專利名稱：用低電壓源起動燃料電池系統(tǒng)的閉環(huán)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，且更具體地涉及一種起動系統(tǒng)和用于啟動燃料電池堆的閉環(huán)方法。
背景技術(shù)：
燃料電池已被認(rèn)為是一種清潔、高效且無害于環(huán)境的能源，用于 電力車輛和各種其他應(yīng)用。特別地，燃料電池已被確認(rèn)是一種用于當(dāng)前車輛 中的傳統(tǒng)內(nèi)燃機的潛在替代物。
—種已知的燃料電池為質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。PEM燃 料電池通常包括三個基本部件陰極、陽極和電解質(zhì)膜。陰極和陽極通常包 括支撐在碳顆粒上并混合以離子交聯(lián)聚合物的精細(xì)催化劑，例如鉑。電解質(zhì) 膜夾在陰極與陽極之間以形成膜電極組件(MEA)。 MEA經(jīng)常設(shè)置在多孔擴 散介質(zhì)(DM)之間，DM有助于傳輸氣態(tài)反應(yīng)物，通常為氫氣和來自空氣 中的氧氣，用于電化學(xué)燃料電池反應(yīng)。
獨立的燃料電池可串聯(lián)堆疊在一起以形成燃料電池堆。燃料電池 堆能夠供應(yīng)足以為車輛供電的電量。在采用燃料電池堆的車輛動力系統(tǒng)中， 氫氣從諸如加壓氫氣箱之類的氫氣儲存源供應(yīng)到陽極?？諝馔ㄟ^空氣壓縮器 單元供應(yīng)到陰極。在高電壓電池不可操作的非混合動力燃料電池車輛或混合 動力車輛中，在燃料電池堆工作之前通常采用低電壓電池為車輛部件和空氣 壓縮器單元供電。在混合動力燃料電池車輛中，在燃料電池堆可工作之前， 適于從之前的車輛操作中儲存電能的高電壓混合動力電池也可用作電能源。
在燃料電池系:起動過程中，氫氣用于清理在關(guān)斷過;呈中積聚在 陽極的空氣。所希望的是，快速進行清理(purge)以使當(dāng)氫氣-空氣鋒 (hydrogen-air front)經(jīng)過陽極時已知發(fā)生的碳退化最小化。在起動過程中， 空氣還繞至燃料電池堆的排放部以稀釋所排放的清理氫氣。車輛排放標(biāo)準(zhǔn)通 常需要所排放的氫氣濃度小于4%的體積百分量。不過，由于在關(guān)斷階段之 后燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)不穩(wěn)定，包括電池荷電狀態(tài)(SOC)和陽極上積聚空 氣的可變量，因此，已知的燃料電池系統(tǒng)在起動過程中對于氫氣排放優(yōu)化和 碳侵蝕最小化不是特別有效。
仍然需要一種燃料電池系統(tǒng)和方法，在滿足排放和燃料電池性能 需要的情況下，例如在凍結(jié)狀態(tài)下，提供高效起動。所希望的是，燃料電池 系統(tǒng)和方法提供一種具有電壓不穩(wěn)定性最低的穩(wěn)妥的系統(tǒng)起動，并通過優(yōu)化 在起動過程中的氫氣-空氣交鋒時間(fronttime)而使堆退化最小化。發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地在本公開內(nèi)容中，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)了一種燃料電池系統(tǒng)和 方法，其提供低電壓起動而同時滿足排放和燃料電池性能的需要，并且提供 電壓不穩(wěn)定性最小的穩(wěn)妥的系統(tǒng)起動，而且使起動過程中的氫氣-空氣交鋒 時間最小化。
在一個實施例中，提供一種燃料電池系統(tǒng)。此燃料電池系統(tǒng)包括 具有多個燃料電池的燃料電池堆、陽極入口和陰極入口?？諝鈮嚎s器與陰極 入口流體連通。氫氣源與陽極入口流體連通。起動電池與空氣壓縮器電連通。 功率轉(zhuǎn)換模塊與起動電池和空氣壓縮器電連通。功率轉(zhuǎn)換模塊適于選擇性地 升高起動電池的電壓并向空氣壓縮器供電?？刂破髋c功率轉(zhuǎn)換模塊連通，并 進一步適于基于可用電能設(shè)置空氣壓縮器速度。壓力傳感器與控制器電連通， 并適于測量空氣壓縮器的壓縮器壓力。
