專利名稱：使燃料電池/蓄電池?zé)o源混合電源工作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對燃料電池/蓄電池(fuel cell/battery)無源混合電源的 輸出電壓進(jìn)行限制而不必停止燃料電池或使其從蓄電池?cái)嚅_的方法，該燃料電池/蓄電池 無源混合電源以二者均不會超過蓄電池的電壓上限的方式在零負(fù)載條件或接近零負(fù)載條 件下工作。本發(fā)明更具體地涉及一種方法，其中電源的燃料電池為被設(shè)計(jì)成使用氫作為燃 料以及純氧作為氧化劑的類型。
背景技術(shù)：
上面提到的類型的電化學(xué)燃料電池將反應(yīng)物(即氫流和氧流)轉(zhuǎn)換成電力和水。 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)通常包括設(shè)置在兩個(gè)多孔導(dǎo)電電極層之間的固體聚合物電 解質(zhì)膜，以形成膜電極組件(MEA)。為了引起期望的電化學(xué)反應(yīng)，陽極電極和陰極電極各自 包括一種或多種催化劑。這些催化劑典型地設(shè)置在膜/電極層界面處。在陽極處，氫移動穿過多孔電極層并通過催化劑而被氧化以產(chǎn)生質(zhì)子和電子。質(zhì) 子穿過固體聚合物電解質(zhì)，朝向陰極遷移。氧，對其本身而言，移動穿過多孔陰極并與渡過 膜的質(zhì)子在陰極電催化劑處反應(yīng)。電子從陽極穿過外電路向陰極移動，產(chǎn)生電流。圖1以分解圖的形式示例了一種現(xiàn)有技術(shù)的質(zhì)子交換膜燃料電池組(fuel cell stack) 10。電池組10包括一對端板組件15、20以及多個(gè)燃料電池組件25。在這個(gè)特定的 實(shí)例中，電絕緣的連接桿(tie rod) 30在端板組件15、20之間延伸以利用緊固螺母32使電 池組組件10以其組裝狀態(tài)保持和固定。壓在插入在緊固螺母32與端板20之間的連接桿 30上的彈簧34在縱向上對電池組10施加彈性壓縮力。反應(yīng)物和冷卻劑流體流通過端板 15中的入口和出口(未示出)而被供應(yīng)到電池組10中的內(nèi)部歧管(manifold)和通路并從 內(nèi)部歧管和通路排出。每一個(gè)燃料電池組件25包括陽極流場板(anode flow field plate) 35、陰極流 場板40以及插入在板35與40之間的MEA 45。陽極流場板35和和陰極流場板40由導(dǎo)電 材料制成并充當(dāng)電流集電體(current collector)。當(dāng)一個(gè)電池的陽極流場板與相鄰電池 的陰極流場板背靠背地設(shè)置時(shí)，電流可從一個(gè)電池流至另一個(gè)電池并由此通過整個(gè)電池組 10。已知其它現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池組，其中單獨(dú)的電池被單個(gè)雙極流場板分隔，而不是被分 隔陽極和陰極流場板分隔。流場板35和40進(jìn)一步在相鄰的燃料電池組件之間設(shè)置流體屏障以避免被供應(yīng)到 一個(gè)電池的陽極的反應(yīng)物流體污染被供應(yīng)到另一個(gè)電池的陰極的反應(yīng)物流體。在MEA 45 與板35和40之間的界面處，流體流場50將反應(yīng)物流體導(dǎo)引到電極。流體流場50典型地 包括形成在板35和40的面對MEA 45的主表面中的多個(gè)流體流通道。流體流場50的一個(gè) 目的是將反應(yīng)物流體分配至各個(gè)電極(即氫側(cè)上的陽極和氧側(cè)上的陰極)的整個(gè)表面。PEMFC的一個(gè)已知的問題是性能隨著時(shí)間推移而逐漸退化。