CN105052035A - 在功率减小过渡期间对燃料电池电压改变的正速率的响应 - Google Patents

Abstract

在燃料电池发电装置的功率减小过渡期间，由电压限制器件控件（200）响应于控制器（185）在一个或多个时间段期间提取通过消耗反应物生成的过量电能，该过量能量在升压和降压实施例中作为i）耗散在电阻性辅助负载中的能量或ii）作为施加到能量存储系统（201）（电池）的能量。控制器响应于一个或多个燃料电池的电压的正时间导数超过预先确定的限制值而操作电压限制器件控件。

Description

在功率减小过渡期间对燃料电池电压改变的正速率的响应

技术领域

这个形态涉及在功率减小过渡期间在一个或几个步骤中耗散或存储从燃料电池堆提取的电能以响应于燃料电池电压改变的正速率。

背景技术

当在燃料电池发电装置上汲取的功率减小或被移除时，如图8中所示，燃料电池减小或停止将氢燃料转换成电力。如果这个过量的燃料被倒掉，则它可能会引起操作问题，诸如发电装置的过温。这是所有燃料电池发电装置的特点，因为发电装置部件的化学和机械平衡的反应时间固有地是慢于电气负载改变的量值。当发生下行瞬变过程（down-transient）时（电气负载移除或减小），存在一时间段，在该时间段中发电装置的燃料电池平衡继续以与发生下行瞬变过程之前相同的速率向燃料电池供应反应物（氢/空气）。参见图10，这部分上是由于仅在电池电压接近损坏值时才监视电池电压并发起响应，诸如功率耗散或存储。参见图9，结果是产生通常为未使用（未消耗）的氢气的形式的过量能量。

在许多系统中，这种气体被再循环到重整器中或另外被驱除到周围大气中。在所有情况中，发电装置的燃料电池平衡响应于快速下行瞬变过程，该燃料电池平衡难以平衡如下控制：防止1）重整器的过温或大气的爆炸限制和2）燃料供应的下冲（under-shoot），同时处理3）未知数量的下行瞬变过程的重复发生、该瞬变过程的持续时间和该瞬变过程的量值。

结果是如下系统：该系统的继续操作取决于许多变量和一些未知情况的这种微妙平衡。

已经知道的是，即在US7790303中，无定形碳触媒载体和金属触媒的腐蚀（这在聚合物电解质膜（PEM）燃料电池的启动和停止或其它功率减小过渡期间发生）导致燃料电池性能的永久衰退。还知道的是，该腐蚀是由于反向电流情况，在该情况中阴极电位可以大大超过一伏特，高于标准氢电极的电位。这个电位使得基于碳的触媒载体腐蚀并且导致降低的电池性能。

在可能经历50000-100000次启动/停止循环和加速/减速循环的汽车应用中，这导致灾难性的性能损失。在燃料电池发电装置上用来在功率减小期间耗散或存储过量功率的电压限制器件（VLD）通常包括具有关联控制的快速动作IGBT或MOSFET器件以用于检测电池堆电压上升高于预定的过压限制，如图9中所示的。

发明内容

这个形态利用这些相同的器件和控制，但是向该控制添加了另一维度：在具有针对噪声的关联过滤器的情况下使用连续导数检测电池堆电压的斜率。电气负载被移除或急剧减小通过电池堆电压增加速率的急剧上升而被检测到。在检测时，阴极空气可以被分流，并且VLD（耗散器或存储装置）可以打开以控制功率耗散并且控制电池堆电压的斜率。这导致电气功率的逐渐释放。通过利用VLD来响应于电池电压的改变速率来对下行瞬变过程做出响应，发电装置化学和机械部件平衡的响应时间与电气负载的改变解耦。因此，实现了更可靠的燃料电池系统。功率逐渐释放的快速介入允许发电装置部件较慢的化学和机械平衡以便一致地响应于改变和对改变做出反应。可以针对特定发电装置和负载调整这个特征以便匹配发电装置的平衡的响应速度。