在另 一 實施例中，還提供一種在起動時操作燃料電池系統(tǒng)的方法。 所述方法首先包括以下步驟接收啟動請求；使功率轉(zhuǎn)換模塊能夠升高低電 壓電池的電能。然后，確定升壓的低電壓電池的可用電能，并基于可用電能 確定空氣壓縮器的估算速度?？諝鈮嚎s器被啟動并被設(shè)置為估算速度。測量 空氣壓縮器的實際速度和壓縮器出口壓力。根據(jù)壓縮器出口壓力和實際速度 估算空氣壓縮器的空氣流速。當(dāng)實際速度大于所希望的速度時基于空氣流速 安排陽極清理。
在另一實施例中，所提供的方法包括以下步驟根據(jù)以下中的至 少一種確定可用電能a)具有電壓升高的低電壓電池，b)具有電壓升高的 高電壓電池，和c)不具有電壓升高的高電壓電池。然后，起動電池選自在 電壓升高或未升高狀態(tài)下的具有最大可用電能的低電壓電池和高電壓電池中 的一種。當(dāng)a)所述實際速度大于所希望的速度，或者b)已經(jīng)經(jīng)過了壓縮
器增速時間時，根據(jù)實際速度和壓縮器出口壓力計算空氣流速。


本公開內(nèi)容的以上以及其他優(yōu)點，根據(jù)以下詳細(xì)描述特別是結(jié)合以下描述的附圖，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得顯而易見。
圖1例示了現(xiàn)有技術(shù)的PEM燃料電池堆的示意分解立體圖，其 中僅顯示出兩個電池；
圖2是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的具有低電壓電池的燃料電池系 統(tǒng)的示意圖3是圖2所示燃料電池系統(tǒng)的示意圖，其中進一步包括高電壓 電池；
圖4是顯示出沒有可操作高電壓電池的起動方法的示意流程圖；和
圖5是顯示出具有可操作高電壓電池的起動方法的示意流程圖。
具體實施方式
以下描述實際上僅為示例性的，而并非用于限制本公開內(nèi)容、其 應(yīng)用或使用。還應(yīng)理解的是，在各附圖中對應(yīng)的附圖標(biāo)記指示相同的或?qū)?yīng) 的部件和特征。對于所公開的方法，所描述的步驟實際上是示例性的，因而不 一 定是必要的或必須的。
圖1圖示出燃料電池堆2，其具有通過導(dǎo)電雙極板8相互分離的 一對MEA 4、 6。為了簡單顯示，僅由兩個電池的堆(即， 一個雙極板)在 圖1中例示和描述，應(yīng)理解的是，典型堆燃料電池堆將具有更多這樣的電池 和雙極板。
MEA 4、 6和雙極板8在一對夾板10、 12之間和一對單極端板14、 16之間堆疊在一起。夾板IO、 12通過襯墊或介電涂層(未示出)與端板14、 16電絕緣。單極端板14、雙極板8的兩個工作面、和單極端板16包括流場 18、 20、 22、 24。流場(flow fields) 18、 20、 22、 24將氫氣和空氣分別分 配到MEA 4、 6的陽極和陰極上。
不導(dǎo)電襯墊26、 28、 30、 32在燃料電池堆2的多個部件之間提供 密封和電絕緣?？墒箽怏w透過的擴散介質(zhì)34、 36、 38、 40鄰接MEA 4、 6 的陽極和陰極。端板14、 16分別與擴散介質(zhì)34、 36相鄰設(shè)置，而雙極板8 與MEA 4的陽極面上的擴散介質(zhì)36相鄰設(shè)置。雙極板8進一步與MEA 6
的陰極面上的擴散介質(zhì)38相鄰設(shè)置。
