CN101222062B - 用于改善燃料电池系统中功率增加瞬态响应的方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，其使用通过消除堆电流密度积累与阴极侧压力的关联而提高针对高功率增加瞬态的堆功率爬坡的方法。在功率增加瞬态过程中，针对该燃料电池堆期望的电流密度，该系统提供压缩机功率优先权以快速地提供适当的压缩机转速和由此适当的空气质量流量。通过保持阴极回压阀打开，该系统同样保持堆的阴极侧低压力。在功率增加瞬态时通过增加阴极输入空气流速以达到合适的水平，该堆的电流密度将增加到期望的堆功率水平。随后，关闭回压阀以增加堆电压，从而提供通过堆获得的最高总功率。

Description

用于改善燃料电池系统中功率增加瞬态响应的方法

技术领域

【0001】本发明通常涉及一种用于在燃料电池系统中提供功率分配的方法，和更具体地讲，涉及一种燃料电池系统，其提供高压缩机功率和低阴极输出压力以改善增加瞬态的功率响应。

背景技术

【0002】氢是一种非常吸引人的燃料，因为它是清洁的且可以用于在燃料电池中高效产生电力。氢燃料电池是电化学装置，其包括阳极和阴极以及它们之间的电解质。阳极接收氢气和阴极接收氧或空气。在阳极中氢气分解产生游离氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。在阴极中氢质子与氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被送到阴极之前直接通过负载来做功(perform work)。

【0003】质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的通用燃料电池。PEMFC通常包括固相聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极一般包括承载在碳颗粒上并且与离聚物混合的细碎的催化颗粒，通常是铂(Pt)。该催化混合物沉积在该膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合定义为膜电极组合件(MEA)。MEA的生产相对昂贵且需要针对有效工作的特定条件。

【0004】通常，多个燃料电池在燃料电池堆中组合以产生所需功率。该燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是通过压缩机注入的通过堆的空气流。并不是所有的氧都被堆消耗且一些空气作为阴极废气输出，该废气包括作为堆副产品的水。该燃料电池堆同时接收阳极氢输入气体，其流入堆的阳极侧。

【0005】燃料电池系统的动态功率受到限制。此外，从系统启动到可操作的时间延迟和车辆的低加速度是不可接受的。该电压循环可以增加该堆的耐久性。通过高电压电池组与燃料电池堆并联使用能够最小化这些缺点。使用算法以提供来自电池和燃料电池堆的功率分布以符合所需功率。

【0006】一些燃料电池车辆是混合型汽车，其除燃料电池堆之外还使用电能存储系统(EESS)，例如DC电池组或超级电容器(同样称为超电容器或双层电容器)。当燃料电池堆不能提供期望功率时，该EESS向各种车辆辅助负载、向系统启动和在高功率需求过程中提供补充功率。更具体地讲，该燃料电池堆通过DC电压总线给用于车辆运行的电牵引系统(ETS)提供功率。在这些时段期间当需要的附加功率超过堆能够提供的功率时，该EESS向电压总线提供补充功率，例如在高度加速(heavy acceleration)的过程中。例如，该燃料电池堆可以提供70kW的功率。然而，车辆加速可能需要100kW或更大的功率。当燃料电池堆能够满足系统功率需求时，在这些时段中该燃料电池堆用于给EESS再充电。在反馈制动(regenerative braking)的过程中从牵引马达获得的发电机功率通过DC总线同样用于给电池组再充电。

【0007】对于汽车应用而言从闲置功率到全功率的可接受时间周期是大约两到三秒。目前，燃料电池车辆不能提供期望快的瞬态功率增加。通常，因为燃料电池堆不能足够快地接收阴极空气，所以出现对于燃料电池系统的增加瞬态响应极限。只要压缩机接收足够的功率，压缩机本身能够提供快速地爬坡增加。然而，给压缩机提供功率的能力限制了压缩机给燃料电池堆足够快速地提供空气流的能力。该问题的一部分是循环的，其中该压缩机通常接收来自燃料电池堆的功率，和在低堆功率时该燃料电池堆功率通常太低，以致不能提供高压缩机转速。

【0008】通常在功率增加瞬态过程中混合型燃料电池车辆中配备的该高电压电池组可帮助提供压缩机功率，以足够快速地提供所要求的ETS功率。然而，该电池具有局限性，通常来说不允许电池低于预定的充电最小状态(SOC)。

