CN109524691A - 用于防止周围封闭空间中的低氧浓度的燃料电池堆操作 - Google Patents

用于防止周围封闭空间中的低氧浓度的燃料电池堆操作 Download PDF

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Abstract

一种操作为车辆供电的燃料电池堆的方法包括确定车辆何时处于非移动状态；在车辆处于非移动状态时计算假设的封闭空间随时间变化的O2浓度；建立一组O2浓度关注水平，其包括小于标准大气O2浓度的第一O2浓度关注水平和小于第一O2浓度关注水平的第二O2浓度关注水平；将假设的封闭空间随时间变化的O2浓度与该组O2浓度关注水平进行比较；以及当车辆处于非移动状态时，只要假设的封闭空间的O2浓度保持大于第一O2浓度关注水平，就无限制地操作燃料电池堆。

Description

用于防止周围封闭空间中的低氧浓度的燃料电池堆操作
引言
本公开涉及操作用于车辆的燃料电池堆(FCS)，其可以被诸如封闭车库或其它受限空间等周围结构封闭。更具体地，本公开提供了根据条件操作模式来操作FCS的方法，该条件操作模式假设当满足车辆的某些操作条件时车辆处于封闭空间中。条件操作模式被设计使得如果车辆实际上包含在封闭空间内，则将修改FCS的操作，使得FCS不会过度消耗该空间内的可用氧气超过可接受的水平。当车辆实际上不在封闭空间中但是仍然触发了条件操作模式时，条件操作模式还试图避免对FCS的操作的不必要的修改。
质子交换膜(PEM)燃料电池是一种电化学装置，其包括膜电极组件，该膜电极组件具有被设置在质子传导固体聚合物电解质的相对侧上的阳极催化剂层和阴极催化剂层。阳极催化剂层接收氢气，而阴极催化剂层接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂层处离解以产生自由质子和电子。质子通过电解质迁移，而电子被引导通过负载以执行工作。质子和电极最终到达阴极催化剂层，在那里它们与氧反应以产生水。FCS包括多个类似的PEM燃料电池，它们由双极板分隔开并且连接到氢气和氧气或空气的公共供应源。
FCS的阴极催化剂层从周围环境供应氧气，并且根据需要消耗氧气以支持FCS的正在进行的操作。如果车辆在FCS运行时-诸如当车辆在封闭车库中运行以加热乘客舱时处于封闭空间-则封闭空间内的可用氧气量可能比通过从封闭空间外部到封闭空间内部的空气交换补充的氧气更快地消耗。因而，在这些情况下，封闭空间内的氧气浓度可能开始下降。因此，需要一种FCS的条件操作模式，只要车辆的某些操作条件表明车辆可能处于封闭空间中(当然不会在车辆被假设为在但实际上不在这样的封闭空间中时不必要地中断FCS的操作)，该条件操作模式就可以解决封闭空间内的氧气浓度下降的问题。
发明内容
根据一个实施例的操作燃料电池堆的方法可以包括若干步骤。一个步骤涉及确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态。在另一个步骤中，当车辆处于非移动状态时，计算假设封闭空间随时间变化的O2浓度。在又一步骤中，建立一组O2浓度关注水平，其包括小于标准大气O2浓度的第一O2浓度关注水平和小于第一O2浓度关注水平的第二O2浓度关注水平。在再一步骤中，当车辆处于非移动状态时，只要假设的封闭空间的O2浓度保持大于第一O2浓度关注水平，就无限制地操作燃料电池堆。
上述实施例的方法可以包括若干步骤或进一步定义。例如，确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态的步骤可以包括确定车辆的速度小于或等于5千米/小时。作为另一个示例，确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态的步骤可以包括确定车辆是静止的。并且在又一示例中，确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态的步骤可以包括确定车辆是静止的，并且车辆的GPS坐标指示所述车辆不在道路上。
另外，计算假设的封闭空间随时间变化的O2浓度的步骤可以包括当首次确定车辆处于非移动状态时将假设的封闭空间的O2浓度设定为标准大气O2浓度，此后基于燃料电池堆随时间消耗的O2量和随时间补充到假设的封闭空间的O2量来调整假设的封闭空间的O2浓度。燃料电池堆消耗的O2量可以包括由于产生燃料电池堆的电流而消耗的O2量、由于阴极催化加热(CCH)而消耗的O2量，以及由于堆电压恢复(SVR)而消耗的O2量，并且补充到封闭空间的O2量可以基于0.03次空气交换/小时。
