[发明专利]用低电压源起动燃料电池系统的闭环方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，且更具体地涉及一种起动系统和用于启动燃料电池堆的闭环方法。

背景技术

燃料电池已被认为是一种清洁、高效且无害于环境的能源，用于电力车辆和各种其他应用。特别地，燃料电池已被确认是一种用于当前车辆中的传统内燃机的潜在替代物。

一种已知的燃料电池为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池通常包括三个基本部件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳颗粒上并混合以离子交联聚合物的精细催化剂，例如铂。电解质膜夹在阴极与阳极之间以形成膜电极组件(MEA)。MEA经常设置在多孔扩散介质(DM)之间，DM有助于传输气态反应物，通常为氢气和来自空气中的氧气，用于电化学燃料电池反应。

独立的燃料电池可串联堆叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池堆能够供应足以为车辆供电的电量。在采用燃料电池堆的车辆动力系统中，氢气从诸如加压氢气箱之类的氢气储存源供应到阳极。空气通过空气压缩器单元供应到阴极。在高电压电池不可操作的非混合动力燃料电池车辆或混合动力车辆中，在燃料电池堆工作之前通常采用低电压电池为车辆部件和空气压缩器单元供电。在混合动力燃料电池车辆中，在燃料电池堆可工作之前，适于从之前的车辆操作中储存电能的高电压混合动力电池也可用作电能源。通过低电压电池的起动在燃料电池车辆处于冻结状态时也常常是必要的。

在燃料电池系统起动过程中，氢气用于清理在关断过程中积聚在阳极的空气。所希望的是，快速进行清理(purge)以使当氢气-空气锋(hydrogen-air front)经过阳极时已知发生的碳退化最小化。在起动过程中，空气还绕至燃料电池堆的排放部以稀释所排放的清理氢气。车辆排放标准通常需要所排放的氢气浓度小于4％的体积百分量。不过，由于在关断阶段之后燃料电池系统的状态不稳定，包括电池荷电状态(SOC)和阳极上积聚空气的可变量，因此，已知的燃料电池系统在起动过程中对于氢气排放优化和碳侵蚀最小化不是特别有效。

仍然需要一种燃料电池系统和方法，在满足排放和燃料电池性能需要的情况下，例如在冻结状态下，提供高效起动。所希望的是，燃料电池系统和方法提供一种具有电压不稳定性最低的稳妥的系统起动，并通过优化在起动过程中的氢气-空气交锋时间(front time)而使堆退化最小化。

发明内容

相应地在本公开内容中，令人惊讶地发现了一种燃料电池系统和方法，其提供低电压起动而同时满足排放和燃料电池性能的需要，并且提供电压不稳定性最小的稳妥的系统起动，而且使起动过程中的氢气-空气交锋时间最小化。

在一个实施例中，提供一种燃料电池系统。此燃料电池系统包括具有多个燃料电池的燃料电池堆、阳极入口和阴极入口。空气压缩器与阴极入口流体连通。氢气源与阳极入口流体连通。起动电池与空气压缩器电连通。功率转换模块与起动电池和空气压缩器电连通。功率转换模块适于选择性地升高起动电池的电压并向空气压缩器供电。控制器与功率转换模块连通，并进一步适于基于可用电能设置空气压缩器速度。压力传感器与控制器电连通，并适于测量空气压缩器的压缩器压力。

在另一实施例中，还提供一种在起动时操作燃料电池系统的方法。所述方法首先包括以下步骤：接收启动请求；使功率转换模块能够升高低电压电池的电能。然后，确定升压的低电压电池的可用电能，并基于可用电能确定空气压缩器的估算速度。空气压缩器被启动并被设置为估算速度。测量空气压缩器的实际速度和压缩器出口压力。根据压缩器出口压力和实际速度估算空气压缩器的空气流速。当实际速度大于所希望的速度时基于空气流速安排阳极清理。

在另一实施例中，所提供的方法包括以下步骤：根据以下中的至少一种确定可用电能：a)具有电压升高的低电压电池，b)具有电压升高的高电压电池，和c)不具有电压升高的高电压电池。然后，起动电池选自在电压升高或未升高状态下的具有最大可用电能的低电压电池和高电压电池中的一种。当a)所述实际速度大于所希望的速度，或者b)已经经过了压缩器增速时间时，根据实际速度和压缩器出口压力计算空气流速。

附图说明

本公开内容的以上以及其他优点，根据以下详细描述特别是结合以下描述的附图，对于本领域技术人员而言将变得显而易见。

图1例示了现有技术的PEM燃料电池堆的示意分解立体图，其中仅显示出两个电池；

图2是根据本公开内容的实施例的具有低电压电池的燃料电池系统的示意图；

图3是图2所示燃料电池系统的示意图，其中进一步包括高电压电池；

图4是显示出没有可操作高电压电池的起动方法的示意流程图；和