发明内容

【0009】根据本发明的教导，公开一种燃料电池系统，其使用一种方法，即对于高功率增加瞬态通过消除堆电流密度积累和阴极侧压力的关联而增加堆功率爬坡。在功率增加瞬态中，该系统给予压缩机功率优先权，以快速地提供对于燃料电池堆期望的电流密度合适的压缩机转速。通过保持阴极回压阀打开，该系统同样保持低的堆阴极侧压力。在功率增加瞬态时通过增加阴极输入空气流速以达到合适的水平，该堆的电流密度将增加到期望的堆功率水平。随后，关闭回压阀以增加堆电压，从而提供可通过堆获得的最高总功率。

【0010】从下列说明书和所附权利要求并结合附图，本发明的其它特点将变得显而易见。

附图说明

【0011】图1是对于混合型燃料电池车辆的电力系统的简化框图；和

【0012】图2是显示根据本发明一个实施方案的用于提高对于燃料电池车辆的改进增加瞬态功率响应时间的方法的流程图。

具体实施方式

【0013】涉及用于提高燃料电池混合型车辆功率增加瞬态响应方法的本发明实施方案的下列描述性质上仅是示范性的，并没有打算限制本发明或其使用或应用。

【0014】图1是对于燃料电池混合型车辆功率系统10的概括性框图。该功率系统10包括燃料电池堆12和压缩机14，该压缩机给燃料电池堆12的阴极侧提供空气流。该系统10同样包括阴极废气管中的阴极侧回压阀26，其用于控制堆12的阴极侧压力。该功率系统10还包括电牵引系统(ETS)16、高电压电池组18和低电压电池组20。该高电压电池组18用来表示适合于这里讨论目的的任何高电压电能存储系统。在一实施方案中，该低电压电池组是标准12伏车用电池组。在功率系统10中的高电压总线24上的组件之间分配功率。高电压DC/DC推进转换器22增加低电压电池组20的功率到适用于功率系统10的水平。正如所示的，功率系统10的组件对于本领域技术人员都是公知的。在下面进行详细描述，该功率系统10使用这样的算法，该算法提高功率增加瞬态响应，使得燃料电池堆12、电池组18和电池组20能够如何快速地给ETS16提供功率。

【0015】通过给压缩机14提供增加的功率以满足需求，对于燃料电池混合型汽车该已知的功率系统响应增加瞬态功率需求。然而，该压缩机14可能接收不到其最高功率，其中有效功率的大部分提供给了ETS 16以满足功率需求。在功率增加瞬态开始时，该已知的功率系统同样关闭回压阀26。到堆12的阴极侧的更高的空气流支撑更高的燃料电池堆电流密度，而更高的阴极侧压力增加堆电压。因此，为了提供对于增加瞬态功率需求的高功率，通常需要具有高阴极空气流和相对高的阴极侧压力。

【0016】本发明提出了一种替代技术，以提供功率增加瞬态，相对于现有技术所提供的那些，其允许系统10更快地向ETS 16提供高功率。建立堆功率最快的方法是尽可能快地增加堆电流密度，其中堆电流密度与阴极空气流直接相关。根据本发明，消除堆电流密度的积累与阴极侧压力的关联。对于燃料电池堆12期望的电流密度，在功率增加瞬态时该功率系统10给予压缩机14功率优先权以快速地提供合适的压缩机转速和因此合适的空气质量流速。通过保持回压阀26打开该系统10还保持堆12的阴极侧压力为低。特别地，在系统闲置时完全或几乎完全地打开回压阀26，和在功率增加瞬态过程中保持打开或环境条件直到堆的电流密度达到或接近于期望功率水平的电流密度。在功率增加瞬态时通过增加阴极输入空气流速到合适的水平，堆12的电流密度将增加到期望的堆功率水平。随后，关闭回压阀26以此后增加堆电压，和提供期望的堆相对湿度水平和其它因素，以提供可通过堆12获得的最高总功率。

【0017】图2是显示本发明方法的流程图30，该方法在高功率增加瞬态需求时用于快速地增加燃料电池堆12的功率。在方框32该算法监测来自ETS 16的驱动功率需求。在判定菱形34，该算法确定功率需求是否是低功率，例如闲置。在判定菱形34中如果该功率需求是低功率，通过在它们最大的充电状态水平下充电随后该算法致使燃料电池堆12保持低电压电池组20和高电压电池组18的充电状态，且在方框36中使用低压缩机转速提供所需的低功率给ETS16。此外，在方框38处将通过回压阀26提供的阴极出口压力设置为环境压力，也即打开，和该算法返回到方框32处的检测驱动功率需求。

