專利名稱：在燃料電池系統(tǒng)中減少直至可接受的駛離時(shí)的時(shí)間的方法
在燃料電池系統(tǒng)中減少直至可接受的駛離時(shí)的時(shí)間的方法
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2009年10月8日提交的序列號為61/M9，866的美國臨時(shí)申請的權(quán) 益，在此通過引用將其并入本文。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及燃料電池系統(tǒng)，更具體地，涉及啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)，在電池活性區(qū)域處必需有可用的反應(yīng)物，從而使得能夠 生成電流。如果系統(tǒng)已經(jīng)關(guān)閉或處于備用狀態(tài)中，那么這通常是啟動(dòng)序列的主要功能。對 于車輛應(yīng)用，期望在進(jìn)行啟動(dòng)請求之后能夠很快完成所述啟動(dòng)序列，從而使得駕駛員能夠 請求全部動(dòng)力。另外，如果燃料電池系統(tǒng)正在離開備用模式，那么期望在進(jìn)行喚醒請求之后 系統(tǒng)很快便能夠以最大容量運(yùn)行。
為了準(zhǔn)備好燃料電池系統(tǒng)以便以全部容量進(jìn)行操作，啟動(dòng)序列通常包括陽極沖洗 功能和陽極填充功能。沖洗功能從電池流場中去除非反應(yīng)物。填充功能則將活性部位處的 氫氣濃度增加到期望水平。填充功能通常占據(jù)了啟動(dòng)陽極側(cè)功能所需時(shí)間的大部分。這是 由于排氣排放要求以及在堆的管件和堆中的非均勻流動(dòng)特性相互組合的緣故。在采用了非 理想集管清掃的實(shí)踐中，所述陽極沖洗功能將非反應(yīng)物清掃到如圖1中所示的水平。即便 理想的沖洗也可能需要額外的填充時(shí)間以使均勻氫氣到達(dá)全部電池。根據(jù)電池流阻的變化 性，這通常是隨機(jī)的。
在進(jìn)行非理想集管清掃之后的陽極沖洗的結(jié)束時(shí)(其通常發(fā)生在所述啟動(dòng)序列 期間)，在頂部電池內(nèi)的陽極將仍然包含一定百分比的非反應(yīng)物。如果在該時(shí)刻需要全部電 流，則僅被部分填充以氫氣的電池將不能支持該電流，從而導(dǎo)致電池電壓的急劇下降。為了 防止這種情況發(fā)生，使用電壓穩(wěn)定化功能來將所述堆的剩余部分填充以氫氣。該功能使用 較低的氫氣流率，并且所述流率是可控的，從而使得排放要求不被破壞。然而，這是以增加 啟動(dòng)時(shí)間長度為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)的。通常執(zhí)行陽極洗的時(shí)間是大約1秒，但是所述額外的陽極 填充和電壓穩(wěn)定化可能會花費(fèi)長達(dá)4秒的時(shí)間。
因此，存在改善燃料電池啟動(dòng)方法的需要。發(fā)明內(nèi)容
描述了減少燃料電池啟動(dòng)時(shí)間的方法和系統(tǒng)。一種減少啟動(dòng)時(shí)間的方法包括開 始啟動(dòng)序列；在開始所述啟動(dòng)序列之后，同時(shí)開始包括了支持燃料電池負(fù)載需求和穩(wěn)定燃 料電池電壓的運(yùn)行序列；其中，穩(wěn)定燃料電池電壓包括提供氫氣流至該燃料電池并且打 開陽極閥，其中該氫氣流持續(xù)以預(yù)定的氫氣量或預(yù)定時(shí)間；以及，在所述預(yù)定的氫氣量或所 述預(yù)定時(shí)間被超出后結(jié)束電壓穩(wěn)定化，但使包括了支持所述燃料電池負(fù)載需求的運(yùn)行序列4繼續(xù)。
本發(fā)明還提供了以下方案
1. 一種減少燃料電池啟動(dòng)時(shí)間的方法，包括
開始啟動(dòng)序列；
在開始所述啟動(dòng)序列后，同時(shí)開始運(yùn)行序列，所述運(yùn)行序列包含支持所述燃料電 池的負(fù)載需求和穩(wěn)定所述燃料電池的電壓；
其中穩(wěn)定所述燃料電池的電壓包括
提供氫氣流至所述燃料電池并且打開陽極閥，其中所述氫氣流持續(xù)以預(yù)定的氫氣 量或預(yù)定時(shí)間；以及
在所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間被超出后結(jié)束電壓穩(wěn)定化，而包含了支持所 述燃料電池的負(fù)載需求的所述運(yùn)行序列繼續(xù)。
2.如方案1所述的方法，其中，進(jìn)一步包括
在提供所述氫氣流至所述燃料電池并且打開所述陽極閥之后，確定是否存在上升 瞬變狀況；
如果所述上升瞬變狀況存在，則確定是否提供了充足的稀釋空氣流以獲得目標(biāo)排 氣濃度；
如果所述上升瞬變狀況存在并且如果沒有提供充足的稀釋空氣流，則關(guān)閉所述陽 極閥，暫停用于所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間的計(jì)數(shù)器，并且返回到確定是否存在所 述上升瞬變狀況；
如果所述上升瞬變狀況存在，并且如果提供了充足的稀釋空氣流，則返回到確定 是否存在所述上升瞬變狀況；以及
