CN108808039A - 在低功率运行模式期间对燃料电池堆中电池电压的动态低功率控制 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，其包括燃料电池堆和控制器。燃料电池堆包括催化剂和堆电压。控制器通过在燃料电池系统的低功率运行模式期间最小化或去除催化剂上氧化物的积聚来提高燃料电池堆的效率。控制器执行用于在检测的低功率运行模式期间动态地控制堆电压的方法。该方法包括以足够最小化或去除氧化物的幅度和频率通过控制器命令到燃料电池堆的低电压/高功率脉冲。该系统可以包括直流‑直流(DC‑DC)升压转换器，同时控制器编程为通过该DC‑DC升压转换器命令功率脉冲。或者，控制器可以配置为通过控制氧和/或氢的馈给速率来命令该功率脉冲。

Description

在低功率运行模式期间对燃料电池堆中电池电压的动态低功 率控制

引言

燃料电池堆是一种电化学装置，其利用铂或其他合适的催化剂来通过成对的氧化/还原反应产生电力。燃料电池堆可以用作直流电源的来源，以用于机动车辆推进、电力产生以及其他有益的应用。特别是在机动车辆应用中，在行程开始打开点火与再次基于行程完成关闭点火之间的时间段被称为车辆驾驶周期。在使用燃料电池堆的车辆中，驾驶循环的相当一部分可能耗费在空闲上，其中燃料电池堆在低功率输出水平上运行，以及燃料电池堆保持在具有非常低的电流消耗的固定电压水平上。该低功率/空闲时间段被称为“保持时间”。

在低功率保持时间间隔期间，燃料电池堆通常被保持在相对高的电势上。这样的控制动作被引导来最大化堆效率，以及确保当退出保持时间间隔时更高的电压功率立即可用。尽管如此，在较高的维持电压下氧化物可能积聚在催化剂材料上。随时间推移，积聚的氧化物趋向于降低催化剂活性。结果是，电池电压水平随着保持时间持续时间的增加而降低。可以通过将燃料电池堆保持在低电势下来去除氧化物。然而，保持低电池电势可能影响功率性能，特别是当退出低功率保持时间间隔时。

发明内容

本文公开了一种控制方法和系统，其可以用于改进燃料电池堆的运行效率。该方法涉及对燃料电池堆中堆电压的动态控制，特别是在低功率运行模式期间。通过在低功率运行模式期间间断地向燃料电池堆施加低电压/高功率脉冲以便最大化电池电势，改进了催化活性。可以例如通过催化模型计算降低催化活性和增大保持时间之间的关系，同时在校准频率上提供低电压/高功率脉冲作为由机载控制器执行的特定控制动作。结果是，增大了燃料电池堆的效率。本策略可以考虑燃料电池堆的老化并相应地修改功率脉冲，例如随着燃料电池堆老化可以增大低电压/高功率脉冲以确保维持总体堆效率增益。

在可能的实施例中，低功率驾驶周期或其他低功率运行模式期间的高功率脉冲可以通过减少流动通过燃料电池堆的氧和/或氢来实现。替代地，所需的功率脉冲可以例如通过控制升压转换器的电压输出来电注入。结果是，积聚的氧化物从催化剂的表面被温和地去除或最小化，使得在低功率运行模式期间提高了时间平均催化活性。以上提到的模型可以用于计算作为氧化物覆盖度和诸如堆温度和/或环境温度、相对湿度以及氧分压的运行因子的函数的电池电压。可以利用该模型实时确定脉冲频率。

在本文中在示例性实施例中公开了一种燃料电池系统，其包括燃料电池堆和控制器。燃料电池堆具有催化剂和堆电压。控制器通过在燃料电池系统的低功率运行模式期间去除或最小化催化剂上氧化物的积聚来提高堆效率。控制器被编程为检测低功率运行模式，并且之后在所检测的低功率运行模式期间动态地控制堆电压。作为编程的控制动作，控制器以足以去除氧化物的幅度和频率命令低电压/高功率脉冲进入燃料电池堆。

燃料电池系统可以包括DC-DC升压转换器，其通过DC电压总线电连接到燃料电池堆。在该实施例中控制器可以编程为命令来自DC-DC升压转换器的功率脉冲。替代地，控制器可以通过控制进入燃料电池堆的氧和/或氢的馈给速率来命令功率脉冲。

在各种实施例中，控制器可以利用描述燃料电池堆的空闲/保持时间和一组运行因子之间关系的模型进行编程，同时该控制器可操作为利用催化模型实时设置功率脉冲的频率。运行因子可以包括温度(环境和/或堆)、相对湿度以及氧分压。

