CN101399355B - 采用低电压源启动燃料电池堆的开环系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及采用低电压源启动燃料电池堆的开环系统和方法。具体地，提供了一种燃料电池系统，其包括：与阴极入口连通的燃料电池堆和空气压缩器、与阳极入口连通的氢气源、和适于向空气压缩器供给功率的启动电池。启动电池为低电压电池和高电压电池中的至少之一。功率变换模块与启动电池和空气压缩器电连通。功率变换模块适于根据需要来提升启动电池的电压，并在启动时向空气压缩器提供功率。控制器与功率变换模块连通，并适于基于可用电能设置空气压缩器速度。本公开还提供了一种在启动时操作燃料电池系统的开环方法，其中基于来自电池的可用电能来设定阳极净化。

Description

采用低电压源启动燃料电池堆的开环系统和方法
技术领域
本公开涉及一种燃料电池系统，更具体地，涉及一种用于启动燃料电池堆的启动系统和开环方法。
背景技术
燃料电池已经被提出作为用于电动车辆以及其他许多应用的清洁、有效且环保的能量源。特别地，燃料电池已经被公认为在现代车辆中使用的传统内燃机的潜在替换品。
一种类型的燃料电池被公知为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池典型地包括三个基本构件：阴极、阳极和电解液膜。阴极和阳极典型地包括精细区分的阴极，例如铂，其被支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合。电解液膜夹在阴极和阳极之间，以形成膜电极组件(MEA)。MEA经常被设置在渗透性扩散介质(DM)之间，DM易于传送气态反应物，特别是氢气和来自空气的氧气，以便进行电化学燃料电池反应。
单独的燃料电池能够串联堆叠在一起，以形成燃料电池堆。燃料电池堆能够供给足以向车辆提供功率的电量。在采用燃料电池堆的车辆动力系统中，氢气从氢气存储源(例如加压氢气罐)供给到阳极。空气通过空气压缩单元供给到阴极。在非混合燃料电池车辆或带有不可用高电压电池的混合车辆中，在燃料电池堆运行之前，低电压电池典型地用于向车辆构件和空气压缩器提供功率。在混合燃料电池车辆中，适于存储来自原先的车辆运行的电能的高电压混合电池，也可用作在燃料电池堆运行之前的电能的来源。在冰冻情况下，采用低电压电池的启动，对于燃料电池车辆也是基本必要的。
在燃料电池系统启动期间，氢气用于净化在关闭期间聚集的空气的阳极。净化希望能够快速，以似公知的碳降解最小化，随着氢气-空气向前移动经过阳极，会发生上述碳降解。在启动稀释所排放的净化氢气期间，空气还旁路至燃料电池堆的排放装置。车辆排放标准通常要求所排放的氢气的浓度在体积上低于百分之四(4％)。然而，由于紧随关闭时段的燃料电池系统出现不一致状况，在启动期间优化氢气排放量以及使碳腐蚀最小化方面，公知的燃料电池系统并不特别有效。
对于燃料电池系统和方法，存在持续需要在于，提供有效启动，而又满足排放量和燃料电池性能需求，例如，在冻结状况下。希望的是，燃料电池系统和方法提供一种鲁棒性系统，启动时使电压不稳定性最小化，并通过优化氢气空气波前时间来使堆积降解最小化。
发明内容
根据本公开，令人惊奇地公开了一种在满足排放量和燃料电池性能需求的同时提供低电压启动的燃料电池系统和方法，提供使电压不稳定性最小而启动的鲁棒性系统，并且在启动期间使氢气-空气波前时间最小化。
在一实施例中，提供一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括燃料电池堆，其具有多个燃料电池并具有阳极入口和阴极入口。空气压缩器与所述阴极入口流体连通。氢气源与所述阳极入口流体连通。燃料电池系统包括启动电池，其与所述空气压缩器电连通。功率变换模块与所述启动电池和所述空气压缩器电连通。所述功率变换模块适于选择性地提升供给到所述空气压缩器的启动电池的电压。控制器与所述功率变换模块电连通，适于基于在所述压缩器处可用的电能来设置空气压缩器速度。
