專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池系統(tǒng)快速可靠起動(dòng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提供燃料電池系統(tǒng)快速可靠起動(dòng)的方法，且更具體地
涉及一種提供燃料電池系統(tǒng)快速可靠起動(dòng)的方法，其中包括在起動(dòng)時(shí)將輔助 負(fù)栽連接到燃料電池堆，直到堆中的燃料電池已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的最小電池電壓 或者已經(jīng)經(jīng)過(guò)了預(yù)定時(shí)段。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種常用于車(chē)輛的燃料電池。 PEMFC通常包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽(yáng)極 和陰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)催化顆粒， 通常為鉑(Pt)。催化混合物被沉積在膜的相反側(cè)上。陽(yáng)極催化混合物、陰極 催化混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。許多燃料電池通常組合在燃料電池堆中以產(chǎn)生所希望的功率。對(duì) 上述的機(jī)車(chē)燃料電池堆而言，所述堆可包括200個(gè)或更多個(gè)燃料電池。燃料 電池堆接收陰極反應(yīng)物氣體，通常為通過(guò)壓縮器被迫使穿過(guò)所述堆的空氣流。 不是所有氧氣被所述堆消耗，其中的 一些空氣作為可含水的陰極排放氣體被 輸出，作為堆的副產(chǎn)物。燃料電池堆還接收流入所迷堆的陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極氫氣 反應(yīng)物氣體。燃料電池堆通常包括位于所述堆中的多個(gè)MEA之間的一系列 雙極板，其中雙極板和MEA位于兩個(gè)端板之間。雙極板包括陽(yáng)極側(cè)和陰極 側(cè)，用于所述堆中的相鄰燃料電池。陽(yáng)極氣體流通道設(shè)置在允許陽(yáng)極反應(yīng)物 氣體流到相應(yīng)MEA的雙極板陽(yáng)極側(cè)上。陰極氣體流通道i殳置在允許陰極反 應(yīng)物氣體流到相應(yīng)MEA的雙極板陰極側(cè)上。 一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣體流通道，
而另一端板包括陰極氣體流通道。雙極板和端板由諸如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合材 料之類(lèi)的導(dǎo)電材料制成。端板將由燃料電池產(chǎn)生的電傳導(dǎo)出所述堆。雙極板 還包括使冷卻流體流過(guò)其中的流動(dòng)通道?，F(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出，在采用分裂堆的燃料電池系統(tǒng)中提供堆的
順序切換或陽(yáng)極流動(dòng)轉(zhuǎn)換。特別地，系統(tǒng)中的閥和管路被^:置為，使得排出 第一子堆的陽(yáng)極排放氣體傳送到第二子堆的陽(yáng)極側(cè)，而排出第二子堆的陽(yáng)極 排放氣體以循環(huán)方式傳送到第一子堆的陽(yáng)極側(cè)。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)斷時(shí)，未反應(yīng)的氫氣存留在燃料電池堆的陽(yáng)極 側(cè)中。這些氫氣能夠擴(kuò)散穿過(guò)或越過(guò)膜并且與陰極側(cè)中的氧氣反應(yīng)。當(dāng)氫氣 擴(kuò)散到陰極側(cè)時(shí)，所述堆的陽(yáng)極側(cè)上的總壓力降至低于周邊壓力。此壓力差 將空氣從周邊吸入所述堆的陽(yáng)極側(cè)中。當(dāng)空氣進(jìn)入所述堆的陽(yáng)極側(cè)中時(shí)，其 產(chǎn)生在陽(yáng)極側(cè)中形成短路的氫氣/空氣鋒(hydrogen/air front),從而導(dǎo)致氳 離子從陽(yáng)極側(cè)的氫氣滿(mǎn)溢部分(flooded portion)側(cè)向流到陽(yáng)極側(cè)的空氣滿(mǎn) 溢部分。這種高離子流與膜的高離子側(cè)向電阻結(jié)合而在膜上形成顯著的側(cè)向 電勢(shì)降低(~0.5 V)。