CN104051762B - 用于使燃料电池待机的设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于使燃料电池待机的设备和方法。所述设备包括压缩机、燃料电池堆、阴极阀和控制器。所述压缩机可操作地结合到空气引入系统，用于提供阴极流。所述燃料电池堆响应于阴极流而向负载提供电功率。所述阴极阀可操作地结合到所述燃料电池堆的出口，用于控制阴极流到燃料电池堆的流动。所述控制器被配置为接收针对负载的功率请求量并将所述功率请求量与预定量进行比较。所述控制器还被配置为响应于确定功率请求量类似于预定量而控制压缩机以最小速度运转并且控制所述阴极阀关闭。

Description

用于使燃料电池待机的设备和方法

技术领域

在此公开的实施例总体上涉及一种用于使燃料电池待机的设备和方法。

背景技术

在Burleigh等的第2011/0087389号美国申请（‘389申请）中公开了将燃料电池车辆系统设置为待机模式的系统和方法。所述‘389申请公开了将燃料电池车辆系统设置为待机模式的系统和方法，其中，在所述待机模式下，几乎不存在或不存在电力损耗。使所使用的燃料量最小化并且燃料电池系统能够快速地从所述待机模式恢复。所述方法包括：在车辆控制水平下确定是否满足预定待机模式车辆水平进入标准，并针对燃料电池系统控制水平确定是否满足预定待机模式燃料电池水平进入标准。所述方法还包括：如果车辆水平进入标准和燃料电池水平进入标准两者均得到满足，那么将车辆设置为待机模式。如果已满足预定车辆水平退出标准或已满足预定燃料电池水平退出标准，那么所述方法退出待机模式。

发明内容

提供一种用于将燃料电池堆设置为待机模式的设备。所述设备包括压缩机、燃料电池堆、阴极阀和控制器。所述压缩机可操作地结合到空气引入系统，用于提供阴极流。所述燃料电池堆接收阴极流，以向负载提供电功率。所述阴极阀可操作地结合到所述燃料电池堆的出口，用于控制阴极流到燃料电池堆的流动。所述控制器被配置为接收针对负载的功率请求量并将所述功率请求量与预定量进行比较。所述控制器还被配置为响应于确定功率请求量类似于预定量而控制压缩机以最小速度运转并且控制所述阴极阀关闭。

提供一种用于将燃料电池堆设置为待机模式的设备。所述设备包括压缩机、燃料电池堆、阴极阀和控制器。所述压缩机对环境空气进行增压，以提供阴极流。所述燃料电池堆接收阴极流，以向负载提供电功率。所述阴极阀可操作地结合到所述燃料电池堆的出口，用于控制阴极流到燃料电池堆的流动。所述控制器被配置为接收针对负载的功率请求量并将所述功率请求量与预定量进行比较。所述控制器还被配置为响应于确定所述功率请求量类似于预定量而使压缩机以最小速度运转并控制阴极阀关闭。

所述预定电压水平类似于0.85V。

所述阴极阀被构造为响应于阀被控制至关闭而产生泄漏的阴极流。

所述泄漏的阴极流使燃料电池堆产生用于在所述多个燃料电池中的每个燃料电池处的电压降低到小于所述预定电压水平的值的电流。

所述泄漏的阴极流能够使燃料电池堆产生用于使小于预定电压水平的电压降低的电流，以防止所述多个燃料电池中的每个燃料电池内的铂降解。

提供一种包括燃料电池堆、阀和控制器的设备。所述燃料电池堆接收阴极流，以便为负载提供功率。所述阀控制阴极流到燃料电池堆的流动。所述控制器还被配置为将来自所述负载的功率请求量与预定量进行比较，并且如果功率请求量类似与预定量，那么控制压缩机以最小速度运转并将所述阀关闭。

当控制器确定功率请求量类似于预定量时，所述燃料电池堆以待机模式运转。

所述燃料电池堆包括多个燃料电池，当所述燃料电池堆处于待机模式时，所述多个燃料电池能够以大于预定电压水平的电压运转。

所述预定电压水平类似于0.85V。

所述阀被构造为响应于阀被控制至关闭而产生泄漏的阴极流。

所述泄漏的阴极流能够使燃料电池堆产生用于使多个燃料电池中的每个燃料电池的电压降低为小于预定电压水平的值的电流。

附图说明

本公开的实施例在权利要求书中具体地示出。然而，通过下面结合附图进行的详细描述，各种实施例的其它特征将变得更加明显，并且将会被最佳地理解，其中：

图1描述了根据一个实施例将燃料电池堆设置为待机模式的设备；

图2描述了根据一个实施例将燃料电池堆设置为待机模式的方法；

图3是描述根据一个实施例的用于空气阀的空气流的入口流量和出口流量的曲线图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应当理解的是，公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以按照各种可替代形式实现。附图不一定按比例绘制；一些特征可被夸大或者最小化，以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不应当被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员变化地应用本公开的方面的代表性基础。