控制器可以编程为确定燃料电池堆的老化，并且利用确定的老化调节功率脉冲的频率。

当燃料电池系统为具有空闲模式的车辆中的DC电源时，低功率运行模式可以是空闲模式。

还公开了一种用于动态地控制燃料电池堆中堆电压的方法。该方法包括：检测燃料电池堆的低功率运行模式，并且随后在所检测的低功率运行模式期间通过控制器动态地控制堆电压。作为动态控制的一部分，控制器以足够从催化剂去除氧化物的幅度和频率命令低电压/高功率脉冲进入燃料电池堆。

以上发明内容并不旨在代表本公开的所有实施例或所有方面。而是，前述发明内容仅提供本文所阐述的新颖方面和特征中一些的范例。当结合附图和所附权利要求书时，通过以下对用于实现本公开的代表性实施例和代表性模式的详细描述，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点将是显而易见的。此外，本公开显然包括以上和以下所提出的元件和特征的任何或全部组合和子组合。

附图说明

图1是如本文所阐述的具有燃料电池堆和配置为在特定低功率运行模式期间利用目标低电压/高功率脉冲改进堆效率的控制器的示例性车辆的示意图。

图2是描绘堆功率随保持时间增大而减小的参考功率分布，在水平轴上示出了时间且在垂直轴上示出了功率水平和电流密度。

图3是具有周期性低电压/高功率脉冲的功率分布，在水平轴上示出了时间且在垂直轴上示出了功率水平和和电池电压。

图4是具有周期性低电压/高功率脉冲的另一功率分布，在水平轴上示出了时间且在垂直轴上示出了电池电压和电流密度。

图5是描绘用于在图1中所示的燃料电池系统中在低功率运行模式期间动态地控制电池电压的示例性方法的流程图。

本公开易于做出各种修改和替代形式，并且在附图中通过示例的方式示出了一些代表性实施例并将在在此进行详细描述。然而，应当理解，本公开的新颖方面并不限于附图中所示出的特定形式。而是，本公开将覆盖落入所附权利要求书所限定的本公开的范围和精神内的所有修改、等价物、组合、子组合、排列、分组以及替代。

具体实施方式

现在参考附图，其中在整个若干视图中相同的附图标记指代相同的特征，图1示意性地示出了示例性燃料电池系统12。燃料电池系统12包括燃料电池堆14，其为适合于在车辆10中用作直流(DC)电源的类型，车辆10比如是如图所示的机动车辆，或者海上载具、航空航天载具、机器人或其他移动平台。燃料电池堆14还可以在固定发电厂或需要机载生成DC电力的其他系统中使用。为了说明的一致性，之后将在车辆10上的推进功能的背景下描述燃料电池堆14，而并非将燃料电池堆14限定于此类应用。

燃料电池堆14包括设置在相应负极板14A和正极板14C之间的燃料电池15。尽管燃料电池堆14以及所构成的燃料电池15的特定类型可以随燃料电池系统12的应用而不同，在示例性实施例中，燃料电池15可以为聚合物电解质膜/质子交换膜(PEM)型以便以较低的重量和体积传送相对高的功率密度。PEM型燃料电池使用铂或铂合金形式的催化剂以及固态电解质聚合物材料(未示出)。由此，在这样的实施例中，以上提到的氧化物可能形成在铂/铂合金材料上，从而根本上降低了堆电压。当配置为PEM型燃料电池时，燃料电池15利用来自氢储存罐18的气态氢供给(箭头H2)和经由压缩机(COMP)16从环境空气或经由氧储存罐(未示出)供应的氧供给(箭头O2)运行。

作为图1中所示的燃料电池系统12的一部分，控制器(C)50以体现方法100的指令进行编程。控制器50在其他方面如以下所述配置为改善燃料电池堆14的总体运行效率。在可能代表了车辆10中运行时间的大约80％或更多的低电流密度下，堆效率严重受到堆电压的影响。因此，在低功率运行模式期间可以使用通过方法100对功率需求的控制以改善燃料电池堆14的催化活性，具体地通过间断地向燃料电池堆14施加低电压/高功率脉冲以便在延长的保持时间期间最大化电池电压。