這樣在相反于陽(yáng)極側(cè)空氣填充部分的陰極側(cè)與相鄰于電 解質(zhì)的陰極側(cè)之間形成局部高電勢(shì)，從而促使快速碳侵蝕并導(dǎo)致碳層變薄。 這減弱了對(duì)催化劑顆粒的支撐，從而降低了燃料電池性能。在下一次系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，假定經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間，則陽(yáng)極流通道和陰極 流通道均大致填充有空氣。當(dāng)氫氣在系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)被引入到陽(yáng)極流通道中時(shí)， 氫氣將陽(yáng)極流通道中的空氣推出，從而也形成了行進(jìn)通過(guò)陽(yáng)極流通道的氫氣/ 空氣鋒。氫氣/空氣鋒導(dǎo)致隨著鋒移動(dòng)在每一燃料電池中沿膜長(zhǎng)度發(fā)生催化反 應(yīng)，這與膜上的反應(yīng)相結(jié)合而形成高電壓電勢(shì)。這種結(jié)合的電壓電勢(shì)足夠高 以使得催化劑和其上形成催化劑的碳顆粒嚴(yán)重退化，從而使燃料電池堆中 MEA的壽命減小。特別地，由氫氣/空氣鋒所形成的反應(yīng)與正常燃料電池反 應(yīng)相結(jié)合，其量級(jí)大于僅在膜上進(jìn)行燃料電池反應(yīng)的量級(jí)。例如，已顯示， 以這種方式，在不關(guān)注系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)氫氣-空氣鋒的退化影響的情況下，僅使 用大約100次關(guān)斷和起動(dòng)循環(huán)就使燃料電池堆損壞?，F(xiàn)有技術(shù)中也已提出，通過(guò)迫使氫氣盡可能快地通過(guò)陽(yáng)極流通道 以減少退化發(fā)生時(shí)間，從而減少在系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)氫氣/空氣鋒的退化影響。還建 議的是，以慢速將氫氣引入陽(yáng)極流通道中以提供空氣與氫氣的有效混合，從 而消除氫氣/空氣鋒?，F(xiàn)有技術(shù)中還已提出的是，在從陽(yáng)極流通道中去除氫氣 之前冷卻燃料電池。不過(guò)，所有這些解決方案并未將氫氣/空氣退化減少至足 以提供所希望的燃料電池堆使用壽命。特別地，快速移動(dòng)氫氣/空氣鋒不能完
全消除催化劑的退化，而且需要尺寸過(guò)大的管路和其他部件以從陽(yáng)極流通道 中快速清理空氣。在起動(dòng)時(shí)緩慢引入氫氣所具有的缺點(diǎn)在于，需要再循環(huán)泵， 以花費(fèi)幾分鐘從陽(yáng)極流通道中完全去除空氣。進(jìn)一步地，所需的對(duì)進(jìn)入陽(yáng)極 流通道中的氫氣量進(jìn)行的精確控制難以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有技術(shù)中也已提出，在燃料電池堆上提供負(fù)載，例如電阻器，
以減少由氫氣/空氣鋒所產(chǎn)生的電勢(shì)。不過(guò)，極低的電阻器負(fù)載將需要具有高 額定功率電部件。而且，燃料電池堆中電池之間的流動(dòng)和平衡可能導(dǎo)致堆電 池陽(yáng)極的侵蝕。進(jìn)一步地，在大多數(shù)實(shí)施例中，電阻器通常自身不足以使碳 侵蝕最小化。完全根據(jù)速率和可靠性方面的理想的燃料電池系統(tǒng)起動(dòng)方法，將
使氫氣以極高的流速并行流過(guò)分裂堆并之后流出陽(yáng)極排放部?？煽啃杂匈?lài)于 電池電壓，在系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)在陽(yáng)極流通道中包含相當(dāng)量空氣的電池可形成極低 且可能為負(fù)值的電池電壓。流速將足夠高以使阻塞陽(yáng)極流場(chǎng)的任何水將被迫 離開(kāi)所述堆。而且，由氫氣/空氣鋒所致的任何起動(dòng)退化將#^氐，這是因?yàn)殇h 速將很快。不過(guò)，存在的問(wèn)題是，陽(yáng)極排放物可能具有相對(duì)較高的氫濃度， 這可能導(dǎo)致可燃混合。這樣的高陽(yáng)極流速因而將需要額外的系統(tǒng)部件，例如， 燃燒室、蓄能器，等，從而形成復(fù)雜的系統(tǒng)。現(xiàn)有技術(shù)中還提出，在系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)將陽(yáng)極歧管填充以氫氣，然后 最終使氫氣流過(guò)陽(yáng)極流通道。