更进一步地，第一O2浓度关注水平可以小于21mol％并且大于19mol％，并且单独地，第二O2浓度关注水平可以小于20mol％并且大于18mol％。更确切地，第一O2浓度关注水平可以为20mol％，而第二O2浓度关注水平可以为19mol％。
在前述方法中无限制地操作燃料电池堆的步骤可以包括在启用CCH和SVR过程的情况下操作燃料电池堆。另外，前述方法可以进一步包括当假设的封闭空间的O2浓度等于或小于第一O2浓度关注水平但是大于第二O2浓度关注水平时以低功率状态操作FCS的附加步骤。前述方法可以还可以进一步包括当假设的封闭空间的所述O2浓度等于或小于第二O2浓度关注水平时关闭燃料电池堆的步骤。
根据另一个实施例的操作燃料电池堆的方法可以包括若干步骤。一个步骤涉及确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态。在另一个步骤中，当车辆处于非移动状态时，计算假设封闭空间随时间变化的O2浓度。在又一步骤中，将假设的封闭空间随时间变化的O2浓度与一组O2浓度关注水平进行比较，该组O2浓度关注水平包括第一O2浓度关注水平和第二O2浓度关注水平。第一O2浓度关注水平小于标准大气O2浓度，而第二O2浓度关注水平小于第一O2浓度关注水平。在再一步骤中，在车辆处于非移动状态时根据条件操作模式操作燃料电池堆。条件操作模式包括(1)只要假设的封闭空间的O2浓度保持大于第一O2浓度关注水平，就无限制地操作燃料电池堆；(2)当假设的封闭空间的O2浓度等于或小于第一O2浓度关注水平但是大于第二O2浓度关注水平时在低功率状态下操作燃料电池堆；以及(3)当假设的封闭空间的O2浓度等于或小于第二O2浓度关注水平时关闭燃料电池堆。
上述实施例的方法可以包括若干步骤或进一步定义。例如，确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态的步骤可以包括确定车辆是静止的。作为另一个示例中，确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态的步骤可以包括确定车辆是静止的，并且车辆的GPS坐标指示所述车辆不在道路上。
另外，计算假设的封闭空间随时间变化的O2浓度的步骤包括当首次确定车辆处于非移动状态时将假设的封闭空间的O2浓度设定为标准大气O2浓度，此后基于燃料电池堆随时间消耗的O2量和随时间补充到假设的封闭空间的O2量来调整假设的封闭空间的O2浓度。燃料电池堆消耗的O2量包括由于产生燃料电池堆的电流而消耗的O2量、由于阴极催化加热(CCH)而消耗的O2量，以及由于SVR而消耗的O2量，并且补充到封闭空间的O2量是基于0.03次空气交换/小时。
更进一步地，第一O2浓度关注水平可以小于21mol％并且大于19mol％，而第二O2浓度关注水平可以小于20mol％并且大于18mol％。另外，在低功率状态下操作燃料电池堆的步骤可以包括禁用燃料电池堆的CCH和SVR。
根据又一实施例的操作燃料电池堆的方法可以包括若干步骤。一个步骤涉及确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态。在另一个步骤中，当车辆处于非移动状态时，计算包围车辆的假设封闭空间随时间变化的O2浓度。在又一步骤中，将假设的封闭空间随时间变化的O2浓度与一组O2浓度关注水平进行比较，该组O2浓度关注水平包括第一O2浓度关注水平和第二O2浓度关注水平。第一O2浓度关注水平小于21mol％并且大于19mol％，而第二O2浓度关注水平小于20mol％并且大于18mol％。在另一个步骤中，在车辆处于非移动状态时根据条件操作模式操作燃料电池堆。条件操作模式包括(1)只要假设的封闭空间的O2浓度保持大于第一O2浓度关注水平，就无限制地操作燃料电池堆；(2)当假设的封闭空间的O2浓度等于或小于第一O2浓度关注水平但是大于第二O2浓度关注水平时使燃料电池堆空转；以及(3)当假设的封闭空间的O2浓度等于或小于第二O2浓度关注水平时关闭燃料电池堆。
附图说明
