CN104733755A - 用于控制燃料电池系统的启动的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于控制燃料电池系统的启动的方法。该方法包括将当向燃料电池堆的燃料电极供应氢气持续设定时间段时，将燃料电池堆内产生的电压与第一参考电压进行比较。当燃料电池堆内产生的电压高于第一参考电压时，将燃料电池堆的单电池的电压与用于负载连接的第二参考电压进行比较。当燃料电池堆的单电池的电压高于用于负载连接的第二参考电压时，将负载连接到燃料电池堆。

Description

用于控制燃料电池系统的启动的方法

技术领域

本公开涉及一种用于控制燃料电池系统的启动的方法，更具体来说，涉及一种用于控制燃料电池系统的启动的方法，该方法能去除留在燃料电极上的残余氧气，以改善燃料电池系统的耐久性。

背景技术

燃料电池车辆包括燃料电池堆和燃料供应系统，在燃料电池堆中多个的燃料单电池堆叠在一起，燃料供应系统对燃料电池堆供应作为燃料的氢气等。空气供应管(air supple stem)供应作为氧化剂的氧气以产生电化学反应。水和热量管理系统控制燃料电池堆的温度。燃料供应系统通过降低储存在氢气罐里的压缩氢气的压力，向燃料电池堆的燃料电极(阳极)供应氢气，而空气供应系统通过使用鼓风机，将外部的空气供应到燃料电池堆的空气电极(阴极)。

当氢气被供应到燃料电池堆的燃料电极，空气被供应到空气电极时，通过燃料电极上的催化反应而产生氢离子。产生的氢离子穿过电解质膜移动，到达作为氧化电极的空气电极。在氧化电极中，氢离子与电子和氧气进行电化学反应，产生能量。更具体地来说，在燃料电极上发生与氢气进行的电化学氧化反应，在空气电极上发生与氧气进行的电化学还原反应。此时，由于电子和水蒸气的运动，产生了电能和热能，或者通过氧气与氢气之间的化学反应产生水。

燃料电池车辆还包括用来排放副产物的排放装置，例如蒸汽、水、在产生能量过程中生成的热量以及未使用的气体诸如氢气和氧气。通过废气管排放蒸汽和诸如氢气和氧气的气体。

然而，如果在燃料电池电极中仍有氧气的状态下形成了电压，那么在膜电极组件(MEM)的催化剂层中会发生碳腐蚀，使燃料电池堆的耐久性变差。

前述内容仅旨在帮助理解本公开的背景，并不是意指本公开落入本领域技术人员已经知晓的相关技术的范围内。

发明内容

考虑到相关技术中出现的上述问题而作出本公开，本公开旨在提出一种用于控制燃料电池系统的启动的方法，该方法能检测燃料电池系统中留存的剩余氢气或氧气，并且能可变地控制启动顺序。

根据本公开的示例性实施方式，提供了一种用于控制燃料电池系统的启动的方法。该方法包括，当向燃料电池堆的燃料电极供应氢气持续设定时间段时，将该燃料电池堆内产生的电压与第一参考电压进行比较。当在该燃料电池堆内产生的电压高于第一参考电压时，将在该燃料电池堆的单电池内产生的电压与用于负载连接的第二参考电压进行比较。当燃料电池堆的单电池的电压高于用于负载连接的第二参考电压时，将负载连接到燃料电池堆。

方法还可以包括，当在燃料电池堆内产生的电压高于第一参考电压时，确定要从燃料电极去除的氧气的量或从燃料电极去除氧气所需的时间。可根据要去除的氧气的量或去除氧气所需的时间，对燃料电极进行氢气增压。

当通过氢气增压在燃料电池堆的单电池内产生的电压高于用于负载连接的第二参考电压时，可进行连接负载的步骤。

要去除的氧气的量或去除氧气所需的时间可以与所述燃料电池堆内产生的电压成比例。

方法还可以包括打开连接到燃料电池堆的空气电极的空气截止阀的步骤，其中在进行所述的氢气增压步骤之前进行所述的打开步骤。

方法还可以包括，确定供应到燃料电极的氧气是否经所述的氢气增压步骤被完全去除。当氧气被完全去除时，停止氢气增压，将与负载的连接断开，并向燃料电池堆的空气电极供应空气。

在确定步骤中，可以基于自燃料电极的排放量是否超过所确定的要去除的氧气量或进行氢气增压的时间是否超过所确定的去除氧气所需的时间来做出确定。

方法还可以包括，将从上次向燃料电池堆供应氢气结束起经过的时间与预设的参考时间进行比较的步骤，其中当从上次供应氢气结束起经过的时间比所述参考时间长时，进行将燃料电池堆内产生的电压与第一参考电压进行比较的步骤。