如本文中参考图2至图5所描述的，为了达到最小化在燃料电池堆14内使用的催化剂上的氧化物形成的目的，控制器50可以利用催化模型60进行编程。催化模型60继而可以由控制器50在燃料电池系统12的低功率运行模式期间使用，以便估计催化活性随着保持时间增大(即，当在燃料电池堆14的低电流输出水平下空闲时)正在发生的变化。任选地，控制器50可以随时间流逝基于燃料电池堆14的老化更新催化模型60，例如如以下所解释的随时间流逝增大功率脉冲频率。由于使用了方法100，氧化物被温和地从燃料电池堆14的催化剂去除，由此允许燃料电池堆14在更高的相对效率水平上运行。

在图1的示例性燃料电池系统12内，堆旁通管线19路径环绕燃料电池堆14。设置在旁通管线19内的旁通阀17具有可以通过控制器50设定的可变打开/闭合位置。对旁通阀17的控制允许控制器50通过设定流动通过或绕过燃料电池堆14的氧的量(箭头O2)来调节燃料电池堆14的运行。在从燃料电池堆14排出之前，从旁通阀17排放的氧化空气最终加入从正极板14C排出的正极废气(箭头C_EX)。负极废气(箭头A_EX)类似地从负极板14A排出。

图1的燃料电池系统12进一步包括电压监测电路(VMC)20。VMC20可以配置为监测燃料电池堆14的电压水平，之后其被称为堆电压，从而测量单独的燃料电池15的最小和最大电池电压，以及计算平均电池电压。此类集合的电压控制值(箭头V_C)可以由控制器50用来响应于改变功率需求来控制燃料电池堆14的运行，比如在所示的车辆推进实施例中增大的驾驶员节流请求。

另外，燃料电池系统12包括电耦合至燃料电池堆14的高电压电气总线21。连接至高电压电气总线21的高电压电池组(B_HV)26用作电力槽或电源以替代地储存或补充燃料电池堆14所提供的DC功率。定位在燃料电池堆14和高电压电池组26之间的DC-DC升压转换器28可以将来自燃料电池堆14的DC电压水平提高到适合于向高电压总线21和连接到其上的电子装置供电的更高水平。

例如，当燃料电池系统12被用来向诸如多相电机(M_E)34的交流(AC)装置供电时，电机34的功率需求可能超过来自燃料电池堆14输出的水平。升压转换器28由此用作提高供应给电机34的DC电压，同时如有需要高电压电池组26也向电机34提供DC功率。另外，功率变换模块(PIM)30可以电连接至高电压总线21并且用于将高电压总线21上的DC电压变换为适合于向电机34(例如，适合于推进车辆10的牵引马达)的相位绕组31供电的AC电压(VAC)。来自电机34的输出扭矩(箭头T_O)可以传送到输出构件36以在车辆10或其他系统上执行作业。

同样作为燃料电池系统12的一部分，可以通过控制器50控制一组开关或接触器(S_C)，以便将燃料电池堆14与燃料电池系统12的其余部分断开，比如当车辆10未运转或者在潜在的高电压电气故障期间。可以通过辅助功率模块(APM)22在燃料电池系统12内向辅助电池组(B_AUX)24提供辅助功率，比如DC-DC降压变换器，其可以用于将高电压总线21上的电压水平降低到适合于在辅助电池组24(例如，12-15VDC)中储存的较低水平。

参考图2，功率分布65描述了图1的燃料电池堆14的功率密度(迹线62)随着保持时间增大而减小的现象，时间以秒为单位示出，即t(s)。约0.1安/平方厘米(A/cm²)的低电流密度(迹线64)指示了空闲车辆10或其他低功率运行模式。以瓦/平方厘米(W/cm²)为单位示出的功率密度(迹线62)被示出为在燃料电池堆14处于空闲一段较长时间之后，此处显示为约34小时，以显著的速率降低。对于图1的示例性车辆10，这可能对应于车辆10被停泊并在周末留置未用。

图3和图4分别示出了在给定保持电势、温度、相对湿度以及氧分压水平下堆电流和电压的衰减。在图3中，迹线70包括燃料电池堆14的电流密度(迹线72)和电压(迹线74)。类似地，图4的迹线80包括燃料电池堆14的电流密度(迹线82)和电压(迹线84)。由此观测到，衰减速率是特定运行条件的函数，并且由此可以通过催化模型60针对给定燃料电池堆14建模，这继而可以由控制器50实时访问。利用催化模型60，作为方法100的一部分，控制器50由此能够确定在低功率运行模式期间对燃料电池堆14的间断低电压/高功率脉冲的定时和幅度。