雙極板8、單極端板14、 16和襯墊26、 28、 30、 32均包括陰極 供應(yīng)孔72和陰極排放孔74,冷卻劑供應(yīng)孔75和冷卻劑排放孔77，以及陽極 供應(yīng)孔76和陽極排放孔78。通過使雙極板8、單極端板14、 16和襯墊26、 28、 30、 32中的相應(yīng)的孔72、 74、 75、 77、 76、 78對準(zhǔn)，形成燃料電池堆2 的供應(yīng)歧管和排放歧管。氫氣通過陽極入口導(dǎo)管80被供應(yīng)到陽極供應(yīng)歧管。 空氣通過陰極入口導(dǎo)管82被供應(yīng)到燃料電池堆2的陰極供應(yīng)歧管。陽極出口 導(dǎo)管84和陰極出口導(dǎo)管86也分別設(shè)置用于陽極排放歧管和陰極排放歧管。 冷卻劑入口導(dǎo)管88設(shè)置用于將液態(tài)冷卻劑供應(yīng)到冷卻劑供應(yīng)歧管。冷卻劑出 口導(dǎo)管90設(shè)置用于從冷卻劑排放歧管中去除冷卻劑。應(yīng)理解的是，圖1中的 各種入口 80、 82、 88和出口 84、 86、 90用于例示目的，根據(jù)需要也可選擇 其他結(jié)構(gòu)。
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)200。燃料電池系統(tǒng) 200包括具有多個燃料電池的燃料電池堆2。燃料電池堆2包括陽極入口 80、 陰極入口 82、陽極出口 84和陰極出口 86,每一入口或出口與燃料電池堆2 的相應(yīng)的陽極和陰極流體連通。在特別的實施例中，燃料電池堆2連接到電 負(fù)載，例如非混合動力或混合動力的燃料電池車輛的電動馬達(未示出)。
燃料電池系統(tǒng)200包括與陰極入口 82流體連通的空氣壓縮器 202?？諝鈮嚎s器202適于接收空氣，例如從周邊大氣中接收空氣，并將空氣 供應(yīng)到燃料電池堆2的陰極。在特定的實施例中，空氣壓縮器202的速度可 基于用于操作空氣壓縮器202的電力進行調(diào)節(jié)。作為非限制性示例，特別適 合的空氣壓縮器202可具有大約80,000 rpm的最大操作速度。本領(lǐng)域技術(shù)人 員應(yīng)理解的是，空氣壓縮器202的速度可通過在現(xiàn)有技術(shù)中已知的適合的可 替代方式進行調(diào)節(jié)，從而為燃料電池堆2提供所希望的空氣流速。
燃料電池系統(tǒng)200進一步包括設(shè)置在空氣壓縮器202與燃料電池 堆2之間的旁路閥204。旁路閥204適于引導(dǎo)來自空氣壓縮器202的空氣流 根據(jù)需要而繞過燃料電池堆2或到達燃料電池堆2。在一個實施例中，旁路 閥204引導(dǎo)來自空氣壓縮器202的空氣流至排放部?？諝馀c從燃料電池堆2 中排放的殘余反應(yīng)物和產(chǎn)物相互混合并將其稀釋。
在特定實施例中，燃料電池系統(tǒng)200包括現(xiàn)有技術(shù)中已知的水汽 傳送(WVT)單元206。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，WVT單元206與空 氣壓縮器202和燃料電池堆2的陰極入口 82均流體連通。WVT單元206適 于將由空氣壓縮器202提供的空氣加濕至所希望的水平以使燃料電池堆2高 效操作。
燃料電池系統(tǒng)200進一步包括氫氣源208，例如，用于儲存壓縮 氬氣的高壓儲存容器。氳氣源208與燃料電池堆2的陽極入口 80流體連通， 并適于將氫氣供應(yīng)到燃料電池堆2的陽極。例如，燃料電池系統(tǒng)200可包括 與氫氣源208和燃料電池堆2流體連通的調(diào)節(jié)閥210。調(diào)節(jié)閥210用于控制 來自氫氣源208的氫氣的流速。應(yīng)認(rèn)識到的是，氫氣流到燃料電池堆2的時 間調(diào)配(timing)也可通過調(diào)節(jié)閥210安排。
在特別的示例性實施例中，燃料電池系統(tǒng)200包括低電壓電池 212。低電壓電池212用于燃料電池系統(tǒng)200的起動過程中，用于向諸如空氣 壓縮器202之類的燃料電池系統(tǒng)200的部件供電。應(yīng)認(rèn)識到的是，在用于非 混合動力車輛操作中燃料電池系統(tǒng)200中，低電壓電池可能是為空氣壓縮器 202供電的僅有的可用能源，直到燃料電池堆2進行操作。低電壓電池212 的非限制性示例包括12V電池、36V電池和48V電池?？筛鶕?jù)需要選擇其他 適合的低電壓類型和電壓。
