CN101388467B - 使用存储器来测量燃料电池系统在关闭或空闲状态的时间 - Google Patents

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Abstract

使用存储器来测量燃料电池系统在关闭或空闲状态的时间：一种提供燃料电池系统已经关闭的确切时间的方法，由此可以获知燃料电池组阳极和阴极侧的气体组分来有效进行下次系统起动顺序。该方法使用两个计时器，其中空闲计时器提供燃料电池系统关闭多久但是车辆依然点火的时间读数，停机计时器提供车辆熄火多久的时间读数。这两个时间读数相加而给出燃料电池组已经关闭多久的完整时间读数。

Description

使用存储器来测量燃料电池系统在关闭或空闲状态的时间
技术领域
【0001】本发明总体涉及一种确定燃料电池已经关闭的时间的方法，更具体来说，涉及车用燃料电池系统已经关闭多久的方法，该方法包括将空闲计时器与停机计时器相结合，其中空闲计时器提供车辆依然点火但是燃料电池系统关闭的时间读数，停机计时器提供车辆熄火的时间读数。
背景技术
【0002】氢是很好的燃料，因为它清洁并且在燃料电池中能有效产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极以及阴极，两者之间有电解液。阳极接收氢气，阴极接受氧气或空气。氢气在阳极电离生成自由质子和电子。质子通过电解液到达阴极。在阴极质子和氧气以及电子反应产生水。阳极的电子不能通过电解液，因此在被送到阴极之前通过负载做功。
【0003】质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常见的车用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解液质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括极细的催化粒子，通常是铂(Pt)，以碳粒子为载体并且和离子交联聚合物混合。催化剂混合物沉积在膜相对的两侧。阳极催化剂混合物，阴极催化剂混合物以及膜组合成膜电极装置(MEA)。
【0004】在燃料电池组中通常几个燃料电池结合来产生所需电能。前文所提到的车用燃料电池组可能包括200或更多的燃料电池。燃料电池组接收阴极反应气体，通常是利用压缩机而强制通过电池组的空气气流。不是所有的氧气都被电池组消耗，部分空气作为阴极的排出气体排出，排出气体包括作为电池组副产物的水。燃料电池组也接收流入电池组阳极侧的阳极氢反应气体。
【0005】燃料电池组包括放置在电池组中的几个MEA之间的一系列双极板，在此，双极板和MEA放置在两端板之间。双极板包括电池组中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道位于双极板的阳极侧使阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气流通道位于双极板的阴极侧使阴极反应气体流向相应的MEA。一端板包括阳极气流通道，另一端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或者导电复合物，端板把电池组产生的电能传导出去。双极板还包括冷却液流过的通道。
【0006】本领域已经提出在采用分离的电池组的燃料电池系统中提供电池组顺序开启或者阳极流移动(anode flow-shifting)。特别是，在系统中有阀和管路以使第一子电池组的阳极排出气体送入第二子电池组的阳极侧，在循环模式中，第二子电池组的阳极排出气体送入第一子电池组的阳极侧。