图1是根据本公开的实践的由假设的封闭空间所包围的燃料电池堆的示意图，其示出了各种氧气消耗过程和氧气补充过程，它们可以用于计算假设的封闭空间随时间变化的O2浓度；
图2是描绘根据本公开的实践的燃料电池堆的操作可以影响假设的封闭空间的所计算的O2浓度的四种不同情形的曲线图，其中y轴是以摩尔百分比为单位的计算的O2浓度，而x轴是以秒为单位的时间；
图3是描绘根据本公开的实践的用于确定车辆是否处于非移动状态的一种方法的流程图；
图4是描绘根据本公开的实践的用于确定车辆是否处于非移动状态的另一种方法的流程图；
图5是绘制根据本公开的实践的假设的封闭空间内随时间变化的计算的O2浓度的曲线图，只要车辆保持在非移动状态，该计算的O2浓度就与一组建立的O2浓度关注水平进行比较，其中y轴是以摩尔百分比为单位的计算的O2浓度，而x轴是以秒为单位的时间；
图6也是绘制根据本公开的实践的假设的封闭空间内随时间变化的计算的O2浓度的曲线图，只要车辆保持在非移动状态，该计算的O2浓度就与一组建立的O2浓度关注水平进行比较，其中y轴是以摩尔百分比为单位的计算的O2浓度，而x轴是以秒为单位的时间；并且
图7是说明车辆可以如何执行包括燃料电池堆的条件操作模式的所公开方法的流程图。
具体实施方式
氢气是用于操作车辆的有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且可以用于在燃料电池中有效地产生电力。作为产生电流的电化学反应的一部分消耗氢气的许多单独的PEM燃料电池通常组合在燃料电池堆(FCS)中以产生用于操作车辆的期望功率。例如，用于车辆的典型FCS可具有两百个或更多个堆叠PEM燃料电池。FCS通常接收氢气流和诸如空气或氧气等氧化剂气体流，然后分别将这些反应气体中的每一种通过分离PEM燃料电池的双极板分别分配到各种PEM燃料电池的阳极催化剂层和阴极催化剂层。因此，FCS在正常操作期间消耗氢气和氧气。
在一些类型的封闭空间(例如，车库)中，FCS消耗当地环境中的空气可以比补充氧气更快。为了解决该问题，当由FCS 12供电的车辆10处于非移动状态时可以实施包括FCS的条件操作模式的方法，如图1中示意地所示。-具体地，并且如图1的图中所示，条件操作模式要求只要确定车辆10处于非移动状态就将车辆10视为包含在封闭间隔开内，在本文称为“假设的封闭空间”，并且由附图标记14表示。因此，假设的封闭空间14是虚拟外壳，其体积可能或可能不足以包围车辆10。该空间14用于基于FCS 12的操作以及假设的封闭空间14的压力和温度来模拟假设的封闭空间14的体积中的O2量，其可以被估计、被测量或仅仅被分配。在这方面，假设的封闭空间14和该空间14内的计算的O2量被设计为保守地模拟车辆10实际上包含在封闭空间(诸如车库)内将会发生的情况，即使它可能并非总是如此，并且基于在假设的封闭空间14内计算的O2浓度来采取响应动作以帮助确保实际封闭空间中的O2浓度不会过度消耗。
图1示意地说明了可以如何在假设的封闭空间14中消耗和补充氧气，假设的封闭空间14可以被设计为足够大到根据如SAE J 2578，第3版(2014年8月)中所阐述的“小车库”的定义围绕车辆10。SAE J 2578，第3版(2014年8月)(“SAE J 2578标准”)通过引用整体结合到本文。假设的封闭空间14的尺寸和体积可以取决于车辆10的尺寸而变化。如果需要，其它标准(例如，ISO标准、JIS标准、当地法规等)也可以用于代替SAE J 2578标准以定义假设的封闭空间14的尺寸，或者假设的封闭空间14可以是实际围绕外壳的近似值，其尺寸可以使用视觉系统或激光雷达进行评估和估计。再进一步，假设的封闭空间14可以仅仅进行预定义。然而，在许多情况下，无论如何确定假设的封闭空间14和其体积，假设的封闭空间14的体积都可以为5m3到200m3，或者更确切地，为20m3到50m3。另外，为了允许模拟假设的封闭空间14内的O2的量和浓度，可以基于测量的环境大气条件来校准空间14内的温度和压力，或者可以分配那些温度和压力。例如，在一个实施方案中，为了简单起见，假设的封闭空间的温度和压力可以被选择为60℃和1个大气压。
当包含FCS 12的车辆10处于非移动状态时，FCS 12可以以若干方式消耗氧气，这可以降低假设的封闭空间14中的O2浓度。在第一过程16中，FCS 12从假设的封闭空间14的体积中消耗O2，同时消耗H2以产生电流。下文描绘了用于消耗O2和产生水的一般阴极半反应、用于消耗H2和产生电子流的一般阳极半反应，以及FCS 12中的燃料电池的总体反应：
