CN102097669B - 使燃料电池/蓄电池无源混合电源工作的方法 - Google Patents
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Abstract
在零连接负载条件或接近零连接负载条件下使无源混合电源工作的方法包括以下步骤：-向所述燃料电池的阳极供应实质上纯的氢流；-向所述燃料电池的阴极供应实质上纯的氧流；-监视由蓄电池供应的电流；-监视由燃料电池和蓄电池共享的输出电压；-基于所述电流和所述输出电压而估计蓄电池的充电状态(SOC)；-监视燃料电池中的氢压力；-监视燃料电池中的氧压力；-以在将所述氢压力保持在所述氧压力的70％与130％之间的同时使氢和氧压力产生并保持为低于0.7巴绝对值的方式、以确保输出电压保持在对应于低于0.90伏/电池的水平且不超过蓄电池的最大电压限制的方式，限制氢流和氧流并致动氢再循环泵和氧再循环泵。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对燃料电池/蓄电池(fuel cell/battery)无源混合电源的输出电压进行限制而不必停止燃料电池或使其从蓄电池断开的方法，该燃料电池/蓄电池无源混合电源以二者均不会超过蓄电池的电压上限的方式在零负载条件或接近零负载条件下工作。本发明更具体地涉及一种方法，其中电源的燃料电池为被设计成使用氢作为燃料以及纯氧作为氧化剂的类型。
背景技术
上面提到的类型的电化学燃料电池将反应物(即氢流和氧流)转换成电力和水。质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常包括设置在两个多孔导电电极层之间的固体聚合物电解质膜，以形成膜电极组件(MEA)。为了引起期望的电化学反应，阳极电极和阴极电极各自包括一种或多种催化剂。这些催化剂典型地设置在膜/电极层界面处。
在阳极处，氢移动穿过多孔电极层并通过催化剂而被氧化以产生质子和电子。质子穿过固体聚合物电解质，朝向阴极迁移。氧，对其本身而言，移动穿过多孔阴极并与渡过膜的质子在阴极电催化剂处反应。电子从阳极穿过外电路向阴极移动，产生电流。
图1以分解图的形式示例了一种现有技术的质子交换膜燃料电池组(fuel cell stack)10。电池组10包括一对端板组件15、20以及多个燃料电池组件25。在这个特定的实例中，电绝缘的连接杆(tie rod)30在端板组件15、20之间延伸以利用紧固螺母32使电池组组件10以其组装状态保持和固定。压在插入在紧固螺母32与端板20之间的连接杆30上的弹簧34在纵向上对电池组10施加弹性压缩力。反应物和冷却剂流体流通过端板15中的入口和出口(未示出)而被供应到电池组10中的内部歧管(manifold)和通路并从内部歧管和通路排出。
每一个燃料电池组件25包括阳极流场板(anode flow field plate)35、阴极流场板40以及插入在板35与40之间的MEA 45。阳极流场板35和和阴极流场板40由导电材料制成并充当电流集电体(current collector)。当一个电池的阳极流场板与相邻电池的阴极流场板背靠背地设置时，电流可从一个电池流至另一个电池并由此通过整个电池组10。已知其它现有技术的燃料电池组，其中单独的电池被单个双极流场板分隔，而不是被分隔阳极和阴极流场板分隔。
流场板35和40进一步在相邻的燃料电池组件之间设置流体屏障以避免被供应到一个电池的阳极的反应物流体污染被供应到另一个电池的阴极的反应物流体。在MEA 45与板35和40之间的界面处，流体流场50将反应物流体导引到电极。流体流场50典型地包括形成在板35和40的面对MEA 45的主表面中的多个流体流通道。流体流场50的一个目的是将反应物流体分配至各个电极(即氢侧上的阳极和氧侧上的阴极)的整个表面。