實(shí)際上，僅僅在相當(dāng)理 想的條件下證實(shí)了固體聚合物燃料電池的長期工作。相比之下，當(dāng)燃料電池必須在寬范圍 條件下工作時(shí)，例如特別地用于汽車應(yīng)用的情況時(shí)，曾經(jīng)改變的條件(通常作為負(fù)載循環(huán)和起始-終止循環(huán)模型化)，已經(jīng)顯示出大幅地降低耐用性和壽命。在文獻(xiàn)中已經(jīng)鑒別出不同類型的非理想條件。這些條件的第一種被稱為“高電池 電壓”；已知，使燃料電池經(jīng)受低或零電流條件會導(dǎo)致與在平均恒定電流下工作相比高的退 化率(degradation rate)。第二種非理想條件是“低電池電壓”；還已知從燃料電池提取峰 值電流也會導(dǎo)致提高的退化率。從上述可知，為了保持燃料電池的壽命，優(yōu)選避免“高電池 電壓”和“低電池電壓”這兩種工作條件。在PEMFC的普遍已知類型的情況下，用于確保避 免發(fā)生高電池電壓的合理的安全上限應(yīng)被設(shè)定為不高于0. 90伏，優(yōu)選不高于0. 85伏，并且 用于確保避免低電池電壓的安全下限應(yīng)被設(shè)定為不低于0. 65伏，優(yōu)選不低于0. 70伏。換 言之，燃料電池應(yīng)僅僅在0. 65伏與0. 90伏之間，優(yōu)選在0. 70至0. 85伏之間的限制電壓范 圍內(nèi)工作。汽車應(yīng)用的特征在于負(fù)載功率的特別的突變。由于這一原因，被設(shè)計(jì)用于汽車應(yīng) 用的電源通常包括與燃料電池系統(tǒng)聯(lián)合的能量存儲蓄電池，例如電化學(xué)蓄電池或超級電容 器。在這種類型的電源(此后稱作燃料電池/蓄電池混合電源)中，蓄電池可充當(dāng)緩沖器 當(dāng)負(fù)載中存在峰值時(shí)供應(yīng)電力并反過來在低或零負(fù)載條件的情況下存儲多余的電力。圖2A和2B為分別示出了有源和無源混合電源的兩個(gè)框圖。在燃料電池/蓄電池 有源混合電源中，燃料電池系統(tǒng)通過DC/DC轉(zhuǎn)換器連接至負(fù)載電路，并且蓄電池以與DC/DC 轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的方式連接至負(fù)載電路，如圖2A中所示。通過控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的增益，可以有 源地調(diào)節(jié)混合電源內(nèi)的電力分布。燃料電池/蓄電池?zé)o源混合電源比較簡單。燃料電池系 統(tǒng)和蓄電池直接以并聯(lián)的方式電連接，如圖2B中所示。缺陷是電源的許多工作變量是不可 控的。特別地，燃料電池系統(tǒng)與蓄電池之間的電流分流(currentsplit)受到每一個(gè)器件中 的內(nèi)部阻抗的影響。另外，由于蓄電池和燃料電池系統(tǒng)直接連接，它們的電壓總是相同的。原則上，燃料電池/蓄電池混合電源的使用允許在期望的限制電壓范圍內(nèi)操作燃 料電池。然而，一旦蓄電池被完全充電，其明顯不能用于存儲由燃料電池提供的多余電力。 該最后一個(gè)問題的已知解決方案是斷開燃料電池組(特別地是在無源混合的情形下)、將 DC/DC轉(zhuǎn)換器的增益實(shí)際上設(shè)定為零(在有源混合的情形下)，或者關(guān)閉燃料電池直到蓄電 池的充電水平達(dá)到較低的閾值。然而，起始-終止循環(huán)還導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)性能的退化，而 斷開燃料電池系統(tǒng)卻不將其關(guān)閉需要使用電阻負(fù)載以消耗由電池組產(chǎn)生的能量。這導(dǎo)致相 當(dāng)大的能量的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于將在零負(fù)載條件或接近零負(fù)載條件下工 作的燃料電池/蓄電池?zé)o源混合電源的輸出電壓限制到對于蓄電池以及燃料電池系統(tǒng)而 言足夠的期望的限制電壓范圍而不必?cái)嚅_或關(guān)閉并重啟燃料電池系統(tǒng)的方法。本發(fā)明的方法由所附的權(quán)利要求1限定。