如果所述上升瞬變狀況不存在或者當(dāng)所述上升瞬變狀況不再存在時(shí)，那么如果所 述計(jì)數(shù)器被暫停則恢復(fù)所述計(jì)數(shù)器，并且如果所述陽極閥被關(guān)閉則打開所述陽極閥。
3.如方案2所述的方法，其中，確定是否存在所述上升瞬變狀況包括確定陰極氧 氣設(shè)定點(diǎn)的變化率，或陰極閥位置的變化率，或電流的變化率是否超出預(yù)定值。
4.如方案2所述的方法，其中，如果所述上升瞬變狀況存在，則增加所述氫氣流。
5.如方案2所述的方法，其中，進(jìn)一步包括
如果所述上升瞬變狀況不存在或當(dāng)所述上升瞬變狀況不再存在時(shí)，確定所述預(yù)定 的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間是否被超出；
如果所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間未被超出，則返回到確定是否存在所述上 升瞬變狀況。
6.如方案2所述的方法，其中，進(jìn)一步包括
如果所述上升瞬變狀況不存在或當(dāng)所述上升瞬變狀況不再存在時(shí)，確定所述預(yù)定 的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間是否被超出；
如果所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定的時(shí)間被超出，則確定是否存在反應(yīng)性排放需 求；
如果所述反應(yīng)性排放需求存在，則返回到確定是否存在上升瞬變狀況；
如果所述反應(yīng)性排放需求不存在，則結(jié)束電壓穩(wěn)定化。
7.如方案6所述的方法，其中，確定是否存在所述反應(yīng)性排放需求包括，確定電池電壓是否小于預(yù)定電壓。
8.如方案1所述的方法，其中，進(jìn)一步包括
在提供所述氫氣流至所述燃料電池并且打開所述陽極閥后，使用于所述預(yù)定的氫 氣量或所述預(yù)定時(shí)間的計(jì)數(shù)器開始啟動(dòng)，并且確定是否存在上升瞬變狀況；
如果所述上升瞬變狀況存在，則確定是否提供了充足的稀釋空氣流以獲得目標(biāo)排 氣濃度；
如果所述上升瞬變狀況存在并且充足的稀釋空氣流未被提供，則關(guān)閉所述陽極 閥，暫停用于所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間的計(jì)數(shù)器，并且返回到確定是否存在所述 上升瞬變狀況；
如果所述上升瞬變狀況存在并且提供了充足的稀釋空氣流，則返回到確定是否存 在所述上升瞬變狀況；
如果所述上升瞬變狀況不存在或當(dāng)所述上升瞬變狀況不再存在時(shí)，那么如果所述 計(jì)數(shù)器被暫停則恢復(fù)所述計(jì)數(shù)器，并且如果所述陽極閥被關(guān)閉則打開所述陽極閥；
確定所述計(jì)數(shù)器是否超出所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定的時(shí)間；
如果所述計(jì)數(shù)器未超出所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間，則返回到確定是否存 在所述上升瞬變狀況；
如果所述計(jì)數(shù)器超出所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間，則確定是否存在反應(yīng)性 排放需求；
如果所述反應(yīng)性排放需求存在，則返回到確定是否存在所述上升瞬變狀況；以及
如果所述反應(yīng)性排放需求不存在，則結(jié)束電壓穩(wěn)定化。
9.如方案8所述的方法，其中，確定是否存在所述上升瞬變狀況包括，確定陰極氧 氣設(shè)定點(diǎn)的變化率，或陰極閥位置的變化率，或電流的變化率是否超出預(yù)定值。
10.如方案8所述的方法，其中，如果所述上升瞬變狀況存在，則增加所述氫氣流。
11.如方案8所述的方法，其中，確定是否存在所述反應(yīng)性排放需求包括，確定電 池電壓是否小于預(yù)定電壓。
12.如方案8所述的方法，其中，到所述燃料電池的氫氣流是采用了中心排放的并 行流動(dòng)。
13.如方案1所述是方法，進(jìn)一步包括
在同時(shí)進(jìn)行支持所述燃料電池的負(fù)載需求和穩(wěn)定所述燃料電池的電壓之前，確定 所述燃料電池系統(tǒng)是否正在離開備用狀態(tài)；
如果所述燃料電池系統(tǒng)未離開備用狀態(tài)，則確定是否所述燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉；
如果所述燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉，則確定所述燃料電池的陽極側(cè)是否具有最小氫氣濃 度；
如果不具有所述最小氫氣濃度，則提供氫氣至所述陽極側(cè)；
如果所述系統(tǒng)正在退出備用狀態(tài)，或如果具有所述最小氫氣濃度，或者在提供氫 氣至所述陽極側(cè)之后，則閉合高電壓接觸器；
在閉合所述高電壓接觸器之后，確定堆電壓是否穩(wěn)定；以及