【0018】在判定菱形34中如果该功率需求不是低功率，随后在判定菱形42中该算法确定该功率需求是否是高功率增加瞬态，其是预定值。在判定菱形42中如果该功率是高功率增加瞬态，随后在方框38中该算法保持阴极出口回压阀26在环境压力位置，且随后返回到在方框32处的检测驱动功率需求。此外，该算法将所有或大部分有效功率输送给压缩机14直到压缩机14接收的最高功率，例如13kW，以在方框46中尽可能快地增加压缩机14的转速。该功率可以来自燃料电池堆12、高电压电池组18和低电压电池组20。当该系统10关闭时，该低电压电池组20一般用于系统启动和提供辅助功率。然而，根据本发明的这个实施方案，来自低电压电池组20的功率还可以通过DC/DC推进转换器22推进以帮助提供压缩机14所需的功率。或者，任何超过燃料电池堆12的压缩机14、低电压电池组20和高电压电池组18的功率限制的剩余功率能够用于给ETS 16提供功率以获得所需的功率水平。

【0019】随后在判定菱形48中该算法判断通过ETS 16获得的功率是否等于为提供期望的车辆速度所需的功率。在判定菱形48中如果没有获得期望的功率，随后在判定菱形50中该算法确定低电压电池组20或高电压电池组18的充电是否下降到最小充电状态的水平。正如以上所讨论的，在判定菱形50中如果高电压电池组18或者低电压电池组20的充电状态不在最小充电状态，该算法返回到方框46以提供所有的有效功率给压缩机14和提供剩余功率给ETS 16。在判定菱形50中如果高电压电池组18或低电压电池组20的充电状态减小为最小充电状态水平，随后在方框52中该算法使得该燃料电池堆12给低电压电池组20或者高电压电池组18的其中之一或者两个充电，和将堆12的剩余有效功率提供给ETS 16以提供功率增加瞬态需求。

【0020】在判定菱形48中如果获得的功率与所需的功率不相等，或者在判定菱形42中功率需求不是高功率增加瞬态，在判定菱形54中该算法确定是否有对于预定高功率水平的需求。在判定菱形54中如果没有高功率水平的需求，随后该算法返回到方框38以保持阴极出口压力为环境压力。在判定菱形54中如果该功率需求是高功率，随后在判定菱形56中该算法确定获得的该功率是否等于对于某一预定时段的功率需求。在一个非限制实例中，该周期大约是10秒。在判定菱形56中对于小于预定时段如果获得的功率达到功率需求，随后该算法返回到方框38以保持阴极出口压力为环境压力。然而，在判定菱形56中如果获得的功率等于功率需求达大于预定时段，随后在方框58中该算法关闭或部分地关闭回压阀26以增加阴极侧压力，例如145kPa，以增加堆12的电压，正如以上所讨论的，以提供最大功率。

【0021】通过在高功率增加瞬态过程中保持阴极压力相对低和保持堆12中薄膜的相对湿度能够更好地保持本发明的一个额外的优势。

【0022】为了说明本发明的算法，可以提供关于功率系统10的功率分配的数值。在系统闲置的过程中，例如t＝-2.0秒，该压缩机14可以接收来自燃料电池堆12的1kW的功率以保持闲置条件。此外，该低电压电池组20和该高电压电池组18没有给ETS 16提供任何功率。同样，该燃料电池堆12可以提供1kW功率给低电压电池组20以保持其充电状态在最高水平且该堆12可以提供3kW功率给高电压电池组18以保持其充电状态在最高水平。

【0023】在增加瞬态功率需求为t＝0.1秒之后，例如90kW功率需求，现有技术的功率系统可以从高电压电池组18中提供7kW给压缩机14，其中通常的最大压缩机功率在大约13kW，和该堆12可以提供1kW功率给ETS 16且高电压电池组18可以提供23kW给ETS16以满足功率需求。因此，该压缩机14不能得到快速足够爬坡的充足功率。

【0024】根据本发明，在高功率增加瞬态开始的过程中，例如在t＝0.1秒，该压缩机14将接收来自高电压电池组18的最大值13kW。如果该电池18不能提供最大压缩机功率，随后低电压电池组20和燃料电池堆12的其中一个或两个可以提供附加功率。此外，该燃料电池堆12可以提供1kW给ETS 16，该低电压电池组20可以提供2kW给ETS 16和该高电压电池组18可以提供17kW给ETS 16。在这些情形中，该压缩机14接收其最大功率以尽快地提供最大空气流给堆12，和ETS 16接收来自一些功率源的剩余有效功率。

