閥24和噴射器28。根據(jù)一個(gè)非限制性示例，熱源48可以是正溫度系數(shù)(PTC)加熱器并且可提供大約50瓦級(jí)別的熱量。熱源48還可以是任意其它的電阻加熱元件。在其它實(shí)施例中，熱源48可以是熱交換器，熱交換器被構(gòu)造為利用熱回路中的熱液對(duì)閥24和/或噴射器28進(jìn)行加熱。熱回路(未示出)可具有加熱元件，以對(duì)流體行加熱，或者可選擇的是，可利用來(lái)自另一車輛或燃料電池組件的余熱來(lái)加熱熱回路中的流體。閥24還可以以其最大流量工作，同時(shí)仍然提供期望量的氫以加熱該閥。
[0034]熱源48電連接到低壓電池50。低壓電池50通過(guò)直流至直流DC-DC連接器52連接到高壓電池20。在其它實(shí)施例中，熱源48可直接連接到高壓電池20。
[0035]在一些實(shí)施例中，高壓電池20可連接到交流至直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器54，并連接到用于連接至外部電源的充電器56，以對(duì)電池20進(jìn)行充電。這提供了插電式燃料電池車輛，其中，當(dāng)車輛被連接時(shí)，可利用來(lái)自外部電源的電使熱源48運(yùn)行。
[0036]熱源48與控制器58聯(lián)通。控制器58可包括任何數(shù)量的單個(gè)控制器，并且可集成為單個(gè)控制器，或具有各種模塊。這些控制器中的一些或全部可以通過(guò)控制器局域網(wǎng)(CAN)或其它系統(tǒng)連接，控制器局域網(wǎng)(CAN)或其它系統(tǒng)繼而可連接至其它燃料電池控制器?？刂破?8接收燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)指令并控制系統(tǒng)10開(kāi)始運(yùn)彳丁。控制器58可以被構(gòu)造為:在許多不同條件中的任何條件下控制燃料電池系統(tǒng)10的各個(gè)組件的操作，包括按照在燃料電池的啟動(dòng)期間、在冷吹掃過(guò)程期間等使冰的形成最少化或減少的方式。
[0037]控制器58與一個(gè)或更多個(gè)熱源48、對(duì)閥24進(jìn)行控制的螺線管26、以及一個(gè)或更多個(gè)溫度傳感器聯(lián)通。燃料電池系統(tǒng)10可具有諸如熱敏電阻的溫度傳感器，該溫度傳感器設(shè)置為在燃料電池系統(tǒng)10的不同位置處測(cè)量流體或組分溫度?？刂破?8示出為從陽(yáng)極入口溫度傳感器60、氫入口溫度傳感器62、再循環(huán)流溫度傳感器64和噴射器主體溫度傳感器66接收表不溫度的信號(hào)?？刂破?8還可以與環(huán)境溫度傳感器68聯(lián)通。燃料電池系統(tǒng)10可被構(gòu)造為具有較多或較少的溫度傳感器，并且可基于燃料電池系統(tǒng)10的運(yùn)行條件和環(huán)境溫度，利用各種預(yù)測(cè)算法和校準(zhǔn)表來(lái)確定在燃料電池系統(tǒng)10內(nèi)的不同位置處的溫度。
[0038]在一個(gè)實(shí)施例中，控制器28與用戶接口(未示出)聯(lián)通，以接收來(lái)自用戶的與期望的啟程時(shí)間有關(guān)的輸入?？刂破?8還可以與網(wǎng)絡(luò)或云計(jì)算系統(tǒng)聯(lián)通，以確定用于燃料電池啟動(dòng)的預(yù)測(cè)時(shí)間?？刂破?8可使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以模式(圖案)為基礎(chǔ)或其它算法(例如，基于先前的車輛啟動(dòng)和啟程時(shí)間)來(lái)預(yù)測(cè)可能的燃料電池系統(tǒng)10的啟動(dòng)時(shí)間?？刂破?8可以與衛(wèi)星系統(tǒng)或無(wú)線系統(tǒng)等聯(lián)通，以基于燃料電池系統(tǒng)的位置來(lái)確定預(yù)測(cè)的環(huán)境溫度的調(diào)度表(schedule)，其中，燃料電池系統(tǒng)的位置可以使用全球定位衛(wèi)星接收機(jī)來(lái)確定。