阳极：2H2→4H++4e-
阴极：O2+4H++4e-→2H2O
总体：2H2+O2→2H2O
为此，当车辆10处于非车辆时，可以通过以下等式连续地计算支持由FCS 12产生用于操作各种车辆系统的给定电流(I)所需的O2的摩尔流量
4：每个O2分子的电子数量
在第二过程18中，FCS 12从假设的封闭空间14的体积中消耗O2以支持FCS 12的阴极催化加热(CCH)。在CCH期间，H2被引导在聚合物电解质周围并且与O2一起被输送到FCS 12的阴极催化剂层以促进H2的燃烧。然后，如果需要，由于燃烧H2在阴极催化剂层处产生的热量用于将FCS 12加热到其最佳操作温度范围并且还加热车辆10的乘客舱。因此，在车辆10长期处于非操作状态之后，尤其是在低温或冻结温度下，CCH在启动车辆10时是有用的。当车辆10处于非移动状态时，可以通过以下等式连续计算支持CCH所需的O2的摩尔流量
0.5：每个H2分子的O2分子数量
在第三过程20中，FCS 12从假设的封闭空间14的体积中消耗O2以
支持FCS 12的堆电压恢复(SVR)。在SVR操作期间，FCS 12以低电压运行以便从堆叠内的催化剂层和/或固体聚合物电解质中除去污染物积聚和/或杂质(例如，硫酸盐积聚)。随后，水冲走了污染物。SVR循环通常在车辆启动期间实施，并且支持SVR循环所需的O2的摩尔流量可以在车辆10处于非移动状态时使用与上述阐述的用于汲取电流(I)相同的等式来连续计算。
除了直接消耗O2之外，其它因素也可能影响假设的封闭空间14内存在的O2的量。例如，在一些情况下，假设的封闭空间14中的O2浓度可以基于来自FCS 12的未反应的H2的输出而进一步降低，这可以稀释O2并降低其浓度。与通过堆电流产生、CCH以及SVR直接消耗O2相比，O2稀释的影响通常可以忽略不计，并且因此，当计算假设的封闭空间14随时间变化的O2时，通常可以忽略O2稀释的影响，但是如果需要，可以规定将O2稀释考虑为整体方法的一部分。
假设的封闭空间14也以空气/交换率22由来自假设的封闭空间14外部的空气补充。可以将空气/交换率22设定为任何值以根据需要调整对假设的封闭空间14内的O2浓度的模拟。在一个实施例中，根据所结合的SAE J 2578标准，空气/交换率22可以是0.03次空气交换/小时，这意味着每小时补充指定空间中3％的空气体积。当然，空气/交换率22是可校准的，并且可以被设定为高于或低于0.03次空气交换/小时。通过了解假设的封闭空间14的体积、温度、压力以及原始O2浓度，以及过程16、18、20消耗并由空气/交换率22补充的O2量，假设的封闭空间14中的O2的量和浓度可以在车辆10处于非移动状态期间随时间计算或模拟，并且FCS 12使用理想气体定律或一些其它适当的等式或算法进行操作。当假设的封闭空间14的模拟O2浓度超过某些预定O2浓度关注水平时，该信息可以用于通知FCS 12的条件操作模式并且触发关于FCS 12的操作的某些动作。
现在参考图2，示出了其中描绘了FCS 12的若干不同操作情形的曲线图，其中y轴表示以假设的封闭空间14的摩尔百分比为单位的计算的O2浓度，而x轴表示以秒为单位的时间。假设的封闭空间14的体积是在SAE J 2578标准中建立的。另外，空气/交换率22被设定为0.03次空气交换/小时，假设的封闭空间14内的温度和压力分别被设定为60℃和1个大气压，并且假设的封闭空间14的O2浓度在首先确定包括FCS 12的车辆10处于非移动状态时被设定为21mol％的标准大气O2浓度。如上所述，认为电流产生过程16、CCH过程18以及SVR过程20中的每一个从假设的封闭空间14中消耗O2。此处的曲线图旨在示出FCS 12的某些操作方案可以如何消耗假设的封闭空间14内的模拟O2浓度以及这种消耗可以多快地发生。
图2说明了FCS 12的四种特定操作情形。在由附图标记30表示的第一情形中，使用CCH过程18执行200秒的预热循环32，接着是大于1200秒的空转周期34而不运行CCH过程18或SVR过程20。在该情形30中，假设的封闭空间14的O2浓度在预热循环32期间下降大约0.7mol％，但是在较长的空转时段34内仅略微减少另外的0.1mol％到0.2mol％。在由附图标记36表示的第二情形中，以与第一情形30相同的方式执行200秒的预热循环38，接着是1200秒的空转周期40，在该空转周期中，CCH过程18用于提供8lW的客舱加热。在该情形36中，在1400秒之后，假设的封闭空间14的O2浓度下降超过2.5mol％。