不過(guò)，已經(jīng)顯示出，這種類(lèi)型的清理甚至不能 單獨(dú)使氫氣流過(guò)電池，因而可能需要額外的措施。這是因?yàn)榭諝馊匀淮嬖谟?氫氣流通道中，特別是在冷啟動(dòng)的情況下。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教示，公開(kāi)了一種提供快速可靠燃料電池系統(tǒng)起動(dòng) 的方法。所述方法包括啟動(dòng)壓縮器，壓縮器將陰極空氣提供到燃料電池堆 的陰極側(cè)以向氫氣排放物提供稀釋空氣。所述方法然后確定所述堆是否填充 有空氣，如果是，則執(zhí)行采用氫氣的堆沖洗。然后，所述方法啟動(dòng)氫氣流至 所述堆的陽(yáng)極側(cè)，并啟動(dòng)陰極空氣流至所述堆的陰極側(cè)。所述方法然后通過(guò)
氧氣充足分配到所^燃料電池，直到達(dá)到預(yù)定最小電池電壓或者已經(jīng):過(guò)了 第一預(yù)定時(shí)段。所述方法然后將所述堆連接到系統(tǒng)部件，以將所述堆加載至 預(yù)定最大水平以預(yù)定時(shí)段。所述方法然后確定所迷堆中的最小電池電壓是否 已降至第一預(yù)定電壓，如果否，則確定所述堆是否已達(dá)到最大允許功率。如 果最小電池電壓已達(dá)到第一預(yù)定電壓值，則所述方法將最大允許功率減小至聽(tīng)偏信
低于第一預(yù)定對(duì)應(yīng)值，確定所述堆中的最小電池電壓是否低于第二預(yù)定電壓， 或者確定最小電池電壓下降速率是否大于預(yù)定電壓下降速率。如果這些條件 無(wú)一滿(mǎn)足，則所述方法返回用系統(tǒng)部件加栽所述堆。根據(jù)以下描述和所附權(quán)利要求書(shū)并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其他特征 將變得顯而易見(jiàn)。


圖1是采用陽(yáng)極流動(dòng)轉(zhuǎn)換的燃料電池系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)圖；和
圖2A和2B是顯示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于提供快速可靠燃料
電池起動(dòng)的過(guò)程的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式以下對(duì)涉及快速可靠啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法的本發(fā)明實(shí)施例的 論述，實(shí)際上僅為示例性的，而絕不是用于限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。圖1是包括第一分裂燃料電池堆12和第二分裂燃料電池堆14的 燃料電池系統(tǒng)10的示意性結(jié)構(gòu)圖。壓縮器16通過(guò)常閉的陰極輸入閥20將在 陰極輸入線路18上的陰極輸入空氣提供到分裂堆12和14。陰極排放氣體從 分裂堆12輸出到線路24，且陰極排放氣體從分裂堆14輸出到線路26，其中， 陰極排放氣體被引入單一的陰極輸出線路28中。常閉的陰極回壓閥30控制 通過(guò)線路28的陰極排放氣體的流動(dòng)。處于輸入線路18與輸出線路28之間的 陰極旁路線路32允許陰極輸入空氣繞過(guò)堆12和14。常閉的旁路閥34控制 陰極空氣是否繞過(guò)堆12和14。如果閥20和30關(guān)閉而且閥34開(kāi)啟，則來(lái)自 壓縮器16的空氣將繞過(guò)堆12和14。通常，陰極加濕單元(未示出)將設(shè)置 在陰極輸入線路18中的適合位置。在這一非限制性實(shí)施例中，分裂堆12和14采用陽(yáng)極流動(dòng)轉(zhuǎn)換，
通過(guò)分裂堆12:和14。以交替序列，注射i、 38將k氣從氫氣源40 :射J過(guò) 陽(yáng)極線路42至分裂堆12,注射器44將氫氣從氬氣源40注射通過(guò)陽(yáng)極線路 48至分裂堆14。連接線路54將分裂堆12和14的陽(yáng)極側(cè)相連。水隔離器60連接到連接線路54并收集在分裂堆12與14之間的 陽(yáng)極氣流中的水?？刹捎贸ｉ]的排水閥62，其周期性開(kāi)啟以將水經(jīng)由線路64 排出至陰極排放氣體線路28。進(jìn)一步地，陽(yáng)極排放氣體清理閥66可設(shè)置在 連接線路54中。如上所述，所希望的是，周期性泄放分裂堆12和14的陽(yáng)極側(cè)， 以去除可能稀釋氫氣并影響電池性能的氮?dú)?。為此而設(shè)置常閉的泄放閥50