在另一实施例中，还提供一种操作燃料电池系统的方法。所述方法首先包括步骤：接收启动要求；并且使功率变换模块能够提升所述低电压电池的电压。然后确定来自所述低电压电池的可用电能；并且基于所述可用电能确定所述空气压缩器的估计速度。空气压缩器被启动被被设置为估计速度。测量所述空气压缩器的实际速度，并且当a)所述实际速度大于理想速度以及b)已经经过了压缩器增速时间中的一种情况成立时，基于所述可用电能设定(或)阳极净化(anode purge)。
在进一步的实施例中，所提供的方法包括步骤：从如下中的至少一个确定可用电能：a)具有电压提升的低电压电池，b)具有电压提升的高电压电池，和c)不具电压提升的高电压电池。然后，启动电池选自，处于提升状态和非提升状态中且具有较大可用电能的低电压电池和高电压电池中的一种。
发明内容
基于所述可用电能设定阳极净化。
本领域技术人员将从下文的详细描述(特别是在参照下文所述附图而进行考虑之时)容易地明了本公开的上述以及其他优点：
图1图示现有技术的PEM燃料电池堆的示意性分解透视图，其中只示出两个电池；
图2为根据本公开实施例的具有低电压电池的燃料电池系统的示意图；
图3为图2的燃料电池系统的示意图，进一步包括高电压电池；
图4为显示不具可用高电压电池的启动方法的示意性流程图；
图5为显示具有可用高电压电池的启动方法的示意性流程图。
具体实施方式
以下描述实际上仅为示例性的，而并非意在限制于本公开及其应用或使用。还应该理解，贯穿所有附图，相应的附图标记表示相似或对应的部件和特征。关于所公开的方法，展示的步骤实际上为示例性的，因此并非必要或关键性的。
图1描述的是燃料电池堆2，其具有一对被导电双极板8彼此隔开的MEA4、6。为清晰起见，在图1中仅描述和示例一块双电池堆(即一块双极板)，可以理解，典型的燃料电池堆有更多这样的电池和双极板。
MEA4、6和双极板8被一起堆叠在一对夹持板10、12和一对单极端板14，16之间。夹持板10、12通过垫片或介电覆盖层(未显示)与端板14、16保持电绝缘。单极端板14、双极板8的两个工作面、和单极端板16包括流场18、20、22、24。流场18、20、22、24将氢气和空气分配于MEA4、6的各自的阳极和阴极上。
绝缘垫片26、28、30、32在燃料电池堆2的多个部件之间提供密封和电绝缘。透气扩散介质34、36、38、40毗邻MEA4、6的阳极和阴极。端板14、16被各自设置而与扩散介质34、40相邻，而双极板8被设置而与MEA4的阳极面上的扩散介质36相邻。双极板8还被设置而与MEA6的阴极面上的扩散介质38相邻。
双极板8、单极端板14、16、和垫片26、28、30、32中的每一个均包括阴极供给孔72和阴极排放孔74、冷却剂供给孔75和冷却剂排放孔77、以及阳极供给孔76和阳极排放孔78。燃料电池堆2的供给歧管和排放歧管分别在双极板8、单极端板14、16、和垫片26、28、30、32中对各自的孔72、74、75、76、77、78进行对准而形成。氢气通过阳极入口管80供给到阳极供给歧管。空气通过阴极入口管82供给到燃料电池堆2的阴极供给歧管。阳极出口管84和阴极出口管86也各自被提供用作阳极排放歧管和阴极排放歧管。冷却剂入口管88被提供用于将液体冷却剂供给到液体供给歧管。冷却剂出口管90被提供用来将冷却剂从冷却剂排放歧管排出。应该理解，图1中不同入口80、82、88和出口84、86、90的构造意在示例，可以根据意愿选择其它构造。
图2示出根据本发明实施例的燃料电池系统200。燃料电池系统200包括具有多个燃料电池的燃料电池堆2。燃料电池堆2包括阳极入口80、阴极入口82、阳极出口84、和阴极出口86，每个都与燃料电池堆2的各自的阳极和阴极流体连通。在一特定实施例中，燃料电池堆2连接到一电荷负载，例如非混合或混合燃料电池车辆的电驱马达(未显示)。
