專利名稱：燃料電池中的補救啟動方法
補救啟動方法技術領域
本發(fā)明總體上涉及燃料電池，更具體地說涉及燃料電池系統(tǒng)的啟動方法。
技術背景
汽車用途的燃料電池系統(tǒng)的啟動涉及可靠性、耐久性與直至可接受駛離的時間 (啟動距離)之間的平衡?？煽啃陨婕按_保在膜兩側(cè)的整個活性區(qū)域有足夠的反應物，以便 可以支持全電流。這必須在不超過氫排放要求的情況下完成。還有一些因素，例如硬件布 局、硬件可靠性、或者各種環(huán)境條件(如溫度、壓力、和濕度)，也會影響用以成功啟動燃料 電池系統(tǒng)的策略。
耐久性涉及在陽極上的空氣/ 鋒面的適當緩和。經(jīng)過電池的空氣/ 鋒面速度與 電池退化之間的關系已得到了確定。為了減小電池退化的影響，必須提高鋒面速度。但是， 在汽車應用中，鋒面速度的提高會受到氫排放要求以及由壓縮機提供的可用稀釋空氣的限 制。
在任何情況下，為了使顧客滿意，期望減小啟動距離。同樣，這受到氫排放要求的 限制，并且由于反應物的不均勻流動特性，因此還要受到充分地且均勻地向電池堆活性區(qū) 域提供反應物的能力的限制。
在正常啟動中，對可靠性、耐久性、和啟動距離的關注是大致相同的。在典型的啟 動策略中，需要把系統(tǒng)內(nèi)的初始氣體成分當作給控制器的輸入，以便系統(tǒng)可以決定以最優(yōu) 化的方法來啟動。
圖1 圖2示出了燃料電池系統(tǒng)及正常啟動方法的一個實施例。于2007年9月 21 日提交的、名稱為Method for Fast and Reliable FuelCell Systems Start-ups(快速 及可靠的燃料電池系統(tǒng)啟動方法)的、序列號為11/859，300的美國專利申請中更加全面地 描述了該系統(tǒng)及方法，該專利申請通過引用并入本文。許多其它的實施例是可能的。
圖1示出了包括第一分燃料電池堆(split fuel cell stack) 12和第二分燃料電 池堆14的燃料電池系統(tǒng)10。壓縮機16通過常閉陰極輸入閥20在陰極輸入管路18上向 電池堆12和14提供陰極輸入空氣。陰極廢氣在管路M上從分電池堆12輸出，并且陰極 廢氣在管路26上從分電池堆14輸出，陰極廢氣在管路沈處并入單一的陰極輸出管路觀。 常閉陰極背壓閥30控制陰極廢氣經(jīng)過管路觀的流動。輸入管路18與輸出管路觀之間的 陰極旁通管路32允許陰極輸入空氣繞過電池堆12和14。常閉旁通閥34控制陰極空氣是 否繞過電池堆12和14。如果閥20和30關閉并且閥34打開，那么來自壓縮機16的空氣將 會繞過電池堆12和14。通常，會在陰極輸入管路18中的適當位置設置陰極加濕單元(未 圖示)。
在這種布置中，電池堆12和14采用了陽極流變換(anodeflow-shifting)，其中， 陽極反應氣體以本領域技術人員熟知的方式以預定循環(huán)來回地流經(jīng)電池堆12和14。噴射 器38將氫氣從氫氣源40經(jīng)由陽極管路42噴射至分電池堆12，噴射器44以交替的順序?qū)?氫氣從氫氣源40經(jīng)由陽極管路48噴射至分電池堆14。連接管路M使電池堆12的陽極側(cè)與電池堆14的陽極側(cè)相連。
水分離器60聯(lián)接到連接管路M，并且收集在電池堆12與電池堆14之間的陽極氣 流中的水?？梢岳弥芷谛源蜷_的常閉排水閥62在管路64上將水排到陰極廢氣管路28。 此外，可以在連接管路M中設置陽極廢氣排氣閥66。
如上所述，期望對電池堆12和14的陽極側(cè)進行周期性排氣，以去除否則可能會稀 釋氫氣并影響電池性能的氮氣。為達到此目的而設置常閉排氣閥50和52。當指令進行陽 極排氣時，根據(jù)氫氣的當前流動方向打開排氣閥50或52，并將排出的陽極廢氣送到陰極廢 氣管路觀。特別地，如果在觸發(fā)排氣時氫氣正從氣源40噴入分電池堆12，那么打開排氣閥 52。同樣，如果在觸發(fā)排氣時氫氣正從氣源40噴入分電池堆14，那么打開排氣閥50。在 正常排氣持續(xù)期間通常會發(fā)生數(shù)次流變換，使得排氣閥50和52不得不隨著流切換(flow switching)及時地開閉數(shù)次。