如果所述堆電壓不穩(wěn)定，則打開所述陽極閥，并且返回到確定所述堆電壓是否穩(wěn) 定。
14.如方案13所述的方法，其中，所述最小氫氣濃度是大約70%。
15. 一種減少燃料電池啟動(dòng)時(shí)間的方法，包括
開始啟動(dòng)序列；
在開始所述啟動(dòng)序列之后，同時(shí)開始包含了支持所述燃料電池的負(fù)載需求，以及 穩(wěn)定所述燃料電池的電壓的運(yùn)行序列；
其中，穩(wěn)定所述燃料電池的電壓包括
提供氫氣流至所述燃料電池并且打開陽極閥，其中所述氫氣流持續(xù)以預(yù)定的氫氣 量或預(yù)定時(shí)間；
使用于所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間的計(jì)數(shù)器啟動(dòng)；
確定是否存在上升瞬變狀況；
如果所述上升瞬變狀況存在，則確定是否提供了充足的稀釋空氣流以獲得目標(biāo)排 氣濃度；
如果所述上升瞬變狀況存在并且如果未提供充足的稀釋空氣流，則關(guān)閉所述陽極 閥，暫停用于所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間的計(jì)數(shù)器，并且返回到確定是否存在所述 上升瞬變狀況；
如果所述上升瞬變狀況存在并且如果提供了充足的稀釋空氣流，則返回到確定是 否存在所述上升瞬變狀況；
如果所述上升瞬變狀況不存在或當(dāng)所述上升瞬變狀況不再存在時(shí)，那么如果所述 計(jì)數(shù)器被暫停則恢復(fù)所述計(jì)數(shù)器，并且如果所述中心排泄閥被關(guān)閉，則打開所述中心排泄 閥；
確定所述計(jì)數(shù)器是否超出所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間；
如果所述計(jì)數(shù)器未超出所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間，則返回到確定是否存 在所述上升瞬變狀況；
如果所述計(jì)數(shù)器超出所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定的時(shí)間，則確定是否存在反應(yīng) 性排放需求；
如果所述反應(yīng)性排放需求存在，則返回到確定是否存在所述上升瞬變狀況；以及
如果所述反應(yīng)性排放需求不存在，則結(jié)束電壓穩(wěn)定化，同時(shí)使包含了支持所述燃 料電池負(fù)載需求的運(yùn)行序列繼續(xù)。
16.如方案15所述的方法，其中，確定是否存在所述上升瞬變狀況包括，確定陰極 氧氣設(shè)定點(diǎn)變化率，或陰極閥位置變化率，或電流變化率是否超出預(yù)定值。
17.如方案15所述的方法，其中，如果所述上升瞬變狀況存在，則增加所述氫氣流。
18.如方案15所述的方法，其中，確定是否存在反應(yīng)性排放需求包括，確定電池電 壓是否小于預(yù)定電壓。
19.如方案15所述的方法，其中，到所述燃料電池的氫氣流動(dòng)是采用了中心排放 的并行流動(dòng)。
20.如方案15所述的方法，進(jìn)一步包括
在同時(shí)支持所述燃料電池的負(fù)載需求和穩(wěn)定所述燃料電池的電壓之前，確定所述 燃料電池系統(tǒng)是否正在退出備用狀態(tài)；
如果所述燃料電池系統(tǒng)沒有正在退出備用狀態(tài)，則確定所述燃料電池系統(tǒng)是否關(guān) 閉；
如果所述燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉，則確定所述燃料電池的陽極側(cè)是否具有最小氫氣濃 度；
如果不具有所述最小氫氣濃度，則提供氫氣到所述陽極側(cè)；
如果所述系統(tǒng)正在離開備用狀態(tài)，或如果具有所述最小氫氣濃度，或在提供氫氣 到所述陽極側(cè)之后，則閉合高電壓接觸器；
在閉合所述高電壓接觸器之后，確定堆電壓是否穩(wěn)定；以及
如果所述堆電壓不穩(wěn)定，則打開中心排泄閥，并且返回到確定所述堆電壓是否穩(wěn)定。
21.如方案20所述的方法，其中，所述最小氫氣濃度是大約70%。
圖1是在典型的陽極沖洗之后的陽極氣體成分的圖示；
圖2是燃料電池的示意性框圖3A 圖;3B是流程圖，其示出了用于提供本發(fā)明的燃料電池啟動(dòng)的過程的一個(gè) 實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
通過允許陽極填充/沖洗功能延伸到運(yùn)行模式中，能夠減少可靠地啟動(dòng)燃料電池 系統(tǒng)所需的時(shí)間量。該功能在運(yùn)行模式中將保持使能，直到確定使用電池電壓和閥流阻 (氣體成分)監(jiān)測到所述堆能夠以全部容量操作時(shí)為止。使用電壓穩(wěn)定化例程的好處是確 保了所有電池都能被清掃掉非反應(yīng)物，并且將局部氫氣濃度包含在足夠高的水平以便維持 用于每個(gè)電池的全電流負(fù)載。通過將該例程切換成發(fā)生在啟動(dòng)后但處于完全運(yùn)行模式中， 則可以顯著減少到可接受的駛離(driveaway)時(shí)的時(shí)間或者顯著減少啟動(dòng)時(shí)間長度。