[0039]控制器58被構(gòu)造為響應(yīng)于加熱條件并響應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)指令指不熱源以對(duì)閥和/或噴射器進(jìn)行加熱，來(lái)防止噴射器中的冰形成。可選擇地，控制器可響應(yīng)于加熱條件并在預(yù)測(cè)的燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間之前指示熱源以對(duì)閥和/或噴射器進(jìn)行加熱。加熱條件是有可能發(fā)生冰形成的燃料電池系統(tǒng)條件。加熱條件可以是在閾值以下的燃料電池系統(tǒng)組件溫度或環(huán)境溫度。加熱條件還可以基于其它燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)。
[0040]對(duì)噴射器進(jìn)行加熱還提供以下附加的優(yōu)點(diǎn)，S卩，保持陽(yáng)極再循環(huán)流的濕度并將該濕度傳遞至燃料電池堆的陽(yáng)極入口。熱傳導(dǎo)通過(guò)噴射器主體并且隨著其流過(guò)噴射器的混合室而通過(guò)傳導(dǎo)和/或?qū)α鞅晦D(zhuǎn)移至再循環(huán)氣體中。陽(yáng)極再循環(huán)氣體的增加的溫度有助于補(bǔ)償來(lái)自主噴嘴30和氫源22的冷氫流，并且減輕由混合上述料流所導(dǎo)致的凝結(jié)或結(jié)露點(diǎn)下降，從而在燃料電池堆的陽(yáng)極入口處提供增加的濕度。
[0041]堆12的陰極側(cè)16接收例如作為氣源70中的組成部分的氧。在一個(gè)實(shí)施例中，壓縮機(jī)72由馬達(dá)74驅(qū)動(dòng)，以對(duì)進(jìn)入的空氣進(jìn)行加壓。加壓后的空氣在進(jìn)入陰極側(cè)16之前被增濕器76增濕。另一個(gè)分離器(未示出)可以位于增濕器76的下游，以在其在輸入端78處進(jìn)入堆12的陰極側(cè)16之前將水從濕潤(rùn)的空氣流中去除。陰極側(cè)16的輸出端80連接到閥82。來(lái)自分離器40的排泄線42可連接到閥82下游的線(或管道)84。在其它實(shí)施例中，排泄線可以與燃料電池系統(tǒng)10中的其它位置鉛垂。
[0042]基于噴射器28的使用以產(chǎn)生通過(guò)陽(yáng)極側(cè)14的流并使流通過(guò)被動(dòng)再循環(huán)回路38，噴射器28必須克服包括通?？缛剂想姵囟?2的顯著壓降在內(nèi)的任何壓降。所示出的系統(tǒng)10不包括引導(dǎo)再循環(huán)回路38中的流的泵或其它裝置。因此，對(duì)于燃料電池性能和穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，需要防止或減少噴射器28內(nèi)的冰形成。
[0043]圖2示出了例如在燃料電池的啟動(dòng)之前的冷吹掃過(guò)程期間或者在燃料電池的啟動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)中的噴射器100中的冰形成的示例。氫在102處從氫源流至噴射器100中。氫接著流過(guò)主噴嘴入口 104。這時(shí)，氫可以以高流速流動(dòng)并且可以接近聲速。氫接著進(jìn)入混合室106，該混合室106還是縮擴(kuò)噴嘴110的收縮段108。再循環(huán)氣體還在112處進(jìn)入混合室106，并且該再循環(huán)氣體包括氫、水蒸氣和其它成分。
[0044]在混合室106內(nèi)氫流夾帶著再循環(huán)氣體，接著濕潤(rùn)的氫流113流過(guò)噴嘴110的喉部114。隨著⑶噴嘴110的截面積降低，在喉部114的流速可達(dá)到聲速。濕潤(rùn)的氫接著離開(kāi)噴嘴110的喉部114并且進(jìn)入擴(kuò)散段116。隨著擴(kuò)散段116的截面積增大，濕潤(rùn)的氫的速度降低。在擴(kuò)散段116內(nèi)，隨著截面積增大，流的溫度和壓力降低。濕潤(rùn)的氫充當(dāng)可壓縮的流體并且具有面積的變化，正如本領(lǐng)域所已知的，存在相對(duì)應(yīng)的溫度和壓力變化。例如，利用理想的氣體和可逆流假設(shè)，可容易地計(jì)算出對(duì)于不同面積比的溫度和壓力比以及對(duì)于亞音速、音速和超音速流的馬赫數(shù)(Mach number) 0類似地，可以找到用于更復(fù)雜的流的壓力和溫度。如果流變?yōu)橐羲倩蚋?，則遍及在CD噴嘴內(nèi)形成的震波處會(huì)產(chǎn)生附加的溫度和壓降。