【0025】在功率增加瞬态需求结束的大约t＝3.0秒时，该燃料电池堆12达到其最大电流密度且能够提供大约84kW，其中该压缩机14仍然接收13kW功率。此外，现在该燃料电池堆12给高电压电池组18和低电压电池组20分别以大约5kW和1kW充电。

【0026】因此，根据本发明，该压缩机14得到其可以从所有有效功率源得到的功率，和该ETS 16在功率接收中是次级的。在增加瞬态功率请求时该ETS 16不能够立即得到像在现有技术系统中那样多的功率，但是其更快地达到功率需求。尤其是，因为压缩机14得到其所需要的那样多的功率，该压缩机14将更快地旋转。一旦压缩机14的转速为高，其用于在低功率提供高阴极流动，然后在此建立压力。该低电压电池组20和高电压电池组18将更快地放电，但是该燃料电池堆功率将能够在快速充分的时段中给它们再充电。因此，该燃料电池堆12比已知的系统能够更快地提供增加的电流密度。

【0027】正如以上所讨论的，根据本发明，在低功率条件下提供低阴极出口压力设置点。在随后的功率增加瞬态中，该阴极压力设置点在短时期内不会上升。随后，在几秒之后，该阴极压力设置点增加到更高的功率条件下需要的最终压力。作为一种备选方案，该阴极侧压力可保持为低，直到该系统10确定堆12需要更高的电压。因为电压增加压力，该压力会上升直到或者获得电压或者达到预定最高压力。当形成空气流时，该回压阀26保持全部打开。增加压缩机14的速度直到来自质量流量计(未示出)或其它感受设备的反馈达到支撑高功率需求所需要的阴极压力设置点。在随后的某时，当压力积累阶段开始时，关闭该回压阀26。使用反馈的阴极出口压力和空气流量，通过改变压缩机14的转速和回压阀26的位置，整个系统可以以连贯方式操作。

【0028】在低/闲置功率下为了保持特定的堆相对湿度和保持堆耐久性，阴极化学当量足够高以保持稳定性和该冷却液出口温度低以补偿高流速，从而保持期望的相对湿度。在功率增加瞬态的问题上，在阴极化学当量降低大约5到大约1.8时同时冷却该堆12。这即刻导致高的阴极出口相对湿度，通常高于100％。在增加瞬态过程中保持阴极出口压力低以促进降低随着功率增加瞬态向上波动的相对湿度，从而得到更好的阴极水管理。

【0029】根据本发明，在功率增加瞬态时来自各种功率源的所有功率输送给压缩机14，使得压缩机转速和由此的空气质量流量能够尽可能快地上升。在燃料电池堆12的情形中，该压缩机14可消耗高达13kW。如果高电压电池组18足够大以保持系统运行和提供全部的13kW给压缩机14，随后这个直接提供初始功率给ETS 16。例如，如果具有伴生的1kW和高电压电池组18提供10kW，随后1kW将保证系统附加负载受到充分支持，但是9kW将直接提供给压缩机14。随后该燃料电池堆12将提供所有的启动功率。在第二实例中，如果该高电压电池组18提供30kW，随后1千瓦将保证系统附加负载受到充分支持，首先将给压缩机14提供13kW，和任何剩余功率将输送给ETS 16，通常高于16kW。此外，DC/DC推进转换器22推进低电压电池组20达到高电压。该推进转换器22因此提供用于启动燃料电池堆12的优势，然而，本发明的目的是在类似于高电压电池组使用运行的过程中能够同时使用该能量。

【0030】在功率增加瞬态时，DC/DC推进转换器22能够提供的所有功率将首先分配给压缩机14，随后分配给ETS 16。总体来说，一个重要因素是除系统关键部件之外，例如12伏总线(未示出)，压缩机14总是作为最高优先级接收功率。在瞬态结束之后，或者当电池18和20放电到预定最小充电状态以下时，无论哪个先出现，该系统10立即使其本身适于部分地给电池组18和20充电并且供应所需的任何功率给ETS 16。

【0031】在增加瞬态功率需求中，该压缩机14通常是响应最慢的组件。然而，它根本上驱动燃料电池系统最重要的方面之一，即支持空气反应。目的是尽可能会地使压缩机14旋转到支持功率需求所需要的期望的流速，即使这表示电池组1 8和20在数百毫秒或短短的几秒(a few short second)内输送较少的功率给ETS 16。