電壓穩(wěn)定化功能通常利用中央排放閥，并且氫氣被同時(shí)噴射到兩個(gè)子堆中。另一 個(gè)變型可以包括以預(yù)定開關(guān)速率使氫氣順序地流動(dòng)。取決于系統(tǒng)，其它的陽極閥(例如，排 放閥)可以與中央排泄閥一起使用，或者可以替代中央排泄閥。電壓穩(wěn)定化功能在運(yùn)行模 式激活之前被使能，并且在運(yùn)行模式開始的若干秒中也是使能的。電壓穩(wěn)定化存在的時(shí)間 長度將取決于一定的退出條件。這些退出條件可包括最小時(shí)間，電池的最高和最低電壓差， 堆電壓反彈、或排放要求。
如果在電壓穩(wěn)定化期間存在大功率需求，則該功能應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行響應(yīng)，從而使 得所述排放要求不被超出。陽極流率應(yīng)當(dāng)增加以維持該更高的負(fù)載。陰極空氣流率也是如 此。然而，與生成用于陰極的足夠的壓縮機(jī)流以及隨后的稀釋空氣所需的時(shí)間相比，陽極反 應(yīng)得更快。在該情形中，中央排放閥關(guān)閉，直到有足夠的稀釋空氣可用時(shí)為止。然而，為了 確保堆被完全清掃，在具有足夠的稀釋空氣可用之后將恢復(fù)陽極流。
處理大功率步驟的另一種變型是保持通過陽極的正確氫氣流，其對應(yīng)于在排氣中 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)排氣濃度的稀釋流的量。這使得瞬變狀況期間也將閥保持打開。
圖2示出了燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。該系統(tǒng)在2007年9月21日提交的標(biāo)題8為“Method for Fast and Reliable Fuel Cell ^stemsStart-ups，，的美國申請 11/859300 中被更加充分地描述。許多其它實(shí)施例也是可能的。
圖2示出了燃料電池系統(tǒng)10，其包括第一分離的燃料電池堆12和第二分離的燃 料電池堆14。壓縮機(jī)16經(jīng)由常閉的陰極輸入閥20通過陰極輸入管線18給堆12和14提 供陰極輸入空氣。陰極排氣通過管線M從分離的堆12輸出，并且陰極排氣通過管線沈從 分離的堆14輸出，其中陰極排氣被混合到單個(gè)陰極輸出管線觀中。常閉的陰極背壓閥30 控制穿過管線觀的陰極排氣的流動(dòng)。位于輸入管線18和輸出管線觀之間的陰極旁通管 線32允許陰極輸入空氣旁路繞過堆12和14。常閉的旁通閥34控制陰極空氣是否旁路繞 過堆12和14。如果閥20和30關(guān)閉并且閥34打開，則來自壓縮機(jī)16的空氣將旁路繞過堆 12和14。通常，將陰極加濕單元(未示出)設(shè)置在陰極輸入管線18內(nèi)的合適位置處。
在該布置中，堆12和14使用了陽極流動(dòng)變換，其中陽極反應(yīng)物氣體以本領(lǐng)域技術(shù) 人員熟知的方式以預(yù)定的周期穿過堆12和14來回流動(dòng)。噴射器38通過陽極管線42將來 自氫氣源40的氫氣噴射到分離的堆12，噴射器44以交替的順序通過陽極管線48將來自氫 氣源40的氫氣噴射到分離的堆14。連接器管線M連接堆12和14的陽極側(cè)。
水分離器60被耦接至連接器管線54，并且收集位于堆12和14之間的陽極氣體流 中的水?？梢允褂贸ｉ]的排泄閥62，其周期性打開以通過管線64將水排至陰極排氣管線 觀。此外，陽極排氣清掃閥66可以被設(shè)置在連接管線M中。
如上所述，期望周期性對堆12和14的陽極側(cè)進(jìn)行排放，以去除否則可能稀釋氫氣 并影響電池性能的氮?dú)?。為此目的而設(shè)置了常閉的排放閥50和52。當(dāng)命令陽極排放時(shí)，排 放閥50或52打開從而使被排放的陽極排氣被送到陰極排氣管線觀，這取決于當(dāng)前氫氣流 動(dòng)的方向。具體地，如果當(dāng)排放被觸發(fā)時(shí)氫氣正從源40被噴射到分離的堆12中，那么排放 閥52打開。類似地，如果當(dāng)排放被觸發(fā)時(shí)氫氣正從源40被噴射到分離的堆14中那么，排 放閥50打開。在正常的排放持續(xù)期間，該流動(dòng)變換通常將發(fā)生若干次，從而使得排放閥50 和52也必需與該流動(dòng)變換合拍地打開和關(guān)閉若干次。
燃料電池堆12和14生成電流。在正常的堆操作期間，由堆12和14生成的電流 被用來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載，例如，車輛上的電牽引系統(tǒng)(ETS)56。在關(guān)停序列期間，由堆12和14 生成的電流可以被用來對電池58充電，或者由其它系統(tǒng)部件消耗，以及被電阻68消耗。
在一個(gè)系統(tǒng)關(guān)停序列中，壓縮機(jī)16停止，閥20和30被關(guān)閉以便密封堆12和14 的陰極側(cè)。使氫氣流繼續(xù)，從而使得堆12和14中任何剩余的氧氣都被消耗掉。由堆12和 14所生成的電流被傳送到電池58。當(dāng)堆功率減小到另一預(yù)定水平時(shí)，接觸器斷開，從而使 堆負(fù)載切換到電阻68。具體地，一旦電壓已經(jīng)降低到固定的截止電壓，則堆負(fù)載被切換到電 阻68。截止電壓可以是DC/DC變換器(未示出)的下限，或功率裝置的下限。電池負(fù)載的 目的是消耗和/或存儲能量，否則這些能量將以另外的方式被浪費(fèi)掉。這還減少了電阻負(fù) 載的能量消耗需求。
