[發(fā)明專利]使用電壓分布控制的燃料電池系統(tǒng)起動(dòng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810465440.2
• 申請(qǐng)日: 2018-05-16
• 公開（公告）號(hào): CN108987769B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·卡斯泰盧喬;才俊;S·E·加西亞;A·J·馬斯林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): H01M8/04302
• 分類號(hào): H01M8/04302;H01M8/04858;H01M8/04992
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 佘鵬;鄧雪萌

一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)用于車輛或其它系統(tǒng)且包括燃料電池堆疊、DC?DC升壓轉(zhuǎn)換器以及控制器。該堆疊具有多個(gè)燃料電池和堆疊電壓。該控制器經(jīng)由升壓轉(zhuǎn)換器在燃料電池堆疊的起動(dòng)期間調(diào)節(jié)堆疊電壓，并且經(jīng)編程有多個(gè)校準(zhǔn)電壓分布，每個(gè)校準(zhǔn)電壓分布具有對(duì)應(yīng)的幅值和變化率。控制器構(gòu)造成執(zhí)行方法，該方法響應(yīng)于燃料電池堆疊的經(jīng)請(qǐng)求起動(dòng)而檢測(cè)燃料電池堆疊的空氣起動(dòng)。該控制器然后在燃料電池堆疊的實(shí)際起動(dòng)期間將堆疊電壓實(shí)施為預(yù)定電壓分布，且經(jīng)由升壓轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)并且使用多個(gè)校準(zhǔn)電壓分布來這樣做。

背景技術(shù)

燃料電池堆疊是能夠從在相同構(gòu)造燃料電池的堆疊中發(fā)生的配對(duì)氧化/還原反應(yīng)中產(chǎn)生電力的一種電化學(xué)裝置。每個(gè)燃料電池均包括用于在相反電荷電極之間輸送帶電顆粒的電解質(zhì)。鉑基或其它合適的催化劑加速電極處的催化過程。氫和氧是氧化/還原反應(yīng)的基本燃料，這允許水能作為惰性反應(yīng)副產(chǎn)物而產(chǎn)生。于是，燃料電池可用作車輛推進(jìn)系統(tǒng)、發(fā)電設(shè)備以及其它移動(dòng)或靜止系統(tǒng)中的替代清潔能量源。

在燃料電池系統(tǒng)中，將堆疊起動(dòng)過程限定為配對(duì)氧化/還原反應(yīng)的啟動(dòng)和堆疊最終達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的之后時(shí)間點(diǎn)之間的經(jīng)過階段。因此，燃料電池系統(tǒng)在結(jié)束起動(dòng)過程的情形下開始輸出可用水平的功率。某些問題可能妨礙給定的燃料電池系統(tǒng)經(jīng)歷成功起動(dòng)，例如“空氣起動(dòng)”事件或者電池電壓的突發(fā)峰值。當(dāng)在延長(zhǎng)的關(guān)閉時(shí)間段之后可忽略不計(jì)水平的氫保留在堆疊陽極中時(shí)，例如當(dāng)燃料電池車輛在關(guān)閉狀態(tài)中停車經(jīng)過一周時(shí)，發(fā)生空氣起動(dòng)事件。空氣起動(dòng)可能導(dǎo)致負(fù)陽極電勢(shì)以及可能的堆疊退化。在高于900毫伏水平上的電壓峰值可能導(dǎo)致催化劑氧化和腐蝕，這進(jìn)而會(huì)減小催化劑的可用表面積并且不利地影響燃料電池效率。

發(fā)明內(nèi)容

這里公開一種控制方法，該控制方法用于在堆疊起動(dòng)過程期間控制燃料電池堆疊的輸出電壓(即，堆疊電壓)，且根據(jù)預(yù)定電壓分布來這樣做，而每個(gè)分布均具有對(duì)應(yīng)的幅值和變化率。該方法包括使用直流-直流(DC-DC)升壓轉(zhuǎn)換器，以將堆疊電壓控制為預(yù)定電壓分布，從而很大程度地防止堆疊陽極的負(fù)電勢(shì)，以及降低催化劑氧化的發(fā)生。

燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆疊并且還包括DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器和控制器，該燃料電池堆疊具有多個(gè)燃料電池和堆疊電壓。控制器經(jīng)編程有校準(zhǔn)電壓分布，每個(gè)校準(zhǔn)電壓分布具有對(duì)應(yīng)的幅值和變化率，且該控制器構(gòu)造成經(jīng)由DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)在燃料電池堆疊的起動(dòng)期間的堆疊電壓。控制器還構(gòu)造成響應(yīng)于燃料電池堆疊的經(jīng)請(qǐng)求起動(dòng)而檢測(cè)燃料電池堆疊的空氣起動(dòng)。響應(yīng)于所檢測(cè)的空氣起動(dòng)，該控制器經(jīng)由升壓轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)而在燃料電池堆疊的實(shí)際起動(dòng)期間實(shí)施堆疊電壓的預(yù)定電壓分布，且使用校準(zhǔn)電壓分布而這樣做。

校準(zhǔn)電壓分布包括對(duì)應(yīng)于陽極加壓階段的第一電壓分布和對(duì)應(yīng)于陰極填充階段的第二電壓分布，且第二電壓分布所具有的變化率小于第一電壓分布的變化率。

該控制器經(jīng)編程為使用氣體濃度評(píng)估(GCE)模型的輸出來檢測(cè)燃料電池堆疊的空氣起動(dòng)。在該實(shí)施例中，GCE模型的輸出可以是燃料電池堆疊的陽極板中的經(jīng)評(píng)估氧水平。該控制器可接收燃料電池堆疊的關(guān)閉時(shí)間、溫度以及壓力數(shù)值的每個(gè)作為一組輸入，且GCE模型的輸出根據(jù)該組輸入所確定。

DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器可包括半導(dǎo)體開關(guān)和門驅(qū)動(dòng)電路，且該控制器在電壓恢復(fù)操作模式期間經(jīng)由門驅(qū)動(dòng)電路通過控制半導(dǎo)體開關(guān)的占空比來施加或?qū)嵤╇妷悍植肌?/p>

該控制器可包括微處理器，該微處理器是DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的一部分，且在電壓恢復(fù)操作模式期間控制半導(dǎo)體開關(guān)的占空比。該控制器構(gòu)造成通過以電流控制模式來控制DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器而在完成起動(dòng)之后實(shí)施電壓分布。

該燃料電池系統(tǒng)可包括高電壓DC電池、電氣地連接于電池的功率逆變器模塊、軸以及可操作用以將轉(zhuǎn)矩輸出至軸的電動(dòng)機(jī)器。在非限制的機(jī)動(dòng)車輛實(shí)施例中，道路車輪能可旋轉(zhuǎn)地連接于軸。