【0007】当燃料电池系统关闭时，未反应的氢气仍在燃料电池组的阳极侧。此氢气能扩散通过膜和阴极侧的氧气发生反应。由于氢气扩散至阴极侧，电池组阳极侧的总压力低于周围压力。该压力差使周围的空气进入燃料电池的阳极侧。当空气进入燃料电池阳极侧，它生成氢/空气锋面而在阳极侧造成短路，导致氢离子从阳极侧的富氢部分向阳极侧的富空气部分的横向流动。这种高粒子流和膜的高横向离子电阻的结合产生穿过膜的明显的横向电位降(～0.5V)。这样在相对于阳极侧的填充有空气部分的阴极侧和相邻的电解液之间产生局部的高电位，而使碳腐蚀加快，并且导致碳层变薄。这样减少了催化剂粒子载体，使燃料电池性能变差。
【0008】系统下次起动时，假设足够长时间已经过去，阴极和阳极通道一般都充满了空气。系统起动之时，氢气进入阳极通道，氢气将阳极通道里的空气挤出，同样生成氢/空气锋面，其通过阳极气流通道。在每个燃料电池中，氢/空气锋面导致了随着锋面的移动沿着膜的长度引发了催化反应，和穿过膜的反应结合，产生高电势。这种合成的电势足够高以致于严重损坏催化剂以及其上形成催化剂的碳粒子，降低燃料电池组中MEA的寿命。特别是，氢/空气锋面引发的反应和正常的燃料电池反应结合，比仅仅穿过膜的燃料电池反应高数个数量级。例如，如果不解决系统起动时氢/空气锋面的退化效果，仅仅经过大概100个关闭和起动周期就会破坏燃料电池。
【0009】本领域已经提出，在系统起动时，通过尽可能迅速的迫使氢气通过阳极通道来缩短破坏发生时间的方式来减少氢/空气锋面的退化效果。还建议氢气低速率的进入阳极通道而使空气和氢气活性混合来减少氢/空气锋面。本领域还提出在去除阳极通道中的氢气之前冷却燃料电池。但是，所有的这些方法没有足够的减少氢/空气退化作用而获得具有期望寿命的燃料电池组。尤其是，迅速移动氢/空气锋面没有完全消除催化剂的退化，并且需要大尺寸的管子和其他组件来迅速清除阳极通道里的空气。起动时缓慢的导入氢气具有需要用循环泵耗时几分钟来把阳极通道里的空气全部清除的缺点。另外，需要精确的控制进入阳极通道的氢气量，而这难以实现。
【0010】本领域已经提出提供穿过电池组的负载，例如电阻，用以减少氢/空气锋面产生的电势。但是，极低电阻负载将需要高能级的电部件。同时，电池组中电池间的流量平衡能导致电池阳极腐蚀。此外，在许多例子中，电阻器自身通常不足以减少碳腐蚀。
【0011】基于以上讨论，很明显为了更有效和安全的起动顺序，希望获知系统起动时燃料电池组阳极和阴极侧的气体组分。基于系统上次关闭后经历的时间，可以模拟显示出燃料电池中的气体组份。因此，需要知道燃料电池组已经关闭了多久。
发明内容
【0012】本发明使用发动机控制单元的非易失性存储器来测量燃料电池系统在关闭或空闲状态的时间。根据本发明的教导，公开了一种提供燃料电池系统已经关闭的确切时间的方法，从而可以获知燃料电池组阳极和阴极侧的气体组分来有效进行下次系统起动顺序。该方法使用两个计时器，其中空闲计时器(stand-by timer)提供燃料电池系统关闭多久但是车辆依然点火的时间读数，停机计时器(shut-off timer)提供车辆熄火多久的时间读数。这两个时间读数相加而给出燃料电池组已经关闭多久的完整时间读数。
【0013】通过下文以及权利要求书并结合相应的附图，本发明的其他特点将更清楚。
附图说明
【0014】图1是采用分离电池组的燃料电池系统以阳极流移动来工作的示意方块图；
【0015】图2是采用本发明计时的燃料电池系统的起动顺序的流程图；以及
【0016】图3是根据本发明实施例的流程图，示出了用于提供燃料电池系统已经关闭多久的计时方法。
具体实施方式
【0017】接下来论述的本发明实施例提供的确定燃料电池系统已经关闭多久的方法本质上仅仅是示例性的，并不是用来限制本发明或者该方法的实施或使用。
【0018】图1是包括第一分离燃料电池组12和第一分离燃料电池组14的燃料电池系统10的示意方块图。压缩机16通过通常关闭的阴极输入阀20经阴极输入线18向分离电池组12和14提供阴极输入空气。阴极排出气体从线24上的分离的电池组排出，并且阴极排出气体从线26上的分离的电池组14排出，其中阴极排出气体合成一条阴极输出线28。通常关闭的阴极后压力阀30控制通过线28的阴极排出气体的气流。在输入线18和输出线28之间的阴极支线32使阴极输入空气绕过电池组12和14。通常关闭的支线阀34控制是否使阴极空气绕过电池组12和14。如果阀20和30关闭并且阀34打开，那么来自压缩机16的空气将绕过电池组12和14。通常，阴极加湿单元(未示出)将安装在阴极输入线18上适合的位置。