方法还可以包括，当从上次供应氢气结束起经过的时间比所述参考时间短时，打开连接到燃料电池堆的空气电极的空气截止阀，并向燃料电池堆供应氢气和空气。

所述从上次供应氢气结束起经过的时间可以是从燃料电池车辆的点火钥匙关闭起所经过的时间。

所述从上次供应氢气结束起经过的时间可以是当在燃料电池车辆的点火钥匙关闭后周期性地供应氢气时从上次供应氢气结束起所经过的时间。

方法还可以包括，确定燃料电池堆的温度是否满足冷启动条件。当温度满足冷启动条件时，通过打开连接到燃料电池堆的空气电极的空气截止阀，向燃料电池堆供应氢气和空气。

方法还可以包括，当燃料电池堆内产生的电压低于第一参考电压时，通过打开连接到燃料电池堆的空气电极的空气截止阀，向燃料电池堆供应空气。

所述比较可以指代确定在燃料电池堆的所有单电池内产生的电压中的最小电压是否高于用于负载连接的第二参考电压的步骤。

当在燃料电池堆的单电池内产生的电压低于所述用于负载连接的第二参考电压时，可以不进行所述的连接步骤。

当在进行所述的氢气增压后燃料电池堆的温度满足冷启动条件时，可以不进行所述的连接步骤。

当检测到负载连接装置的故障并因此负载不能连接到燃料电池堆时，可以不进行所述的连接步骤。

当燃料电极的氢气供应压力低于参考压力时，不进行所述的连接步骤。

本方法还可以通过增压方法向燃料电池堆的燃料电极供应大于在所述进行氢气增压的步骤中所使用的氢气量的氢气量，而不进行连接负载的步骤。

根据本公开一个实施方式的用于控制燃料电池系统的启动的方法能够防止在燃料电池的燃料电极或空气电极中可能发生的碳腐蚀，进而改善燃料电池系统的耐久性。

此外，该方法可通过调节空气截止阀的开放而减少氢气排放，缩短启动时间，增加燃料效率以及减少背景噪声。

附图说明

根据以下详述并结合附图可以更清楚地理解本公开的上述和其他目的、特征和其他优势。

图1是图示根据本公开实施方式的用于控制燃料电池系统的启动的方法的流程图。

图2是简要描述根据本公开实施方式的用于控制燃料电池系统启动的方法的流程图。

具体实施方式

本文中公开的本公开实施方式的具体结构和功能描述仅仅出于示例说明本公开实施方式的目的。在不背离本公开的精神和显著特征的情况下，本公开可以以许多不同形式实现。因此，将本公开的实施方式公开仅仅是出于示例说明的目的，不应将其理解为限制本公开。

由于本公开的实施方式可以以许多不同的形式进行各种改变，现在将详细地参照本公开的各个实施方式，其具体实施例在附图中图示，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本公开，但应当理解，本说明书无意于将本公开局限于这些示例性实施方式。相反，本公开不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本公开的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

可以理解的是，虽然在文中可使用术语“第一(first)”、“第二(second)”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅仅是用来将一个元件与其他元件区分开。例如，下面讨论的第一元件在不背离本公开教导的情况下可以被命名为第二元件。类似地，第二元件同样可以被命名为第一元件。

可以理解的是，当提及一个元件与另一个元件“联接(coupled)”或“连接(connected)”时，其可以直接联接或连接到其它元件，或者它们之间可存在有间隔元件。相比之下，应当理解，当提及一个元件与另一个元件“直接联接”或“直接连接时，其间不存在间隔元件。用于说明元件间关系的其他表述例如，“之间(between)”、“就在之间(directly between)”、“邻近的”或“紧邻的”应当以同样的方式进行解释。

本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式，而并未意在限制。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该(a、an、the)”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

除非另有定义，否则本文中使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。还应理解，术语例如在常用字典中定义的术语应解读为具有与其在相关技术和本公开的环境中的含义相一致的含义，而不应以理想化或过于形式感地解释，除非本文明确定义。

在下文中，将参照附图详细描述本公开的示例性实施方式。在整个附图中，相同的附图标记将指代相同或相似的部件。

图1是图示根据本公开实施方式的用于控制燃料电池系统的启动的方法的流程图。当打开燃料电池车辆的点火钥匙(S101)时，控制燃料电池的燃料电池控制器(未示出)获取在上次对燃料电池堆供应氢气结束后经过的时间，并将所述经过的时间与预设的参考时间进行比较(S103)。其中上述经过的时间可以指在燃料电池车辆的点火开关关断后所经过的时间或是指在燃料电池车辆的点火开关关断后周期性地供应氢时从上次供应氢气结束所经过的时间。

