[发明专利]进入和退出燃料电池系统的再生/备用模式的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及进入和退出燃料电池系统的备用模式的方法，更具体地涉及进入和退出燃料电池系统的再生/备用模式的方法，其中燃料电池通过阻流功率二级管与再生源分开。

背景技术

氢是一种极具吸引力的燃料，因为它清洁并且可以用来有效地在燃料电池中产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极，在二者之间是电解质。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极侧催化剂中分解以产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极侧催化剂中与氧气和电子反应产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被送往阴极之前被导引通过负载而做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是用于车辆的一种流行燃料电池。质子交换膜燃料电池一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极电极（催化剂层）通常包括精细分割的催化剂颗粒，通常为铂（Pt），其被支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物被沉淀在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物以及膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。每个膜电极组件通常夹在两片多孔材料－即气体扩散层（GDL）之间，所述气体扩散层保护膜的机械一体性，并有助于反应物的一致性和湿度分布。将阳极与阴极流分开的膜电极组件部分被称为主动区域，只有在这个区域水蒸汽才能在阳极和阴极之间自由交换。膜电极组件生产起来相对昂贵并且需要一定的有效运行条件。

通常，几个燃料电池组合在一个燃料电池堆中以产生所需的功率。比如，用于车辆的典型燃料电池堆可以有两百或更多个堆叠的燃料电池。所述燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是由压缩机强行吹过所述电池堆的空气流。并非所有氧都被所述电池堆消耗掉，一些空气作为阴极废气输出，这些废气可能包括作为反应副产品的水。所述燃料电池堆还接收阳极氢反应气体，其流入所述电池堆的阳极侧。所述电池堆还包括冷却流体通过其流动的流道。

燃料电池堆包括一系列位于所述电池堆中的几个膜电极组件之间的双极板，其中所述双极板和所述膜电极组件位于两个端板之间。所述双极板包括用于所述电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧流体分配器（流场）。在所述双极板的阳极侧设置有阳极气流道，其允许阳极反应气体流动到相应的膜电极组件。在所述双极板的阴极侧设置有阴极气体流道，其允许阴极反应气体流动到相应的膜电极组件。一个端板包括阳极气流道，而另一个端板包括阴极气流道。所述双极板和所述端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。所述端板将由所述燃料电池产生的电力传导出所述电池堆。所述双极板还包括冷却流体通过其流动的流道。

大部分燃料电池车辆都是混合动力车辆，其在所述燃料电池堆之外还使用备用动力源，例如高压直流电池或超级电容器。所述动力源在系统启动以及在需要高功率而所述燃料电池堆又不能提供所需电力时为各种车辆辅助负载提供备用电力。所述燃料电池堆通过直流高压电气总线向电牵引系统提供电力以用于车辆运行。所述电池或超级电容器在需要的额外电力超过所述燃料电池堆所能提供的电力时向所述电气总线提供备用电力，例如在急加速时。比如，所述燃料电池堆可以提供70千瓦的功率。然而，车辆加速可能需要100千瓦的功率。在所述燃料电池堆能够满足所述系统的电力需求时，所述燃料电池堆用来对所述电池或超级电容器进行充电。在再生制动期间可从电牵引系统获得的发电机功率也可以用来对所述电池或超级电容器进行充电，但是，所述燃料电池系统必须继续运行以维持辅助负载，例如统称为寄生负载的压缩机、冷却剂泵和功率转换器模块（PCM）。

本领域需要一种方法，该方法使所述燃料电池系统在再生制动时进入备用模式，以使所述系统在所述电池或超级电容器被充分充电时能够利用可获得的再生制动电力来维持寄生负载，从而通过减少氢使用量来增加车辆的里程。通常，这种对再生制动电力的利用由于所述燃料电池系统与所述电牵引系统之间的阻流二极管的存在而被阻止。所以，当所述电牵引系统产生多于所述能量存储装置和电力分配模块（PDM）所能消耗的能量时，使用机械制动，这会增加制动器磨损而且浪废氢。因此，需要一种利用所述阻流二级管上游的再生制动电力的方法，以使燃料电池系统能够进入备用模式并减少氢消耗量。

发明内容