燃料電池系統(tǒng)200進一步包括功率轉(zhuǎn)換模塊(PCM)214。PCM214 例如將低電壓升高至可在起動過程中用于燃料電池系統(tǒng)200的高電壓。PCM 214與低電壓電池212和空氣壓縮器202電連通。PCM 214設(shè)置為在生效時 升高低電壓電池212的電壓輸出，從而提供足以操作空氣壓縮器202并且將 空氣流供應(yīng)到燃料電池堆2的排放部的功率。在特定實施例中，PCM214是 雙向轉(zhuǎn)換器。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可根據(jù)需要采用適于增大或減小 電池電壓或功率輸出的適合裝置。
控制器也可用于本/〉開內(nèi)容的燃料電池系統(tǒng)200中?？刂破?16 可例如與旁路閥204電連通，并選擇性地引導(dǎo)空氣流。在特別的示例性實施 例中，控制器216與PCM 214連通，并適于基于可用電能設(shè)定空氣壓縮器 202的速度?？刂破?06也可例如適于通過在陽極清理過程中安排流向燃料 電池堆2的氫氣流速的時間調(diào)配而控制調(diào)節(jié)閥210。在此進一步描述的是， 陽極清理的安排可基于燃料電池系統(tǒng)200的閉環(huán)反饋，例如，對于從空氣壓 縮器202流出的空氣的壓力和空氣壓縮器202的實際速度的反饋。
關(guān)于控制器216，燃料電池系統(tǒng)200可包括適于提供系統(tǒng)輸入的 不同傳感器。來自傳感器的系統(tǒng)輸入可提供到控制器216。燃料電池系統(tǒng)200 包括例如適于測量低電壓電池212的電壓的至少一個電壓傳感器。燃料電池 系統(tǒng)200還可具有適于測量起動電池可用電能的至少一個傳感器，例如用于 測量起動電池的電力或荷電狀態(tài)(SOC)。應(yīng)i^識到的是，起動電池可用電
能可通過在現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何傳統(tǒng)方式確定。例如，可用電能可根據(jù)起動電池的一個或多個傳統(tǒng)電測量值計算或估算。燃料電池系統(tǒng)200進一步包 括速度傳感器220。速度傳感器220可例如適于測量空氣壓縮器202在操作 中的實際速度。實際速度可為空氣壓縮器202的轉(zhuǎn)速。
在特別的示例性實施例中，燃料電池系統(tǒng)包括壓力傳感器222。 壓力傳感器222可與空氣壓縮器202連通，并適于測量空氣壓縮器202出口 處的空氣壓力。在進一步的實施例中，壓力傳感器可適于測量出口壓力相對 于入口壓力的壓縮器壓力比，據(jù)此可易于計算出壓縮器出口壓力。壓力傳感 器220可進一步與控制器202電連通，因而控制器接收來自壓力傳感器222 的信號，這有利于響應(yīng)壓縮器出口壓力而操作燃料電池系統(tǒng)200中的部件， 例如調(diào)節(jié)閥210。
如圖3中所示，本公開內(nèi)容的燃料電池系統(tǒng)200可以進一步包括 高電壓電池300。高電壓電池300選擇性地與PCM214和空氣壓縮器202電 連通。高電壓電池300當(dāng)充分充電時具有的電能足以在燃料電池系統(tǒng)200的 起動過程中操作空氣壓縮器202。作為非限制性示例，高電壓電池300具有 的電壓可高達大約500V。在特定實施例中，高電壓電池300具有的電壓可從 大約250V至大約400V。在一個實施例中，高電壓電池300是混合動力電池， 適于儲存之前車輛操作中的電能，例如剎車操作中的電能。作為示例，至少 一個電壓傳感器218可"i殳置為測量高電壓電池300的電壓。測量到的高電壓 電池300的電壓可由此提供到控制器216。