【0019】在该非限制性实施例中，分离电池组12和14采用阳极流移动(anodeflow-shifting)，其中阳极反应气体在预定的循环中以本领域技术人员熟知的方式先后流过分离电池组12和14。以交替的顺序，注入器38把来自氢气源40的氢气通过阳极线42注入分离电池组12，注入器44把来自氢气源46的氢气通过阳极线48注入分离电池组14。通常关闭的阳极流移动阀50和52用于提供阳极流移动。当阀50关闭而阀52打开时，来自源40的氢气流入线42上的电池组12，通过分离电池组12和14之间的连接线54，流入分离电池组14并且通过阀52排出阳极线46，准备在阴极排出气体输出线28中和阴极排出气体混合。同样，当阀52关闭而阀50打开时，来自源46的氢气流入线46上的分离电池组14，通过连接线54，流入分离电池组12并且通过阀50，准备在线28中和阴极排出气体混合。
【0020】水分离器60耦合到连接线54并且收集分离电池组12和14之间的阳极气流中的水。通常关闭的排水阀62周期性的开启，把水排至线64上的阴极排出气体线28。另外，阳极排出气体净化阀66耦合到连接线54和线64，通过下文的讨论就会理解这样连接的原因。
【0021】燃料电池组12和14产生电流。在电池组正常工作期间，电池组12和14产生的电流用于驱动系统负载，例如车用电力牵引系统(ETS)70。在关闭顺序期间，电池组12和14产生的电流用于对电池72充电，或者被其他系统元件消耗，然后就是被电阻74消耗。
【0022】在一个系统关闭顺序期间，压缩机16停止并且阀20和30关闭以密封电池组12和14的阴极侧。氢气流继续使电池组12和14里任何残留氧气被消耗完。当电池组电力降低到预定值，电池组12和14产生的电流从ETS70切换到电池72。当电池组电力降低到另一预定值，电池组负载切换到电阻74。特别是，一旦电压低于固定的切断电压，电池组负载切换到电阻74。切断电压可能是DC/DC变换器(未示出)的下限，或者是供电装置的下限。电池负载的目的是消耗和/或存储任何电能，否则这些电能将被浪费。它还减少电阻负载的能量消耗需求。
【0023】一旦来自电池组12和14的氧气已经被消耗，切断氢气流并且阀50、52、62和66关闭来密封电池组12和14的阳极侧。当以这种方式关闭系统10时，电池组12和14的阴极侧和阳极侧都包括N2/H2混合物。过会儿，空气将渗入电池组12和14，同时电池组12和14中的氢气首先消耗氧。另外，氢气将缓慢的渗出电池组12和14。结果，电池组12和14中的气体组分将随时间在氮气中的富氢混合物和空气混合物的水之间变化。
【0024】根据本发明，采用了确定燃料电池系统10关闭或短暂停止已经发生多久的方法，以估算获得分离电池组12和14中的气体浓度和成分来用于正确的起动顺序(start-up sequence)。基于气体动力学和关于系统10的假设，随着时间可以预测阴极侧和阳极侧的近似气体浓度。在系统10空闲或关闭期间，通过获知系统中气体浓度，可以采用某些方法来确保最佳的下次起动顺序发生。通过控制限定起动顺序的状态会获得关于安全、排放、可靠以及耐用的某些要求。
【0025】为了实现这些，本发明提供了空闲计时器，其用来计算系统10已经关闭的时间但是钥匙仍然在车辆点火状态并且在开启位置或副(ACC)位置，以及停机计时器，其用来计算熄火时间。因此，系统10的所需停止或短暂停止都被包括了，以确定从最后一次电池组关闭所经历的时间。当系统10关闭而钥匙仍然在车辆点火状态时，空闲计时器从系统关闭时开始计时。当钥匙从点火状态被取走时，空闲时间值被存储，并且停机计时器开始计时。当钥匙回到点火状态并且系统10起动时，空闲时间和停机时间相加得到完整的停止时间值，用来确定分离电池组12和14阴极侧和阳极侧的气体浓度。