在由附图标记42表示的第三情形中，以与第一情形30和第二情形36相同的方式执行200秒的预热循环44，接着是30秒的SVR周期46，然后是820秒的空转周期48，在该空转周期中，CCH过程18用于提供8kW的客舱加热。在此，在1100秒之后，假设的封闭空间14的O2浓度下降超过3.0mol％。最后，在由附图标记50表示的第四情形中，执行两个30秒的SVR循环52，接着是大于1100秒的空转周期54而不运行CCH过程18或SVR过程20。在该情形50中，假设的封闭空间14的O2浓度在每个SVR循环20期间下降大约0.5mol％，但是在较长的空转时段54内仅略微减少另外的0.1mol％到0.2mol％。
鉴于FCS 12可以消耗O2并且实际上影响假设的封闭空间14内的O2浓度的各种方式，条件操作模式依赖于一组编程的O2浓度关注水平以确保空间14的计算的O2浓度不会过度下降。但是，首先，为了触发条件操作模式，首先确定由FCS 12供电的车辆10处于非移动状态。这可以通过(使用GPS坐标)观察车辆10的某些可用参数(包括车辆的速度和/或位置)以及利用接近传感器、视觉系统和/或激光雷达观察车辆10的周围环境来实现，仅举几个选项。在确定车辆处于非移动状态之后，如上面结合图1到2所讨论的，当车辆10处于非移动状态时，计算假设的封闭空间14的O2浓度。然后将假设的封闭空间14随时间变化的计算的O2浓度与一组建立的O2浓度关注水平进行比较。基于该正在进行的比较，条件操作模式可以限制如下面将进一步解释的FCS 12的某些操作。
可以通过考虑车辆10的速度来确定车辆10是否处于非移动状态。例如并且现在参考图3，在流程图中示出了用于确定车辆10何时处于非移动状态的一种方法60。方法60在框62中开始。在框64中，方法60涉及确定车辆是否以指示非移动状态的速度移动。-在一个实施例中，小于或等于5千米/小时的速度可以被编程为指示非移动状态。在另一个更确切的实施例中，仅当车辆静止时(即，0公里/小时的速度)，车辆10可以被认为处于非移动状态。如果不满足非移动状态的速度条件，则方法60通过箭头66前进到框68，其中确定车辆10不是非移动状态并且因此不发起条件操作模式。如果满足非移动状态的速度条件，则该方法通过箭头70前进到框72，其中确定车辆10处于非移动状态并且发起条件操作方法直到车辆10不再处于非移动状态。
用于确定车辆10何时处于非移动状态的另一种更稳健的方法74(其在图4中作为流程图示出)可以通过考虑车辆10的速度和位置来执行。该方法在框76中开始。在框78中，该方法涉及以与先前结合图3描述的相同方式确定车辆是否以指示非移动状态的速度移动。如果不满足非移动状态的速度条件，则方法74通过箭头80前进到框82，其中确定车辆10不是非移动状态并且因此不发起条件操作模式。然而，如果满足非移动状态的速度条件，则方法74通过箭头84前进到框86，其中参考车辆10的GPS坐标以确定车辆10是否在道路上(例如，高速公路)。如果车辆10在道路上，则方法通过箭头88前进到框90，其中确定车辆10不是非移动状态并且因此不发起条件操作模式。如果车辆10不在道路上，则该方法通过箭头92前进到框94，其中确定车辆10处于非移动状态并且发起条件操作方法直到车辆10不再处于非移动状态。
如果通过上述方法60、74或某种其它方法确定车辆处于非移动状态，则在车辆10保持在非移动状态时计算假设的封闭空间14随时间变化的O2浓度。这可能需要在首先确定包括FCS 12的车辆10处于非移动状态时首先将假设的封闭空间14的O2浓度设定为21mol％的标准大气O2浓度，然后基于FCS 12随时间消耗的O2量和随时间补充到假设的封闭空间14的O2量来调整假设的封闭空间14的O2浓度。可以易于使用上面分别结合图1到2讨论的O2消耗过程16、18、20和空气/交换率22来计算FCS 12随时间消耗的O2量和随时间补充到假设的封闭空间14的O2量。并且通过另外知道假设的封闭空间14的体积、温度以及压力(其中的每一个都可以如上文所解释的各种方式指定)，可以连续地计算假设的封闭空间14内的O2浓度。