本文中的形态允许VLD在一系列阶段中进行相应以达到一连串的功率目标（如果期望的话）。

这个形态如此响应以使得他可以本质上消除响应于停止而发起电池电压限制步骤的需要。

根据对如在附图中图示的示例性实施例的下面的详细描述，其它变型将变得更加显而易见。

附图说明

图1是在功率减小过渡期间存储或耗散燃料电池堆的能量并且还可以分流阴极空气的燃料电池发电装置的示意框图。

图2和图3分别是现有技术升压配置和降压配置的示意图，是响应于本文的形态对功率存储或功率耗散的控制。

图4和5是负载功率与时间的图表。

图6是用于执行本文中形态的具有多个负载功率目标的基本实施例的功能的简化流程图。

图6A是图6的变型的部分简化流程图。

图7是用于执行本文中形态的具有单个负载功率目标的基本实施例的功能的模拟图示。

图8-14是与功率减小过渡有关的事件和值的关于共同时间坐标的一系列图；图8-10涉及现有技术，并且图11-14涉及本形态的响应。

具体实施方式

参见图1，车辆150包括燃料电池堆151，燃料电池堆151包括多个邻接的燃料电池，每个燃料电池具有膜电极组件（MEA）16，在图1中仅示出一个燃料电池12。在燃料电池堆151的正和负端子处的电气输出由一对线155、156通过开关158连接到车辆推进系统159。该输出也通过线160连接到VLD控件200。

水循环系统的储液器164具有出口165。水循环系统可以包括调整阀166、水通路（诸如水传输板84、86、88、89内的那些）、散热器和风扇168、169（其选择性地可操作为对在系统中循环的水进行冷却）以及可控水泵170。

由泵（诸如鼓风机174）把入口173处的环境空气提供给阴极的氧化剂反应物气体流场19，并且从此处起通过压力调节阀175提供给排出装置176。氧化剂空气通过分流阀177，分流阀177可以通过来自控制器的在线178上的信号而被打开一选择的量，以便排出空气，使得鼓风机174可以针对稍后的快速响应而保持在操作速度，同时减小电池堆中的功率生成，如专利公开2009/0098427中描述的那样。氢从源179通过流量调节阀180被供应到阳极的燃料反应物气体流场17，并且从此处起通过压力调节阀181被供应到排出装置182。燃料循环回路包括泵183。

控制器185响应于由电流检测器186确定的负载电流并且响应于跨线155、156的电压；它还可以具有在线187上提供的电池堆的温度。控制器继而能够通过线190控制阀门180以及控制其他阀门、开关158、160、162和泵170、174，如图1中所示的。

控制器185响应于来自车辆推进系统159的在线193-195上的启动、速度和需求控制信号，这些控制信号将指示燃料电池应当何时开始操作以及车辆推进系统所需求的功率的量。每当启动信号从车辆推进系统159通过线193被发送到控制器185时，来自控制器的信号就将使阀门180、181和泵183被适当地操作，以便提供燃料反应物气体到阳极的流场17并且然后阀门175和泵174将被适当地操作为向阴极流场19提供环境空气。

当足够量的燃料和空气已被均匀地提供给电池时，控制器185将在线155、156上检测到开路电压。在这时，控制器可以闭合开关199或闭合开关197或闭合这两者，以便把燃料电池堆151通过VLD控件200连接到辅助负载198或连接到存储控件201，或者连接到这两者，并且还将闭合开关158，以便把燃料电池堆151同时或稍后连接到车辆推进系统159。

每当来自车辆推进系统159的停止信号被接收到时，随着开关158开路以便将车辆从燃料电池发电装置断开，线212上的信号将选择性地激励VLD控件200。

此后关于图2-5描述的VLD控制器200将响应于控制器185闭合开关197而把由燃料电池中的或流过燃料电池的剩余反应物生成的功率引导到能量存储系统201（如果存储器件未完全充电的话）。或者，响应于控制器闭合开关199，VLD控制器200将把剩余功率引导到电阻性辅助负载198，该电阻性辅助负载198将把这些功率作为热量耗散。或者在一些情况中，开关197、198两者都可以被闭合。