根據(jù)本發(fā)明，在致動氫和氧再循環(huán)泵的同時(shí)限制供應(yīng)到燃料電池的氫和氧流使得 可以將輸出電壓保持為低于預(yù)定的最大極限。根據(jù)本發(fā)明，該最大極限為蓄電池的最大電 壓極限或燃料電池系統(tǒng)的最大電壓極限(0. 90伏/電池)的最低值。本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其允許調(diào)節(jié)無源混合電源內(nèi)的電力分布，而不需要像 在有源混合電源中所使用的可變增益DC/DC轉(zhuǎn)換器。特別地，本發(fā)明的方法允許甚至在接近零負(fù)載的條件下保持低的輸出電壓。更一般地，本發(fā)明的方法允許以與更昂貴、更復(fù)雜、 更重且更大的有源混合電源相同的總效率操作燃料電池/蓄電池?zé)o源混合電源。另外，根據(jù)本發(fā)明將理解，通過將氫壓力保持在氧壓力的70%與130%之間，本發(fā)明的方法避免了跨過燃料電池的薄膜的大的壓力差，并在較高氫壓力的特別情形下避免了 陽極處的燃料不足(fuel starvation)。優(yōu)選地，本發(fā)明的方法將燃料電池電壓保持在對應(yīng)于0. 70伏/電池和0. 85伏/ 電池之間的范圍內(nèi)。本發(fā)明的方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其允許甚至當(dāng)蓄電池被完全充電時(shí)在零凈輸出負(fù) 載條件下使混合電源工作。實(shí)際上，通過將反應(yīng)物中的至少一種的壓力降低至0.7巴， 該混合電源的輸出功率可降低至不大于對輔助部件(寄生負(fù)載)供電所需的值。


通過閱讀僅僅以非限定的實(shí)例的方式給出且參考附圖進(jìn)行的下列說明，本發(fā)明的 其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中-圖1為傳統(tǒng)燃料電池組(現(xiàn)有技術(shù))的分解圖；-圖2A和2B為以概念級別分別示出有源和無源混合電源(現(xiàn)有技術(shù))的兩個(gè)框 圖；-圖3為示出包括被供給純氫和氧的燃料電池組的燃料電池/蓄電池?zé)o源混合電 源的特定實(shí)施例的圖；-圖4為圖3的無源混合電源的更詳細(xì)的功能圖；-圖5A為示出在不同壓力下聚合物電解質(zhì)燃料電池的電流/電壓曲線的圖；-圖5B為示出隨著蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)而改變的最大和最小蓄電池電壓；以 及-圖6為一般性地示出負(fù)載如何能在燃料電池系統(tǒng)和蓄電池之間被共享，以及特 別地?zé)o源混合電源如何使得在零連接負(fù)載條件下、甚至蓄電池中的能量存儲容量不可用時(shí) 不必關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)的圖。