现在参考图5，只要车辆10保持在非移动状态，就将假设的封闭空间14内随时间变化的计算的O2浓度与一组建立的O2浓度关注水平进行比较。在此，在该图中，计算的O2浓度(y轴)由附图标记96表示，并且相对于以秒为单位的时间(x轴)而绘制。该组O2浓度关注水平也示出在该图中，并且包括第一O2浓度关注水平98和第二O2浓度关注水平100。第一O2浓度关注水平98小于标准大气O2浓度(即，小于21％)，而第二O2浓度关注水平100小于第一O2浓度关注水平98。例如，第一O2浓度关注水平98可以小于21mol％并且大于19mol％，而第二O2浓度关注水平100可以小于20mol％并且大于18mol％。在一个特定示例中，如所示，第一O2浓度关注水平98可以被设定为20mol％，而第二O2浓度关注水平100可以被设定为19mol％。
FCS 12的条件操作模式基于假设的封闭空间14内的计算的O2浓度96与该组建立的O2浓度关注水平的比较来执行该FCS的功能。只要假设的封闭空间14内的计算的O2浓度96保持在第一O2浓度关注水平98之上(这是图5中0秒到大约340秒之间的情况)，FCS 12就可以无限制地操作，这意味着所有的氧气消耗过程16、18、20都被启用并且可以要求单独地或组合地操作以支持车辆10的需求。-具体地，电流产生过程16可以运行供应车辆10所需的任何必要电流(I)，可以执行由CCH过程18启用的预热和客舱加热，然而，如果需要也可以进行SVR过程20的循环。
如果在某一时刻计算的O2浓度96达到第一O2浓度关注水平98(这发生在图5中的大约340秒)，则FCS 12被限制为在低功率状态下操作，其中FCS 12不再输出超过其最大功率输出的15％以便减慢计算的O2浓度96下降的速率。这可能需要将FCS 12限制为8kW的最大功率输出。在低功率状态的一个特定示例中，FCS 12可以是空转的。在空转时，FCS 12供应电流(I)以对其相关原动机和其没有任何施加的负载的配件供电，该原动机通常是可以或可以不联接到内燃机。本质上，电流产生过程16是可操作的，使得FCS 12可以在原动机没有联接到传动系并且脚踏板没有被压下时供应足够的电流(I)以对原动机供电。还可以禁用CCH过程18和SVR过程20中的每一个。在低功率状态下运行FCS 12，特别是在CCH和SVR过程18、20被禁用的空转模式下运行FCS 12会导致计算的O2浓度96随时间的降低相当恒定且最小，并且允许计算的O2浓度96长期保持在第二O2浓度关注水平100以上。例如，在图5的示例中，当车辆10空转并且CCH过程18和SVR过程20被禁用时，计算的O2浓度96将不会达到第二O2浓度关注水平100大约另外9,000秒(自从车辆进入非移动状态以来约2.6小时或9,350秒)。
如果计算的O2浓度96达到第二O2浓度关注水平100，其在如上所述在图5的示例中在大约9,350秒处发生，则关闭FCS 12以停止所有氧气消耗过程16、18，因此，可以防止计算的O2浓度96进一步降低。在这方面，因为只有空气/交换率22影响假设的封闭空间14中的O2量，所以计算的O2浓度96应当开始上升，直到它最终达到21mol％的标准大气O2浓度。通过当计算的O2浓度96等于或小于第一O2浓度关注水平98但是仍然大于第二O2浓度关注水平100时以低功率状态操作FC S12，并且当计算的O2浓度96等于或小于第二O2浓度关注水平100时关闭FCS 12，FCS 12的条件操作模式提供有序和受控的程序以确保FCS 12在诸如车库等实际封闭空间中不会过多地消耗可用的O2(如果车辆10在这样的空间中以及当车辆10在这样的空间中)，同时当车辆10不在实际的封闭空间但是仍然处于不动的状态时，不会给FCS 12的使用带来麻烦。
在图6中表明了FCS 12的条件操作模式的容量以避免损害动作-最显著的是不必要地关闭FCS 12。在此，绘制在确定车辆10处于非移动状态的情况下相对于时间的假设的封闭空间14的计算的O2浓度96，但是实际上车辆10没有停靠在实际的封闭空间中，而是停留在不需要关闭FCS 12的交通堵塞中。并且因为管理包括FCS 12的条件操作模式的整体方法的程序可能无法区分停放在实际车库中或卡在交通拥堵中，因为在两种情况下车辆10的速度可能是0km/小时，即使不存在实施条件操作模式背后的基本原理，FCS 12也默认经受条件操作模式。