本公開內(nèi)容進一步包括用于啟動燃料電池系統(tǒng)200的燃料電池堆 2的方法。圖4中所示的第一方法可用于在起動時僅可使用低電壓電池212 作為起動電池的車輛。這樣的車輛可為非混合動力燃料電池車輛。所述方法 首先包括以下步驟接收來自操作者的啟動請求400。 PCM214然后在致動 步驟402中被致動。PCM214的致動步驟402通過將低電壓增大到可用于為 空氣壓縮器202供電的高電壓而升高低電壓電池的電壓。
在致動步驟402之后，確定低電壓電池212增壓后的可用電能。 可用電能可例如通過直接測量PCM 214的可用電能而確定?？捎秒娔芸赏ㄟ^ 起動電池或PCM214的其他電測量值進行估算。在其他實施例中，可用電能 可通過測量低電壓電池212的電壓并由此計算出可用電能而確定?；诳捎?電能而選擇空氣壓縮器202的估算速度(步驟404)。在一個實施例中，估算 速度通過將可用電能與空氣壓縮器202速度相關(guān)聯(lián)的查詢表而預(yù)定。應(yīng)認(rèn)識 到的是，估算速度也可基于將估算速度與可用電能相關(guān)聯(lián)的計算。空氣壓縮
器202然后啟動，而且空氣壓縮器202被設(shè)置為估算速度。在一個示例中， 空氣壓縮器202被設(shè)置到大約40,000 rpm。在另一示例中，空氣壓縮器202 被設(shè)置到大約60,000 rpm。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，也可采用其他適合 的估算速度。
本公開內(nèi)容的方法進一步包括步驟406:測量空氣壓縮器202的 實際速度并將測量到的實際速度與所希望的速度相比。
所述方法還包括壓力測量步驟408，其中，測量空氣壓縮器202 的出口壓力。在非限制性示例中，壓縮器出口壓力可通過測量出口壓力相對 于入口壓力的壓縮器壓力比而進行測量。在特定實施例中，入口壓力為周邊 或大氣壓力，則應(yīng)理解的是，可易于通過壓縮器壓力比計算壓縮器出口壓力。 壓力測量步驟408可進一步包括以下步驟使用壓縮器出口壓力和實際速度 估算空氣流速。
當(dāng)實際速度大于所希望的速度時，在安排步驟410中，安排基于 空氣流速的陽極清理。壓力測量步驟408也可在實際速度大于所希望的速度 時執(zhí)行。所希望的速度通過估算速度被計算出，并被選擇而以時間優(yōu)化方式 提供流向燃料電池系統(tǒng)排放部的足夠空氣流。所希望的速度可為估算速度與 預(yù)先選擇的"差值速度(delta speed)"之差。例如，差值速度可大約為2000 rpm，而估算速度大約為60,000 rpm，則所希望的速度大約為58,000 rpm。 在另一非限制性示例中，所希望的速度為估算速度的百分量。例如，其中， 估算速度大約為40,000 rpm，所希望的速度為估算速度的大約75%的百分 量，當(dāng)實際速度超過30,000 rpm時，安排陽極清理。陽極清理因而可在實際 速度接近于估算速度時通過所希望的速度觸發(fā)。應(yīng)理解的是，可根據(jù)需要選 擇其他適合的所希望的速度。
可替代地，當(dāng)空氣壓縮器202經(jīng)過了增速至估算速度的時間之后， 可執(zhí)行基于空氣流速的壓力測量步驟408和陽極清理步驟410。在特定實施 例中，所述時間可足以使空氣壓縮器202將足夠的估算空氣流提供到排放部。 當(dāng)在所希望的時間長度中估算速度保持大于實際速度時，經(jīng)過時間對于觸發(fā) 安排步驟410可能特別有用。在非限制性示例中，空氣壓縮器的增速時間 (time for the air compressor to ramp up)可大約為5秒。在另 一非限制性 示例中，可基于起動電池可用電能和希望空氣壓縮器202增速達到的估算速 度而估算所述經(jīng)過時間?？筛鶕?jù)需要選擇適合的時間限制以執(zhí)行安排步驟 410。
在特定實施例中，陽極清理安排步驟410包括至少一個以下步驟