一旦已經(jīng)從堆12和14中消耗掉了氧氣，則關(guān)掉氫氣流，并且閥50、52、62和66都 被關(guān)閉以便密封堆12和14的陽極側(cè)。當(dāng)系統(tǒng)10以這種方式關(guān)停時(shí)，堆12和14在陰極側(cè) 和陽極側(cè)中都包括N2/H2混合物。隨著時(shí)間消逝，空氣也將泄漏到堆12和14中，并且堆12 和14中的氫將開始消耗氧。另外，氫還將緩慢地泄漏到堆12和14外。因此，堆12和14 內(nèi)的氣體成分將隨著時(shí)間將從氮?dú)庵懈缓瑲涞幕旌衔镒兓剿涂諝獾幕旌衔铩?br>
用于在啟動(dòng)時(shí)對堆12和14進(jìn)行清掃的氫氣量可以基于堆12和14的陽極側(cè)容 積，堆12和14的溫度，以及堆12和14內(nèi)的壓力來加以計(jì)算。到堆12和14中的氫氣流量 應(yīng)當(dāng)粗略為一個(gè)陽極容積。如果流入到堆中的氫氣量不夠充足，則一些電池可能依然含有 H2/02前沿(front)。如果太多的氫氣流入到第一堆中，則過多的氫氣將被浪費(fèi)到排氣中，并 且可能通過壓縮進(jìn)入到第二堆中，導(dǎo)致遲滯的氫氣/空氣前沿，從而致使電壓下降過多。用 于堆12和14中每一個(gè)的回路容積均被計(jì)算，并且該信息在啟動(dòng)期間被與氫氣流率組合在 一起以便確定用于第一堆的清掃時(shí)間。
圖3A示出了啟動(dòng)序列的一個(gè)實(shí)施例。在決策塊105處，系統(tǒng)確定燃料電池系統(tǒng)是 否正在退出備用狀態(tài)。如果燃料電池系統(tǒng)未退出備用狀態(tài)，則系統(tǒng)行進(jìn)到?jīng)Q策塊110，在決 策塊110處系統(tǒng)確定燃料電池系統(tǒng)是否已經(jīng)關(guān)閉。如果系統(tǒng)關(guān)閉，則系統(tǒng)行進(jìn)到塊115以 確定陽極中的氫氣水平是否超出最小濃度。通過以各種初始?xì)怏w濃度(各種吸入時(shí)間)來 啟動(dòng)燃料電池并且不允許在陽極上進(jìn)行任何清掃、沖洗或填充來進(jìn)行測試，從而確定該值。 氫氣將被輸入到系統(tǒng)中，但沒有任何排出。最小濃度一般大于約70 %，或大于約75 %，或大 于約80 %，或大于約85 %，或大于約90 %。
如果氫氣水平未超出最小濃度，則系統(tǒng)在塊120處行進(jìn)到陽極沖洗功能，并緊接 著是塊125處的陽極填充功能。如果需要的話，集管清掃功能可以在陽極沖洗功能之前。然 后在塊130處，高壓接觸器閉合。陽極沖洗功能是這樣的功能，其中利用通過陽極的高流率 以盡可能快地升高陽極流動(dòng)通道內(nèi)的氫氣濃度而不超出排放限制。這通過使用具有高 <的 閥66來實(shí)現(xiàn)。陽極填充功能是對陽極進(jìn)行的更緩慢的填充，該功能在陽極含有或者假定含 有閾值水平的氫氣時(shí)被使用。在該情形中，需要緩慢的填充從而使得排放需求不會被違反。 這是通過使用更小的閥(例如排泄閥)來實(shí)現(xiàn)的。
如果在塊115處氫氣水平超出特定水平，那么系統(tǒng)行進(jìn)到塊130以閉合接觸器。
如果在決策塊105處系統(tǒng)確定所述燃料電池系統(tǒng)從備用狀態(tài)退出，則系統(tǒng)行進(jìn)到 塊130以閉合接觸器。
在這些路徑中的任何路徑下使高壓接觸器閉合之前，電池電壓均被監(jiān)測。這是通 過驅(qū)動(dòng)被直接連接到堆的負(fù)載來實(shí)現(xiàn)的。任何在閉合接觸器之前能夠被直接應(yīng)用到堆的負(fù) 載都可以被使用，例如，端電池加熱器。當(dāng)電池電壓處于可接受的范圍內(nèi)時(shí)，高壓接觸器被 閉合。
在塊130處接觸器被閉合后，系統(tǒng)行進(jìn)到?jīng)Q策塊135以確定堆電壓是否穩(wěn)定。堆 電壓的穩(wěn)定性可以以本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的各種方式來確定。例如，在兩個(gè)堆上測得的 最大電池電壓和最小電池電壓之間的電壓差?？商娲?，可以計(jì)算最小電池電壓到平均電 池電壓的比率。另一種方法包括在平均電池電壓超出閾值后使用該電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 可以按照需要來使用這些方法中的一種或多種(或其它合適的方法)。另外，一種或多種方 法可以被使用，同時(shí)堆仍處于負(fù)載下(例如，緊接在接觸器閉合之后)。
如果堆電壓不穩(wěn)定，則系統(tǒng)行進(jìn)到塊140，以便進(jìn)行使用了中心排放并行流動(dòng)的電 壓穩(wěn)定化，其中排泄閥62打開。對于中心排放并行流動(dòng)操作，排泄閥或中央排泄閥62被打 開，從而取代了排放閥50和52的順序操作，并且兩個(gè)噴射器38和44都同時(shí)操作，而不是 如上所述那樣順序地用于正常操作。在該電壓穩(wěn)定化期間，來自驅(qū)動(dòng)器的任何負(fù)載需求都 被忽略。