燃料电池系统200包括与阴极入口82流体连通的空气压缩器202。空气压缩器202适于接收空气(例如从周围大气中接收空气)，并将所述空气供给到燃料电池堆2的阴极。在特定实施例中，空气压缩器202的速度可基于用来运转空气压缩器202的电能来调节。作为非限制性示例，专门适用的空气压缩器202可有约80000转/分(rpm)的最大运转速度。本领域技术人员应该理解，可以通过现有技术的替代性合适装置来调节空气压缩器202的速度，以便向燃料电池堆2提供希望流速的空气。
燃料电池系统200还包括设置在空气压缩器202和燃料电池堆2之间的旁路阀204。旁路阀204适于根据意愿将来自空气压缩器202的空气流引导围绕燃料电池堆2，或引导至燃料电池堆2。在一实施例中，旁路阀204将来自空气压缩器202的空气流引导至气排放装置。空气混合并稀释了从燃料电池堆2排放出的残余反应物和生成物。
在特定实施例中，如现有技术所公知，燃料电池系统200包括水气传输(WVT)单元206。本领域技术人员应该理解，WVT单元206与燃料电池堆2的空气压缩器202和阴极入口82都保持流体连通。WVT单元206适于使空气压缩器202提供的空气的湿度达到希望量级，以便使燃料电池堆2有效运转。
燃料电池系统200还包括氢气源208，例如用于贮藏压缩氢气的高压贮藏容器。氢气源208与燃料电池堆2的阳极入口80流体连通，并适于向燃料电池堆2的阳极供给氢气。例如，燃料电池系统2可包括与氢气源208和燃料电池堆2流体连通的调节阀210。调节阀210被设置用来控制来自氢气源208的氢气的流速。应该认识到，氢气流到燃料电池堆2的定时可以通过调节阀210来安排时间。
本发明的燃料电池系统200具有启动电池，适于为燃料电池系统200的各部件提供功率，例如启动的空气压缩器202。在一特定图示实施例中，启动电池是低电压电池212。应该认识到，在用于非混合车辆运行的燃料电池系统200中，低电压电池可为燃料电池堆2开始运转前能供给空气压缩器202功率的唯一能量源。低电压电池212的非限制性示例中包括12伏电池，36伏电池，和48伏电池。其它合适的低电压电池类型和电压可以根据意愿进行选择。
燃料电池系统200还包括功率变换模块(PCM)214。例如，PCM214在启动过程中将低电压提升到能被燃料电池系统200部件使用的较高电压。PCM214与低电压电池212和空气压缩器202电连通。当被使能时，PCM214被设置用来提升低电压电池212的电压输出，从而提供足以使空气压缩器202运转并将空气流供给到燃料电池堆2排气装置的电压。在具体实施例中，PCM214是双向转换器。本领域普通技术人员可以理解，可以按意愿使用合适的设备以适于提高或降低电池的电压输出。
控制器216也可用于本公开的燃料电池系统200。例如，控制器216可与旁路阀204电连通，并选择性地引导空气流。在具体图示实施例中，控制器216与PCM214电连通，并适于基于可用电能来设定空气压缩器202的速度。控制器216也可适于控制调节阀210，例如通过设定氢气流到燃料电池堆2的定时和流速来进行。如在此进一步的描述，可以基于来自PCM214的可用电能进行流速的时间分配。
对于控制器216，燃料电池系统200可包括多种提供系统输入的传感器。来自传感器的系统输入可以提供给控制器216。燃料电池系统200包括至少一个适于测量例如低电压电池212之电压的电压传感器。燃料电池系统200还可具有至少一个适于测量启动电池之可用电能(例如启动电池的电功率或电量状态(SOC))的传感器。应该认识到，启动电池的可用电能可以通过现有技术的任何常规方式确定。例如，可以从启动电池的一种或多种常规电力测量法来计算或估计可用电能。燃料电池系统200还包括速度传感器220。例如，速度传感器220可适于测量空气压缩器220在运转中的实际速度。实际速度可为空气压缩器202的转速。
如图3所示，本公开的燃料电池系统200还可包括高电压电池300。高电压电池300与PCM214和空气压缩器202选择性地电连通并可用作启动电池。高电压电池300在充分充电时具有在燃料电池系统200启动过程中足以运转空气压缩器202的电能。作为非限制性示例，高电压电池300可具有高达约500伏的电压。在特定实施例中，高电压电池具有从约250伏到约400伏的电压。在一个实施例中，高电压电池300为适于存储由之前车辆运转(例如由刹车操作)产生的电能的混合电池。如图示，所述至少一个电压传感器218可被设置用来测量高电压电池300的电压。高电压电池300所测定的电压从而可以提供给控制器216。