a)設(shè)定陽極清理的時間，和b)設(shè)定陽極清理的流速。作為非限制性示例， 通過查詢表計算出估算速度和陽極清理流速中的至少一個。查詢表提供了與 空氣流速的關(guān)系。應(yīng)認(rèn)識到的是，特別地，適合的陽極清理流速可根據(jù)測量 到的壓縮器出口壓力和測量到的實際速度而實時計算出。在一個實施例中， 陽極清理流速適于將所排放的氫氣的濃度保持為小于所希望的量。所排放的 氫氣的優(yōu)選濃度小于大約4%的體積百分量，不過也可設(shè)置其他濃度目標(biāo)。 陽極清理步驟410之后，進行以下步驟將受控的氬氣流提供到陽極，和將 空氣流轉(zhuǎn)向陰極，其中，燃料電池堆2處于操作模式。
如圖5中所示，本公開內(nèi)容的方法可用于在起動時可同時使用低 電壓電池212和高電壓電池300的車輛。這樣的車輛可為混合動力燃料電池 車輛。在一個實施例中，在接收啟動請求400之后，所述方法包括能源選擇 步驟500。能源選擇步驟500包括通過以下中的至少一種確定可用電能a) 具有電壓升高的低電壓電池212， b)具有電壓升高的高電壓電池300，和c) 不具有電壓升高的高電壓電池300。
在本公開內(nèi)容的方法中，特別可用于燃料電池堆2的起動操作中 的起動電池從最強的能源中選擇。作為非限制性示例，如果低電壓電池212 的可用電能大于高電壓電池300的可用電能，則選擇低電壓電池212。在另 一示例中，如果低電壓電池的可用電能小于高電壓電池300的可用電能，則 選擇高電壓電池300作為起動電池。
在進一步的實施例中，如果高電壓電池300的可用電能在所希望 的起動電能范圍內(nèi)，則選擇不具有電壓升高的高電壓電池300。例如，所希 望的起動電能范圍可為大于約1.5kW的功率。在特定示例中，所希望的起 動電能范圍為大于約1.8 kW的功率。在特別的示例性示例中，所希望的起 動電能范圍為大于約2.0 kW的功率?？筛鶕?jù)需要選擇適合的起動電能范圍 以選擇起動電池。
在另一實施例中，所選擇的起動電池可在低電壓電池212與高電 壓電池300之間交替。作為非限制性示例，如果高電壓電池300最初被選擇 為起動電池，但高電壓電池300的SOC在起動操作過程中降至所希望的范圍 以下，則燃料電池系統(tǒng)200可切換到低電壓電池212以完成起動操作。由此 實現(xiàn)在起動操作過程中采用最強能源。
應(yīng)認(rèn)識到的是，在采用混合動力的高功率電池300的車輛中，在 選擇起動電池時采用可用電能可能特別有用。例如，當(dāng)混合動力電池的荷電 狀態(tài)(SOC )充足時，混合動力電池在起動操作過程中直接為空氣壓縮器202
供電。不過，如果混合動力電池的SOC不足，則可采用^f氐電壓電池212起動 燃料電池堆2。可替代地，如果混合動力電池所具有的電能在所希望的電能 范圍內(nèi)，則可采用PCM214將低SOC混合動力電池的電壓升高，并將提供 比低電壓電池212更大的電能。這樣，本方法有利于在啟動燃料電池堆2時 使用最強能源。本方法還提供了在燃料電池起動時的系統(tǒng)冗余，以抵御由于 一個或多個車輛電池SOC不足或無法操作所致的起動失敗。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到的是，本發(fā)明的方法是"閉環(huán)"方法而 不是"開環(huán)"方法，其中，基于可用電池電力的初始確定情況安排陽極清理。 閉環(huán)方法采用系統(tǒng)反饋以確定氫氣進給到燃料電池堆2的量和時間。特別地， 閉環(huán)反饋采用通過測量到的壓縮器出口壓力和測量到的空氣壓縮器202實際 速度所計算出的空氣流速?；诹飨蚺欧挪康目諝饬魉伲上鄳?yīng)地安排陽極 清理，使得在排放部中的氫氣濃度不超過所希望的水平。陽極清理也可安排 為適當(dāng)?shù)乜焖龠M行，從而抵御燃料電池堆2的退化。