然后系統(tǒng)返回到塊135以確定堆電壓是否穩(wěn)定。如果堆電壓穩(wěn)定，則系統(tǒng)行進(jìn)到 塊145，并且開始運(yùn)行功能150和電壓穩(wěn)定化功能155。這兩個(gè)功能同時(shí)運(yùn)行，從而減少了 啟動(dòng)時(shí)間。此時(shí)，電壓穩(wěn)定化功能將忠實(shí)于駕駛員功率請求，這是因?yàn)檫\(yùn)行功能也正在同時(shí) 操作。
在圖;3B中示出了同時(shí)進(jìn)行的電壓穩(wěn)定化功能的一個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。在塊160處， 系統(tǒng)確定燃料電池系統(tǒng)是否已經(jīng)轉(zhuǎn)變至運(yùn)行。如果燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)變至運(yùn)行，則系統(tǒng) 行進(jìn)到塊165，在塊165處發(fā)生所述堆的并行流動(dòng)，并且中央排泄閥62打開。在塊170處， 計(jì)數(shù)器啟動(dòng)。該計(jì)數(shù)器是計(jì)時(shí)器，只要中央排泄閥62打開其便保持計(jì)數(shù)，或者保持計(jì)數(shù)直 至已經(jīng)通過所測量的氣體流量時(shí)為止。系統(tǒng)行進(jìn)到?jīng)Q策塊175，其中系統(tǒng)確定上升瞬變狀 況是否存在。上升瞬變狀況是這樣的功能，其中使用獨(dú)立測量和計(jì)算的信號來確定在從堆 中吸取的電流中將要發(fā)生顯著增加。對上升瞬變狀況的控制在美國公開2008/0081225和 2008/0187804中被加以描述，通過引用將其并入本文。陰極氧氣設(shè)定點(diǎn)的變化率和陰極閥 位置命令的變化率可以被監(jiān)測。一旦這些變化率大于閾值，則上升瞬變請求被設(shè)定。上升瞬 變請求可以具有與之相關(guān)聯(lián)的某些特定濾波器。上升瞬變請求通常是負(fù)載需求中的階躍變 化，其可以通過上述方法被檢測到，或通過測量電流中的變化率被檢測到。可以使用電流信 號，但其通常具有很多噪聲。這使得為了滿足動(dòng)力需求以及滿足排放目標(biāo)要采取預(yù)防措施。 如果存在上升瞬變狀況，則系統(tǒng)行進(jìn)到?jīng)Q策塊177并且確定是否存在充足的稀釋流。如果 存在充足的稀釋流，則系統(tǒng)返回到?jīng)Q策塊175。如果在塊177處不存在充足的稀釋流，則系 統(tǒng)行進(jìn)到塊180，在塊180處中央排泄閥62關(guān)閉。在塊185處，計(jì)數(shù)器被暫停，并且系統(tǒng)返 回到?jīng)Q策塊175。
如果上升瞬變狀況不存在(或不再存在)，那么在塊190處計(jì)數(shù)器恢復(fù)(如果其被 暫停)。在塊195處，中央排泄閥打開(如果其關(guān)閉)。系統(tǒng)行進(jìn)到?jīng)Q策塊200，其中系統(tǒng) 確定計(jì)數(shù)器是否超出被校準(zhǔn)的閾值，該被校準(zhǔn)的閾值可以是預(yù)定時(shí)間或預(yù)定氣體量。如果 計(jì)數(shù)器未超出被校準(zhǔn)的閾值，則系統(tǒng)回到?jīng)Q策塊175。通過對該系統(tǒng)的測試來確定該閾值。 許多因素都能夠影響被校準(zhǔn)的閾值，例如，沒有同時(shí)發(fā)生電壓穩(wěn)定化的啟動(dòng)時(shí)間長度，氫氣 消耗，以及堆的老化。作為示例，一種確定閾值的方法是將沒有同時(shí)發(fā)生電壓穩(wěn)定化的啟動(dòng) 時(shí)間長度與使用了同時(shí)發(fā)生的電壓穩(wěn)定化的啟動(dòng)時(shí)間長度進(jìn)行比較。如果沒有同時(shí)發(fā)生電 壓穩(wěn)定化的啟動(dòng)花費(fèi)了大約7秒，而使用了同時(shí)發(fā)生的電壓穩(wěn)定化的啟動(dòng)減少了大約2秒， 則閾值可以被設(shè)定為大約2秒，以確保之前輸入的氫氣水平和沖洗都得以滿足。
如果計(jì)數(shù)器超出被校準(zhǔn)的閾值，則系統(tǒng)繼續(xù)到?jīng)Q策塊205，其中系統(tǒng)確定是否存在 反應(yīng)性排放需求。反應(yīng)性排放需求是對系統(tǒng)中的異常的響應(yīng)。導(dǎo)致反應(yīng)性排放需求的主要 原因是電池中的氮?dú)馑?。如果陽極中的氮濃度超出閾值，則一個(gè)或多個(gè)電池電壓通常將 以顯著下降來響應(yīng)。在前述系統(tǒng)中，當(dāng)電壓下降被檢測到時(shí)，排放閥(例如，圖2中所示的 排放閥50或52，其在流變換期間的時(shí)間僅一個(gè)打開)將被打開以盡可能多地清掃氮。然 而，在本系統(tǒng)中，在啟動(dòng)之后以及在開始運(yùn)行期間，優(yōu)選中心排放并行流動(dòng)，因此排泄閥62 被打開。導(dǎo)致反應(yīng)性排放需求的其它原因包括但不限于，堵塞流動(dòng)通道的液態(tài)水，或冰的形 成。