本公开还包括一种用于启动燃料电池系统200的燃料电池堆2的方法。图4中描述的第一方法可用于仅具有在启动阶段通向低电压电池212(作为启动电池)的通道的车辆。这样的车辆可以是非混合燃料电池车辆。这种方法包括从操作者接收启动要求400的步骤。然后PCM214被启动402。PCM214的启动402通过将低电压提升到一个能用于给空气压缩器202提供功率的较高电压，来提升低电压电池212的电压。
启动步骤402之后紧接着，确定来自升压后的低电压电池212的可用电能。可用电能可以通过例如从启动电池或直接从PCM214测量可用电能来确定。可用电能也可从启动电池或PCM214的其它电测量方法来估计。在其它实施例中，可通过测量低电压电池212的电压并由此计算可用电能，来确定可用电能。基于可用电能选择404空气压缩器的估计速度。在一个具体实施例中，估计速度由与可用电能和空气压缩器速度相关的查询表来确定。应该认识到，估计速度也可基于与估计速度和可用电能有关的计算。然后空气压缩器202被启动，并且空气压缩器202被设定于所述估计速度。在一示例中，空气压缩器202被设定为约40000转/分。本领域普通技术人员应该理解，也可采用其它合适的估计速度。
本公开的方法还包括步骤406：测量空气压缩器202的实际速度并将所测实际速度与理想速度相比较。当实际速度大于理想速度时，就设定基于可用电能的阳极净化。阳极净化是在时序安排步骤408中进行设定的。使用时间优化法来选择理想速度为燃料电池系统200的排气装置提供充足的空气流。理想速度可以是估计速度和预选“变量增速”之间的差值。例如，变量增速可以是约2000转/分，而估计速度约为60000转/分，导致理想速度为约58000转/分。在另一非限制性示例中，理想速度是估计速度的百分比值。因此，当实际速度接近离理想速度时会触发阳极净化。
替代性地，当空气压缩器202增速至估计速度的时间过去后，可以执行阳极净化设定步骤408。在具体实施例中，这个时间可以足够使空气压缩器202提供给排气装置估计的充足气流。当估计速度在整个理想时间内保持大于实际速度时，经过的时间对于触发阳极净化设定步骤408会特别有用。在一非限制性示例中，空气压缩器增速时间可为约5秒。在另一非限制性示例中，经过的时间可以是基于启动电池的可用电能和希望使空气压缩器202增至的估计速度的估计值。可以按意愿选择执行时序安排步骤410的合适时间限值。
在特定实施例中，阳极净化设定步骤408包括如下步骤中的至少一个：a)设定阳极净化的时间，和b)设定阳极净化的流速。作为非限制性示例，从查询表计算估计速度和阳极净化流速中的至少一个。查询表提供了用于启动的可用电能的关系，并适于保持排放氢气浓度低于理想量。优选的排放氢气浓度在体积上小于百分之四(4％)，然而也可考虑其它浓度。阳极净化步骤之后紧接着的是，向阳极提供受控流量的氢气的步骤和将空气流转向阴极的步骤，其中燃料电池堆2处于运行模式。
如图5所描述，本公开的方法可用于在启动阶段对低电压电池212和高电压电池300均能访问的车辆。这样的车辆可为混合燃料电池车辆。在一实施例中，在接收启动要求步骤400之后，本方法包括能量源选择步骤500。能量源选择步骤500包括从以下三个中的至少一个确定可用电能：a)可进行电压提升的低电压电池212，b)可进行电压提升的高伏电池300，和c)不进行电压提升的高伏电池300。
在本公开的方法中，从最强能量源中选择能特定用于燃料电池堆2的启动运行的启动电池。作为非限制性示例，如果低电压电池212的可用电能大于高电压电池300的可用电能，就选择低电压电池212。在另一示例中，如果低电压电池212的可用电能小于高电压电池300的可用电能，就选择高电压电池300作为启动电池。