替代地或附加地，双向分流阀177被线178上的信号调整为向阴极的氧化剂反应物气体流场19不提供、提供一些或提供所有来自泵174的空气。当负载需求下降到燃料电池接近开路电压的点时（诸如当车辆减慢、停止或下坡行进时），来自控制器的在线178上的信号调整阀门177以便向环境立即分流一些或所有空气。在低需求期间，空气泵可以被操作处于超过燃料电池中所需要的流量的空气流率，从而使得电池堆能够快速响应于稍后增加的需求。如果在任何给定实施方式中期望，则控制器可以在线178上提供作为负载的反函数的信号，以使得分流阀177向环境分流适当比例的量的空气。

当空气被倒掉时，燃料也通过排出阀181被倒掉。但是剩余的空气和燃料继续生成功率，并且倒掉的燃料产生前面描述的问题。

通过利用分流阀177来倒掉空气，泵174能够保持运行并且流动到阴极的空气量被减少，以使得仅少量的剩余空气保持在阴极流场中和电极结构中。在一些实施例中，泵174的速度可以在低负载或甚至停止期间被减小。

取决于控制器通过闭合开关197、199之一来选择存储或辅助负载，VLD控件200将存储过量的功率或将其耗散。VLD控件200在启动和停止期间或者在被选择的其他功率减小过渡期间提取存储在燃料电池堆中的能量。本实施例中的能量存储系统201（ESS）是由车辆推进系统159供电的电动车辆的电池。在其它实施例中，ESS201可以是某种其它电池，其可以是电容器或者其可以是某种其它的电气存储器件。

VLD控件200可以采用图2中所示的升压配置的形式，该配置在电池堆的电压输出低于能量要被存储在能量存储系统中或要被耗散在辅助负载198中所处的电压时是有用的。在图2中，电感器205与电子开关206串联连接在燃料电池堆151的电输出端子155、156之间，电子开关206可以是绝缘栅双极晶体管，如所示的，或者任何其它合适的电子开关。

从电感器和开关206的接合点通过单向导通器件（诸如二极管）209取得线208上的存储控件的输出。为了在电池堆151的输出电压小于能量要被存储在ESS中所处的电压时从电池堆151传递能量，开关206被来自控制器185的线212（图1）上的信号首先导通，因此在电感器205中建立电流。一定时间之后，开关206闭合并且电感器中的电流将继续流过二极管209和输出线208到能量存储系统201（图1）中，能量存储系统201可以是电池213。通过输出线208（和燃料电池堆的另一端子155）的电流被存储在ESS201中。当能量以电流形式离开燃料电池堆时，燃料电池堆中的电压将减小。这个过程被继续直到已经从燃料电池堆提取到期望的能量。

作为能量关系的示例，图4图示了要从燃料电池堆传递的能量的量能够通过绘制燃料电池堆的输出而被计算，所传递的能量由曲线区域表示。能量的量由对时间积分的功率来表示，该功率由燃料电池堆在负功率过渡期间生成。在这个示例中，能量E等于10千焦，并且功率在三秒内被耗散。

在这个实施例中，如在图4中能够看见的，能量不被均匀地取出。相反地，功率的传递快速达到最大值，并且然后随着时间减小。在关于图2和3描述的配置中，能量随着开关206被导通和关断而被递增地传递，如图5中所示的。

在燃料电池堆的电压大于能量要被耗散在辅助负载198中或要被存储在ESS201中所处的电压时使用图3的降压配置。开关206与电感器205串联连接在燃料电池堆的一个电气端子156和辅助负载198之间。二极管209从燃料电池堆的另一电气端子155连接到电感器205和开关206之间的接合点。开关206被线212上的信号导通，从而引起电流从端子156流动通过电感器205并且经由输出线208和开关199流动到辅助负载198中。然后，开关206被关断，在此时电流将通过二极管209和电感器205经由输出线208和开关199流动到辅助负载198。通过开关206和电感器205的电流流动引起燃料电池堆的电压减小。该切换过程被重复直到已经从燃料电池堆提取出期望的能量，如前面关于图4和5描述的。