当打开点火钥匙之后燃料电池车辆处于行驶状态时，氢气持续被供应到燃料电池堆的燃料电极。由此，只有自关闭点火钥匙所述经过时间之后，燃料电极侧的氢气才会被完全消耗。

在为了去除燃料电池堆内残留的氧气而在关闭点火钥匙后向燃料电极周期性地供应氢气的情况下，燃料电池控制器获取从向燃料电极供应氢气结束起经过的时间，并将所述经过时间与参考时间进行比较。

当从上次向燃料电池堆供应氢气结束起所经过的时间比参考时间短时，燃料电极上仍然存在残留氢气。当燃料电极上存在残留氢气时，燃料电极上不太可能会存在残留氧气。相应地，不需要对燃料电池系统进行特殊的控制，并且燃料电池控制器对燃料电池堆供应氢气和氧气以产生电力(S109)。

在对燃料电池堆供应氢气和氧气之前，燃料电池控制器可以打开空气截止阀(S105)。这是为了防止通过燃料电极侧净化或排放管排放的氢气废气在未经空气稀释的情况下直接排放到大气中。也就是说，为满足关于氢气排放的环境法规，在将氢气排放到大气之前，通过经空气供应而提供的氧气对氢气进行稀释。空气截止阀控制供应到空气电极的空气量。

在步骤S103，燃料电池控制器可以从温度传感器获取车辆周围的环境空气温度并确定车辆是否处于冷启动状态。碳腐蚀反应不太会在低环境温度下发生。因此，在低温下不需要对燃料电池系统进行特殊的控制。因而，在该状态下燃料电池控制器向燃料电池堆供应氢气和氧气以产生电力(S109)。在向燃料电池堆供应氢气和氧气之前，燃料电池控制器可以打开空气截止阀(S105)。即，燃料电池控制器在冷启动状态下打开连接至燃料电池堆的空气电极的空气截止阀，并向燃料电池堆供应氢气和氧气。

当在上次向燃料电池堆供应氢气结束后所经过的时间比参考时间长时，在燃料电极上不再有氢气存在。参考时间是能够保证在燃料电极上没有氢气存在这一状态所经历的时间，并且可以预设参考时间。即，如果从点火钥匙关闭或从供应氢气结束经过了设定的时间段，燃料电极上不再有氢气存在，至此，该设定的时间段被设为参考时间。

当车辆不处于冷启动状态时，燃料电池控制器执行与从上次向燃料电池堆供应氢气结束所经过的时间比参考时间长时所执行的控制相同的控制。

当从上次向燃料电池堆供应氢气结束所经过的时间比参考时间长时，确定为燃料电极上没有氢气存在。相应地，在该状态下，燃料电池控制器向燃料电池堆的燃料电极供应氢气并确定燃料电极上是否存在残留氧气(S107)。

所述确定是基于燃料电池堆的电压是否大于参考电压而作出的。也就是说，燃料电池控制器将在向燃料电池堆供应氢气之后的设定时间段内测量的测得电压与参考电压进行比较(S111)，并确定是否有残余氧气。

参考电压是当燃料电极上存在残留氧气时可检测的最小电压。当燃料电极上存在残留氧气时，残留氧气可以与供应的氢气发生反应，产生可作为电压被检测到的电力。在该状态下可被检测到的最小电压表示参考电压。因此，如果在从供应氢气起的设定时间段内测得的电压高于参考电压，则燃料电池控制器可确定燃料电极上存在残留氧气。

如果在燃料电池堆中测得的电压低于参考电压，则燃料电池控制器可以向空气电极供应氧气(S115)。此处，在向燃料电池堆的空气电极供应氧气之前，燃料电池控制器可以打开空气截止阀，以防止通过燃料电极侧净化或通过排放管排放的氢气直接排放到大气(S113)。即，执行该操作以符合关于氢气排放的环境法规，由此氢气不会单独排放到大气中，而是在经氧气稀释之后排放。

当在预定时间段内形成的电压高于参考电压时，燃料电池控制器可以确定要从燃料电极去除的氧气量或去除氧气所要花费的时间(S117)。要去除的氧气的量或去除氧气所需的时间可以与燃料电池堆内的电压成比例。也就是说，当在向燃料电极供应氢气之后形成的电压较大时，燃料电极上存在大量的残留氧气。相应地，要去除的氧气的量或去除氧气所需的时间增加。