燃料电池堆的低功率运转（例如，高压和低电流）通常会导致较高的催化剂降解和性能损失。此外，使燃料电池动力传动系混合允许关闭燃料电池。在螺旋压缩机用于向燃料电池堆提供阴极流（或空气流）的事件中，在燃料电池关闭期间使该压缩机停止可导致空气稀薄状态，空气稀薄状态使电池堆电压下降并因此降低催化剂降解。然而，与螺旋压缩机相比，当使用具有回转叶轮（例如，离心式叶轮、径向式叶轮或部分排放式叶轮）的非容积式压缩机（例如，涡轮增压机/机械增压机）来实现高的效率时，这样的涡轮增压机/机械增压机可能不能提供足够的阴极密封。此外，选择的用于压缩机的轴承也会影响压缩机的起动时间。例如，在空气轴承的情况下，由于轴承轴颈必须在箔片上平稳地起升或降落，所以可能花费数秒来使压缩机关闭或打开。

压缩机的待机模式（在该待机模式下，压缩机以某种最小速度运转）将降低起动时间，但是会产生高电池电压。在此公开的实施例期望使压缩机以其最小速度运转，同时关闭可操作地结合到燃料电池堆的阴极输出端的调压器（或阀）（例如，可能有4kg/hr或者更少的泄露）。在燃料电池待机期间（例如，在压缩机以最小速度运转且调压机关闭，并且还考虑空气在调压机处的泄漏气流时），在各燃料电池处出现的小的电流消耗会引起电压大的下降。通过该实施，可认识到在待机模式下能够节省少量的燃料、动态响应更快（例如，没有针对压缩机轴承的起升延迟）、保护燃料电池堆不受开路电压（“OCV”）或电池高压的影响。

图1描绘了根据一个实施例用于将燃料电池堆12设置为待机模式的设备10。设备10可用于与车辆14中的燃料电池系统相连。设备10包括用于向燃料电池堆12提供环境空气（例如，空气流或阴极流体流）的空气引入系统。通常，燃料电池堆12被配置为响应于氢（例如，来自容器）和氧（来自空气流）的电化学转换而产生电流。电池燃料堆12通常包括连接到一起的若干燃料电池15，并且每个燃料电池产生由燃料电池堆12提供的电流总量的一部分。多个负载13可操作地结合到燃料电池堆12，用于接收电流（或功率），以消耗和/或储存由燃料电池堆12产生的功率。负载13可以是电池或其他电负载。

负载13还可包括电机或多个车辆电部件，电机或多个车辆电部件中的每个消耗功率以针对特定的目的而运作。例如，这样的负载13可以与车辆动力传动系、乘员供热和冷却、内/外照明、娱乐装置以及电锁和车窗相关联，但不限于此。车辆14中应用的特殊类型的负载13可基于车辆体积、使用的电动机的类型和实施的燃料电池堆的特殊类型而改变。电流传感器21测量通过燃料电池堆12产生的电流。控制器20从电流传感器21接收所测量的电流读数。控制器20基于通过电流传感器21测量的电流来确定负载13所请求的功率量（或功率请求量）。下面将更详细地讨论负载13的功率请求量的相关内容。

压缩机18接收来自空气引入系统16的空气流（或者被过滤的环境空气）。压缩机18对空气流进行增压并将空气流传输到燃料电池堆12。控制器20可操作地结合到压缩机18并控制压缩机18运转的速度。燃料电池堆12包括用于将空气从其中排放出去的出口19。阴极调节阀（或空气调节阀）22可操作地结合到控制器20，以控制传输到燃料电池堆12的空气量。

通常，向燃料电池堆12提供的氢气和空气（或氧气）的量取决于负载13所需要的功率量。例如，当负载13从燃料电池堆12请求高功率时，期望增加氢气和空气（或氧气）的流量，以使燃料电池堆12产生需求的电功率量来驱动负载13。在该示例中，控制器20可控制压缩机18使其以期望的速度运转，以对空气流进行增压并控制阀22向燃料电池堆12提供期望的空气量。此外，控制器20控制氢气阀（未示出），以能够向燃料电池堆12提供期望的氢气量。燃料电池12利用氢气及空气产生期望的功率量。