和52。當(dāng)需要陽(yáng)極泄放時(shí)，泄放閥50或52開(kāi)啟，泄放的陽(yáng)極排放氣體被送 到陰極排放氣體線路28,這取決于當(dāng)前的氫氣流動(dòng)方向。特別地，如果當(dāng)引 發(fā)泄放時(shí)氫氣從源40被注射到分裂堆12中，則泄放閥52開(kāi)啟。同樣地，如 果當(dāng)引發(fā)泄放時(shí)氫氣從源40被注射到分裂堆14中，則泄放閥50開(kāi)啟。在正 常當(dāng)泄放過(guò)程中，流動(dòng)轉(zhuǎn)換將通常發(fā)生多次，使得泄放閥50和52必須隨流 動(dòng)切換而及時(shí)地多次開(kāi)關(guān)。燃料電池堆12和14產(chǎn)生電流。在正常堆操作中，由堆12和14 產(chǎn)生的電流用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)栽，例如車(chē)輛上的電力牽引系統(tǒng)(ETS) 56。在 關(guān)斷序列(shut-down sequence)過(guò)程中，由堆12和14產(chǎn)生的電流可用于 為電池58充電或通過(guò)其他系統(tǒng)部件耗散，并之后通過(guò)電阻器68耗散。在一個(gè)系統(tǒng)關(guān)斷序列，壓縮器16停工，閥20或30封閉以密封堆 12或14的陰極側(cè)。氫氣繼續(xù)流動(dòng)，使得堆12和14中剩余的氧氣被消耗。 當(dāng)堆功率降至預(yù)定水平時(shí)，由分裂堆12和14產(chǎn)生的電流從ETS 56被切換 到電池58。當(dāng)堆功率降至另一預(yù)定水平時(shí)，堆負(fù)載被切換到電阻器68。特別 地， 一旦電壓降至固定的切斷電壓，則堆負(fù)載切換到電阻器68。切斷電壓可 為DC/DC轉(zhuǎn)化器(未示出)的下限、或動(dòng)力裝置的下限。電池負(fù)載的目的 在于消耗和/或存儲(chǔ)否則將已經(jīng)被損耗的任何能量。這也減少了電阻器負(fù)載的 能耗需求。 —旦氧氣已經(jīng)在分裂堆12和14中耗盡，則氫氣流關(guān)斷，閥50、 52、 62和66關(guān)閉以密封堆12和14的陽(yáng)極側(cè)。當(dāng)系統(tǒng)10以這種方式關(guān)斷時(shí)， 堆12和14在陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)中均包括N2/H2混合物。空氣將隨時(shí)間滲漏到 堆12和14中，且堆12和14中的氫氣將開(kāi)始消耗氧氣。此外，氫氣將緩慢 滲漏出堆12和14。結(jié)果，堆12和14內(nèi)的氣體成分將隨時(shí)間而在氮?dú)夂退?中的富氫混合物之間變化而形成空氣混合物。用于清理分裂堆12和14的氫氣量可基于堆12和14的陽(yáng)極側(cè)的 量、堆12和14的溫度和分裂堆12和14內(nèi)的壓力而計(jì)算出。進(jìn)入堆12和 14中的氫氣流應(yīng)大致為一個(gè)陽(yáng)極的量。如果進(jìn)入堆中的氫氣流的量不足，則 一些燃料電池可能仍然包含有H2/02鋒。如果過(guò)多氫氣流入第一堆中，則多 余氫氣被浪費(fèi)排放并可能受壓進(jìn)入第二堆，因而導(dǎo)致氫氣/空氣鋒停滯，從而 引起過(guò)度電壓退化。計(jì)算出堆12和14中的每一個(gè)的循環(huán)量，這些信息結(jié)合 起動(dòng)過(guò)程中的氫氣流速以確定第一堆的清理時(shí)間。圖2A和2B的流程示意圖70顯示出，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的特別 是在冷啟動(dòng)過(guò)程中的用于快速可靠啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)10的方法。在框72中，
壓縮器16啟動(dòng)用于氫氣輸出稀釋的目的。系統(tǒng)起動(dòng)的初始部分包括啟動(dòng)壓縮 器16以提供用于氫氣的稀釋空氣，其由于起動(dòng)序列(start-up sequence )而 聚集在排放中。然后，由于分裂堆12和14已經(jīng)關(guān)斷一段時(shí)間，因而算法在 判定菱框74中確定分裂堆12和14是否填充有空氣，如果是，則在框76中 開(kāi)始使用集管(header)清理進(jìn)行堆沖洗。這提供了在堆沖洗之前從堆12 和14的集管中去除空氣和氮?dú)獾募夹g(shù)。在已經(jīng)清理了集管之后，堆沖洗提供 了通過(guò)陽(yáng)極流場(chǎng)(flow field)的大流速的氫氣，以使由于氫氣/空氣鋒所致的 起動(dòng)退化最小化，如前所述。