PEMFC的一个已知的问题是性能随着时间推移而逐渐退化。实际上，仅仅在相当理想的条件下证实了固体聚合物燃料电池的长期工作。相比之下，当燃料电池必须在宽范围条件下工作时，例如特别地用于汽车应用的情况时，曾经改变的条件(通常作为负载循环和起始-终止循环模型化)，已经显示出大幅地降低耐用性和寿命。
在文献中已经鉴别出不同类型的非理想条件。这些条件的第一种被称为“高电池电压”；已知，使燃料电池经受低或零电流条件会导致与在平均恒定电流下工作相比高的退化率(degradation rate)。第二种非理想条件是“低电池电压”；还已知从燃料电池提取峰值电流也会导致提高的退化率。从上述可知，为了保持燃料电池的寿命，优选避免“高电池电压”和“低电池电压”这两种工作条件。在PEMFC的普遍已知类型的情况下，用于确保避免发生高电池电压的合理的安全上限应被设定为不高于0.90伏，优选不高于0.85伏，并且用于确保避免低电池电压的安全下限应被设定为不低于0.65伏，优选不低于0.70伏。换言之，燃料电池应仅仅在0.65伏与0.90伏之间，优选在0.70至0.85伏之间的限制电压范围内工作。
汽车应用的特征在于负载功率的特别的突变。由于这一原因，被设计用于汽车应用的电源通常包括与燃料电池系统联合的能量存储蓄电池，例如电化学蓄电池或超级电容器。在这种类型的电源(此后称作燃料电池/蓄电池混合电源)中，蓄电池可充当缓冲器：当负载中存在峰值时供应电力并反过来在低或零负载条件的情况下存储多余的电力。
图2A和2B为分别示出了有源和无源混合电源的两个框图。在燃料电池/蓄电池有源混合电源中，燃料电池系统通过DC/DC转换器连接至负载电路，并且蓄电池以与DC/DC转换器并联的方式连接至负载电路，如图2A中所示。通过控制DC/DC转换器的增益，可以有源地调节混合电源内的电力分布。燃料电池/蓄电池无源混合电源比较简单。燃料电池系统和蓄电池直接以并联的方式电连接，如图2B中所示。缺陷是电源的许多工作变量是不可控的。特别地，燃料电池系统与蓄电池之间的电流分流(currentsplit)受到每一个器件中的内部阻抗的影响。另外，由于蓄电池和燃料电池系统直接连接，它们的电压总是相同的。
原则上，燃料电池/蓄电池混合电源的使用允许在期望的限制电压范围内操作燃料电池。然而，一旦蓄电池被完全充电，其明显不能用于存储由燃料电池提供的多余电力。该最后一个问题的已知解决方案是断开燃料电池组(特别地是在无源混合的情形下)、将DC/DC转换器的增益实际上设定为零(在有源混合的情形下)，或者关闭燃料电池直到蓄电池的充电水平达到较低的阈值。然而，起始-终止循环还导致燃料电池系统性能的退化，而断开燃料电池系统却不将其关闭需要使用电阻负载以消耗由电池组产生的能量。这导致相当大的能量的浪费。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于将在零负载条件或接近零负载条件下工作的燃料电池/蓄电池无源混合电源的输出电压限制到对于蓄电池以及燃料电池系统而言足够的期望的限制电压范围而不必断开或关闭并重启燃料电池系统的方法。
本发明的方法由所附的权利要求1限定。
根据本发明，在致动氢和氧再循环泵的同时限制供应到燃料电池的氢和氧流使得可以将输出电压保持为低于预定的最大极限。根据本发明，该最大极限为蓄电池的最大电压极限或燃料电池系统的最大电压极限(0.90伏/电池)的最低值。
本发明的方法的一个优点是其允许调节无源混合电源内的电力分布，而不需要像在有源混合电源中所使用的可变增益DC/DC转换器。特别地，本发明的方法允许甚至在接近零负载的条件下保持低的输出电压。更一般地，本发明的方法允许以与更昂贵、更复杂、更重且更大的有源混合电源相同的总效率操作燃料电池/蓄电池无源混合电源。