当来自负载13的功率请求量下降到预定值之下时，控制器20控制（i）压缩机18以最小速度运转，并且（ii）关闭阀22，从而明显地大体上切断供应至燃料电池堆12的空气（例如，当阀22关闭时，由于在阀22处的泄漏使得少量空气被提供至燃料电池堆12）。这样的来自负载13的低功率请求量可指示车辆14停止或处于怠速状态（或其他低电流运转模式）。在这种情况下，燃料电池堆12可设置为待机模式，以节约燃料（即，氢气）。在待机模式期间，由于电流低，所以氢气被缓慢地消耗。

如上所述，在待机模式下，控制器20可控制压缩机18以最小速度运转。这种状况使得压缩机18消除了轴承起动时间。压缩机18可被实施为翼型轴承压缩机（未示出），并且下面更详细地公开了当燃料电池堆12处于待机模式时，压缩机18降低起动时间的方式。

通常，翼型轴承压缩机18包括圆筒形壳体，所述圆筒形壳体包括波箔（corrugatedfoil）以及设置在圆筒形壳体中的平箔（top foil）。波箔和平箔的基础材料由钢以外的材料形成。波箔设置在平箔和壳体之间。平箔包围旋转轴颈（或轴），并利用聚四氟乙烯涂层对平箔进行处理，以当轴在平箔内旋转而压缩（或对空气增压）空气时，减小其上的摩擦力。所述波箔和平箔用于代替滚珠轴承。当起动时，将在平箔的顶表面上并以特定旋转速度运动的轴将从顶表面“起升”并在空气薄膜上运动。在燃料电池堆12处于待机模式下的同时，通过使压缩机18以最小速度运转，这种状况可消除轴从平箔的顶表面起升所需要的时间并大体上降低了压缩机18（或翼型轴承压缩机）的起动时间。

如上所述，控制器20除了控制压缩机18以最小速度运转外，控制器20还控制阀22关闭，从而显著地降低至燃料电池堆12的空气流的流量。然而，应认识到，在阀22关闭的同时，阀22仍可提供一定量的从阀22泄漏的空气。在该示例中，燃料电池堆12可产生少量电流。这些电流可用于使燃料电池电压（例如，在每个燃料电池15处的电压）从开路电压（OCV）降低到不会消极地影响燃料电池性能的电压。这将在下面进行更详细地描述。

众所周知，OCV（例如，用于氢气PEM的大约为1.23V的OCV）使得在燃料电池15的阴极侧的铂在多种燃料电池运转状况下降解。该状况在K.Sasaki等的“Dissolution andStabilization of Platinum in Oxygen Cathodes,”（Springer Science+BusinessMedia,LLC.2009,pps.7–27(see also(Eds.)F.N.Buchi;M.Inaba;and Th.J.Schmidt2009,Hardcover ISBN:978-0-387-85534-9（以下称为“降解”））中提出。然而，还众所周知的是，0.85V或者更高的电池电压还可使得催化层降解。该状况在Noto等的“Development ofFuel Cell Hybid Vehicle by Toyota–Durability”（SAE International,January2009）中提出。这种铂的降解可使得在阴极侧上的催化剂层由于燃料电池循环（例如，停止和继续驱动）而降解并使得燃料电池稀薄。具体地讲，当燃料电池堆处于待机模式（或停止模式）时，该状况可使得电池电压超过0.85V。结果，如果电池电压超过0.85V，那么在燃料电池15的阴极侧处的铂可降解，从而影响燃料电池堆12的性能。例如，当电池电压超出0.85V时，那么铂会与水进行降解过程，如通过下式所示：Pt+H₂O->(Pt-OH)+H⁺+e^-(0.85V<E<1.10V)。

为了降低铂在燃料电池堆12的阴极处的降解，在燃料电池堆12处于待机模式的同时，需要降低电池电压。例如，如上所述，当阀22在待机模式下关闭时，一定量的空气将从阀22泄漏，从而使得少量空气能够流经燃料电池堆12，这使得燃料电池堆12产生少量电流。该少量电流使得在每个燃料电池15处的电压下降到0.85V以下。应认识到，控制器20使得适量的氢气与空气一起被提供给燃料电池堆12，以产生少量电流。

如上所示，在待机模式下，（i）压缩机18以最小速度运转和控制阀22关闭的状况除了降低压缩机18的起动时间外还提供燃料节约，（ii）关闭阀22并确保泄漏的空气流流至燃料电池堆12以产生少量电流的状况降低了电池电压，从而降低了位于燃料电池堆12的阴极处的铂的降解。

图2描述了根据一个实施例用于将燃料电池堆12设置在待机模式下的方法50。

在操作52中，控制器20从电流传感器21接收电流的读数并基于所测量的电流读数来确定从负载13请求的功率量（或功率请求量）。如果来自负载13的功率请求量不等于零，那么方法50进行到操作54。如果等于零，那么方法50进行到操作56。

