[發明專利]用于燃料電池推進系統的基于效率的待機模式

有效

• 申請號: 201310243331.3
• 申請日: 2013-06-19
• 公開（公告）號: CN103515637A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: O.邁爾
• 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: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉楨

技術領域

本發明大體上涉及用于在待機模式下操作燃料電池系統的系統和方法，并且更特別地涉及用于在待機模式下操作燃料電池系統的這樣的系統和方法，該方法包括：基于在燃料電池堆功率和電池功率之間的優化確定進入待機模式的時間；然后提供動態待機模式操作，其中燃料電池堆關閉并且陰極壓縮機在怠速下操作，直到經過計算時間；然后提供其中壓縮機不操作的靜態待機模式。

背景技術

氫是非常有吸引力的燃料，因為它是清潔的并且能用來在燃料電池中有效地產生電力。氫燃料電池是一種包括陽極和陰極并在兩者間具有電解質的電化學裝置。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極中解離以生成自由的質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子與陰極中的氧和電子反應以生成水。來自陽極的電子不能穿過電解質，并且因此被導向穿過負載以便在被送至陰極之前做功。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種流行的車輛用燃料電池。PEMFC一般包括固體聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟代磺酸膜。陽極和陰極通常包括承載在碳粒上且與離聚物混合的細分的催化劑粒子，通常為鉑(Pt)。催化劑混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA制造相對昂貴并且需要某些條件來有效操作。

幾種燃料電池通常組合成燃料電池堆以產生所需功率。例如，典型的車輛用燃料電池堆可具有兩百個或以上的堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應物氣體，該氣體通常為由壓縮機迫使通過電池堆的空氣流。典型的陰極壓縮機將包括空氣軸承。并非所有氧均被電池堆消耗，其中一些空氣被輸出為可包括作為電池堆副產物的水的陰極排氣。燃料電池堆還接收流入電池堆的陽極側的陽極氫反應物氣體。電池堆還包括其中流過冷卻流體的流動通道。

燃料電池堆包括定位在電池堆中的若干MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA定位在兩個端板之間。雙極板包括用于電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道設置在雙極板的陽極側上，其允許陽極反應物氣體流至相應的MEA。陰極氣體流動通道設置在雙極板的陰極側上，其允許陰極反應物氣體流至相應的MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由諸如不銹鋼或導電復合物的導電材料制成。端板將由燃料電池產生的電力傳導至電池堆外部。雙極板也包括其中流過冷卻流體的流動通道。

大多數燃料電池車輛為混合動力車輛，其采用除了燃料電池堆之外的補充電源，例如高壓直流電池或超級電容器。雙向DC/DC轉換器有時用來匹配電池電壓與燃料電池堆的電壓。當燃料電池堆不能夠提供所需功率時，電源為各種車輛輔助負載、為系統起動和在高功率需求期間提供補充功率。燃料電池堆通過直流高壓電氣母線為電氣牽引馬達提供功率以用于車輛操作。在對額外功率的需求超出電池堆能提供的功率期間，例如在重載加速期間，電池為電氣母線提供補充功率。例如，燃料電池堆可提供70kW的功率，然而，車輛加速可能需要100kW的功率。燃料電池堆用來在燃料電池堆能夠提供系統功率需求時對電池或超級電容器再充電。在再生制動期間可從牽引馬達得到的發電機功率也用來對電池或超級電容器再充電。

需要提供用于燃料電池混合動力車輛的控制算法以確定響應于駕駛員功率請求和在所有車輛操作條件下將由燃料電池堆提供多少功率以及將由電池提供多少功率。希望優化由燃料電池堆和電池提供的功率分布，以使得用來操作車輛的氫的量被最小化。換言之，希望以最有效的方式操作燃料電池系統，以允許車輛使用最少量的氫行駛最遠的距離。電池必須在限定的荷電狀態(SOC)范圍內操作，其中控制算法通常提供SOC設定點，基于該設定點而對電池充電和放電進行控制。

當車輛上的燃料電池系統處于空閑模式時，例如當車輛在停車燈處停止時，此時，燃料電池堆不產生用于操作系統裝置的功率，空氣和氫通常仍然被提供至燃料電池堆，并且電池堆正產生輸出功率。該功率通常用來對電池再充電，直到達到電池的SOC上限，此時如果電池被充電超出該上限，電池可能會損壞。當達到該SOC極限時，電池堆上的電池負載被移除，這增加了電池堆電壓，但引起減少電池堆壽命的某些現象。如果燃料電池系統在空閑條件期間關閉，則不需要解決當電池達到其最大SOC時在電池堆上提供負載的問題。另外，當燃料電池堆處于空閑模式時向其提供氫通常是一種浪費，因為在該條件下操作電池堆不產生非常有用的功，如果有的話。