另外，根据本发明将理解，通过将氢压力保持在氧压力的70％与130％之间，本发明的方法避免了跨过燃料电池的薄膜的大的压力差，并在较高氢压力的特别情形下避免了阳极处的燃料不足(fuel starvation)。
优选地，本发明的方法将燃料电池电压保持在对应于0.70伏/电池和0.85伏/电池之间的范围内。
本发明的方法的另一个优点是其允许甚至当蓄电池被完全充电时在零净输出负载条件下使混合电源工作。实际上，通过将反应物中的至少一种的压力降低至0.7巴绝对值，该混合电源的输出功率可降低至不大于对辅助部件(寄生负载)供电所需的值。
附图说明
通过阅读仅仅以非限定的实例的方式给出且参考附图进行的下列说明，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：
-图1为传统燃料电池组(现有技术)的分解图；
-图2A和2B为以概念级别分别示出有源和无源混合电源(现有技术)的两个框图；
-图3为示出包括被供给纯氢和氧的燃料电池组的燃料电池/蓄电池无源混合电源的特定实施例的图；
-图4为图3的无源混合电源的更详细的功能图；
-图5A为示出在不同压力下聚合物电解质燃料电池的电流/电压曲线的图；
-图5B为示出随着蓄电池的充电状态(SOC)而改变的最大和最小蓄电池电压；以及
-图6为一般性地示出负载如何能在燃料电池系统和蓄电池之间被共享，以及特别地无源混合电源如何使得在零连接负载条件下、甚至蓄电池中的能量存储容量不可用时不必关闭燃料电池系统的图。
具体实施方式
图3中示例出的无源混合电源的燃料电池组1为被设计成使用氢作为燃料且使用纯氧作为氧化剂的类型。它包括端板130、140、端板130中的氢入口150以及端板140中的氧入口155。电池组1还包括分别用于将氢流和氧流供应到多个单独的燃料电池的氢供应歧管160以及氧供应歧管165。
与每一个燃料电池相关联的氢流场和氧流场分别由箭头170和175表示。氢排出歧管180和氧排出歧管185通过氢出口190和氧出口195而去除废弃的反应物以及来自电池组的反应产物。
如所示例的那样，该燃料电池系统包括加压的储氢容器60，该储氢容器60通过设置有氢供应阀门110和喷射泵113的供应线而连接到电池组的氢入口150。氢压力传感器111被设置在邻近氢入口150的供应线上以测量供应到燃料电池组1的氢的压力。第一氢再循环线11R将电池组的出口190连接至在供应阀门110的下游的氢供应线。喷射泵113设置用于再循环剩余的氢并将其与新鲜的氢混合。
以类似的方式，该燃料电池系统包括加压的储氧容器65，该储氧容器65通过设置有氧供应阀门120和真空喷射泵123的氧供应线而连接到电池组的氧入口155。氧压力传感器121被设置在邻近氧入口155的供应线上以测量供应到燃料电池组1的氧的压力。氧再循环线12R将电池组的出口195连接至在供应阀门120的下游的氧供应线。喷射泵123(或任何适当类型的真空泵)设置用于再循环并将用过的氧与新鲜的氧混合。
图3中示出的燃料电池系统的电池组进一步包括通过第二氢再循环线211R而彼此连接的辅助氢入口200以及辅助氢出口210。线211R配备有被设置用于补充喷射泵113的辅助氢泵213。电池组1还包括被设置在第二氧再循环线212R上的辅助氧入口205、辅助氧出口215以及辅助氧泵223。辅助泵223被设置用于补充喷射泵123。
图3中示出的燃料电池系统进一步包括湿气管理装置(未示出)。由于通过氢与氧离子的结合而在燃料电池的阴极侧上形成产物水，该产物水必须从燃料电池的阴极侧去除。特别地，为了避免水淹(flooding)，湿气管理装置通常包括被设置在氧再循环线12R上的气体-液体分隔器。还优选在氢再循环线11R上设置第二气体-液体分隔器。同时，必须以防止膜干燥的量向电池的阳极和阴极侧这两者都提供湿气。
