[發明專利]用于燃料電池堆高效加熱的燃料電池結構、熱系統和控制邏輯

有效

• 申請號: 201810377762.1
• 申請日: 2018-04-25
• 公開（公告）號: CN108878926B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: S·阿里塞蒂;A·R·羅加恩;B·阿克什曼安
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04225
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 代易寧;鄧雪萌

本發明公開了用于調節燃料電池堆溫度的燃料電池結構、熱子系統和控制邏輯。公開了一種用于調節燃料電池堆溫度的方法。該方法包括確定燃料電池堆的預啟動溫度，并針對該預啟動溫度確定將燃料電池堆加熱到標準最低運行溫度的目標加熱速率。該方法然后確定針對目標加熱速率的氫釋放百分比，并執行堆加熱操作，堆加熱操作包括激活燃料電池堆并且命令流體控制裝置以氫釋放百分比將氫氣引導至陰極側，以產生廢熱。在標準時間段之后，該方法確定堆運行溫度是否超過標準最低堆運行溫度。響應于運行溫度等于或超過最低運行溫度，終止堆加熱操作。

引言

本公開總體上涉及用于將氣態氫基燃料的化學能轉換為電能的燃料電池系統。更具體地，本公開的各方面涉及用于有效地加熱燃料電池堆的熱系統和相關的控制算法。

目前生產的機動車輛，例如現代的汽車，最初配備有動力傳動系，該動力傳動系用于驅動車輛并為車載電子設備供電。包括且通常被錯誤分類為車輛傳動系的動力傳動系通常包括原動機，該原動機通過多速度動力傳輸向車輛的最終傳動系統(例如差速器、車軸和車輪)傳遞驅動力。因往復活塞式內燃機(ICE)較高的易得性、低成本、重量輕和較高的總效率，汽車通常由其提供動力。作為一些非限制性示例，這種發動機包括兩沖程和四沖程壓縮點火(CI)柴油機、四沖程火花點火(SI)汽油機、六沖程結構和旋轉式發動機。另一方面，混合動力車輛和電動車輛利用諸如電動發電機之類的替代動力源來驅動車輛，將對發動機的動力依賴最小化，并因此提高整體燃油經濟性。

混合動力車輛和純電動車輛動力傳動系采取各種結構，其中一些采用燃料電池系統為一個或多個電動牽引馬達供電。燃料電池是通常由接收氫氣(H₂)的陽極、接收氧氣(O₂)的陰極以及介于陽極和陰極之間的電解質組成的電化學裝置。誘發電化學反應以氧化陽極處的氫分子，從而產生自由質子(H+)，然后使其穿過電解質，在陰極處通過氧化劑(如氧氣)的作用得以還原。特別地，氫氣通過陽極催化劑層中的氧化半電池反應被催化分解，以產生自由氫質子和電子。這些氫質子穿過電解質到達陰極，在陰極處氫質子與陰極中的氧和電子反應生成水。然而，來自陽極的電子不能通過電解質，因此在被送到陰極之前通過諸如馬達或電池的負載被重新導向。

通常見于汽車應用的燃料電池設計利用固體聚合物電解質膜(PEM)-也稱“質子交換膜”(PEM)-實現陽極和陰極之間的離子傳輸。質子交換膜燃料電池(PEMFC)通常使用固體聚合物電解質(SPE)質子傳導膜(例如全氟磺酸膜)來分離生成氣體，并實現質子的傳導和電極的電絕緣。陽極和陰極通常包括高度分散的催化顆粒，例如負載于碳顆粒上并與離聚物混合的鉑(Pt)。催化混合物沉積在膜的側面以形成陽極和陰極催化層。陽極催化劑層、陰極催化劑層和電解質膜共同限定了膜電極組件(MEA)，其中陽極催化劑和陰極催化劑負載在離子導電固體聚合物膜的相對面上。

為了產生驅動機動車輛所需的電力，通常將多個燃料電池串聯或并聯成燃料電池堆，以實現更高的輸出電壓和更強的電流消耗。例如，用于汽車的典型燃料電池堆可具有兩百個或更多個堆疊的燃料電池。這些燃料電池堆接收反應氣體作為陰極輸入，尤其作為在壓縮機的作用下通過燃料電池堆的環境空氣流或濃縮氣態氧流。在正常運行期間，可定量的氧氣不會被燃料電池堆消耗；剩余氧氣的一部分作為陰極廢氣輸出，其可能包括作為燃料電池堆副產物的水。燃料電池堆還接收氫氣或富含氫氣的反應氣體，作為流入燃料電池堆的陽極側的陽極輸入。氫氣在陽極流道內的分布通常保持基本恒定，以實現適當的燃料電池堆運行。在一些運行模式下，為燃料電池堆供給補充氫氣，使得陽極氣體均勻分布以實現標準的燃料電池堆輸出負載。然而，隨著這種額外的氫氣輸入，“滑”入陽極廢氣的氫氣量增加，這可能導致系統效率降低。