在图2和3的配置中，通过线212上的信号对电子开关206的切换的控制允许用于启动和用于停止或者其他功率减小过渡，其中启动与停止和其它功率减小过渡之间的能量需要可以不同。部件198、205、206、209的尺寸将被确定为承载启动/停止/功率减小所需要的最大电流。

取决于本发明被用于其中的系统，可以利用其它配置，尤其是切换配置，包括使用能够使电压逐步增加或降低的隔离变换器，所变换的电流然后被整流以存储在电容器或电池中或其它合适的存储系统中。在该实施例中，存储系统是电气的，但是可以利用其它存储系统，包括机械系统。

图2的控制配置也可以与辅助负载198一起使用，并且图3的控制配置也可以与ESS201一起使用。

现有方法响应于燃料电池电压达到阈值而对功率减小过渡进行响应（前面描述的图8-10），包括激活功率减小和燃料电池电压控制。

图6中图示了在控制器185内采用软件执行本形态的方式的简化图示。这里，通过入口点230到达电池电压速率子例程，并且第一步骤231通过设置Vcell_n-1等于Vcell_n来更新前一个电压。然后步骤232确立电池电压的当前值Vcell_n等于线156上的电压V_156或者电池电压的其它指示。如果期望，在其它实施例中，电池电压可以被确立为一组电池或单个电池的平均值，或者其它值。本文的实施例可以被修改为在各种电池电压选择情况下进行执行。

然后，测试233确定是否已经设置了使能VLD标志（稍后描述）。在电池堆电压向上过渡之前，将尚未设置使能VLD标志，因此否定结果到达处于本形态的核心的测试237，测试237确定燃料电池电压的时间导数是否超过预先确定的限制速率。这通过确定目前电池电压（在步骤232中设置）和前一个电池电压Vcell_n-1（在步骤231中设置）之间的差是否等于或超过预先确定的限制（这取决于到达测试237的频率）来完成，参见图11。

如果测试237是否定的，则通过返回点241回转至其它编程。VLD在贯穿该例程的这个运转轮回（pass）中将不被使能。

在贯穿电池电压速率例程的随后的运转轮回中，测试237的肯定结果将到达步骤239和240以设置使能VLD标志，并且使能门控图2和3的时钟。这个标志指示操作图2和/或3的实施例（诸如实现在线212上的时钟脉冲的生成）或者操作其它VLD实行器（诸如分流阀177（图1））的条件。

在这个时间之后，发电装置平衡（BOP）将减小去往燃料电池的反应物流量（图12），使得负载功率减小（图13）。如果测试243指示负载功率尚未低于目前负载功率目标（该负载功率目标已被预先确定为适当功率水平以中断电压限制过程），则通过返回点241回转至其他编程。当然，可以利用其他VLD方法。

如果在步骤233中使能VLD标志被设置，则其后第一测试237确定当前燃料电池负载功率是否低于潜在的一系列目标中的目前预先确定的负载功率目标（如下面讨论的）。

如果测试243是肯定的，意味着在燃料电池中没有严重高电压的情况下向下功率过渡的处理工作被完成（图13的点A）或者已经达到VLD间隔（图13的点B），因此测试243的肯定结果将达到步骤244和245，从而重置使能VLD标志并禁用时钟。

为了控制期望数量的负载目标和VLD间隔（图11-14），测试251确定目标计数数量G是否已经达到预先确定的限制GLIMIT，GLIMIT指示期望目标的数量。如果否，则数量G在步骤253递增，并且通过返回点241回转到其它编程。如果是，则在步骤255中G被设置为1或者任何合适的数字，以用于在随后的功率减小事件中使用。