在图3中可进一步看出，电池组1与被并联连接的蓄电池18联合以形成用于将电能输送至负载电路17的燃料电池/蓄电池无源混合电源。优选地，蓄电池18为锂离子蓄电池组。然而，根据本发明的其它实施例，可使用任何其它形式的蓄电池。现在参照图4，将更详细地解释本实例的无源混合电源的工作。与图3中一样地，参考标号1表示燃料电池组，标号18表示蓄电池，标号17表示负载电路。
如已经解释的那样，燃料电池组为包括氧回路52、氢回路54以及冷却回路56的燃料电池系统14的一部分。该燃料电池系统还包括管理氧回路、氢回路以及冷却回路的燃料电池控制器58。除了关于图3已经叙述的压力传感器(图4中未示出)之外，燃料电池系统包括组电流传感器61、组温度传感器62以及至少一个燃料电池电压传感器64。燃料电池控制器58使用由所有传感器提供的数据以管理燃料电池系统的工作。
仍然参照图4，标号66表示用于使燃料电池系统14从蓄电池18和负载电路17断开的开关，标号67为蓄电池电流传感器，标号71为负载电流传感器，标号13为在图3中也示出的蓄电池电压传感器。根据本发明，仅仅在燃料电池系统开启和关闭期间有意地使用开关66。如前面提到的，只要蓄电池18和燃料电池系统14被连接，它们的电压就是相同的。因此，只要开关66闭合，由燃料电池电压传感器64测量的电池组电压以及由蓄电池电压传感器13测量的蓄电池电压总是相同的。
仍然参照图4，可以看出，负载电路17由在牵引(traction)阶段意图用作马达并在再生制动阶段意图用作发生器的电机73构成。另外，标号75表示马达电流传感器，标号77表示马达电压传感器，标号79表示马达控制器，标号81表示功率转换器(power converter)。根据所使用的电机的类型，用于功率转换器81的转换器的类型可以变化。如果例如马达73为通过脉冲宽度调制控制的DC无刷马达，则功率转换器81将是供应恒定输出电压的DC/DC转换器。相反，如果例如电机73为同步马达，则功率转换器81将是DC/AC转换器。图4还示出了控制燃料电池控制器58、马达控制器79以及开关66的功率管理控制器(power managementcontroller)85。功率管理控制器85将功率的循环调整为随着车辆(未示出)的加速器踏板的位置而变且随着电源系统中的主要条件而变。
通过燃料电池控制器58控制燃料电池系统14。控制器58接收来自氢压力传感器111(图3)和氧压力传感器121(图3)以及燃料电池电压传感器64的信息。根据所示例的实例，燃料电池电压传感器测量来自燃料电池组1整体的输出电压。因此所测量到的输出电压相当于(amount)来自电池组中所有单独的燃料电池的贡献之和。由于燃料电池都经受实质上相同的工作条件，因此它们都产生大约相同的输出电压。因此，所测量到的电池组的输出电压可用于计算单独的燃料电池的估计电压。然而，也可分别地测量单独的电池的输出电压，或将电池组的单独的电池分成几个组，每一个组都具有输出电压。
燃料电池控制器58(图4)通过调节氢和氧供应阀门110、120以及必要时通过直接控制辅助再循环泵213、223的操作来控制被供应至燃料电池组的氢和氧二者的压力。现在将详细解释允许燃料电池控制器58控制燃料电池中的反应物压力的过程。反应物在燃料电池中以与由电池组1供应的电流的量对应的速率而被消耗。当没有负载变化时，燃料电池控制器将供应阀门110、120中的一个朝向打开的位置调节，所供应的氢流或氧流增加并超过燃料电池中消耗的氢或氧的量。这导致燃料电池的阳极或阴极处的压力也升高。相反，当燃料电池控制器58将供应阀门110、120中的一个朝向关闭的位置调节时，所供应的氢流或氧流减少并不再是足够补偿在燃料电池中消耗的氢或氧的量。这导致燃料电池阳极或阴极处的压力降低。如前面提到的，根据本发明，被供应至燃料电池组的氢和氧分别为实质上纯氢和实质上纯氧。该特征允许存在于燃料电池中的氢和氧几乎被全部消耗。因此可使得燃料电池的阴极处和阳极处的压力降低至远低于外部大气压力，约低至水蒸汽压力。因此，在燃料电池组工作在约60℃的情形下，压力可达到0.2巴绝对值这样低的值。