然后，在框78中，算法通過(guò)以50/50方式向分裂堆12和14開(kāi)啟 集管閥以將陽(yáng)極流通道填充以氫氣而開(kāi)始陽(yáng)極流。在此流動(dòng)過(guò)程中，注射器 38和44同時(shí)使用以使氫氣最終流動(dòng)通過(guò)分裂堆12和14。所有大閥在此階段 關(guān)閉以允許充分控制的低流速氫氣注射。開(kāi)啟的所述閥通常具有小口，或者， 可使用脈寬調(diào)制的大閥以有效控制小閥。氫氣注射器38和44通?；诜至?堆12和14的陽(yáng)極出口壓力進(jìn)行控制。不過(guò)，在這種情況下，注射器38和 44將切換流動(dòng)控制模式，其中，流量將被計(jì)量而使其盡可能高，而不會(huì)導(dǎo)致 排放物在混合以陰極排放物時(shí)超過(guò)預(yù)定氫氣濃度。因此，氫氣流速將基于陰 極稀釋流而實(shí)時(shí)變化。在判定菱框74中，如果所述堆未填充有空氣，則算法跳過(guò)框76 的堆沖洗步驟并直接行進(jìn)到框78的提供陽(yáng)極流的步驟。同時(shí)，應(yīng)存在有峰值陽(yáng)極壓力以移除注射器38和44。換句話說(shuō)， 陰極排放物流速需要已知，并將基于注射器的占空因數(shù)(duty cycle)估算陽(yáng) 極流速。注射器38和44應(yīng)受控以引發(fā)低于預(yù)定閾值的盡可能高的排放流， 并使陽(yáng)極壓力不超過(guò)預(yù)定壓力，例如150 kPa。此流動(dòng)的持續(xù)時(shí)間基于軟件 中的查詢(xún)表確定，所述軟件獲取從上一次關(guān)斷以來(lái)輸入的時(shí)間，并輸出特定 最小量的應(yīng)流過(guò)的陽(yáng)極氫氣量。然后在判定菱框80中，算法確定是否第一次通過(guò)啟動(dòng)循環(huán)，而且 確定是否跳過(guò)框76中的陽(yáng)極側(cè)沖洗，這意味著最近的關(guān)斷時(shí)間過(guò)去不太久， 其中陽(yáng)極流通道仍填充以相當(dāng)量的氫氣。如果滿(mǎn)足這些條件，則算法在框82 中在陽(yáng)極流持續(xù)時(shí)間的一部分，例如在陽(yáng)極流持續(xù)時(shí)間的一半，使陰極空氣 繞過(guò)堆12和14。當(dāng)使陰極空氣繞過(guò)分裂堆12和14時(shí)，不將額外空氣加入 陰極側(cè)中，這些額外空氣可能透過(guò)膜至陽(yáng)極側(cè)而增大損害性氫氣/空氣鋒的可 能性。換句話說(shuō)，所希望的是，在將空氣引入陰極側(cè)之前將氫氣引入陽(yáng)極側(cè)， 使得氫氣而不是空氣透過(guò)膜，從而減少在堆12和14的陽(yáng)極側(cè)上的氫氣/空氣
鋒。 —旦預(yù)定陽(yáng)極流量的陰極空氣已經(jīng)繞過(guò)堆12和14，則算法然后 在框84中使陽(yáng)極流其余量的陰極空氣流過(guò)堆12和14。如果不是第一次通過(guò) 控制循環(huán)或者在框76中未發(fā)生堆沖洗，則算法直接行進(jìn)到框86中的使陰極 空氣流過(guò)堆12和14。下一步，在框88中，算法繼續(xù)陽(yáng)極流并使降壓電阻器68連接到 分裂堆12和14作為負(fù)載，直到滿(mǎn)足以下條件之一，即最小電池電壓大于 預(yù)定電壓值，例如700mV,或者，已經(jīng)經(jīng)過(guò)預(yù)定時(shí)段，例如10秒。通過(guò)在 分裂堆12和14上設(shè)置負(fù)載，在堆12和14上產(chǎn)生電壓降，此電壓降更近似 匹配被連接到系統(tǒng)10中的高電壓電池58的高電壓總線(未示出)。特別地， 通過(guò)將輔助負(fù)載連接到燃料電池堆，算法使用響應(yīng)于負(fù)載的堆電壓評(píng)估是否 將氫氣和氧氣充足分配到所有燃料電池。這一步驟是算法通過(guò)確保最小電池 電壓足夠高或在陽(yáng)極流通道中存在足夠氬氣而使得堆12和14穩(wěn)定操作從而 提供快速可靠起動(dòng)的多種方式之一。如果堆12和14良好且不存在問(wèn)題，則 算法將快速行進(jìn)通過(guò)這些控制循環(huán)步驟。不過(guò)，如果分裂堆12和14由于某 些其他原因已經(jīng)顯著老化或退化，則算法在起動(dòng)序列中等待的時(shí)段將為堆12 和14提供更好的環(huán)境以按照穩(wěn)定方式啟動(dòng)。 —旦最小電池電壓大于預(yù)定電壓值或已經(jīng)經(jīng)過(guò)預(yù)定時(shí)段，則算法 然后在框90中關(guān)閉通向高電壓總線的堆接觸器以允許分裂堆12和14在系統(tǒng) 10的正常負(fù)載下操作。