具體實(shí)施例方式圖3中示例出的無源混合電源的燃料電池組1為被設(shè)計(jì)成使用氫作為燃料且使用 純氧作為氧化劑的類型。它包括端板130、140、端板130中的氫入口 150以及端板140中的 氧入口 155。電池組1還包括分別用于將氫流和氧流供應(yīng)到多個(gè)單獨(dú)的燃料電池的氫供應(yīng) 歧管160以及氧供應(yīng)歧管165。與每一個(gè)燃料電池相關(guān)聯(lián)的氫流場和氧流場分別由箭頭170和175表示。氫排出 歧管180和氧排出歧管185通過氫出口 190和氧出口 195而去除廢棄的反應(yīng)物以及來自電 池組的反應(yīng)產(chǎn)物。如所示例的那樣，該燃料電池系統(tǒng)包括加壓的儲氫容器60，該儲氫容器60通過設(shè) 置有氫供應(yīng)閥門Iio和噴射泵113的供應(yīng)線而連接到電池組的氫入口 150。氫壓力傳感器 111被設(shè)置在鄰近氫入口 150的供應(yīng)線上以測量供應(yīng)到燃料電池組1的氫的壓力。第一氫 再循環(huán)線IlR將電池組的出口 190連接至在供應(yīng)閥門110的下游的氫供應(yīng)線。噴射泵113設(shè)置用于再循環(huán)剩余的氫并將其與新鮮的氫混合。以類似的方式，該燃料電池系統(tǒng)包括加壓的儲氧容器65，該儲氧容器65通過設(shè)置 有氧供應(yīng)閥門120和真空噴射泵123的氧供應(yīng)線而連接到電池組的氧入口 155。氧壓力傳感 器121被設(shè)置在鄰近氧入口 155的供應(yīng)線上以測量供應(yīng)到燃料電池組1的氧的壓力。氧再 循環(huán)線12R將電池組的出口 195連接至在供應(yīng)閥門120的下游的氧供應(yīng)線。噴射泵123(或 任何適當(dāng)類型的真空泵)設(shè)置用于再循環(huán)并將用過的氧與新鮮的氧混合。圖3中示出的燃料電池系統(tǒng)的電池組進(jìn)一步包括通過第二氫再循環(huán)線211R而彼 此連接的輔助氫入口 200以及輔助氫出口 210。線211R配備有被設(shè)置用于補(bǔ)充噴射泵113 的輔助氫泵213。電池組1還包括被設(shè)置在第二氧再循環(huán)線212R上的輔助氧入口 205、輔 助氧出口 215以及輔助氧泵223。輔助泵223被設(shè)置用于補(bǔ)充噴射泵123。

圖3中示出的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括濕氣管理裝置(未示出)。由于通過氫與 氧離子的結(jié)合而在燃料電池的陰極側(cè)上形成產(chǎn)物水，該產(chǎn)物水必須從燃料電池的陰極側(cè)去 除。特別地，為了避免水淹(flooding)，濕氣管理裝置通常包括被設(shè)置在氧再循環(huán)線12R上 的氣體-液體分隔器。還優(yōu)選在氫再循環(huán)線IlR上設(shè)置第二氣體-液體分隔器。同時(shí)，必 須以防止膜干燥的量向電池的陽極和陰極側(cè)這兩者都提供濕氣。在圖3中可進(jìn)一步看出，電池組1與被并聯(lián)連接的蓄電池18聯(lián)合以形成用于將電 能輸送至負(fù)載電路17的燃料電池/蓄電池?zé)o源混合電源。優(yōu)選地，蓄電池18為鋰離子蓄 電池組。然而，根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，可使用任何其它形式的蓄電池?，F(xiàn)在參照圖4，將 更詳細(xì)地解釋本實(shí)例的無源混合電源的工作。與圖3中一樣地，參考標(biāo)號1表示燃料電池 組，標(biāo)號18表示蓄電池，標(biāo)號17表示負(fù)載電路。如已經(jīng)解釋的那樣，燃料電池組為包括氧回路52、氫回路54以及冷卻回路56的燃 料電池系統(tǒng)14的一部分。該燃料電池系統(tǒng)還包括管理氧回路、氫回路以及冷卻回路的燃料 電池控制器58。除了關(guān)于圖3已經(jīng)敘述的壓力傳感器(圖4中未示出)之外，燃料電池系 統(tǒng)包括組電流傳感器61、組溫度傳感器62以及至少一個(gè)燃料電池電壓傳感器64。