在燃料電池堆2的起動過程中采用最強能源，通過優(yōu)化氫氣被進 給到燃料電池堆2的速率來抵御碳侵蝕。還應(yīng)理解的是，所估算的壓縮器速 度和陽極清理的安排適于將足夠的空氣流提供到排放部。將足夠的空氣流提 供到排放部可防止形成不希望出現(xiàn)的氫氣排放水平，例如大于大約4%的水 平。這樣，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，采用本公開內(nèi)容的閉環(huán)系統(tǒng)和方法，抵御了燃 料電池堆2的退化，并將車輛排放控制在所希望的限度內(nèi)。可以通過確定氫 氣進給到燃料電池堆2的量和時間而控制排放，特別是在起動時進行陽極清 理的過程中。
雖然為了例示本發(fā)明而已經(jīng)顯示了特定的代表性實施例和細(xì)節(jié)， 不過對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在不背離本公開內(nèi)容的范圍的情況 下，可進行各種修改，本發(fā)明的范圍在所附權(quán)利要求書中進一步描述。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆，其具有多個燃料電池并具有陽極入口和陰極入口；空氣壓縮器，其與所述陰極入口流體連通；氫氣源，其與所述陽極入口流體連通；起動電池，其與所述空氣壓縮器電連通；功率轉(zhuǎn)換模塊，其與所述起動電池和所述空氣壓縮器電連通，該功率轉(zhuǎn)換模塊適于選擇性地升高供應(yīng)到所述空氣壓縮器的所述起動電池的電壓；控制器，其與所述功率轉(zhuǎn)換模塊連通，并適于基于可用電能設(shè)置空氣壓縮器速度；和壓力傳感器，其與所述控制器電連通，并適于測量所述空氣壓縮器處的壓縮器壓力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述起動電池包括 低電壓電池和高電壓電池中的至少一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述高電壓電池是 混合動力電池。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括適于測量所 述起動電池的電壓的電壓傳感器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括設(shè)置在所述 空氣壓縮器與所述陰極入口之間的旁路閥，所述旁路閥適于選擇性地使空 氣流繞過所述燃料電池堆至排放部。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括設(shè)置在所述 氫氣源與所述燃料電池堆之間的調(diào)節(jié)閥，所述調(diào)節(jié)閥適于選擇性地對所述 燃料電池堆提供陽極清理。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括適于測量所 述空氣壓縮器的實際速度的至少一個速度傳感器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器適于基 于由所述壓力傳感器測量到的壓縮器壓力和由所述速度傳感器測量到的 實際速度而安排陽極清理。
9. 一種用低電壓電池啟動燃料電池堆的方法，包括以下步驟 接收啟動請求；使功率轉(zhuǎn)換模塊能夠升高所述低電壓電池的電能；確定升壓的低電壓電池的可用電能；基于所述可用電能確定空氣壓縮器的估算速度；啟動空氣壓縮器，其中所述空氣壓縮器被設(shè)置為所述估算速度；測量所述空氣壓縮器的實際速度；測量壓縮器出口壓力；當(dāng)a)所述實際速度大于所希望的速度或者b)已經(jīng)經(jīng)過了壓縮器增 速時間時，根據(jù)所述實際速度和所述壓縮器出口壓力計算空氣流速；和 基于所述空氣流速安排陽極清理。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括以下步驟使來自所述 空氣壓縮器的空氣繞過所述燃料電池堆至排放部。