算法然后在框92向分裂堆12和14加栽以盡量多的 燃料電池系統(tǒng)部件，使其能夠達(dá)到分裂堆12和14的最大限度并持續(xù)預(yù)定時(shí) 段，例如7秒，從而檢測(cè)分裂堆12和14是否將正常操作。然后，在判定菱框94中，算法確定最小電池電壓是否已降至預(yù)定 電壓，例如400 mV。如果分裂堆12或14中的最小電池電壓〗氐于預(yù)定電壓， 則起動(dòng)可靠性降低。然后，在框96中，算法使允許從分裂堆12和14中提取 的最大功率最小化，以試圖將最小電池電壓升高到高于預(yù)定值。在判定菱框98，算法確定最小電池電壓是否已降至低于另一預(yù)定 電壓，例如200 mV，或者確定最小電池電壓下降速率是否超過(guò)預(yù)定電壓下 降速率，例如1000 mV/秒。如果兩個(gè)條件均未滿(mǎn)足，則算法返回框92以給 予分裂堆12和14另一次機(jī)會(huì)使其最小電池電壓升高至高于第一預(yù)定電壓值。如果在判定菱框94中，最小電池電壓不小于第一預(yù)定電壓值，則 分裂堆12或14可正確操作。然后，在判定菱框100中，算法確定分裂堆12 和14所允許的最大功率是否小于預(yù)定值，例如90 kW。如果最大堆功率低
于預(yù)定值，則分裂堆12和14在起動(dòng)序列中尚未將其最大功率輸出足夠快速 升高，這意味著分裂堆12和/或14可能不穩(wěn)定。如果在判定菱框98中最小電池電壓小于第二預(yù)定電壓值或最小 電池電壓下降速率大于預(yù)定電壓下降速率，或者在判定菱框100中分裂堆12 和14尚未達(dá)到所允許最大功率，則算法在判定菱框102中確定電池58是否 能夠支持通過(guò)起動(dòng)序列的另一循環(huán)。如果電池功率充足而且通過(guò)循環(huán)的重復(fù) 操作次數(shù)已小于預(yù)定值，例如8次，則在框104中打開(kāi)堆接觸器。進(jìn)一步地， 在框106中，算法將從電池58提取的最大功率限制到某一預(yù)定最大值(例如 20kW)和最大可用電池功率中的較小者。然后，算法行進(jìn)到框78中將陽(yáng)極 流提供到分裂堆12和14的步驟，如果在判定菱框80中是否第一次通過(guò)循環(huán) 的答案為"否"，則增加通過(guò)循環(huán)的重復(fù)操作的計(jì)數(shù)。如果在判定菱框102中電池58不能支持另 一通過(guò)循環(huán)的重復(fù)操作 或已達(dá)到通過(guò)循環(huán)的重復(fù)操作的最大數(shù)，則在框108中系統(tǒng)IO被設(shè)置于縮減 性能模式，其中，車(chē)輛允許操作，但具有有限的功率，從而使其能夠行駛到 維修站或其他安全地點(diǎn)。如果在判定菱框100中所允許的最大功率大于預(yù)定值，則在框110 中，算法修改查詢(xún)表，所述查詢(xún)表確認(rèn)已經(jīng)流入陽(yáng)極流場(chǎng)中的陽(yáng)極氫氣量。 如果所需的陽(yáng)極流的量更高，則所述表在系統(tǒng)軟件中時(shí)常更新。以這種方式， 啟動(dòng)時(shí)間可從上一次關(guān)斷向未來(lái)延伸更長(zhǎng)的時(shí)間，但系統(tǒng)可靠性得以改善。 本質(zhì)上，所述表將隨所述堆老化而調(diào)適。 一旦所述表更新，則算法將用于全 系統(tǒng)操作并在框112開(kāi)始陽(yáng)極流動(dòng)轉(zhuǎn)換。在可替代的實(shí)施例中，框96和判定菱框98和/或100中的步驟可 取消，而且可以沒(méi)有從判定菱框94至判定菱框102的判定。進(jìn)一步地，判定 菱框102和框104和106也可取消，其中，沒(méi)有從判定菱框94返回框92的 判定。而且，在框90中的關(guān)閉接觸器以下的步驟可取消，以減少起動(dòng)過(guò)程的 長(zhǎng)度。以上論述僅公開(kāi)和描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。通過(guò)這些論述并 根據(jù)附圖和權(quán)利要求書(shū)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，在不背離由所附權(quán)利 要求書(shū)限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對(duì)所述實(shí)施例進(jìn)行各種改變、 修改和變化。
權(quán)利要求