燃料電 池控制器58使用由所有傳感器提供的數(shù)據(jù)以管理燃料電池系統(tǒng)的工作。仍然參照圖4，標(biāo)號66表示用于使燃料電池系統(tǒng)14從蓄電池18和負(fù)載電路17斷 開的開關(guān)，標(biāo)號67為蓄電池電流傳感器，標(biāo)號71為負(fù)載電流傳感器，標(biāo)號13為在圖3中也 示出的蓄電池電壓傳感器。根據(jù)本發(fā)明，僅僅在燃料電池系統(tǒng)開啟和關(guān)閉期間有意地使用 開關(guān)66。如前面提到的，只要蓄電池18和燃料電池系統(tǒng)14被連接，它們的電壓就是相同 的。因此，只要開關(guān)66閉合，由燃料電池電壓傳感器64測量的電池組電壓以及由蓄電池電 壓傳感器13測量的蓄電池電壓總是相同的。仍然參照圖4，可以看出，負(fù)載電路17由在牽引(traction)階段意圖用作馬達(dá) 并在再生制動階段意圖用作發(fā)生器的電機(jī)73構(gòu)成。另外，標(biāo)號75表示馬達(dá)電流傳感器， 標(biāo)號77表示馬達(dá)電壓傳感器，標(biāo)號79表示馬達(dá)控制器，標(biāo)號81表示功率轉(zhuǎn)換器(power converter)。根據(jù)所使用的電機(jī)的類型，用于功率轉(zhuǎn)換器81的轉(zhuǎn)換器的類型可以變化。如 果例如馬達(dá)73為通過脈沖寬度調(diào)制控制的DC無刷馬達(dá)，則功率轉(zhuǎn)換器81將是供應(yīng)恒定輸 出電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器。相反，如果例如電機(jī)73為同步馬達(dá)，則功率轉(zhuǎn)換器81將是DC/AC 轉(zhuǎn)換器。圖4還示出了控制燃料電池控制器58、馬達(dá)控制器79以及開關(guān)66的功率管理控 制器(power managementC0ntr0ller)85。功率管理控制器85將功率的循環(huán)調(diào)整為隨著車輛(未示出)的加速器踏板的位置而變且隨著電源系統(tǒng)中的主要條件而變。通過燃料電池控制器58控制燃料電池系統(tǒng)14。控制器58接收來自氫壓力傳感 器111 (圖3)和氧壓力傳感器121 (圖3)以及燃料電池電壓傳感器64的信息。根據(jù)所示 例的實(shí)例，燃料電池電壓傳感器測量來自燃料電池組1整體的輸出電壓。因此所測量到的 輸出電壓相當(dāng)于(amount)來自電池組中所有單獨(dú)的燃料電池的貢獻(xiàn)之和。由于燃料電池 都經(jīng)受實(shí)質(zhì)上相同的工作條件，因此它們都產(chǎn)生大約相同的輸出電壓。因此，所測量到的電 池組的輸出電壓可用于計(jì)算單獨(dú)的燃料電池的估計(jì)電壓。然 而，也可分別地測量單獨(dú)的電 池的輸出電壓，或?qū)㈦姵亟M的單獨(dú)的電池分成幾個(gè)組，每一個(gè)組都具有輸出電壓。燃料電池控制器58(圖4)通過調(diào)節(jié)氫和氧供應(yīng)閥門110、120以及必要時(shí)通過直 接控制輔助再循環(huán)泵213、223的操作來控制被供應(yīng)至燃料電池組的氫和氧二者的壓力?，F(xiàn) 在將詳細(xì)解釋允許燃料電池控制器58控制燃料電池中的反應(yīng)物壓力的過程。反應(yīng)物在燃 料電池中以與由電池組1供應(yīng)的電流的量對應(yīng)的速率而被消耗。當(dāng)沒有負(fù)載變化時(shí)，燃料 電池控制器將供應(yīng)閥門110、120中的一個(gè)朝向打開的位置調(diào)節(jié)，所供應(yīng)的氫流或氧流增加 并超過燃料電池中消耗的氫或氧的量。