燃料電池堆12和14產(chǎn)生電流。在正常的電池堆運行期間，由電池堆12和14產(chǎn) 生的電流用于驅(qū)動系統(tǒng)負荷，例如車輛上的電牽引系統(tǒng)(ETS)。在關閉程序期間，由電池堆 12和14產(chǎn)生的電流可以用于給電池58充電或者被其它系統(tǒng)部件消耗，然后被電阻68消^^ ο
在一個系統(tǒng)關閉程序中，壓縮機16停止，并且閥20和30關閉以密封電池堆12和 14的陰極側(cè)。繼續(xù)使氫氣流動，以便將電池堆12和14中的任何剩余的氧氣都消耗掉。由 電池堆12和14產(chǎn)生的電流被送至電池58。當電池堆功率下降到另一預定水平時，把接觸 器打開，并將電池堆負荷切換到電阻68。特別地，一旦電壓下降到固定的截止電壓，就將電 池堆負荷切換到電阻68。截止電壓可以是DC/DC轉(zhuǎn)換器(未圖示)的下限、或者功率器件 的下限。電池負荷的目的是消耗和/或存儲任何否則會被浪費的能量。這也會降低電阻負 荷的能耗需求。
一旦電池堆12和14中的氧氣已被消耗掉，就關閉氫氣流，并將閥50、52、62和66 關閉以密封電池堆12和14的陽極側(cè)。當系統(tǒng)10以這種方式被關閉時，電池堆12和14在 陰極側(cè)和陽極側(cè)均包含隊/吐混合物。隨著時間的推移，空氣會漏入電池堆12和14中，電 池堆12和14中的氫氣將會開始消耗氧氣。另外，氫氣將會緩慢地從電池堆12和14泄漏 出。結(jié)果，電池堆12和14內(nèi)的氣體成分將會隨著時間的推移在氮氣中富氫混合物與水中 富氫混合物之間變?yōu)榭諝饣旌衔铩?br>
啟動時用于吹掃電池堆12和14的氫氣的量，可基于電池堆12和14的陽極側(cè)的容 積、電池堆12和14的溫度、以及電池堆12和14內(nèi)的壓力來計算。流入電池堆12和14中 的氫氣應當大致為一倍陽極容積。如果不足量的氫氣流入電池堆，那么在燃料電池的一些 中可能留有壓/02鋒面。如果有過多的氫氣流入第一電池堆，那么過量的氫氣就會浪費到廢 氣中，并且可能會通過壓縮進入第二電池堆，從而產(chǎn)生會導致過分電壓退化的停滯的氫氣/ 空氣鋒面。計算電池堆12和14中每一個的循環(huán)容積，并且在啟動期間將此信息與氫氣流 量相結(jié)合來確定第一電池堆的吹掃時間。
圖2A 2B為流程圖70，圖中示出了特別是在冷啟動期間用于快速及可靠地啟動 燃料電池系統(tǒng)10的方法。在方框72中，為了氫氣輸出稀釋目的而啟動壓縮機16。系統(tǒng)啟動 的最初部分包括啟動壓縮機16，以給由于啟動程序而收集在廢氣中的氫氣提供稀釋空氣。 然后算法在決定菱形框74中確定電池堆12和14是否由于它們已經(jīng)關閉的時間而充滿了空氣，如果充滿空氣，那么在方框76中利用集管吹掃來啟動陽極集管的沖洗。這提供了在 電池堆沖洗之前從電池堆12和14的集管中去除空氣和氮氣的技術。在集管已經(jīng)被吹掃之 后，電池堆沖洗可提供經(jīng)過陽極流場的大流量氫氣，從而使由于氫氣/空氣鋒面所引起的 啟動退化最小化，如上所述。
然后在方框78中，算法通過打開排水閥62使陽極流繼續(xù)，同時流到燃料電池堆 12和14中，以便繼續(xù)用氫氣填充陽極集管。在這個流動過程中，同時使用噴射器38和44， 以使氫氣均勻地流動經(jīng)過燃料電池堆12和14。在此階段，所有的大閥都關閉以允許受控 良好且低流量的氫氣噴射。打開的閥通常具有小孔。可替代地，可以使用脈沖寬度調(diào)制的 大閥來有效地提供小閥。通?；谌剂想姵囟?2和14的陽極出口壓力來控制氫氣噴射器 38和44。但是，在這種情況下，噴射器38和44將會把模式切換為流量控制，在流量控制中 將對流量進行計量，使得在當與陰極廢氣混合時不引起廢氣排放超過預定氫氣濃度的情況 下，流量盡可能地高。因此，會根據(jù)陰極稀釋流來實時改變氫氣流量。