图5示出了以上所提到的方法100的示例性实施例。方法100的方面可以通过计算机可执行指令实施，即由控制器50执行的软件应用或应用程序。软件可以存储在控制器50的各种存储器(M)上，包括诸如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器的计算机可读存储器以及诸如各种类型的RAM或ROM的半导体存储器。而且，尽管在图1中示为单控制器50，但是方法100的方面可以在分布式计算环境中实践，其中任务由通过例如控制器局域网(CAN)总线(未示出)的通信网络链接的远程处理装置执行。尽管参考图5描述了特定算法，但是也可以在本公开的范围内使用实施该示例性机器可读指令的其他方法。

以步骤S102开始，作为方法100的阈值进入条件，控制器50可以首先确定低功率运行模式是否是活动的，例如车辆10的驾驶周期的空闲/低功率部分。当满足阈值进入条件时方法100前进到步骤S104。

步骤104包括针对当前驾驶周期计算燃料电池堆14的效率。例如，步骤S104可能需要执行以下操作：

P_GROSS＝I·V

P_NET＝P_GROSS-P_PARASITIC

P_NET＝P_GROSS-P_PARASITIC

其中P_GROSS是以kW为单位的堆总发电量，I是以安为单位的堆电流，V是以伏为单位的堆电压，P_NET是以kW为单位的提供给车辆的FCS净功率，P_PARASITIC是以kW为单位的来自FCS中其他部件(即，压缩机，冷却泵等)的功率消耗，F是法拉第常数(96,485C/mol e^-)，n_X-OVER是以mol/s为单位的通过燃料电池膜(PEM)从负极到正极的氢交叉，n_BLEED是以mol/s为单位的由于H2/N2混合物从燃料电池堆的负极侧的周期性有意流出所引起的氢损失，以及η是堆效率。一旦已经计算出效率，则方法100前进到步骤S106。

在步骤S106处，控制器50接下来确定在步骤S104处计算的堆效率是否小于校准的阈值堆效率，即用于维持低功率驾驶周期运行所需的校准最小堆效率。当计算的堆效率超过阈值堆效率时方法100前进到步骤S108，而当计算的堆效率低于阈值堆效率时前进到步骤S110。

步骤S108包括在重复步骤S104之前等待通过一段校准持续时间。当来自步骤S104的堆效率保持为高于阈值堆效率时到达步骤S108，意味着尚不需要功率脉冲。因此允许经过足够的时间以便在重复步骤S104之前发生效率衰减。

步骤S110包括周期地向燃料电池堆14施加低电压/高功率脉冲。例如，步骤S110可以包括施加校准数目(n)的具有固定幅度的等间隔脉冲。作为步骤S110的一部分，控制器50可以包括计算建模的效率，即在注入低电压/高功率脉冲之后燃料电池堆14的效率。该脉冲持续时间可以小于约10秒，并且将理想地将电压驱使到小于约0.7VDC/电池以确保有效地去除氧化铂层。脉冲可以是或者可以不是等间隔的，并且如果足够的话可以包括单个脉冲。方法100随后前进到步骤S112。

在步骤S112处，控制器50迭代地评估来自步骤S110的校准数目(n)的低电压/高功率脉冲，以便建模的效率等于来自步骤S106的维持低功率运行模式所需的最小堆效率。换言之，步骤S112包括调节所施加脉冲之间的持续时间以将堆效率维持在最小效率或者最小效率之上。方法100随后前进到步骤S114。

步骤S114可能需要确定低电压/高功率脉冲的校准数目(n)是否小于此类脉冲的校准阈值数目(N)，该数目(N)受诸如电池组容量和耐用性的因素的制约。从而，步骤S114确保了图1的高电压电池组26的性能和完整性得到保持。当来自步骤S110的低电压/高功率脉冲的校准数目(n)小于此类脉冲的校准阈值数目(N)时，方法100前进到步骤S118，而替代地当n>N时前进到步骤S116。

在步骤S116处，方法100包括向驾驶周期施加N个脉冲，并且之后针对低功率驾驶周期计算堆效率。方法100随后前进到步骤S119。

步骤S118包括在当前驾驶周期期间施加(n)脉冲，在施加该(n)脉冲之后计算堆效率，并且随后前进到步骤S119。

步骤S119包括确定在低功率驾驶周期期间通过步骤S116或S118计算的堆效率是否低于在低功率下的最小堆效率。如果是，方法100前进到步骤S110。否则方法100前进到步骤S120。