[0045]隨著流的溫度的降低，特別是在擴(kuò)散段116內(nèi)，水蒸氣或小水滴會(huì)改變狀態(tài)并形成冰118。對(duì)于已經(jīng)處于冷周圍環(huán)境中的噴射器100來(lái)說(shuō),噴射器材料和壁的溫度會(huì)與環(huán)境溫度一樣低。噴射器100的冷壁及噴射器100的冷熱量會(huì)促進(jìn)冰形成和/或提供使冰沉積至其上的冷表面。因冷氫儲(chǔ)存裝置和通過(guò)擴(kuò)散器的氫的膨脹，氫氣102的溫度還可以處于環(huán)境溫度或在環(huán)境溫度以下，并且有助于冰形成。
[0046]如圖2中可看見(jiàn)的，⑶噴嘴110內(nèi)的冰118引起擴(kuò)散段116中的噴嘴的橫截面局部減小。這種因結(jié)冰引起的橫截面的局部減小會(huì)導(dǎo)致流的不穩(wěn)定性和噴射器性能的降低。
[0047]圖3示出了組合閥和噴射器組件120。閥主體和噴射器主體被整合并形成單個(gè)主體122。在其它實(shí)施例中，閥和噴射器可以單獨(dú)地形成并在燃料電池內(nèi)設(shè)置為彼此相鄰或分隔開(kāi)，其中，閥和/或噴射器具有相應(yīng)的加熱器模塊。閥部分124是正常閉合的螺線管閥。氫流進(jìn)入閥入口 126。氫流由活塞128控制。該活塞處于正常閉合的位置以防止氫的流動(dòng)，除非活塞被致動(dòng)。當(dāng)螺線管132的線圈130通電并工作時(shí)，活塞128升高，氫氣流過(guò)活塞128并流到閥出口 134。閥124可以是任何類型的螺線管閥或適于與氫氣一起使用的其它閥。
[0048]對(duì)于組件120的噴射器部分140的主入口噴嘴138來(lái)說(shuō)，閥出口 134成為噴射器入口通道136。再循環(huán)氣體通過(guò)入口 142流至噴射器部分中?；旌鲜?44和⑶噴嘴146形成在組件120內(nèi)。濕潤(rùn)的氫在148處離開(kāi)組件。
[0049]組件120具有一個(gè)或更多個(gè)熱電加熱器模塊150。對(duì)于所示出的實(shí)施例，熱電加熱器被整合至組件的主體122中，以加熱閥部分124和噴射器部分140。主體122可以由導(dǎo)熱材料形成。熱電加熱模塊可以是諸如固態(tài)有源熱泵的熱電熱泵，其利用電能和珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect)將熱從裝置的一側(cè)傳遞至另一側(cè)。組件120還可以以絕緣材料152卷繞或包圍。絕緣材料可使組件120以更快的速率變熱和/或以更慢的速率變冷。
[0050]圖4示出了噴射器160的另一實(shí)施例，噴射器160具有由第一材料制成的主入口噴嘴162和由第二材料制成的混合室164和⑶噴嘴166。噴射器160可利用如這里討論的各種技術(shù)進(jìn)行加熱，或者可位于加熱的閥的下游。噴射器160可與氫閥單獨(dú)地形成。主入口噴嘴163可以由諸如不銹鋼等的金屬制造。噴嘴162被設(shè)計(jì)為與氫氣一起使用，以防止由氫氣造成的材料降解、脆化和/或腐蝕。
[0051]混合室164和⑶噴嘴166可由諸如塑料的第二材料制成。第二材料具有比第一材料更低的熱質(zhì)量，因此當(dāng)暴露至冷周圍環(huán)境時(shí)，更慢到達(dá)凝固溫度。第二材料還可以是具有低接觸角的疏水性材料，從而進(jìn)一步防止在CD噴嘴的擴(kuò)散段內(nèi)的水沉積和冰形成。
[0052]圖5示出了來(lái)自不具有加熱系統(tǒng)的傳統(tǒng)燃料電池的啟動(dòng)數(shù)據(jù)。圖5A示出了隨時(shí)間跨燃料電池的陽(yáng)極側(cè)的壓力180。圖5B示出了在至陽(yáng)極堆的入口處測(cè)量的溫度?？珀?yáng)極的壓力180表示流經(jīng)系統(tǒng)的流。壓力180示出了基線值184以及脈沖186。基線壓力184由噴射器流引起。脈沖186由保持通過(guò)陽(yáng)極堆的流的吹掃閥活動(dòng)引起。在188的初始瞬時(shí)啟動(dòng)時(shí)段，堆入口的溫度在凝固點(diǎn)以下或在零攝氏度以下，冰會(huì)在噴射器中形成。由于壓力基線184處于其通常的操作壓力以下，并且堆入口溫度182沒(méi)有升高至零攝氏度以上，所以噴射器具有冰形成，如190區(qū)域中所示。最終，冰在區(qū)域90中的燃料電池運(yùn)行期間被動(dòng)地融化，并且在192處，堆入口的溫度182開(kāi)始升高，并且如區(qū)域194中所示，陽(yáng)極基線壓力184也升高至正常的運(yùn)行值。注意到，被動(dòng)性融化冰的時(shí)間可以以分鐘計(jì)，并且對(duì)于以在凝固點(diǎn)以下的初始溫度所示出的示例約為5分鐘。