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述確定可用電能的步驟包 括根據(jù)測量到的所述低電壓電池的電壓計算可用電能。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述所希望的速度通過所述 估算速度而計算出。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述所希望的速度等于所 述估算速度減去差值速度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述安排陽極清理的步驟包 括以下步驟中的至少一個a)為所述陽極清理設(shè)置時間；和b)為所述陽 極清理設(shè)置流速。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述陽極清理流速通過基 于所述空氣流速的查詢表計算。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，優(yōu)化所述陽極清理流速以 使排放的氫氣濃度保持小于大約4%的體積百分量。
17. —種通過低電壓電池和高電壓電池之一啟動燃料電池堆的方法， 包括以下步驟接收啟動請求；根據(jù)以下中的至少一種確定可用電能a)具有電壓升高的低電壓電 池，b)具有電壓升高的高電壓電池，和c)不具有電壓升高的高電壓電池； 從所述低電壓電池和所述高電壓電池之一選擇起動電池； 使功率轉(zhuǎn)換模塊能夠在所述可用電能小于起動電能范圍時升高所述起動電池的電能；基于所述可用電能確定空氣壓縮器的估算速度； 啟動空氣壓縮器，其中所述空氣壓縮器被設(shè)置為所述估算速度； 測量所述空氣壓縮器的實際速度； 測量壓縮器出口壓力；當(dāng)a)所述實際速度大于所希望的速度或者b)已經(jīng)經(jīng)過了壓縮器增 速時間時，根據(jù)所述實際速度和所述壓縮器出口壓力計算空氣流速；和 基于所述空氣流速安排陽極清理。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述起動電池選自下列一種a) 如果所述低電壓電池的可用電能大于所述高電壓電池的可用電能， 則選擇低電壓電池；b) 如果所述低電壓電池的可用電能小于所述高電壓電池的可用電能， 則選擇高電壓電池；和c) 如果沒有電壓升高的所述高電壓電池的可用電能在所希望的起動 電能范圍內(nèi)，則選擇沒有電壓升高的高電壓電池。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述起動電能范圍是大于 約1.5kW的功率。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述壓縮器增速時間大約 為5秒。
全文摘要
用低電壓源起動燃料電池系統(tǒng)的閉環(huán)方法提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料電池堆、與陰極入口連通的空氣壓縮器、與陽極入口連通的氫氣源和適于為空氣壓縮器供電的起動電池。起動電池為低電壓電池和高電壓電池中的至少一個。壓力傳感器與空氣壓縮器連通并適于測量壓縮器出口壓力。功率轉(zhuǎn)換模塊與起動電池和空氣壓縮器電連通?？刂破髋c功率轉(zhuǎn)換模塊連通并適于基于可用電能而設(shè)置空氣壓縮器速度。還提供了一種在起動時操作燃料電池系統(tǒng)的閉環(huán)方法，其中，基于通過壓縮器出口壓力和實際速度計算出的空氣流速來安排陽極清理。
文檔編號H01M8/04GK101399359SQ20081021524
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者A·B·阿爾普, A·喬杜里, J·P·薩爾瓦多, M·C·柯克林, M·K·霍爾托普 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司