替代感测期望的燃料电池负载功率目标以中断或结束关于图6描述的本形态的过程，使能VLD标志保持被设置（并且时钟被使能）的时间段可以改为由普通计时器来确定，如在图6A中图示的。这里，测试243a确定由计时器指示的当前时间是否等于或超过目前时间间隔目标TIME_G。如果否，则通过如图6中那样的返回点241达到其它编程。但是如果是，测试243a的肯定结果到达步骤244、245以重置使能VLD标志并禁用时钟。然后例程继续到测试251，如它将在图6的实施例中那样。

应当在控制器185中执行常规过滤（未示出）以避免错误响应。燃料电池电压改变的限制速率可以按照电压限制的连续间隔来被调整。

图7在本形态的简化框图252中图示电池电压限制过程185a的纯示例性模拟版本，该过程185a涉及响应于电池电压改变的过大正速率而发起VLD操作。

在图7中，微分器254在线255上向比较电路256提供信号。去往比较电路的另一输入是线259上的速率限制信号。如果线255上的燃料电池电压的导数不大于线259上的速率限制信号，则在线258上将不存在信号。但是如果线255上的电池堆电压的导数超过线259上的速率限制信号，则在线258上将出现用于设置锁存器261的信号。一旦锁存器被设置，线263上的信号将通过与电路267来门控线264上的时钟信号，以便在线212上提供脉冲（图11的点B）。

在线265上的电池堆负载功率被减小为低于线267上的预先确定的负载功率目标之后，比较电路268将在线270上提供信号以重置锁存器261。这结束电压限制操作。

响应于停止而使能VLD将在图6、6A和7的实施例中快速发生。

前面提到的专利公开通过引用被合并在本文中。

因为可以在不脱离概念意图的情况下做出所公开的实施例的改变和变型，所以不意图限制本公开，除了如由所附权利要求需要的那样。

Claims (24)

1.一种对燃料电池发电装置的过量功率生成进行响应的方法，所述过量功率生成由从负载所需求的功率第一水平到所述负载所需求的功率第二水平的负载功率减小过渡引起，所述第二水平低于所述第一水平，其特征在于：响应于所述发电装置中至少一个燃料电池的电压的正时间导数超过预先确定的限制值而在一时间段内把所述发电装置的燃料电池的电压输出连接到至少一个燃料电池电压限制器件。

2.一种方法，其特征在于：感测超过预先确定的限制值的燃料电池发电装置中至少一个燃料电池的电压的正时间导数作为燃料电池发电装置的过量功率生成的指示，所述过量功率生成由从负载所需求的功率第一水平到所述负载所需求的功率第二水平的功率减小过渡引起，所述第二水平低于所述第一水平，并且响应于所述正时间导数超过预先确定的限制值而在一时间段内把所述发电装置的燃料电池的电压连接到至少一个燃料电池电压限制器件。

3.根据权利要求1或2的方法，进一步特征在于：

所述至少一个燃料电池电压限制器件是电阻性辅助负载或能量存储系统，或这两者。

4.根据权利要求1或2的方法，进一步特征在于：

所述时间段延续直到燃料电池发电装置的功率输出达到预先确定的功率目标。

5.根据权利要求4的方法，进一步特征在于：

所述预先确定的功率目标是所述功率第二水平。

6.根据权利要求4的方法，进一步特征在于：

所述预先确定的功率目标是临时功率目标，所述临时功率目标处于所述功率第一水平和所述功率第二水平之间。

7.根据权利要求6的方法，进一步特征在于：

在达到所述临时功率目标之后，响应于所述发电装置中至少一个燃料电池的电压的附加正时间导数超过预先确定的限制值而在附加时间段内再次把所述发电装置的所述燃料电池的电压连接到至少一个燃料电池电压限制器件。