[0053]圖6示出了來(lái)自根據(jù)本公開(kāi)的具有加熱系統(tǒng)的燃料電池的開(kāi)始數(shù)據(jù)。圖6A隨時(shí)間示出了跨燃料電池的陽(yáng)極側(cè)的壓力200。圖6B示出了在至陽(yáng)極堆的入口處所測(cè)量的溫度202。壓力200示出了基線值204和脈沖206。在208處的初始瞬時(shí)啟動(dòng)時(shí)段，堆入口的溫度在凝固點(diǎn)以下或在零攝氏度以下。用于閥和/或噴射器的加熱器在圖6中所示的啟動(dòng)工序開(kāi)始時(shí)打開(kāi)，或者可選擇地，可以在啟動(dòng)之前打開(kāi)以對(duì)噴射器和/或閥進(jìn)行預(yù)熱。示例中示出的加熱器是以50瓦特的量級(jí)繪出的低功率加熱器。如圖所示，由于陽(yáng)極基線壓力204保持在其正常運(yùn)行值，所以噴射器有少許或無(wú)冰形成，如區(qū)域210中所示，并且溫度202以平穩(wěn)的且連續(xù)的方式繼續(xù)升高。
[0054]用于加熱閥和/或噴射器的熱源可以響應(yīng)于基于各種燃料電池狀態(tài)的加熱條件或其它條件而開(kāi)始。控制器可基于來(lái)自溫度傳感器或其它燃料電池或車輛傳感器的輸入來(lái)指示加熱器模塊開(kāi)始并結(jié)束加熱。為了指示熱源運(yùn)行，環(huán)境溫度和/或燃料電池溫度會(huì)需要在預(yù)定的閾值以下。這些閾值可以是零攝氏度，或者可以是在零攝氏度以上或以下的值。
[0055]閥和/或噴射器可以響應(yīng)于燃料電池啟動(dòng)指令或車輛啟動(dòng)指令(諸如門解鎖信號(hào)或點(diǎn)火鑰匙信號(hào))而被加熱。閥和/或噴射器還可以響應(yīng)于燃料電池開(kāi)始冷浸過(guò)程而被加熱。
[0056]閥和/或噴射器可以響應(yīng)于諸如陽(yáng)極基線壓力不是其預(yù)計(jì)或預(yù)期的運(yùn)行壓力、陽(yáng)極壓力的變化率在預(yù)計(jì)值以下、或者表示潛在冰形成的另一燃料電池度量標(biāo)準(zhǔn)(諸如混合流的低溫或噴射器塊的低溫)的燃料電池性能測(cè)量而被加熱。
[0057]閥和/或噴射器還可以響應(yīng)于預(yù)測(cè)的信息而被加熱?？刂破骺纱_定燃料電池的預(yù)期啟動(dòng)時(shí)間。例如，燃料電池的控制器可以與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，或與接收選擇用于燃料電池的期望開(kāi)始時(shí)間的用戶輸入(例如，車輛出發(fā)時(shí)間)的另一控制器聯(lián)通。控制器可以被構(gòu)造為基于模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其它預(yù)測(cè)算法來(lái)預(yù)測(cè)出發(fā)時(shí)間?？刂破鬟€可以被構(gòu)造為接收與預(yù)測(cè)的環(huán)境溫度調(diào)度表(例如天氣預(yù)報(bào))有關(guān)的信息。例如，如果控制器預(yù)測(cè)到燃料電池在前一晚無(wú)運(yùn)行之后將在上午7:00起動(dòng)并且預(yù)測(cè)到環(huán)境溫度在此時(shí)在凝固點(diǎn)以下，則控制器可以調(diào)度并指示熱源在上午6:45開(kāi)始加熱以為燃料電池在七點(diǎn)時(shí)的起動(dòng)做準(zhǔn)備。
[0058]本公開(kāi)的各個(gè)實(shí)施例具有關(guān)聯(lián)的非限制性優(yōu)點(diǎn)。燃料電池在堆的陽(yáng)極側(cè)上具有噴射器，該噴射器驅(qū)動(dòng)被動(dòng)再循環(huán)回路。當(dāng)燃料電池在冷的周圍溫度下起動(dòng)時(shí)，會(huì)在噴射器內(nèi)形成冰并造成燃料電池性能的下降和系統(tǒng)內(nèi)的不穩(wěn)定性。噴射器上游的噴射器和/或氫供給閥具有一個(gè)或更多個(gè)熱源(諸如加熱元件)，以防止或減少冰形成。