1. 一種啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括啟動(dòng)用于將陰極空氣提供到燃料電池堆的壓縮器；確定所述燃料電池堆是否填充有空氣并需要陽(yáng)極沖洗；啟動(dòng)陽(yáng)極流至所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)；將輔助負(fù)載連接到所述燃料電池堆，直到燃料電池在所述堆中已達(dá)到預(yù)定最小電池電壓或者已經(jīng)經(jīng)過(guò)了第一預(yù)定時(shí)段；將所述燃料電池堆連接到系統(tǒng)負(fù)載；用系統(tǒng)部件加載所述堆至預(yù)定最大水平以第二預(yù)定時(shí)段；和確定所述堆中的最小電池電壓是否低于第一預(yù)定電壓值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述最小電池電壓 低于笫一預(yù)定電壓值時(shí)，減小所述堆的最大允許功率，確定所述堆中的最 小電池電壓是否低于第二預(yù)定電壓值或者所述最小電池電壓下降速率是 否大于預(yù)定電壓下降速率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括如果所述最小電池電 壓不低于第二預(yù)定電壓值或者所述最小電池電壓下降速率不大于所述預(yù) 定電壓下降速率，則返回用系統(tǒng)部件加載所述堆。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括如果所述最小電池電 壓大于第一預(yù)定電壓值，則確定最大允許堆功率是否小于預(yù)定功率值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括如果功率最大量小于 所述預(yù)定功率值、所述最小電池電壓低于第二預(yù)定電壓值、或所述最小電 池電壓下降速率大于所述預(yù)定電壓下降速率，則確定電池是否能夠支持另 一起動(dòng)序列。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括如果電池能夠支持另 一起動(dòng)序列，則從所述電池引出的功率限制為預(yù)定最小值和最大可用電池 功率中的較小者。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括如果電池不能支持下 一起動(dòng)序列，則將所述燃料電池系統(tǒng)設(shè)置于縮減性能模式。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括提供使用氫氣的陽(yáng)極 側(cè)沖洗。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括如果所述堆已使用氫 氣進(jìn)行沖洗，則使特定陽(yáng)極流量的陰極空氣繞過(guò)所述堆。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述燃料電池堆是采用陽(yáng)極 流動(dòng)轉(zhuǎn)換的分裂燃料電池堆，其中，啟動(dòng)陽(yáng)極流至所述堆包括將相同量 的氣流同時(shí)傳輸?shù)絻蓚€(gè)分裂堆。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，第一預(yù)定電壓值約為400 mV， 第二預(yù)定電壓值約為200 mV，所述預(yù)定電池電壓下降速率約為1000 mV/ 秒。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述預(yù)定最小電池電壓約為 700 mV，第一預(yù)定時(shí)段約為10秒。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述輔助負(fù)栽為電阻器。
14. 一種用于燃料電池系統(tǒng)的起動(dòng)序列的方法，所述燃料電池系統(tǒng)具 有第一和第二分裂堆，所述方法包括啟動(dòng)用于將陰極輸入空氣提供到所述分裂堆的陰極側(cè)的壓縮器；確定所述分裂堆是否填充有空氣并需要陽(yáng)極沖洗；同時(shí)啟動(dòng)陽(yáng)極流至第一和第二分裂堆的陽(yáng)極側(cè)；確定所述起動(dòng)序列是否處于第一次循環(huán)中以及所述陽(yáng)極沖洗是否已 經(jīng)執(zhí)行；如果是第一次通過(guò)起動(dòng)序列循環(huán)而且所述陽(yáng)極沖洗已經(jīng)執(zhí)行了預(yù)定 量的陽(yáng)極流量，則使陰極空氣繞過(guò)所述分裂堆；如果不是第一次起動(dòng)序列循環(huán)或者所述陽(yáng)極沖洗尚未執(zhí)行，則使陰極 空氣流過(guò)所述分裂堆的陰極側(cè)；將輔助負(fù)載連接到所述分裂堆，直到燃料電池在所述分裂堆中已達(dá)到 