在步骤S120处，控制器50接下来递增脉冲计数器，使得脉冲的校准数目(n)等于(n+1)。方法100随后前进到步骤S114。

利用以上所述的方法100，可以去除或最小化图1的燃料电池堆14的结构中使用的催化材料的氧化物覆盖。控制器50可以按照最优方式执行方法100，即通过将到燃料电池堆14的低电压/高功率脉冲的幅度和频率定量为诸如环境和/或堆温度、相对湿度以及氧分压的运行因子的函数，并且随后在低功率运行模式期间，特别是那些具有与催化模型60中特定条件相匹配的低电流密度的低功率运行模式，选择性地施加低电压/高功率脉冲。与注入低电压/高功率脉冲相关的氧化还原，无论是通过经由第一组控制信号(箭头CC_E)对升压转换器28的控制，还是通过经由第二组控制信号(箭头CC_A)对进入燃料电池堆14的空气流的量的控制，可以针对相关的功率耗费所引起的效率损失而进行考虑。

用于提供低电压脉冲的可能控制动作可以包括控制流动通过燃料电池堆14的正极板14C的氧(O2)和/或控制氢(H2)从负极板14A的流出。也就是说，控制器50可以配置为通过控制经由压缩机16的氧(O2)和来自储存罐18的氢(H2)中的至少一个的馈给速率来命令低电压/高功率脉冲。替代地，低电压/高功率脉冲可以经由升压转换器28注入燃料电池堆14。对燃料电池堆14的流量控制具有较慢的预期响应时间，但是对车辆10的操作员而言将实质上是透明的，同时主动的功率控制获得了快速的响应时间但是可以由操作员感知到。在任一种方案中，按照适合于确保燃料电池堆14的堆效率保持在高于校准最小固定堆效率的方式，由控制器50确定在低功率运行模式/空闲下脉冲的频率。

尽管已经参考所示实施例详细描述了本公开的方面，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本公开范围的情况下对其做出许多修改。本公开并不限于本文所公开的精确结构和组成；通过之前描述显而易见的修改、改变和变型也落入所附权利要求书中限定的本公开的范围内。此外，本构思显然包括前述元件和特征的组合和/或子组合。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其包括：

燃料电池堆，所述燃料电池堆具有催化剂和堆电压；以及

控制器，所述控制器配置为最小化或去除在所述燃料电池系统的低功率运行模式期间所述催化剂上氧化物的积聚，其中所述控制器被编程为：

检测所述低功率运行模式；以及

通过以足够最小化或去除所述氧化物的所述积聚的幅度和频率命令周期性低电压/高功率脉冲进入所述燃料电池堆，来在所述检测的低功率运行模式期间动态地控制所述堆电压，并且由此提高所述燃料电池堆的基线效率。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其进一步包括经由DC电压总线电连接至所述燃料电池堆的直流(DC)-DC升压转换器，其中所述控制器编程为命令来自所述DC-DC升压转换器的所述低电压/高功率脉冲。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池堆包括正极板和负极板，所述燃料电池系统进一步包括：

压缩机，所述压缩机可操作用于向所述正极板馈给氧；以及

氢储存罐，所述氢储存罐可操作用于向所述负极板馈给氢；

其中所述控制器配置为通过控制所述氧和所述氢中的至少一个的馈给速率来命令所述低电压/高功率脉冲。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述控制器配置为通过控制所述氧和所述氢的馈给速率来命令所述低电压/高功率脉冲。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述控制器以催化模型进行编程，所述催化模型描述了所述燃料电池堆对应于所述低功率运行模式的空闲/保持时间与多个运行因子之间的关系，并且用于利用所述催化模型实时设定所述低电压/高功率脉冲的频率。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述运行因子包括环境温度或所述燃料电池堆的温度、相对湿度，以及氧分压。

7.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述控制器编程为确定所述燃料电池堆的老化，并且利用所述确定的老化调节所述低电压/高功率脉冲的频率。

8.一种在具有催化剂的燃料电池堆中动态地控制堆电压的方法，所述方法包括：

检测所述燃料电池堆的低功率运行模式；以及

通过以足够从所述催化剂最小化或去除氧化物的积聚的幅度和频率命令低电压/高功率脉冲进入所述燃料电池堆，来在所述检测的低功率运行模式期间通过控制器动态地控制所述堆电压。

9.根据权利要求8所述的方法，其包括经由DC电压总线电连接至所述燃料电池堆的直流(DC)-DC升压转换器，其中动态地控制所述堆电压包括命令来自所述DC-DC升压转换器的所述低电压/高功率脉冲。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述燃料电池堆包括正极板和负极板，其中动态地控制所述堆电压包括控制进入相应正极板和负极板的氧和氢中至少一个的馈给速率。