在操作54中，控制器20控制用于分别将氢气和空气提供给燃料电池堆12的氢气阀（未示出）和阀22，以产生满足负载13所需要的功率请求量的电流。

操作56和58总体上对应于被设置在待机模式下的燃料电池堆12并且操作56和操作58可同时执行。

在操作56处，控制器20控制压缩机18（例如，翼型压缩机）以最小的速度运转。如上所述，通过控制压缩机18以最小速度运转，这样的状况消除了轴从平箔的顶表面起升所需的时间并大体上降低了压缩机的起动时间。

在操作58处，控制器20控制阀22关闭。在这种情况下，阀22可使得少量空气从其泄漏而流动到燃料电池堆12。燃料电池堆12响应于空气（和氢气）泄漏而产生少量电流。该少量电流驱使电池电压下降而远离OCV并因此远离0.85V的高电池电压。该状况降低了在燃料电池15的阴极侧处的铂的降解。

应认识到（i）在待机模式下，通过大体上关闭设备10（或系统）的各方面来实现燃料节约，（ii）在待机模式下，当压缩机18以最小速度运转时，压缩机18将无需经历起动延迟；（iii）由于燃料电池堆12接收在阀22处泄漏的空气使得负载13产生的小电流消耗将使得电池电压下降到阈值水平之下，以保存在燃料电池15的阴极侧处的铂。

图3是描绘根据一个实施例的用于压缩机18的空气流的入口流量和出口流量的曲线图70。曲线图70描绘了第一截面72和第二截面74。第一截面72指示当燃料电池堆12以正常模式（例如，不是处于待机模式）运转时，在压缩机18的出口处的空气流的质量流量的一个示例。应认识到，在正常模式下，在压缩机18处的空气流的质量流量可不同于示出的截面并且第一截面72被示出用作一个示例。

第二截面74指示当燃料电池堆12处于待机模式时，在压缩机18的出口处的空气流的质量流量的一个示例。如图所示，从压缩机18的出口提供少量空气。即使在阀22关闭的情况下，由于从阀22泄漏空气，也可在压缩机18的出口处产生这些少量空气。燃料电池堆12使用这些泄漏的空气来提供电流，然后所述电流使OCV降低到阈值水平之下，以降低在燃料电池15的阴极侧处的铂的降解。

虽然上面描述了示例性实施例，但是描述的这些实施例不是试图描述本发明所有可能的形式。相反，在说明书中所使用的词语是描述性词语而不是限制，并且应该理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种改变。此外，各种实施例的特征可以组合，以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (5)

1.一种用于将燃料电池堆设置为待机模式的设备，所述设备包括：

压缩机，可操作地结合到空气引入系统，用于提供阴极流；

燃料电池堆，用于接收阴极流，以向负载提供电功率；

阴极阀，可操作地结合到燃料电池堆的出口，以控制阴极流到燃料电池堆的流动；

控制器，被配置为：接收针对负载的功率请求量；将功率请求量与预定量进行比较；响应于确定功率请求量在预定量之下，控制所述压缩机以最小速度运转并且控制阴极阀关闭，

其中，当控制器确定所述功率请求量在预定量之下时，所述燃料电池堆以待机模式运转，

其中，所述燃料电池堆包括多个燃料电池，当燃料电池堆处于待机模式时，所述燃料电池能够以低于预定电压水平的电压水平运转，

其中，所述阴极阀被构造为响应于被控制为关闭而产生泄漏的阴极流。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述预定电压水平为0.85V。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述泄漏的阴极流使燃料电池堆产生用于将所述多个燃料电池中的每个燃料电池的电压降低到小于预定电压水平的值的电流。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述泄漏的阴极流使得燃料电池堆产生用于使小于预定电压水平的电压降低的电流，以防止所述多个燃料电池中的每个燃料电池中的铂降解。

5.一种用于将燃料电池堆设置为待机模式的设备，所述设备包括：

压缩机，用于对环境空气增压，以提供阴极流；

燃料电池堆，用于接收所述阴极流，以向负载提供电功率；

阴极阀，可操作地结合到所述燃料电池堆的出口，以控制所述阴极流到所述燃料电池堆的流动；

控制器，被配置为：接收针对负载的功率请求量；将功率请求量与预定量进行比较；响应于确定所述功率请求量在预定量之下，控制压缩机以最小速度运转并控制阴极阀关闭，

其中，当控制器确定所述功率请求量在预定量之下时，所述燃料电池堆以待机模式运转，

其中，所述燃料电池堆包括多个燃料电池，当燃料电池堆处于待机模式时，所述燃料电池能够以低于预定电压水平的电压水平运转，

其中，所述阴极阀被构造为响应于被控制为关闭而产生泄漏的阴极流。