預(yù)定最小電池電壓或者已經(jīng)經(jīng)過(guò)了第一預(yù)定時(shí)段；將所述分裂堆連接到系統(tǒng)負(fù)載；用系統(tǒng)部件加栽所述分裂堆至預(yù)定最大水平以第二預(yù)定時(shí)段； 確定所述分裂堆中的最小電池電壓是否低于第一預(yù)定電壓值； 如果所述最小電池電壓大于第一預(yù)定電壓值，則確定最大允許堆功率是否小于預(yù)定功率值；和如果最大允許堆功率大于所述預(yù)定功率值，則更新查詢(xún)表，所述查詢(xún)表確認(rèn)已經(jīng)流入所述分裂堆的陽(yáng)極中的陽(yáng)極氫氣量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)所述最小電池電 壓低于第一預(yù)定電壓值時(shí)，減小最大允許功率，確定所述分裂堆中的最小電池電壓是否低于第二預(yù)定電壓值或者所述最小電池電壓下降速率是否 大于預(yù)定電壓下降速率。
16，根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括如果所述最小電池 電壓不低于第二預(yù)定電壓值或者所述最小電池電壓下降速率不大于所述預(yù)定電壓下降速率，則返回用系統(tǒng)部件加栽所述分裂堆。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括如果功率最大量小 于所述預(yù)定功率值、所述最小電池電壓低于第二預(yù)定電壓值、或所述最小 電池電壓下降速率大于所述預(yù)定電壓下降速率，則確定電池是否能夠支持 另一起動(dòng)序列。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括如果電池能夠支持 另一起動(dòng)序列，則從所述電池引出的功率限制為預(yù)定最小值和最大可用電 池功率中的較小者。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括如果電池不能支持 下一起動(dòng)序列，則將所述燃料電池系統(tǒng)設(shè)置于縮減性能模式。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，笫一預(yù)定電壓值約為400 mV， 第二預(yù)定電壓值約為200 mV，所述預(yù)定電池電壓下降速率約為1000 mV/ 秒。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14所迷的方法，其中，所述預(yù)定最小電池電壓約 為700mV，并且第一預(yù)定時(shí)段約為10秒。
22. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述輔助負(fù)栽為電阻器。
23. —種用于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括 啟動(dòng)用于將陰極空氣提供到燃料電池堆的壓縮器； 啟動(dòng)陽(yáng)極流至所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)；和將輔助負(fù)載連接到所述燃料電池堆，直到燃料電池在所述堆中已達(dá)到 預(yù)定最小電池電壓或者已經(jīng)經(jīng)過(guò)了第一預(yù)定時(shí)段。
全文摘要
燃料電池系統(tǒng)快速可靠起動(dòng)的方法該方法通過(guò)將輔助負(fù)載連接到燃料電池系統(tǒng)而使用響應(yīng)于負(fù)載的堆電壓評(píng)估是否將氫氣和氧氣充足分配到所有燃料電池，直到達(dá)到預(yù)定最小電池電壓或者已經(jīng)經(jīng)過(guò)了第一預(yù)定時(shí)段。所述方法然后確定最小電池電壓是否已降至第一預(yù)定電壓，如果是，則將最大允許功率減小至低于第一預(yù)定電壓值，確定所述堆中的最小電池電壓是否低于第二預(yù)定電壓，或者確定最小電池電壓下降速率是否大于預(yù)定電壓下降速率。如果這些條件無(wú)一滿(mǎn)足，則所述方法返回用系統(tǒng)部件加載所述堆。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101393992SQ200810215249
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)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, B·拉克什馬南, D·A·阿瑟, J·P·薩爾瓦多, S·E·萊納 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司