可以看出并且仍然参考图6，由于交通拥堵，车辆10被确定为在约60秒处于非移动状态，如果基于如结合图3所述的车辆10的速度确定非移动状态，则交通堵塞更可能发生。FCS 12无限制地操作，同时在大约另外190秒(仅超过三分钟)的交通形式中停留，直到假设的封闭空间14的计算的O2浓度96达到第一O2浓度关注水平98，其已被设定为20mol％。此时并且由于交通拥堵，车辆10仍然处于非移动状态，FCS 12被限制为在低功率状态下操作，并且优选地在CCH过程18和SVR过程20被禁用的情况下空转，直到此时为止车辆10移动以否定其处于非移动状态的状态，这在大约另外400秒之后发生。实际上，在该400秒周期期间(刚好不到7分钟)FCS 12空转将计算的O2浓度96的降低速率减慢到FCS 12由于计算的O2浓度96达到已设定为19mol％的第二O2浓度关注水平100而无法接近关闭的程度。实际上，在计算的O2浓度96接近第二O2浓度关注水平100之前，FCS 12可以空转至少几个小时。因此，使用第一O2浓度关注水平98以触发FCS 12在低功率状态下的限制性操作应当防止损害FCS 12的关闭，因为FCS 12在触发关闭之前可以这样的状态下操作在的时间长度几乎肯定会超过车辆10由于交通拥堵或其它原因而可能处于非移动状态的任何时间量。
管理包括FCS堆12的条件操作模式的整个方法所需的各种操作可以被编程到标准车辆电子控制单元或控制车辆和/或FCS 12的操作的另一个控制系统中。例如，这种编程可以遵循图7中所说明的流程图。在所说明的流程图中，执行整个方法的程序在框102中开始。在框104中，该程序计算用于执行该方法的假设的封闭空间14的体积。随后，该程序在框106中确定车辆10是否处于非移动状态，如上文例如结合图3到4所讨论。如果确定车辆10不处于非移动状态，则该程序通过箭头108前进到框110。在框110中，该程序将假设的封闭空间14的O2浓度重置为21mol％的标准大气浓度，因此避免条件操作模式，然后循环通过框106和110直到确定车辆10处于非移动状态。
如果在框106中确定车辆10处于非移动状态，则该程序遵循箭头112到框114，在框114中基于一系列子计算来计算假设的封闭空间14的计算的O2浓度96，该系列子计算包括在框116处计算在假设的封闭空间14中由于电流产生过程16的O2的消耗量、在框118处计算假设的封闭空间14中由于CCH过程18的O2的消耗量、在框120处计算假设的封闭空间14中由于SVR过程20的O2的消耗量以及在框122处计算在假设的封闭空间14中由于空气/交换率22的O2的补充量，所有这些消耗量都可以对假设的封闭空间14使用选定温度(例如，60℃)和压力(例如，1个大气压)以及等于标准大气O2浓度(例如，21mol％)的初始O2浓度来计算。该程序然后遵循箭头124到框126，在框126中将假设的封闭空间14的计算的O2浓度96与第一O2浓度关注水平98进行比较。如果假设的封闭空间14的计算的O2浓度96大于第一O2浓度关注水平98，则该程序通过箭头128前进并且继续循环通过框106、114和126，因此无限制操作FCS 12，直到该程序在框124中指示计算的O2浓度96已达到第一O2浓度关注水平98。
当计算的O2浓度96达到第一O2浓度关注水平98时，如框124中所指示，该程序通过箭头130前进到框132。在框132中，FCS 12在如上所述的低功率状态下操作，其可以包括使FCS 12空转并且禁用CCH过程18和SVR过程120这两者。该程序然后通过箭头134前进到框136，在框136中将计算的O2浓度96与第二O2浓度关注水平100进行比较。如果假设的封闭空间14的计算的O2浓度96大于第二O2浓度关注水平100，则该程序通过箭头138前进并且继续循环通过框106、114和136，因此继续将FCS 12的操作限制为低功率状态，直到该程序在框136中指示计算的O2浓度96已达到第二O2浓度关注水平100。当计算的O2浓度96达到第二O2浓度关注水平100时，如框136中所指示，该程序通过箭头140前进到框142。在框142中，关闭FCS 12。当然，如果该程序在框106中在任何时间确定车辆10不再处于非移动状态并且FCS12未被关闭，则恢复FCS 12的完全不受限制操作并且将假设的封闭空间14的计算的O2浓度96重置为21mol％的标准大气浓度。