在決定菱形框74中，如果電池堆中未充滿空氣，那么算法會跳過方框76的電池堆 沖洗步驟，直接進入方框78中的提供陽極流的步驟。
同時，應當有限制噴射器流38和40的峰值陽極壓力。換句話說，需要了解陰極廢 氣的流量，并且基于噴射器占空比來估計陽極流量。應當對噴射器38和44加以控制以便 產(chǎn)生盡可能高的流量，從而產(chǎn)生小于預定閾值的排放，并且使得陽極壓力不超過預定壓力 (例如150kPa)。基于把自上次關閉以來的時間作為輸入并且輸出應當流動的氫氣的最小 陽極容積數(shù)的函數(shù)來確定該流的持續(xù)時間。
然后在決定菱形框80中，算法確定這是否為第一次經(jīng)過啟動循環(huán)，并且是否執(zhí)行 了陽極側(cè)沖洗。如果這兩個條件都得到滿足，那么算法在方框82中使陰極空氣繞過燃料電 池堆12和14并持續(xù)陽極流的一些持續(xù)時間，例如一半。當使陰極空氣繞過燃料電池堆12 和14時，可滲透經(jīng)過膜的額外空氣未被加到陰極側(cè)。換句話說，期望在空氣被引入陰極側(cè) 之前用氫氣完全填充陽極側(cè)，以便氫氣滲透通過膜而不是空氣，從而減少在燃料電池堆12 和14的陽極側(cè)上的氫氣/空氣鋒面。
一旦陰極空氣已針對預定陽極容積的流繞過電池堆12和14，那么在方框84中算 法使陰極空氣針對剩余的陽極流流過燃料電池堆12和14。如果在方框76中這不是第一次 通過控制循環(huán)或者未發(fā)生電池堆沖洗，那么在方框86中算法會直接進入使陰極空氣流經(jīng) 燃料電池堆12和14的步驟。
接著，在方框88中，算法繼續(xù)陽極流并且接合聯(lián)接到燃料電池堆12和14的作為 負荷的下拉電阻68，直到滿足兩個條件中的一個條件為止，S卩，最小電池電壓大于預定電壓 值(例如700mV)、或者已經(jīng)過去了預定的時段(例如10秒)。通過在電池堆12和14上設 置負荷，而跨電池堆12和14產(chǎn)生電壓降，該電壓降更加接近地匹配與系統(tǒng)10中的高壓電 池58相聯(lián)接的高壓母線(未圖示)。特別地，算法利用電池堆電壓響應來施加負荷以通過 把輔助負荷聯(lián)接到燃料電池堆來評估氫氣和氧氣是否被充分地分配到所有燃料電池中。該 步驟是算法提供快速可靠的啟動的方法之一，該算法通過保證最小電池電壓為足夠高或者 在陽極流通道中有足夠的氫氣使得電池堆12和14的運行穩(wěn)定，來提供快速可靠的啟動。如 果電池堆12和14是正常的并且不存在問題，那么算法將會非?？焖俚剡M行通過控制循環(huán) 的這些步驟。但是，如果電池堆12和14已經(jīng)顯著老化、或者由于某些其它原因而退化，那么在啟動程序期間算法等待的時段將會給電池堆12和14提供更好的情況，從而以穩(wěn)定的 方式啟動。
一旦最小電池電壓大于預定的電壓值、或者預定時段已經(jīng)屆滿，在方框90中算法 就會關閉到高壓母線的電池堆接觸器，以允許電池堆12和14在系統(tǒng)10的正常負荷下運 行。然后，在方框92中算法利用與多達電池堆12和14的最大極限同樣多的燃料電池系統(tǒng) 部件來給電池堆12和14施加負荷并持續(xù)預定的時段(例如7秒)，以測試電池堆12和14 并判斷它們是否將正常運行。
然后，在決定菱形框94中算法確定最小電池電壓是否已降至預定電壓(例如 400mV)。如果電池堆12或14中任一個電池堆的最小電池電壓在預定電壓以下，那么啟動 的可靠性下降。然后，算法進入方框96，將允許從電池堆12和14中提取的最大功率最小 化，以試圖努力使最小電池電壓升高至預定值以上。
算法還在決定菱形框98中確定最小電池電壓是否已降至另一個較低的預定電 壓(例如200mV)以下，或者最小電池電壓降低速率是否超過預定的電壓降低速率(例如 1000mV/sec)。如果這兩個條件都不滿足，那么算法返回方框92給電池堆12和14另一嘗 試，以將它們的最小電池電壓升高到第一預定電壓值以上。