【0032】上述仅仅公开和描述了本发明的典型实施方案。在不脱离下面权利要求确定的本发明精神和范围的情况下，本领域技术人员将容易地从这种讨论和附图以及权利要求中认识到，可以在其中做出各种变化、改进和变动。

Claims (20)

1.一种用于在燃料电池系统中提供功率的方法，所述方法包括：

确定燃料电池系统是否需要功率增加瞬态；

给压缩机提供预定最大功率，该压缩机给燃料电池堆提供空气流以尽可能快地增加堆电流密度；

在功率增加瞬态过程中保持燃料电池堆阴极侧的压力为低；和

在功率增加瞬态结束时或临近结束时增加燃料电池堆阴极侧的压力，使得堆电流密度相对迅速地增加和在功率增加瞬态结束时或临近结束时使得堆电压增加以提供最大功率。

2.根据权利要求1的方法，其中给压缩机提供预定最大功率包括从高电压电池组提供功率。

3.根据权利要求2的方法，其中给压缩机提供预定最大功率还包括从低电压电池组和燃料电池堆提供功率。

4.根据权利要求2的方法，还包括在功率增加瞬态过程中如果高电压电池组达到预定最小充电状态则使用燃料电池堆给高电压电池组充电。

5.根据权利要求4的方法，还包括使用来自该系统的有效功率以首先给压缩机提供预定最大功率，其次给高电压电池组充电和再次满足功率需求。

6.根据权利要求1的方法，其中增加燃料电池堆阴极侧的压力包括在燃料电池系统功率达到功率需求之后等待预定时段以增加阴极侧压力。

7.根据权利要求6的方法，其中该预定时段大约是10秒。

8.根据权利要求1的方法，还包括使用任何剩余功率以满足超过提供给压缩机功率的功率需求。

9.根据权利要求1的方法，其中在燃料电池混合型车辆中所述燃料电池系统的功率需求是用于给电牵引系统提供功率。

10.一种燃料电池系统，其包括：

包括阴极输入管和阴极输出管的燃料电池堆；

位于阴极输出管的回压阀；

用于给阴极输入管上的燃料电池堆阴极侧提供阴极空气的压缩机；

高电压电能存储系统；

电牵引系统；和

用于在燃料电池堆、压缩机、电能存储系统和电牵引系统之间分布功率的高电压总线，其中该燃料电池系统确定是否请求功率增加瞬态，如果是，给压缩机提供预定最大功率使得尽可能快地增加堆电流密度，在功率增加瞬态过程中保持燃料电池堆阴极侧的压力为低，和在功率增加瞬态的结束时或临近结束时增加燃料电池堆阴极侧的压力，使得堆电流密度相对迅速地增加和使得在功率增加瞬态结束时或临近结束时堆电压增加以提供最大功率，或者通过快速地从压缩机提供空气和保持回压阀打开或接近打开以消除堆电流密度积累与阴极侧压力的关联。

11.根据权利要求10的燃料电池系统，其中该电能存储系统给压缩机提供预定最大功率。

12.根据权利要求11的燃料电池系统，还包括低电压电池组，其中该低电压电池组和该燃料电池堆还给该压缩机提供预定最大功率。

13.根据权利要求11的燃料电池系统，其中如果在功率增加瞬态过程中该电能存储系统达到预定最小充电状态，则该燃料电池堆给该电能存储系统充电。

14.根据权利要求13的燃料电池系统，还包括使用来自燃料电池系统的有效功率首先给压缩机提供预定最大功率，其次给该电能存储系统充电和再次满足所需功率。

15.根据权利要求10的燃料电池系统，其中增加燃料电池堆阴极侧压力包括在该电牵引系统功率达到功率需求之后等待预定时段，以增加阴极侧压力。

16.根据权利要求15的燃料电池系统，其中该预定时段是大约10秒。

17.根据权利要求10的燃料电池系统，还包括使用任何剩余功率以满足超过提供给压缩机功率的功率需求。

18.根据权利要求10的燃料电池系统，其中在必要时，该燃料电池系统从所有可用功率源给压缩机提供最大压缩机功率。

19.根据权利要求18的燃料电池系统，还包括低电压电池组，其中该压缩机从燃料电池堆、电牵引系统和低电压电池组的全部中接收功率。

20.根据权利要求10的燃料电池系统，其中在达到获得功率请求达预定时段之后，该燃料电池系统关闭该回压阀。

Images