[发明专利]采用低电压源启动燃料电池堆的开环系统和方法

说明书

技术领域

本公开涉及一种燃料电池系统，更具体地，涉及一种用于 启动燃料电池堆的启动系统和开环方法。

背景技术

燃料电池已经被提出作为用于电动车辆以及其他许多应用 的清洁、有效且环保的能量源。特别地，燃料电池已经被公认为在现 代车辆中使用的传统内燃机的潜在替换品。

一种类型的燃料电池被公知为质子交换膜(PEM)燃料电 池。PEM燃料电池典型地包括三个基本构件：阴极、阳极和电解液膜。 阴极和阳极典型地包括精细区分的阴极，例如铂，其被支撑在碳颗粒 上并且与离聚物混合。电解液膜夹在阴极和阳极之间，以形成膜电极 组件(MEA)。MEA经常被设置在渗透性扩散介质(DM)之间，DM 易于传送气态反应物，特别是氢气和来自空气的氧气，以便进行电化 学燃料电池反应。

单独的燃料电池能够串联堆叠在一起，以形成燃料电池堆。 燃料电池堆能够供给足以向车辆提供功率的电量。在采用燃料电池堆 的车辆动力系统中，氢气从氢气存储源(例如加压氢气罐)供给到阳 极。空气通过空气压缩单元供给到阴极。在非混合燃料电池车辆或带 有不可用高电压电池的混合车辆中，在燃料电池堆运行之前，低电压 电池典型地用于向车辆构件和空气压缩器提供功率。在混合燃料电池 车辆中，适于存储来自原先的车辆运行的电能的高电压混合电池，也 可用作在燃料电池堆运行之前的电能的来源。在冰冻情况下，采用低 电压电池的启动，对于燃料电池车辆也是基本必要的。

在燃料电池系统启动期间，氢气用于净化在关闭期间聚集 的空气的阳极。净化希望能够快速，以似公知的碳降解最小化，随着 氢气-空气向前移动经过阳极，会发生上述碳降解。在启动稀释所排放 的净化氢气期间，空气还旁路至燃料电池堆的排放装置。车辆排放标 准通常要求所排放的氢气的浓度在体积上低于百分之四(4％)。然而， 由于紧随关闭时段的燃料电池系统出现不一致状况，在启动期间优化 氢气排放量以及使碳腐蚀最小化方面，公知的燃料电池系统并不特别 有效。

对于燃料电池系统和方法，存在持续需要在于，提供有效 启动，而又满足排放量和燃料电池性能需求，例如，在冻结状况下。 希望的是，燃料电池系统和方法提供一种鲁棒性系统，启动时使电压 不稳定性最小化，并通过优化氢气空气波前时间来使堆积降解最小 化。

发明内容

根据本公开，令人惊奇地公开了一种在满足排放量和燃料 电池性能需求的同时提供低电压启动的燃料电池系统和方法，提供使 电压不稳定性最小而启动的鲁棒性系统，并且在启动期间使氢气-空气 波前时间最小化。

在一实施例中，提供一种燃料电池系统。所述燃料电池系 统包括燃料电池堆，其具有多个燃料电池并具有阳极入口和阴极入 口。空气压缩器与所述阴极入口流体连通。氢气源与所述阳极入口流 体连通。燃料电池系统包括启动电池，其与所述空气压缩器电连通。 功率变换模块与所述启动电池和所述空气压缩器电连通。所述功率变 换模块适于选择性地提升供给到所述空气压缩器的启动电池的电压。 控制器与所述功率变换模块电连通，适于基于在所述压缩器处可用的 电能来设置空气压缩器速度。

在另一实施例中，还提供一种操作燃料电池系统的方法。 所述方法首先包括步骤：接收启动要求；并且使功率变换模块能够提 升所述低电压电池的电压。然后确定来自所述低电压电池的可用电 能；并且基于所述可用电能确定所述空气压缩器的估计速度。空气压 缩器被启动被被设置为估计速度。测量所述空气压缩器的实际速度， 并且当a)所述实际速度大于理想速度以及b)已经经过了压缩器增速 时间中的一种情况成立时，基于所述可用电能设定(或)阳极净化 (anode purge)。

在进一步的实施例中，所提供的方法包括步骤：从如下中 的至少一个确定可用电能：a)具有电压提升的低电压电池，b)具有 电压提升的高电压电池，和c)不具电压提升的高电压电池。然后， 启动电池选自，处于提升状态和非提升状态中且具有较大可用电能的 低电压电池和高电压电池中的一种。

发明内容

基于所述可用电能设定阳极净化。

本领域技术人员将从下文的详细描述(特别是在参照下文 所述附图而进行考虑之时)容易地明了本公开的上述以及其他优点：

图1图示现有技术的PEM燃料电池堆的示意性分解透视图， 其中只示出两个电池；