在进一步的实施例中，如果高电压电池300的可用电能处于理想启动电能范围内，就选择不进行电压提升的高电压电池300。例如，理想启动电能范围可以是高于约1.5千瓦的电能。在一具体示例中，理想启动电能范围是高于约1.8千瓦的电能。在一特定图示示例中，理想启动电能范围是高于约2.0千瓦的电能。可以按意愿选择适于选择启动电池的合适启动电能范围。
在另一实施例中，所选的启动电池可以在低电压电池212和高电压电池300之间转换。作为非限制性示例，如果初始选择高电压电池300作为启动电池，但是高电压电池300的SOC在启动操作过程中下降而低于理想能量范围，则燃料电池系统200可以切换到低电压电池212来完成启动操作。因此有利于在整个启动操作过程中使用最强能量源。
应该认识到，在选择启动电池中可用电能的使用对于使用作为混合电池的高电压电池300的车辆特别有用。例如，当混合电池的电池电量状态(SOC)充足时，混合电池在启动操作期间直接供给空气压缩器202功率。然而，如果混合电池的SOC不足，则低电压电池212可以用来启动燃料电池堆2。替代性地，如果混合电池的电能在理想能量范围内，则PCM214可以用来提升低SOC混合电池的电压，并将提供比低电压电池212更大的电能。因此，本方法有利于启动燃料电池堆2中最强能量源的使用。本方法也在燃料电池启动时提供系统余量，从而防止由于不足的电池SOC或一个或更多车辆电池不运转导致的启动失败。
本领域技术人员应该认识到，本发明的方法是一种“开环”方法，与使用系统反馈来确定阳极净化情况的“闭环”方法相对。响应于来自低电压电池212和高电压电池300中至少一个的可用电能的初始测定值，来设定开环方法中的阳极净化。用于启动燃料电池堆2的可用电能的确定，就能够估计空气压缩器202速度以及将提供给燃料电池系统200的排气装置的结果产生的空气流速。基于估计的到达排气装置的空气流速，可以相应地设定阳极净化，以便在排气装置中的氢气浓度不超过理想程度。
在启动燃料电池堆2的过程中使用最强能量源，就通过优化流入燃料电池堆2的氢气流速而防止碳腐蚀。还应该理解，估计的压缩器速度和阳极净化设定适于为排气装置提供充足的空气流。到达排气装置的充足空气流防止不合适程度的氢气排放量，例如高于百分之四(4)的程度。因此就令人惊奇地发现，开环系统的应用和本公开的方法防止了燃料电池堆2性能减弱，并将车辆气体排放量控制在理想范围内。可以通过确定多少氢气以及何时流入燃料电池堆2，来控制排放，尤其在启动之后的阳极净化过程中。
尽管为阐述本发明之目的已经显示特定示意性实施例和具体内容，但是对于本领域技术人员而言显然的是，在不偏离本公开的范围的情况下，可进行多种变化，这进一步描述于以下所附的权利要求书中。

Claims (18)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个燃料电池并具有阳极入口和阴极入口；
空气压缩器，所述空气压缩器与所述阴极入口流体连通；
氢气源，所述氢气源与所述阳极入口流体连通；
启动电池，所述启动电池与所述空气压缩器电连通；
功率变换模块，所述功率变换模块与所述启动电池和所述空气压缩器电连通，所述功率变换模块适于选择性地提升供给到所述空气压缩器的启动电池的电压；和
控制器，所述控制器与所述功率变换模块电连通，且适于：
基于在所述压缩器处的可用电能来设置空气压缩器的估计速度；
测量所述空气压缩器的实际速度；以及
当a)所述实际速度大于理想速度以及b)已经经过了压缩器增速时间中的一种情况成立时，基于所述可用电能设定阳极净化。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述启动电池包括低电压电池和高电压电池中的至少之一。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述高电压电池为混合电池。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括电压传感器，其适于测量所述启动电池的电压。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括旁路阀，其设置在所述空气压缩器和所述阴极入口之间，所述旁路阀适于使空气流选择性地绕过所述燃料电池堆而至排放装置。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括调节阀，其设置在所述氢气源和所述燃料电池堆之间，所述调节阀适于向所述燃料电池堆选择性地供给阳极净化。