這導(dǎo)致燃料電池的陽極或陰極處的壓力也升高。相 反，當(dāng)燃料電池控制器58將供應(yīng)閥門110、120中的一個(gè)朝向關(guān)閉的位置調(diào)節(jié)時(shí)，所供應(yīng)的 氫流或氧流減少并不再是足夠補(bǔ)償在燃料電池中消耗的氫或氧的量。這導(dǎo)致燃料電池陽極 或陰極處的壓力降低。如前面提到的，根據(jù)本發(fā)明，被供應(yīng)至燃料電池組的氫和氧分別為實(shí) 質(zhì)上純氫和實(shí)質(zhì)上純氧。該特征允許存在于燃料電池中的氫和氧幾乎被全部消耗。因此可 使得燃料電池的陰極處和陽極處的壓力降低至遠(yuǎn)低于外部大氣壓力，約低至水蒸汽壓力。 因此，在燃料電池組工作在約60°C的情形下，壓力可達(dá)到0. 2這樣低的值。應(yīng)注意，氫壓力為氧壓力的至少70%，優(yōu)選為氧壓力的至少100%，以便不會在燃 料電池中誘發(fā)已知的“燃料不足”的情形。燃料不足，如果大于瞬時(shí)，已知將使電池劣化。然 而，其中氫壓力低于氧壓力的100%的其它工作條件還是有利的，特別是在需要增加膜的水 含量的情形下。另外，為了避免燃料電池的陽極和陰極之間出現(xiàn)大的壓力差，優(yōu)選氫壓力調(diào) 節(jié)將為追隨(follow)氧壓力。無論如何，氫壓力都被限制在氧壓力+/-30%之間的范圍內(nèi)。圖5A為示出了用于工作在約60°C的溫度和6種不同壓力(2. 5巴abs、1. 5巴abs、 1巴abs、0. 62巴abs、0. 4巴abs、0. 22巴abs)下的聚合物電解質(zhì)燃料電池的極化曲線(表示為 251至256的電流/電壓曲線)的圖。圖5A示出了對于燃料電池的恒定工作電壓(或者換 言之，對于相關(guān)聯(lián)的蓄電池的恒定電壓)，電流隨著壓力顯著改變，從而允許調(diào)節(jié)由燃料電 池釋放的功率。事實(shí)上，從圖5A的曲線可計(jì)算出，對于0. 85伏的恒定工作電壓，當(dāng)電池組 在0.4巴而不是2. 5巴的壓力下工作時(shí)，輸出功率降低了幾乎10倍。該實(shí)例示例了使用被 供應(yīng)實(shí)質(zhì)上純的氧氣而不是空氣的燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。實(shí)際上，空氣為富氮?dú)怏w，而 氮的存在使得更加難以獲得實(shí)質(zhì)上明顯低于周圍環(huán)境壓力的工作壓力。圖5B為示出了作為蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)的函數(shù)的最小和最大蓄電池電壓的 圖。公知在給定的SOC下的蓄電池的閉路電壓由其開路電壓(OCV)和由通過蓄電池的電流 流量導(dǎo)致的電壓損失兩者確定。圖5B示例出在給定的SOC下的蓄電池的最大允許電壓是 由與最大允許充電電流相關(guān)聯(lián)的電壓損失和OCV相加而確定的。以等效的方式，最小允許 電壓由從OCV扣除與最大允許放電電流相關(guān)聯(lián)的電壓損失而確定的。自然地，最大充電以 及放電電流也都是SOC的函數(shù)。特別地，當(dāng)SOC為最大可用電荷的100%時(shí)，最大允許充電電流為零，而當(dāng)SOC為最大可用電荷的0%時(shí)，最大允許放電電流為零。圖5B中的陰影區(qū)域 對應(yīng)于允許的蓄電池工作區(qū)域。如上所述，由于蓄電池和燃料電池組被直接連接，它們的電壓是相同的。因此，如 果燃料電池組的輸出電壓高于蓄電池的OCV且輸出電壓進(jìn)一步升高，則由電池組供應(yīng)到蓄 電池的充電電流也增大。相反地，如果來自電池組的輸出電壓低于蓄電池的OCV且輸出電 壓進(jìn)一步降低，則使得由蓄電池供應(yīng)的放電電流增大。