本文讨论的系统和方法提供优于在设定时间之后采取特定动作(例如，关闭FCS)的简单定时系统的优点。计算假设的封闭空间14的随时间变化的计算的O2浓度并且将该值与该组O2浓度关注水平98、100进行比较，对于FCS 12的操作要采取校正动作，这对于简单的倒计时式定时系统是不可用的。另外，倒计时式定时系统可导致损害FCS 12的关闭，这是目前所公开的方法可以避免的。
以上对优选示例性实施例和具体示例的描述本质上仅是描述性的；它们并非旨在限制随后的权利要求的范围。除非在说明书中另外具体地和明确地陈述，否则所附权利要求中使用的每个术语应当被赋予其普通和惯用的含义。

Claims (10)

1.一种操作燃料电池堆的方法，所述方法包括：
确定由所述燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态；
在所述车辆处于所述非移动状态时计算假设的封闭空间随时间变化的O2浓度；
建立一组O2浓度关注水平，其包括小于标准大气O2浓度的第一O2浓度关注水平和小于所述第一O2浓度关注水平的第二O2浓度关注水平；
将所述假设的封闭空间随时间变化的所述O2浓度与所述组O2浓度关注水平进行比较；以及
当所述车辆处于所述非移动状态时，只要所述假设的封闭空间的所述O2浓度保持大于所述第一O2浓度关注水平，就无限制地操作所述燃料电池堆。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态的步骤包括确定所述车辆的速度小于或等于5千米/小时。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态的步骤包括确定所述车辆是静止的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态的步骤包括确定所述车辆是静止的，并且所述车辆的GPS坐标指示所述车辆不在道路上。
5.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述假设的封闭空间随时间变化的O2浓度的步骤包括当首次确定所述车辆处于非移动状态时将所述假设的封闭空间的所述O2浓度设定为标准大气O2浓度，并且此后基于所述燃料电池堆随时间消耗的O2量和随时间补充到所述假设的封闭空间的O2量来调整所述假设的封闭空间的所述O2浓度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一O2浓度关注水平小于21mol％并且大于19mol％，并且其中所述第二O2浓度关注水平小于20mol％并且大于18mol％。
7.根据权利要求1所述的方法，其中无限制地操作所述燃料电池堆的步骤包括在启用CCH和SVR的情况下操作所述燃料电池堆。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括当所述假设的封闭空间的所述O2浓度等于或小于所述第一O2浓度关注水平但是大于所述第二O2浓度关注水平时以低功率状态操作FCS。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括当所述假设的封闭空间的所述O2浓度等于或小于所述第二O2浓度关注水平时关闭所述燃料电池堆。
10.一种操作燃料电池堆的方法，所述方法包括：
确定由燃料电池堆供电的车辆何时处于非移动状态；
在所述车辆处于所述非移动状态时计算包围所述车辆的假设的封闭空间随时间变化的O2浓度；
将所述假设的封闭空间随时间变化的所述O2浓度与一组O2浓度关注水平进行比较，所述组O2浓度关注水平包括第一O2浓度关注水平和第二O2浓度关注水平，所述第一O2浓度关注水平小于21mol％并且大于19mol％，且所述第二O2浓度关注度小于20mol％并且大于18mol％；以及
在所述车辆处于所述非移动状态时根据条件操作模式操作所述燃料电池堆，所述条件操作模式包括：
只要所述假设的封闭空间的所述O2浓度保持大于所述第一O2浓度关注水平，就无限制地操作所述燃料电池堆；
当所述假设的封闭空间的所述O2浓度等于或小于所述第一O2浓度关注水平但是大于所述第二O2浓度关注水平时使所述燃料电池堆空转；
当所述假设的封闭空间的所述O2浓度等于或小于所述第二O2浓度关注水平时关闭所述燃料电池堆。
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