【0026】如果停止时间值低于500秒，在阳极侧氢气浓度高并且正在被消耗。由于高的氧气消耗率，阳极压力将迅速下降。如果停止时间值在500和1000秒之间，由于持续的氧气消耗，阳极侧氢气浓度下降。由于氢气浓度下降，阳极压力提供大的真空度。如果停止时间值在1000和10000秒之间，由于阴极的氧气扩散回阳极侧，阳极侧氢气继续下降。在它的峰值之后阴极侧的浓度开始下降。当空气中的氮气进入阳极侧时阳极压力恢复以补偿局部压力差。如果停止时间值大于10000秒之间，阳极侧的氢气浓度低，但是持续的从阳极侧扩散到阴极侧。当空气进入阳极侧时阳极压力达到周围环境压力。
【0027】图2是采用了空闲和停机时间值的燃料电池系统的起动顺序流程图。当燃料电池系统在框82所示的关闭状态，框84中的停机计时器计时。燃料电池系统10从框86接收起动请求，并且系统在框88中存储停机时间。在框90中，在电池组输出处压缩机16为来自于分离电池组12和14的阳极侧的阳极氢气供应稀释空气。在菱形92中系统10确定是否起动失败、异常中止的起动或者短暂停止。如果是，在框94中停机计时器再继续被保持的计时。如果在菱形92中确定系统10没有发生起动失败、异常中止的起动或者短暂停止，在菱形96中确定系统10阳极压力是否大于预定值，例如150kPa。如果在菱形96中确定系统10阳极压力大于预定值，系统10继续进行起动顺序的下一步，在框98中为分离电池组12和14的阴极侧充入阴极气体并且提供不同的阳极侧压力设定值。然后在框100中系统10提供氢气流到分离电池组12和14的阳极侧，并且在框102中提供正常运行。
【0028】在菱形96中如果阳极侧压力低于预定值，那么在框104中系统起动顺序为分离电池组12和14的阳极侧送气净化。在框106中一旦阳极侧压力到达预定值，例如107kPa，在框108中系统10开始正常的阳极流移动，并且在框110中是填充电池组。然后系统运行返回到框98进行正常系统运行。
【0029】图3是前文所述的系统关闭期间，提供空闲计时读数和停机计时读数的操作流程图120。当在框122中系统10运行时，在菱形124中，算法周期性的确定系统是否有关闭。如果在菱形124中系统有关闭，算法确定下一起动顺序是否已经到达某种状态，这时在菱形126中正在提供阴极稀释空气。如果起动顺序没有到达该状态，那么在框132中，空闲计时器从上一空闲计时继续计时。如果在菱形126中起动顺序已经到达阴极稀释空气状态，那么在框128中算法将空闲时间设置为0。然后在框130中算法开始走动空闲计时器(incrementing the stand-by timer)。
【0030】然后，在菱形134中算法确定是否点火已经关闭。如果在菱形134中点火已经关闭，那么在框136中算法停止走动空闲计时器。当点火开始时空闲计时器提供的系统停机时间被存储。现在停机计时器走动燃料电池系统10已经关闭的时间。
【0031】然后在菱形138中，算法确定在上一次燃料电池系统10已经关闭时，点火是否已经开始。如果点火尚未开始，那么在框136中停机计时器继续走动。如果在菱形138中，点火已经开始，然后在菱形140中算法确定停机时间读数是否归零，来确定在燃料电池系统10关闭期间是否有电力损失。如果在菱形140中，停机时间不是0，这表示在关闭期间，计时器有合适的电源，在框142中，算法使已存储的空闲时间和已存储的停机时间相加，给出分离电池组12和14关闭和密封的总的停止时间，使得算法能确定正确的起动顺序以使氢气流流入分离电池组12和14的阳极侧。然后停止时间算法返回菱形134来确定是否点火已经关闭。如果在菱形140中停机时间是0，那么算法知道电池电力已经损失，并且在框144中设置停机时间为0。