应注意，氢压力为氧压力的至少70％，优选为氧压力的至少100％，以便不会在燃料电池中诱发已知的“燃料不足”的情形。燃料不足，如果大于瞬时，已知将使电池劣化。然而，其中氢压力低于氧压力的100％的其它工作条件还是有利的，特别是在需要增加膜的水含量的情形下。另外，为了避免燃料电池的阳极和阴极之间出现大的压力差，优选氢压力调节将为追随(follow)氧压力。无论如何，氢压力都被限制在氧压力+/-30％之间的范围内。
图5A为示出了用于工作在约60℃的温度和6种不同压力(2.5巴abs、1.5巴abs、1巴abs、0.62巴abs、0.4巴abs、0.22巴abs)下的聚合物电解质燃料电池的极化曲线(表示为251至256的电流/电压曲线)的图。图5A示出了对于燃料电池的恒定工作电压(或者换言之，对于相关联的蓄电池的恒定电压)，电流随着压力显著改变，从而允许调节由燃料电池释放的功率。事实上，从图5A的曲线可计算出，对于0.85伏的恒定工作电压，当电池组在0.4巴而不是2.5巴的压力下工作时，输出功率降低了几乎10倍。该实例示例了使用被供应实质上纯的氧气而不是空气的燃料电池系统的优点之一。实际上，空气为富氮气体，而氮的存在使得更加难以获得实质上明显低于周围环境压力的工作压力。
图5B为示出了作为蓄电池的充电状态(SOC)的函数的最小和最大蓄电池电压的图。公知在给定的SOC下的蓄电池的闭路电压由其开路电压(OCV)和由通过蓄电池的电流流量导致的电压损失两者确定。图5B示例出在给定的SOC下的蓄电池的最大允许电压是由与最大允许充电电流相关联的电压损失和OCV相加而确定的。以等效的方式，最小允许电压由从OCV扣除与最大允许放电电流相关联的电压损失而确定的。自然地，最大充电以及放电电流也都是SOC的函数。特别地，当SOC为最大可用电荷的100％时，最大允许充电电流为零，而当SOC为最大可用电荷的0％时，最大允许放电电流为零。图5B中的阴影区域对应于允许的蓄电池工作区域。
如上所述，由于蓄电池和燃料电池组被直接连接，它们的电压是相同的。因此，如果燃料电池组的输出电压高于蓄电池的OCV且输出电压进一步升高，则由电池组供应到蓄电池的充电电流也增大。相反地，如果来自电池组的输出电压低于蓄电池的OCV且输出电压进一步降低，则使得由蓄电池供应的放电电流增大。换言之，蓄电池充当连接至电池组的限制总负载功率中的变化的缓冲器。应理解，由于蓄电池和电池组共享相同的电压，蓄电池的尺寸应被选择成使其OCV对应于这样的平均燃料电池电压，该平均燃料电池电压位于前面提到的安全上限和安全下限之间的间隔内。在本实例中，用于确保不发生高电池电压和低电池电压的安全限制值分别为0.90伏和0.65伏。优选地，对于蓄电池的任何允许的SOC，即，根据蓄电池的说明书，对于对应于最大可用电荷的0％的SOC到对应于最大可用电荷的100％的SOC之间的间隔中的蓄电池的任何SOC，对应于OCV的平均燃料电池电压应保持在所述安全上限和安全下限之间。