燃料电池控制器可以根据要去除的氧气的量或去除氧气所需的时间以增压(supercharge)的方式向燃料电极供应氢气(S121)。在进行增压之前，燃料电池控制器可以打开空气截止阀。也就是说，当预定时间段产生的电压高于参考电压时，该状态意味着燃料电极上存在残留氧气。在这种状态下，如果空气截止阀仍然关闭，那么在燃料电极侧存在的氢气和氧气有可能逆流。因此，在步骤S121之前可以打开空气截止阀(S119)。

在氢气增压之后，燃料电池控制器检测燃料电池堆的温度并确定是否满足冷启动条件(S123)。当满足冷启动条件，并且燃料电池堆没有连接负载时，向燃料电池堆的燃料电极额外供应高于氢气增压量的氢气量(S127)。在冷启动时，如果燃料电池堆连接了负载，那么产生水或者燃料电极冻结。在这种情况下，由于难以均匀地对各个单电池供应氢气，因而可以让燃料电池堆不连接负载。即使将负载连接到燃料电池堆，也可将用于负载连接的参考电池电压设定为较高。当燃料电池堆无法连接负载时(S123)，燃料电池控制器可以向燃料电池堆的燃料电极额外供应大于用于氢气增压的氢气量的氢气量(S127)。

燃料电池控制器将氢气增压后在燃料电池堆内产生的电压与用于负载连接的参考电池电压进行比较(S125)，并且当燃料电池堆内产生的电压高于参考电压时，可以将负载连接到燃料电池堆(S129)。

此处，用于负载连接的参考电池电压表明燃料电池堆需要连接负载。也就是说，在高于参考电压时，燃料电池堆内的每个单电池的最小电池电压都高于参考电压值。当燃料电池堆的每个单电池都被供应有足够的氢气时，氢气和氧气能够在各个单电池内反应以产生电压。也就是说，燃料电池堆的氢气供应是否充分是由每个单电池是否产生了最小电池电压所确定的。

也就是说，设定时间段内产生的电池电压高于预设电压(用于连接负载的参考电池电压)这一状态表明燃料电极的氢气供应是充足的。相应地，将负载连接到燃料电池堆从而可防止电压上升(S129)。当负载发生故障、负载不能连接到燃料电池堆，或氢气压力降低时(S131)时，燃料电池控制器将负载从燃料电池堆断开(S133)，并以增压的方式向燃料电极供应氢气(S127)。

用于负载连接的参考电池电压可以考虑氢气不足或碳腐蚀而加以确定。当负载连接较快时，可能出现氢气不足，但可防止碳腐蚀。相反地，当负载连接较慢时，氢气供应可能充足，但可能出现碳腐蚀。

如果燃料电池堆的各单电池内产生的电压没有在供应氢气后的预定时间段内上升，则燃料电池控制器不允许负载连接到燃料电池堆。当在预定时间段内产生的电池电压低于预设电压(用于连接负载的参考电池电压)时，燃料电极的氢气供应不足。因此，在这种情况下，燃料电池控制器以增压的方式向燃料电极供应氢气(S127)。

当向燃料电极供应的氢气的压力低于预定压力值(S131)以致于不能对燃料电池堆的所有单电池供应氢气时，燃料电池控制器可以向燃料电池堆的燃料电极供应高于增压所用氢气量的量的氢气(S127)。

图2是简要描述根据本公开实施方式的用于控制燃料电池系统启动的方法的流程图。燃料电池系统对燃料电池堆进行氢气增压(S201)并确定燃料电极上可能存在的全部残余氧气是否被完全去除(S203)。当确定残留氧气被完全去除时，该系统将负载从燃料电池堆断开，并取消对燃料电极进行的氢气增压操作(S205)。由于从燃料电极去除了全部残余氧气，燃料电池控制器可以向燃料电极供应空气(S207)。

燃料电极的氢气增压(S201)可以参考图1所示的步骤S121和步骤S127。图2是仅图示图1所示的氢气增压步骤(S121)或额外增压步骤(S127)的后续步骤的流程图。

去除供应到燃料电极的氧气所需的时间根据燃料电池堆中产生的电压而变化，确定是否成功地完全去除燃料电极上剩余的氢气是基于燃料电极的氢气供应时间或排放量而做出的。例如，利用压差或阀门打开的时间来测量排放量。

燃料电池控制器通过在步骤S127(S203)中进行的氢气增压来确定供应给燃料电极的氧气是否完全被去除。当确定氧气被完全去除时，该控制器停止氢气增压并向燃料电池堆的空气电极供应空气。去除供应到燃料电极的氧气所需的时间可以依据燃料电池堆中产生的电压而变化。确定是否成功地完全去除可以基于要去除的氧气的量、总的氢气供应时间和燃料电极的排放量而做出判断。