8.根据权利要求7的方法，进一步特征在于：

所述附加时间段延续直到所述燃料电池发电装置的功率输出达到预先确定的中间功率目标。

9.根据权利要求8的方法，进一步特征在于：

所述中间功率目标是所述功率第二水平。

10.根据权利要求3的方法，进一步特征在于：

所述时间段延续直到计时器超时，所述计时器响应于所述发电装置中至少一个燃料电池的电压的正时间导数超过预先确定的限制值而被预先启动。

11.根据权利要求10的方法，进一步特征在于：

在所述计时器超时之后，响应于所述发电装置中至少一个燃料电池的电压的附加正时间导数超过预先确定的限制电压而在附加时间段内再次把所述发电装置的所述燃料电池的电压连接到至少一个燃料电池电压限制器件。

12.燃料电池发电装置设备，包括：

燃料电池堆；

控制器，与所述燃料电池堆互连；

电压限制器件，包括如下两者中的一个或两个：与所述燃料电池发电装置相关联的电阻性辅助负载，所述辅助负载响应于向其提供的电气功率输出以耗散对应的能量；以及与所述燃料电池发电装置相关联的能量存储系统，所述能量存储系统响应于向其提供的电气功率输出以存储对应的能量；

其特征在于：

电压限制器件控件，能够由所述控制器在从负载所需求的功率第一水平到所述负载所需求的功率第二水平的功率减小过渡期间操作为提取由所述燃料电池堆生成的电气功率输出形式的能量，所述第二水平低于所述第一水平，所述电气输出在一时间段内被提供i）给所述辅助负载以作为热量耗散，或者ii）给所述能量存储器件，或提供给这两者，由此限制由所述过渡引起的所述燃料电池堆的燃料电池中的最大平均电压；

所述控制器响应于所述电池堆中至少一个燃料电池的电压的正时间导数超过预先确定的限制值而操作所述电压限制器件控件。

13.根据权利要求12的发电装置，进一步特征在于：

所述电压限制器件控件包括电子开关，所述电子开关被来自所述控制器的信号接通和关断。

14.根据权利要求12的发电装置，进一步特征在于：

所述能量存储系统包括电池。

15.根据权利要求12的发电装置，进一步特征在于：

所述能量存储系统包括设置在车辆上的电池，所述车辆由所述发电装置供电。

16.根据权利要求12的发电装置，进一步特征在于：

所述能量存储系统包括电容器。

17.根据权利要求12的发电装置，进一步特征在于：

所述时间段延续直到燃料电池发电装置的功率输出达到预先确定的功率目标。

18.根据权利要求17的发电装置，进一步特征在于：

所述预先确定的功率目标是所述功率第二水平。

19.根据权利要求17的发电装置，进一步特征在于：

所述预先确定的功率目标是临时功率目标，所述临时功率目标处于所述功率第一水平和所述功率第二水平之间。

20.根据权利要求16的发电装置，进一步特征在于：

在达到所述临时功率目标之后，响应于所述电池堆中至少一个燃料电池的电压的正时间导数超过预先确定的限制值而在附加时间段内再次把所述发电装置的所述燃料电池的电气输出提供给至少一个燃料电池电压限制器件。

21.根据权利要求20的发电装置，进一步特征在于：

所述附加时间段延续直到所述燃料电池发电装置的功率输出达到预先确定的中间功率目标，作为对所述电池堆中至少一个燃料电池的电压的正时间导数超过预先确定的限制值的响应。

22.根据权利要求18的发电装置，进一步特征在于：

所述预先确定的中间功率目标是所述功率第二水平。

23.根据权利要求12的发电装置，进一步特征在于：

所述时间段延续直到计时器超时，所述计时器响应于所述电池堆中至少一个燃料电池的电压的正时间导数超过预先确定的限制值而被预先启动。

24.根据权利要求23的发电装置，进一步特征在于：

在所述计时器超时之后，响应于所述发电装置中至少一个燃料电池的电压的附加正时间导数超过预先确定的限制电压而在另一时间段内再次把所述发电装置的所述燃料电池的电压连接到至少一个燃料电池电压限制器件。