如果在決定菱形框94中最小電池電壓不低于第一預定電壓值，那么分電池堆12 和14可以適當?shù)剡\行。然后，算法在決定菱形框100中確定從電池堆12和14所允許的最 大功率是否低于預定值(例如90kW)。如果最大電池堆功率在預定值以下，那么電池堆12 和14在啟動程序期間沒有足夠快地提高它們的最大功率輸出，這意味著電池堆12和/或 14可能是不穩(wěn)定的。
如果在決定菱形框98中最小電池電壓低于第二預定電壓值、或者最小電池電壓 降低速率大于預定電壓降低速率，或者在決定菱形框100中電池堆12和14沒有達到允許 的最大功率，那么算法在決定菱形框102中確定電池58是否可以在啟動程序期間支持另一 個循環(huán)。如果有足夠的電池功率并且在循環(huán)中的重復次數(shù)低于預定值(例如8次)，那么在 方框104中打開電池堆接觸器。另外，在方框106中，算法把從電池58中提取的最大功率 限制為某個預定的最大值(例如20kW)或者可用最大電池功率中的較小值。然后，算法進 入方框78中的給電池堆12和14提供陽極流的步驟(其中，在決定菱形框80中對“這是否 為第一次通過循環(huán)”的回答將會為“否”)，從而增加在循環(huán)中所執(zhí)行的重復的次數(shù)。
如果在決定菱形框102中電池58不能支持循環(huán)中的另一次重復、或者已經(jīng)達到循 環(huán)中的最大重復次數(shù)，那么在方框108中系統(tǒng)10被設置為允許車輛以有限功率運行的性能 降低模式，以便可以把車輛駕駛到維修站或其它安全位置。
在決定菱形框100中，如果允許的最大功率大于預定值，那么算法在方框110中修 改查找表，該查找表用于確定已讓多少陽極容積的氫氣流入陽極流場。如果所需陽極流的 量較高，那么在系統(tǒng)的軟件中會持續(xù)地更新該表。這樣，啟動時間在將來可延長自上次關閉 以來的新時間，但系統(tǒng)的可靠性得以提高?；旧希霰砀駥⑦m應為電池堆使用年限。一 旦表格被更新，算法將會在方框112中進入全系統(tǒng)運行并開始陽極流變換。
盡管普通的啟動方法在大多數(shù)時間工作良好，但在某些情況下初始的氣體濃度是 未知的。例如，前一次關閉可能未恰當?shù)赝瓿?、啟動可能已?jīng)失敗、或者系統(tǒng)可能已經(jīng)損失 電池電壓。在這種情況下，初始的氣體濃度可能是未知的，這可能會導致燃料電池啟動過程中的問題。
因此，需要一種在非標準條件下提供良好的可靠性同時不超過排放要求的啟動方法。發(fā)明內(nèi)容
用于啟動燃料電池系統(tǒng)的補救方法滿足這些要求。在一個實施例中，該方法包括 確定是否需要補救方法；向燃料電池堆的廢氣提供空氣；設定到燃料電池堆的陽極側(cè)的氫 氣流量；以該氫氣流量向燃料電池的陽極側(cè)提供預定體積的氫氣；在向陽極側(cè)提供預定體 積的氫氣之后向燃料電池堆的陰極側(cè)提供預定體積的空氣，同時繼續(xù)向燃料電池堆的廢氣 提供空氣，并且向燃料電池堆的陽極側(cè)提供氫氣；在向陰極側(cè)提供了預定體積的空氣之后 確定電池堆電壓是否穩(wěn)定；以及，在電池堆電壓穩(wěn)定之后關閉陽極出口閥。
本發(fā)明還涉及以下技術方案
方案1. 一種用于啟動燃料電池系統(tǒng)的補救方法，包括
確定是否需要所述補救方法；
向燃料電池堆的廢氣提供空氣；
設定到所述燃料電池堆的陽極側(cè)的氫氣流量；
以所述氫氣流量向所述燃料電池的陽極側(cè)提供預定體積的氫氣；
在向所述陽極側(cè)提供預定體積的氫氣之后，向所述燃料電池堆的陰極側(cè)提供預定 體積的空氣，同時繼續(xù)向所述燃料電池堆的廢氣提供空氣，并向所述燃料電池堆的陽極側(cè) 提供氫氣；
在向所述陰極側(cè)提供了預定體積的空氣之后，確定電池堆電壓是否穩(wěn)定；以及
在所述電池堆電壓穩(wěn)定之后，關閉陽極出口閥。
方案2.如方案1所述的方法，其特征在于，用陽極到陽極的廢氣壓力差來設定所述氫氣流量。
方案3.如方案2所述的方法，其特征在于，所述氫氣流量被控制為氫氣排放廢氣 目標。