尽管已经出于示例说明的目的描述了本公开的示例性实施方式，但本领域技术人员将能理解，在不偏离所附权利要求所公开的本公开范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可行的。

Claims (22)

1.一种用于控制燃料电池系统的启动的方法，所述方法包括以下步骤：

当向燃料电池堆的燃料电极供应氢气持续设定时间段时，将所述燃料电池堆内产生的电压与第一参考电压进行比较；

当所述燃料电池堆内产生的电压高于所述第一参考电压时，将所述燃料电池堆的单电池的电压与用于负载连接的第二参考电压进行比较；以及

当所述燃料电池堆的单电池的电压高于所述用于负载连接的第二参考电压时，将负载连接到所述燃料电池堆。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

当所述燃料电池堆内产生的电压高于所述第一参考电压时，确定要从所述燃料电极去除的氧气的量或从所述燃料电极去除氧气所需的时间；和

根据要去除的氧气的量或去除氧气所需的时间，对所述燃料电极进行氢气增压。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，

当通过氢气增压在所述燃料电池堆的单电池内产生的电压高于所述用于负载连接的第二参考电压时，进行连接负载的步骤。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，

要去除的氧气的量或去除氧气所需的时间与所述燃料电池堆内产生的电压成比例。

5.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：

打开连接到所述燃料电池堆的空气电极的空气截止阀，其中，

在进行所述的氢气增压步骤之前进行所述的打开步骤。

6.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：

确定供应到所述燃料电极的氧气是否经所述的氢气增压步骤被完全去除；以及

当氧气被完全去除时，停止氢气增压，将与负载的连接断开，并向所述燃料电池堆的空气电极供应空气。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，

在所述确定步骤中，基于自所述燃料电极的排放量是否超过所确定的要去除的氧气量或进行氢气增压的时间是否超过所确定的去除氧气所需的时间来做出确定。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

将从上次向所述燃料电池堆供应氢气结束起经过的时间与参考时间进行比较，

其中，当所述从上次供应氢气结束起经过的时间比所述参考时间长时，进行将所述燃料电池堆内产生的电压与所述第一参考电压进行比较的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

当所述从上次供应氢气结束起经过的时间比所述参考时间短时，打开连接到所述燃料电池堆的空气电极的空气截止阀，并向所述燃料电池堆供应氢气和空气。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，

所述从上次供应氢气结束起经过的时间是从燃料电池车辆的点火钥匙关闭起所经过的时间。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，

所述从上次供应氢气结束起经过的时间是当在燃料电池车辆的点火钥匙关闭后周期性地供应氢气时从上次供应氢气结束起所经过的时间。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

确定所述燃料电池堆的温度是否满足冷启动条件；和

当温度满足冷启动条件时，通过打开连接到所述燃料电池堆的空气电极的空气截止阀，向所述燃料电池堆供应氢气和空气。

13.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

当所述燃料电池堆内产生的电压低于所述第一参考电压时，通过打开连接到所述燃料电池堆的空气电极的空气截止阀，向所述燃料电池堆供应空气。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述比较步骤是指确定在所述燃料电池堆的所有单电池内产生的电压中的最小电压是否高于所述用于负载连接的第二参考电压的步骤。

15.根据权利要求2所述的方法，其中，

当在所述燃料电池堆的单电池内产生的电压低于所述用于负载连接的第二参考电压时，不进行所述的连接步骤。

16.根据权利要求2所述的方法，其中，

当在进行所述的氢气增压步骤后所述燃料电池堆的温度满足冷启动条件时，不进行所述的连接步骤。

17.根据权利要求2所述的方法，其中，

当检测到负载连接装置的故障并因此负载不能连接到所述燃料电池堆时，不进行所述的连接步骤。

18.根据权利要求2所述的方法，其中，

当所述燃料电极的氢气供应压力低于参考压力时，不进行所述的连接步骤。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：

通过增压方法向所述燃料电池堆的燃料电极供应大于在所述进行氢气增压的步骤中所使用的氢气量的氢气量，而不进行连接负载的步骤。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：

通过增压方法向所述燃料电池堆的燃料电极供应大于在所述进行氢气增压的步骤中使用的氢气量的氢气量，而不进行连接负载的步骤。

21.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

通过增压方法向所述燃料电池堆的燃料电极供应大于在所述进行氢气增压的步骤中使用的氢气量的氢气量，而不进行连接负载的步骤。

22.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：

通过增压方法向所述燃料电池堆的燃料电极供应大于在所述进行氢气增压的步骤中使用的氢气量的氢气量，而不进行连接负载的步骤。