換言之，蓄電池充當(dāng)連接至電池組的 限制總負(fù)載功率中的變化的緩沖器。應(yīng)理解，由于蓄電池和電池組共享相同的電壓，蓄電 池的尺寸應(yīng)被選擇成使其OCV對應(yīng)于這樣的平均燃料電池電壓，該平均燃料電池電壓位于 前面提到的安全上限和安全下限之間的間隔內(nèi)。在本實(shí)例中，用于確保不發(fā)生高電池電壓 和低電池電壓的安全限制值分別為0. 90伏和0. 65伏。優(yōu)選地，對于蓄電池的任何允許的 S0C,即，根據(jù)蓄電池的說明書，對于對應(yīng)于最大可用電荷的0 %的SOC到對應(yīng)于最大可用電 荷的100 %的SOC之間的間隔中的蓄電池的任何S0C，對應(yīng)于OCV的平均燃料電池電壓應(yīng)保 持在所述安全上限和安全下限之間。燃料電池控制器58被設(shè)置成通過部分或完全閉合氫和氧供應(yīng)閥門110、120降低 供應(yīng)至燃料電池組的反應(yīng)物氣體的壓力。然而，如果供應(yīng)閥門110或120中的任一個(gè)完全或 接近閉合，對應(yīng)的噴射泵113或123變?yōu)闊o用的，而所使用的通過再循環(huán)線IlR或12R的氣 體的流將停滯。在這種情況下，供應(yīng)歧管(160或165)和排出歧管(180或185)中的壓力 趨于相等，而沿著流場170或175驅(qū)動反應(yīng)物氣體所需的壓降消失。為了允許燃料電池組 即使在供應(yīng)閥門110或120閉合時(shí)也繼續(xù)工作，控制單元15打開對應(yīng)的輔助泵213或223。 當(dāng)泵213或223中的任一個(gè)工作時(shí)，其將排出歧管180或185中存在的剩余反應(yīng)物氣體再 次注射入對應(yīng)的供應(yīng)歧管160和165。輔助泵213和223的使用允許在供應(yīng)歧管和排出歧 管之間保持必要的壓力差。

如上所述，其中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的無源混合電源的燃料電池系統(tǒng)包括電子控制 器，由燃料電池控制器58控制的供應(yīng)閥門110、120，泵213、223以及氣體-液體分隔器。該 燃料電池系統(tǒng)還包括使用水泵的冷卻回路56，且其還可能包括電子加熱裝置。所有這些元 件以及其它元件形成稱作輔助部件的部件。這些輔助部件需要電來操作并構(gòu)成通常被稱為 燃料電池系統(tǒng)的寄生負(fù)載的部件。因此，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)，即使在空閑狀態(tài)下(例 如，在零連接負(fù)載工作條件下)，需要的功率也絕不會為0。在本實(shí)例中，實(shí)際的寄生負(fù)載功 率值為約600瓦。圖6為示出了負(fù)載如何可被共享在燃料電池系統(tǒng)與蓄電池之間的圖。圖中央的水 平線為完全充電的蓄電池(SOC= 100%)的等功率線。幾乎垂直的細(xì)線為燃料電池組的等 功率線。在圖左邊的幾乎垂直的粗線為對應(yīng)于600瓦(寄生負(fù)載功率)的等功率線。圖6 示出了通過控制燃料電池中的反應(yīng)物壓力，即使當(dāng)蓄電池的充電狀態(tài)已經(jīng)為100%時(shí)，也可 以在避免高電池電壓的同時(shí)應(yīng)對低輸出負(fù)載條件。實(shí)際上，該圖示出了用于完全充電蓄電 池的OCV對應(yīng)于0.85伏/電池。如果燃料電池中的壓力在保持燃料電池電壓恒定的同時(shí) 被降低至0.5巴，則由燃料電池組產(chǎn)生的功率的量將降低至約300瓦。在這種情形下，必須 從該蓄電池抽出另外的300瓦以滿足輔助部件的需要。