方案4.如方案1所述的方法，其特征在于，用下列方程式來設定所述氫氣流量
權(quán)利要求
1.一種用于啟動燃料電池系統(tǒng)的補救方法，包括 確定是否需要所述補救方法；向燃料電池堆的廢氣提供空氣； 設定到所述燃料電池堆的陽極側(cè)的氫氣流量； 以所述氫氣流量向所述燃料電池的陽極側(cè)提供預定體積的氫氣； 在向所述陽極側(cè)提供預定體積的氫氣之后，向所述燃料電池堆的陰極側(cè)提供預定體積 的空氣，同時繼續(xù)向所述燃料電池堆的廢氣提供空氣，并向所述燃料電池堆的陽極側(cè)提供 氫氣；在向所述陰極側(cè)提供了預定體積的空氣之后，確定電池堆電壓是否穩(wěn)定；以及 在所述電池堆電壓穩(wěn)定之后，關閉陽極出口閥。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用陽極到陽極的廢氣壓力差來設定所述氫氣流量。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述氫氣流量被控制為氫氣排放廢氣目標。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用下列方程式來設定所述氫氣流量γ Exh-Exh 'Vlv _ ^2 Air nH2 _ J __γ Exh Η2其中，為經(jīng)過閥的期望氫氣流量 ？^^為目標廢氣濃度 hff為用于廢氣中稀釋的可用空氣流量IfY ην *4 633 V PAn = ^H2k j *MW*T + Plh其中，PAn為陽極壓力設定點為如之前計算的期望氫氣流量 Kv為等效閥流量系數(shù) MW為氫氣的分子量 T為氣體溫度 PExh為廢氣(下游)壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過打開氫氣供給閥和陽極出口閥來向所 述燃料電池堆的陽極側(cè)提供氫氣。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定是否需要所述補救方法包括確定所述 燃料電池系統(tǒng)是否經(jīng)歷了快速停止、啟動失敗、或者電池電壓損失。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預定電池堆電壓在每電池約600mV到約 900mV的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供給所述燃料電池陰極側(cè)的空氣量與提 供給所述燃料電池的廢氣的空氣量之比小于約10%。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括當獲得預定電池堆電壓時，在把空氣導入所述燃 料電池堆的陰極側(cè)之后，關閉高電壓接觸器。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在確定所述電池堆電壓之前關閉高電壓接觸
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池中的補救啟動方法。具體地，描述了一種用于啟動燃料電池系統(tǒng)的補救方法。該方法包括確定是否需要補救方法；向燃料電池堆的廢氣提供空氣；設定到燃料電池堆陽極側(cè)的氫氣流量；以所述氫氣流量向燃料電池的陽極側(cè)提供預定體積的氫氣；在向陽極側(cè)提供預定體積的氫氣之后，向燃料電池堆的陰極側(cè)提供預定體積的空氣，同時繼續(xù)向燃料電池堆的廢氣提供空氣并向燃料電池堆的陽極側(cè)提供氫氣；在向陰極側(cè)提供了預定體積的空氣之后，確定電池堆電壓是否穩(wěn)定；以及，在電池堆電壓穩(wěn)定之后關閉陽極出口閥。
文檔編號H01M4/1397GK102034970SQ20101050822
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)球科技運作公司