[發(fā)明專利]用低電壓源起動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的閉環(huán)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810215244.6
• 申請(qǐng)日: 2008-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN101399359A
• 公開（公告）日: 2009-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·B·阿爾普;A·喬杜里;M·C·柯克林;M·K·霍爾托普;J·P·薩爾瓦多
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司
• 主分類號(hào): H01M8/24
• 分類號(hào): H01M8/24;H01M8/04
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張群峰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，且更具體地涉及一種起動(dòng)系統(tǒng)和用于啟動(dòng)燃料電池堆的閉環(huán)方法。

背景技術(shù)

燃料電池已被認(rèn)為是一種清潔、高效且無害于環(huán)境的能源，用于電力車輛和各種其他應(yīng)用。特別地，燃料電池已被確認(rèn)是一種用于當(dāng)前車輛中的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的潛在替代物。

一種已知的燃料電池為質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池通常包括三個(gè)基本部件：陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)膜。陰極和陽(yáng)極通常包括支撐在碳顆粒上并混合以離子交聯(lián)聚合物的精細(xì)催化劑，例如鉑。電解質(zhì)膜夾在陰極與陽(yáng)極之間以形成膜電極組件(MEA)。MEA經(jīng)常設(shè)置在多孔擴(kuò)散介質(zhì)(DM)之間，DM有助于傳輸氣態(tài)反應(yīng)物，通常為氫氣和來自空氣中的氧氣，用于電化學(xué)燃料電池反應(yīng)。

獨(dú)立的燃料電池可串聯(lián)堆疊在一起以形成燃料電池堆。燃料電池堆能夠供應(yīng)足以為車輛供電的電量。在采用燃料電池堆的車輛動(dòng)力系統(tǒng)中，氫氣從諸如加壓氫氣箱之類的氫氣儲(chǔ)存源供應(yīng)到陽(yáng)極。空氣通過空氣壓縮器單元供應(yīng)到陰極。在高電壓電池不可操作的非混合動(dòng)力燃料電池車輛或混合動(dòng)力車輛中，在燃料電池堆工作之前通常采用低電壓電池為車輛部件和空氣壓縮器單元供電。在混合動(dòng)力燃料電池車輛中，在燃料電池堆可工作之前，適于從之前的車輛操作中儲(chǔ)存電能的高電壓混合動(dòng)力電池也可用作電能源。通過低電壓電池的起動(dòng)在燃料電池車輛處于凍結(jié)狀態(tài)時(shí)也常常是必要的。

在燃料電池系統(tǒng)起動(dòng)過程中，氫氣用于清理在關(guān)斷過程中積聚在陽(yáng)極的空氣。所希望的是，快速進(jìn)行清理(purge)以使當(dāng)氫氣-空氣鋒(hydrogen-air?front)經(jīng)過陽(yáng)極時(shí)已知發(fā)生的碳退化最小化。在起動(dòng)過程中，空氣還繞至燃料電池堆的排放部以稀釋所排放的清理氫氣。車輛排放標(biāo)準(zhǔn)通常需要所排放的氫氣濃度小于4％的體積百分量。不過，由于在關(guān)斷階段之后燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)不穩(wěn)定，包括電池荷電狀態(tài)(SOC)和陽(yáng)極上積聚空氣的可變量，因此，已知的燃料電池系統(tǒng)在起動(dòng)過程中對(duì)于氫氣排放優(yōu)化和碳侵蝕最小化不是特別有效。

仍然需要一種燃料電池系統(tǒng)和方法，在滿足排放和燃料電池性能需要的情況下，例如在凍結(jié)狀態(tài)下，提供高效起動(dòng)。所希望的是，燃料電池系統(tǒng)和方法提供一種具有電壓不穩(wěn)定性最低的穩(wěn)妥的系統(tǒng)起動(dòng)，并通過優(yōu)化在起動(dòng)過程中的氫氣-空氣交鋒時(shí)間(front?time)而使堆退化最小化。

發(fā)明內(nèi)容

相應(yīng)地在本公開內(nèi)容中，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)了一種燃料電池系統(tǒng)和方法，其提供低電壓起動(dòng)而同時(shí)滿足排放和燃料電池性能的需要，并且提供電壓不穩(wěn)定性最小的穩(wěn)妥的系統(tǒng)起動(dòng)，而且使起動(dòng)過程中的氫氣-空氣交鋒時(shí)間最小化。

在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種燃料電池系統(tǒng)。此燃料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆、陽(yáng)極入口和陰極入口。空氣壓縮器與陰極入口流體連通。氫氣源與陽(yáng)極入口流體連通。起動(dòng)電池與空氣壓縮器電連通。功率轉(zhuǎn)換模塊與起動(dòng)電池和空氣壓縮器電連通。功率轉(zhuǎn)換模塊適于選擇性地升高起動(dòng)電池的電壓并向空氣壓縮器供電。控制器與功率轉(zhuǎn)換模塊連通，并進(jìn)一步適于基于可用電能設(shè)置空氣壓縮器速度。壓力傳感器與控制器電連通，并適于測(cè)量空氣壓縮器的壓縮器壓力。

在另一實(shí)施例中，還提供一種在起動(dòng)時(shí)操作燃料電池系統(tǒng)的方法。所述方法首先包括以下步驟：接收啟動(dòng)請(qǐng)求；使功率轉(zhuǎn)換模塊能夠升高低電壓電池的電能。然后，確定升壓的低電壓電池的可用電能，并基于可用電能確定空氣壓縮器的估算速度。空氣壓縮器被啟動(dòng)并被設(shè)置為估算速度。測(cè)量空氣壓縮器的實(shí)際速度和壓縮器出口壓力。根據(jù)壓縮器出口壓力和實(shí)際速度估算空氣壓縮器的空氣流速。當(dāng)實(shí)際速度大于所希望的速度時(shí)基于空氣流速安排陽(yáng)極清理。

在另一實(shí)施例中，所提供的方法包括以下步驟：根據(jù)以下中的至少一種確定可用電能：a)具有電壓升高的低電壓電池，b)具有電壓升高的高電壓電池，和c)不具有電壓升高的高電壓電池。然后，起動(dòng)電池選自在電壓升高或未升高狀態(tài)下的具有最大可用電能的低電壓電池和高電壓電池中的一種。當(dāng)a)所述實(shí)際速度大于所希望的速度，或者b)已經(jīng)經(jīng)過了壓縮器增速時(shí)間時(shí)，根據(jù)實(shí)際速度和壓縮器出口壓力計(jì)算空氣流速。

附圖說明

本公開內(nèi)容的以上以及其他優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)以下詳細(xì)描述特別是結(jié)合以下描述的附圖，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得顯而易見。

圖1例示了現(xiàn)有技術(shù)的PEM燃料電池堆的示意分解立體圖，其中僅顯示出兩個(gè)電池；

圖2是根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的具有低電壓電池的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；

圖3是圖2所示燃料電池系統(tǒng)的示意圖，其中進(jìn)一步包括高電壓電池；

圖4是顯示出沒有可操作高電壓電池的起動(dòng)方法的示意流程圖；和