7.一种采用低电压电池启动燃料电池堆的方法，包括以下步骤：
接收启动要求；
提供功率变换模块以提升所述低电压电池的电压；
确定来自所述低电压电池的可用电能；
基于所述可用电能来确定所述空气压缩器的估计速度；
启动空气压缩器；
测量所述空气压缩器的实际速度；以及
当a)所述实际速度大于理想速度以及b)已经经过了压缩器增速时间中的一种情况成立时，基于所述可用电能来设定阳极净化。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：使来自所述空气压缩器的空气绕过所述燃料电池堆而至排放装置。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述可用电能的步骤包括：根据所述低电压电池的测量电压计算所述可用电能。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述理想速度是根据所述估计速度计算出的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述理想速度为所述估计速度减去变量增速。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述理想速度为所述估计速度的百分比值。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，设定所述阳极净化的步骤包括以下至少之一：a)设定所述阳极净化的时间，和b)设定针对所述阳极净化的流速。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阳极净化流速是基于所述可用电能从查询表中计算出的。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阳极净化流速被优化，以使排放氢气浓度在体积上保持小于百分之四。
16.一种采用低电压电池和高电压电池中的一种来启动燃料电池堆的方法，包括步骤：
接收启动要求；
根据以下至少之一来确定可用电能：a)具有电压提升的低电压电池，b)具有电压提升的高电压电池，和c)不具电压提升的高电压电池；
从所述低电压电池和所述高电压电池中的一种选择启动电池；
提供功率变换模块，如果所述可用电能小于启动能量范围，则提升所述启动电池的电压；
基于所述可用电能确定所述空气压缩器的估计速度；
启动空气压缩器，其中所述空气压缩器被设定为估计速度；
测量所述空气压缩器的实际速度；以及
当a)所述实际速度大于理想速度以及b)已经经过了压缩器增速时间中的一种情况成立时，基于所述可用电能设定阳极净化。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述启动电池是根据以下中的一个来选择的：
a)如果所述低电压电池的可用电能大于所述高电压电池的可用电能，则选择所述低电压电池；
b)如果所述低电压电池的可用电能小于所述高电压电池的可用电能，则选择所述高电压电池；
c)如果所述不具电压提升的高电压电池的可用电能处于理想启动能量范围内，则选择所述不具电压提升的高电压电池。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述启动能量范围为大于1.5千瓦的功率。
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