另一種可能是稍微提高壓力直到電 池組產(chǎn)生600瓦的電功率。仍然參照圖6，可注意到，在2. 5巴線與600瓦等功率線的交點(diǎn)處的工作點(diǎn)對應(yīng)于幾乎為1伏的燃料電池電壓。換言之，不可能在無源混合電源中避免高電池電壓而不降低工作壓力。換言之，圖6示例了本發(fā)明如何使得在零連接負(fù)載工作條件下，即使在蓄電池中 沒有可用的能量存儲容量時(shí)也不用關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)成為可能。
權(quán)利要求
1.一種在零連接負(fù)載條件或接近零連接負(fù)載條件下使無源混合電源工作的方法，所述 無源混合電源包括并聯(lián)連接至可變負(fù)載的蓄電池和PEM燃料電池系統(tǒng)，所述PEM燃料電池 系統(tǒng)包括串聯(lián)連接的多個(gè)單獨(dú)的PEM燃料電池并包括可控的氫再循環(huán)泵和可控的氧再循 環(huán)泵，該方法包括-向所述燃料電池的陽極供應(yīng)實(shí)質(zhì)上純的氫流；-向所述燃料電池的陰極供應(yīng)實(shí)質(zhì)上純的氧流；-監(jiān)視由蓄電池供應(yīng)的電流；-監(jiān)視由燃料電池和蓄電池共享的輸出電壓；-基于所述電流和所述輸出電壓而估計(jì)蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)；-監(jiān)視燃料電池中的氫壓力；-監(jiān)視燃料電池中的氧壓力；-以在將所述氫壓力保持在所述氧壓力的70%與130%之間的同時(shí)使氫和氧壓力產(chǎn) 生并保持為低于0. 7巴纟的方式、以確保輸出電壓保持在對應(yīng)于低于0. 90伏/電池的水 平且不超過蓄電池的最大電壓限制的方式，限制氫流和氧流并致動氫再循環(huán)泵和氧再循環(huán)泵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法包括以所述輸出電壓保持在對應(yīng)于0.70 伏/電池與0. 85伏/電池之間的水平的方式調(diào)節(jié)所述氫流和所述氧流。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，當(dāng)蓄電池的充電狀態(tài)為50%時(shí)，蓄電池具有對應(yīng) 于0. 75伏/燃料電池與0. 80伏/燃料電池之間的開路電壓。
全文摘要
在零連接負(fù)載條件或接近零連接負(fù)載條件下使無源混合電源工作的方法包括以下步驟向所述燃料電池的陽極供應(yīng)實(shí)質(zhì)上純的氫流；向所述燃料電池的陰極供應(yīng)實(shí)質(zhì)上純的氧流；監(jiān)視由蓄電池供應(yīng)的電流；監(jiān)視由燃料電池和蓄電池共享的輸出電壓；基于所述電流和所述輸出電壓而估計(jì)蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)；監(jiān)視燃料電池中的氫壓力；監(jiān)視燃料電池中的氧壓力；以在將所述氫壓力保持在所述氧壓力的70％與130％之間的同時(shí)使氫和氧壓力產(chǎn)生并保持為低于0.7巴絕對值的方式、以確保輸出電壓保持在對應(yīng)于低于0.90伏/電池的水平且不超過蓄電池的最大電壓限制的方式，限制氫流和氧流并致動氫再循環(huán)泵和氧再循環(huán)泵。
文檔編號H01M8/04GK102097669SQ201010600648
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者F·布奇, J·伯納德, M·霍弗爾, P·底特里奇 申請人:巴萊諾斯清潔能源控股公司