如果系統(tǒng)檢測到反應(yīng)性排放需求，則其返回到?jīng)Q策塊175。如果不存在反應(yīng)性排放 需求，則電壓穩(wěn)定化功能在塊210處結(jié)束。
該啟動(dòng)方法考慮到了從備用模式的快速退出，從而在正常啟動(dòng)序列中減少了到可 接受的駛離時(shí)的時(shí)間。該啟動(dòng)方法通過在啟動(dòng)序列完成后進(jìn)一步增加陽極氫氣濃度來改善 啟動(dòng)可靠性。另外，該啟動(dòng)方法還考慮到了由于系統(tǒng)變化以及非均勻的堆流動(dòng)的緣故所致 的不完全陽極沖洗。
要注意的是，本文中關(guān)于實(shí)施例的部件被以特定方式“配置”，或具體化特定屬性， 或以特定方式起作用的陳述均是與關(guān)于預(yù)期用途的陳述相對的結(jié)構(gòu)性陳述。更具體地，本 文中對部件被“配置”的方式參考是指該部件的現(xiàn)有物理狀況，同樣地，也被認(rèn)為是對部件 的結(jié)構(gòu)因素的限定性陳述。
要注意的是，術(shù)語“以便”、“常?！薄ⅰ巴ǔ！碑?dāng)在本文中被使用時(shí)，都不被用來限制 所要求保護(hù)的實(shí)施例的范圍，也不暗示某些特征對于所要求保護(hù)的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)或功能而 言是關(guān)鍵的、必需的、或者甚至是重要的。相反，這些術(shù)語僅僅意在識別實(shí)施例的特定方面， 或者強(qiáng)調(diào)可以或者可以不用在特定實(shí)施例中的替代性或另外的特征。
為了描述和限定本文中的實(shí)施例的目的，要注意的是，本文使用了術(shù)語“基本上”、 “顯著地”、以及“約”來表示不確定性的固有程度，其可歸因于任何數(shù)量比較、值、測量、或其 它表述。術(shù)語“基本上”、“顯著地”、以及“大約”在本文中還被用來表示數(shù)量表述可以從所 闡述的基準(zhǔn)進(jìn)行變化而不會導(dǎo)致討論中的對象的基本功能變化的程度。
已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施例，并且通過參考本發(fā)明的具體實(shí)施例，各種可能 的修改和變型將變得明顯，而不會背離所附權(quán)利要求中限定的實(shí)施例的范圍。更具體地，盡 管本發(fā)明實(shí)施例的一些方面已經(jīng)被看作是優(yōu)選的或者特別有優(yōu)勢的，但是所設(shè)想的是，本 發(fā)明的實(shí)施例并不必被局限于這些優(yōu)選方面。
權(quán)利要求
1.一種減少燃料電池啟動(dòng)時(shí)間的方法，包括 開始啟動(dòng)序列；在開始所述啟動(dòng)序列后，同時(shí)開始運(yùn)行序列，所述運(yùn)行序列包含支持所述燃料電池的 負(fù)載需求和穩(wěn)定所述燃料電池的電壓； 其中穩(wěn)定所述燃料電池的電壓包括提供氫氣流至所述燃料電池并且打開陽極閥，其中所述氫氣流持續(xù)以預(yù)定的氫氣量或 預(yù)定時(shí)間；以及在所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間被超出后結(jié)束電壓穩(wěn)定化，而包含了支持所述燃 料電池的負(fù)載需求的所述運(yùn)行序列繼續(xù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)一步包括在提供所述氫氣流至所述燃料電池并且打開所述陽極閥之后，確定是否存在上升瞬變 狀況；如果所述上升瞬變狀況存在，則確定是否提供了充足的稀釋空氣流以獲得目標(biāo)排氣濃度；如果所述上升瞬變狀況存在并且如果沒有提供充足的稀釋空氣流，則關(guān)閉所述陽極 閥，暫停用于所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間的計(jì)數(shù)器，并且返回到確定是否存在所述 上升瞬變狀況；如果所述上升瞬變狀況存在，并且如果提供了充足的稀釋空氣流，則返回到確定是否 存在所述上升瞬變狀況；以及如果所述上升瞬變狀況不存在或者當(dāng)所述上升瞬變狀況不再存在時(shí)，那么如果所述計(jì) 數(shù)器被暫停則恢復(fù)所述計(jì)數(shù)器，并且如果所述陽極閥被關(guān)閉則打開所述陽極閥。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，進(jìn)一步包括如果所述上升瞬變狀況不存在或當(dāng)所述上升瞬變狀況不再存在時(shí)，確定所述預(yù)定的氫 氣量或所述預(yù)定時(shí)間是否被超出；如果所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定的時(shí)間被超出，則確定是否存在反應(yīng)性排放需求； 如果所述反應(yīng)性排放需求存在，則返回到確定是否存在上升瞬變狀況； 如果所述反應(yīng)性排放需求不存在，則結(jié)束電壓穩(wěn)定化。