燃料电池控制器58被设置成通过部分或完全闭合氢和氧供应阀门110、120降低供应至燃料电池组的反应物气体的压力。然而，如果供应阀门110或120中的任一个完全或接近闭合，对应的喷射泵113或123变为无用的，而所使用的通过再循环线11R或12R的气体的流将停滞。在这种情况下，供应歧管(160或165)和排出歧管(180或185)中的压力趋于相等，而沿着流场170或175驱动反应物气体所需的压降消失。为了允许燃料电池组即使在供应阀门110或120闭合时也继续工作，控制单元15打开对应的辅助泵213或223。当泵213或223中的任一个工作时，其将排出歧管180或185中存在的剩余反应物气体再次注射入对应的供应歧管160和165。辅助泵213和223的使用允许在供应歧管和排出歧管之间保持必要的压力差。
如上所述，其中实现本发明的方法的无源混合电源的燃料电池系统包括电子控制器，由燃料电池控制器58控制的供应阀门110、120，泵213、223以及气体-液体分隔器。该燃料电池系统还包括使用水泵的冷却回路56，且其还可能包括电子加热装置。所有这些元件以及其它元件形成称作辅助部件的部件。这些辅助部件需要电来操作并构成通常被称为燃料电池系统的寄生负载的部件。因此，当燃料电池系统工作时，即使在空闲状态下(例如，在零连接负载工作条件下)，需要的功率也绝不会为0。在本实例中，实际的寄生负载功率值为约600瓦。
图6为示出了负载如何可被共享在燃料电池系统与蓄电池之间的图。图中央的水平线为完全充电的蓄电池(SOC＝100％)的等功率线。几乎垂直的细线为燃料电池组的等功率线。在图左边的几乎垂直的粗线为对应于600瓦(寄生负载功率)的等功率线。图6示出了通过控制燃料电池中的反应物压力，即使当蓄电池的充电状态已经为100％时，也可以在避免高电池电压的同时应对低输出负载条件。实际上，该图示出了用于完全充电蓄电池的OCV对应于0.85伏/电池。如果燃料电池中的压力在保持燃料电池电压恒定的同时被降低至0.5巴，则由燃料电池组产生的功率的量将降低至约300瓦。在这种情形下，必须从该蓄电池抽出另外的300瓦以满足辅助部件的需要。另一种可能是稍微提高压力直到电池组产生600瓦的电功率。
仍然参照图6，可注意到，在2.5巴线与600瓦等功率线的交点处的工作点对应于几乎为1伏的燃料电池电压。换言之，不可能在无源混合电源中避免高电池电压而不降低工作压力。换言之，图6示例了本发明如何使得在零连接负载工作条件下，即使在蓄电池中没有可用的能量存储容量时也不用关闭燃料电池系统成为可能。
Claims (3)
1.一种在零连接负载条件或接近零连接负载条件下使无源混合电源工作的方法，所述无源混合电源包括并联连接至可变负载的蓄电池和PEM燃料电池系统，所述PEM燃料电池系统包括串联连接的多个单独的PEM燃料电池并包括可控的氢再循环泵和可控的氧再循环泵，该方法包括：
-向所述燃料电池的阳极供应实质上纯的氢流；
-向所述燃料电池的阴极供应实质上纯的氧流；
-监视由蓄电池供应的电流；
-监视由燃料电池和蓄电池共享的输出电压；
-基于所述电流和所述输出电压而估计蓄电池的充电状态(SOC)；
-监视燃料电池中的氢压力；
-监视燃料电池中的氧压力；
-以在将所述氢压力保持在所述氧压力的70％与130％之间的同时使氢和氧压力产生并保持为低于0.7巴绝对值的方式、以确保所述无源混合电源的输出电压保持在对应于低于0.90伏/燃料电池的水平且不超过蓄电池的最大电压限制的方式，限制氢流和氧流并致动氢再循环泵和氧再循环泵。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以所述无源混合电源的所述输出电压保持在对应于0.70伏/燃料电池与0.85伏/燃料电池之间的水平的方式调节所述氢流和所述氧流。
3.权利要求1或2所述的方法，其中，当蓄电池的充电状态为50％时，蓄电池具有对应于0.75伏/燃料电池与0.80伏/燃料电池之间的开路电压。
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