【0032】如果在菱形134中点火没有关闭，则在菱形146中算法继续确定是否系统10已经起动，如果是的话，返回系统运行框122来在菱形124中等待下次系统关闭。如果在菱形134中点火没有关闭且在菱形146中没有起动事件，那么在菱形148中算法确定电力是否已经损耗，如果没有，在框130中走动空闲计时器。因此，如果点火没有关闭，则没有起动事件并且没有电池电力损耗，燃料电池控制器仍然在运行，但是系统10没有起动。因此，空闲时间继续走动。如果在菱形148中存在电池电力损耗，那么在框150中，算法将停机计时器归零，并且返回菱形146等待起动事件。
【0033】前文所讨论公开和描述的仅仅是本发明典型的实施例。本领域技术人员很容易理解从上述讨论以及相应的附图和权利要求进行各种变化、修改以及变型，而不脱离本申请的权利要求所限定的思想和范围。

Claims (12)

1. 一种确定车用燃料电池系统已经关闭的时间的方法，所述方法包括：
确定燃料电池系统是否已经关闭；
如果燃料电池系统已经关闭并且燃料电池控制器打开，则走动空闲时间；
如果燃料电池系统已经关闭并且发动机控制器关闭，则走动停机时间；
确定在前一车辆熄火事件以后车辆是否已经点火；
在燃料电池系统起动时，将空闲时间和停机时间相加来确定燃料电池系统已经关闭的时间；以及
确定是否正在从压缩机提供稀释空气以稀释阳极排气，如果正在提供稀释空气，则将空闲时间设为零。
2. 根据权利要求1的方法，进一步包括：确定熄火时燃料电池系统电池是否已经损失电能，如果燃料电池系统电池已经损失电能，则将空闲时间设为零。
3. 根据权利要求1的方法，其中燃料电池组包括第一分离电池组和第二分离电池组，第一分离电池组和第二分离电池组采用其中阳极反应气体在预定的循环中先后流过第一和第二分离电池组的方式运行。
4. 根据权利要求1的方法，其中系统关闭包括密封燃料电池组的阴极和阳极侧。
5. 根据权利要求1的方法，其中停止时间用于确定燃料电池系统的正确起动顺序。
6. 一种确定车用燃料电池系统已经关闭的时间的方法，所述方法包括：
如果燃料电池系统已经关闭但是钥匙在车辆点火状态的开启位置或副位置，则走动空闲时间；
如果燃料电池系统已经关闭并且钥匙不在车辆点火状态，则走动停机时间；
确定在前一熄火事件以后是否已经点火；
当钥匙回到点火状态并且燃料电池系统起动时，将空闲时间和停机时间相加得到燃料电池系统已经关闭的完整的停止时间值，用于确定燃料电池系统的燃料电池组阴极侧和阳极侧的气体浓度；以及
确定是否正在从压缩机提供稀释空气以稀释阳极排气，如果正在提供稀释空气，则将空闲时间设为零。
7. 根据权利要求6的方法，进一步包括：确定熄火时燃料电池系统电池是否已经损失电能，如果燃料电池系统电池已经损失电能，则将空闲时间设为零。
8. 根据权利要求6的方法，其中燃料电池组包括第一分离电池组和第二分离电池组，第一分离电池组和第二分离电池组采用其中阳极反应气体在预定的循环中先后流过第一和第二分离电池组的方式运行。
9. 根据权利要求6的方法，其中系统关闭包括密封燃料电池组的阴极和阳极侧。
10. 根据权利要求6的方法，其中停止时间用于确定燃料电池系统的正确起动顺序。
11. 一种确定车用燃料电池系统中分离燃料电池组已经关闭的时间的方法，所述方法包括：
如果分离燃料电池组已经关闭但是钥匙在车辆点火状态且在开启位置或副位置，则走动空闲时间；
如果分离燃料电池组已经关闭并且钥匙不在车辆点火状态，则走动停机时间；
确定在前一熄火事件之后是否已经点火；
当钥匙回到车辆点火状态并且分离燃料电池组起动时，将空闲时间和停机时间相加来提供分离燃料电池组已经关闭的停止时间，该停止时间能够用于确定分离燃料电池组阳极侧气体组分以及确定燃料电池系统的正确起动顺序；以及
确定是否正在从压缩机提供稀释空气以稀释阳极排气，如果正在提供稀释空气，则将空闲时间设为零。
12. 根据权利要求11的方法，进一步包括：确定熄火时燃料电池系统电池是否已经损失电能，如果燃料电池系统电池已经损失电能，则将空闲时间设为零。
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