[0059]盡管上面描述了示例性實(shí)施例，但其并不意指這些實(shí)施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。相反，在說(shuō)明書中使用的詞語(yǔ)是描述性的而非限定性的，應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變。另外，各種實(shí)現(xiàn)實(shí)施例的特征可以進(jìn)行組合以形成本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括: 燃料電池堆； 噴射器，與燃料電池堆流體連通并具有縮擴(kuò)噴嘴，并且具有位于縮擴(kuò)噴嘴的喉部上游的供氫噴嘴和再循環(huán)管道；以及 熱源，被構(gòu)造為加熱噴射器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括氫供給閥，所述氫供給閥位于噴射器的上游并且與噴射器的供氫噴嘴流體連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，熱源為第一熱源； 所述燃料電池系統(tǒng)還包括被構(gòu)造為加熱氫供給閥的第二熱源。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述熱源還被構(gòu)造為加熱氫供給閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，燃料電池堆具有陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)； 所述燃料電池系統(tǒng)還包括與陽(yáng)極側(cè)流體連通的再循環(huán)回路； 其中，再循環(huán)回路與噴射器的再循環(huán)管道流體連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，燃料電池堆具有陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)； 其中，噴射器與陽(yáng)極側(cè)流體連通并且位于陽(yáng)極側(cè)的上游。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括控制器，所述控制器被構(gòu)造為:響應(yīng)于吹掃循環(huán)期間的加熱條件，指示熱源對(duì)噴射器進(jìn)行加熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括控制器，所述控制器被構(gòu)造為:(i)測(cè)量系統(tǒng)溫度以確定加熱條件，以及(ii)響應(yīng)于所述加熱條件，指示熱源對(duì)噴射器進(jìn)行加熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括控制器，所述控制器被構(gòu)造為:(i)接收燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以確定加熱條件，以及(ii)響應(yīng)于所述加熱條件，指示熱源以對(duì)噴射器進(jìn)行加熱。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括控制器，所述控制器被構(gòu)造為:響應(yīng)于加熱條件并響應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)指令，指示熱源對(duì)噴射器進(jìn)行加熱。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括控制器，所述控制器被構(gòu)造為:響應(yīng)于加熱條件在預(yù)測(cè)的燃料電池啟動(dòng)時(shí)間之前指示熱源對(duì)噴射器進(jìn)行加熱。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括控制器，所述控制器被構(gòu)造為:指示熱源以對(duì)噴射器進(jìn)行加熱，從而加熱噴射器中的氫燃料和陽(yáng)極再循環(huán)氣體，以控制噴射器的出口以及至燃料堆的入口處的流體流中的濕度。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK104134809SQ201410185049
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月3日
【發(fā)明者】克萊格·邁克爾·馬西, 威廉·F·桑得遜, 維果·埃德沃茲, 弗萊德·G·布萊頓 申請(qǐng)人:福特全球技術(shù)公司