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，確定是否存在所述反應(yīng)性排放需求包括，確定電池 電壓是否小于預(yù)定電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)一步包括在提供所述氫氣流至所述燃料電池并且打開所述陽極閥后，使用于所述預(yù)定的氫氣量 或所述預(yù)定時(shí)間的計(jì)數(shù)器開始啟動(dòng)，并且確定是否存在上升瞬變狀況；如果所述上升瞬變狀況存在，則確定是否提供了充足的稀釋空氣流以獲得目標(biāo)排氣濃度；如果所述上升瞬變狀況存在并且充足的稀釋空氣流未被提供，則關(guān)閉所述陽極閥，暫 停用于所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間的計(jì)數(shù)器，并且返回到確定是否存在所述上升瞬 變狀況；如果所述上升瞬變狀況存在并且提供了充足的稀釋空氣流，則返回到確定是否存在所 述上升瞬變狀況；如果所述上升瞬變狀況不存在或當(dāng)所述上升瞬變狀況不再存在時(shí)，那么如果所述計(jì)數(shù) 器被暫停則恢復(fù)所述計(jì)數(shù)器，并且如果所述陽極閥被關(guān)閉則打開所述陽極閥； 確定所述計(jì)數(shù)器是否超出所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定的時(shí)間； 如果所述計(jì)數(shù)器未超出所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間，則返回到確定是否存在所 述上升瞬變狀況；如果所述計(jì)數(shù)器超出所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間，則確定是否存在反應(yīng)性排放 需求；如果所述反應(yīng)性排放需求存在，則返回到確定是否存在所述上升瞬變狀況；以及 如果所述反應(yīng)性排放需求不存在，則結(jié)束電壓穩(wěn)定化。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，確定是否存在所述上升瞬變狀況包括，確定陰極氧 氣設(shè)定點(diǎn)的變化率，或陰極閥位置的變化率，或電流的變化率是否超出預(yù)定值。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，如果所述上升瞬變狀況存在，則增加所述氫氣流。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，確定是否存在所述反應(yīng)性排放需求包括，確定電池 電壓是否小于預(yù)定電壓。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，到所述燃料電池的氫氣流是采用了中心排放的并 行流動(dòng)。
10.如權(quán)利要求1所述是方法，進(jìn)一步包括在同時(shí)進(jìn)行支持所述燃料電池的負(fù)載需求和穩(wěn)定所述燃料電池的電壓之前，確定所述 燃料電池系統(tǒng)是否正在離開備用狀態(tài)；如果所述燃料電池系統(tǒng)未離開備用狀態(tài)，則確定是否所述燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉； 如果所述燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉，則確定所述燃料電池的陽極側(cè)是否具有最小氫氣濃度； 如果不具有所述最小氫氣濃度，則提供氫氣至所述陽極側(cè)；如果所述系統(tǒng)正在退出備用狀態(tài)，或如果具有所述最小氫氣濃度，或者在提供氫氣至 所述陽極側(cè)之后，則閉合高電壓接觸器；在閉合所述高電壓接觸器之后，確定堆電壓是否穩(wěn)定；以及 如果所述堆電壓不穩(wěn)定，則打開所述陽極閥，并且返回到確定所述堆電壓是否穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及在燃料電池系統(tǒng)中減少直至可接受的駛離時(shí)的時(shí)間的方法。具體地，描述了減少燃料電池啟動(dòng)時(shí)間的方法和系統(tǒng)。一種減少啟動(dòng)時(shí)間的方法包括同時(shí)開始包括了支持燃料電池負(fù)載需求和穩(wěn)定燃料電池電壓的運(yùn)行序列；其中，穩(wěn)定燃料電池電壓包括提供氫氣流至該燃料電池并且打開陽極閥，其中該氫氣流持續(xù)以預(yù)定的氫氣量或預(yù)定時(shí)間；以及，在所述預(yù)定的氫氣量或所述預(yù)定時(shí)間被超出后結(jié)束電壓穩(wěn)定化，但使包括了支持所述燃料電池負(fù)載需求的運(yùn)行序列繼續(xù)。
文檔編號H01M8/04GK102034997SQ201010508219
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月8日
發(fā)明者A·喬扈里, S·E·萊爾納, S·G·格貝爾 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司