控制功率转换和空闲期间的pem燃料电池电压的制作方法
【专利摘要】车辆（150）中的燃料电池堆（151）的控制器（185）响应于较低需求而致使转移器（172）将来自所述阴极（19）的所有空气导向，除了产生足够的电力以将电池电压限制到安全空闲电压阈值所需的空气之外，致使在能量存储系统（201）中存储足以将电池电压限制到所述空闲电压阈值的电力，除非SOC太高，将电压限制负载（220）连接到一定大小的堆以消耗不被辅助性的BOP消耗的所有电力，或者，对于较长的空闲，使所述堆缺乏空气并且从存储为BOP供电。响应于需求信号中的增加，所述控制器致使所有空气流向所述阴极。响应于关闭信号（233）或启动信号（193），所述控制器导致停机例程或启动例程，在其每个中所生成的所有电力被存储以将燃料电池电压保持在阈值以下，或者在所述电压限制负载中被消耗。
【专利说明】控制功率转换和空闲期间的PEM燃料电池电压
【技术领域】
[0001 ] 在启动、停机和功率减小转换以及空闲期间，PEM燃料电池发电装置选择性地存储电能，或者在电压限制装置中耗散该能量，或者转移阴极空气，或者使用它们的组合。
【背景技术】
[0002]如下是已知的:在高电池电压状态(例如，高于大约0.87V)期间发生的质子交换聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的无定形碳催化剂载体和金属催化剂的腐蚀导致燃料电池性能的永久性衰退。在停机期间，除非使用惰性气体驱气，空气将缓慢地、均匀地填充所述燃料电池的阳极和阴极流场两者。在启动期间，氢气被馈送到所述阳极流场，这导致到所述阳极流场的入口主要是氢气，而所述阳极流场的出口主要是空气。这将与所述阳极上的空气富集区域相对的所述阴极的电势升高到对标准氢电极的1.4-1.8伏的电势。此电势导致基于碳的催化剂载体腐蚀并且导致降低的电池性能。
[0003]在可能经历50，000 - 100，000个启动/停机循环的汽车应用中，这导致灾难性的性能损失。至今，对此问题的解决方案包括在所述停机和启动过程期间通过用惰性气体(诸如氮气)驱气所述阳极流场来稳定所述燃料电池堆并且维持跨越所述燃料电池堆的辅助负载。更新近的解决方案要求遍及所述堆(燃料和空气)和相关联的管路维持氢气富集气体。
[0004]在汽车应用中，惰性气体的可用性以及使用它来驱气的装置将是高得惊人的复杂且昂贵。氢气富集气体的维持也将要求设计复杂性。辅助负载的使用要求由此所产生的热量的耗散。
[0005]在汽车应用中，PEM燃料电池发电装置典型地具有非常宽的范围的需求，摆动到非常低的需求导致开路电压状态。在开路电压状态下，相对高的阴极电压导致阴极催化剂腐蚀，这而又导致过度的性能衰退。因为这样的燃料电池在功率需求上也具有突然的增加，到所述阴极的反应物空气流必须是可用的以满足这样的需求，并且因此所述空气泵在低需求期间必须持续工作以便适应对功率的更高需求的快速恢复。
[0006]在专利公开US 2006/0068249 Al中，在燃料电池堆的启动和停机或其他功率减小转换期间，由其中的反应物的消耗所产生的寄生能量以电能的形式被提取并且被存储在与所述燃料电池发电装置相关联的能量存储设备中。所公开的是升压配置和降压配置，当所述燃料电池堆的电压低于在其处将能量存储在所述能量存储设备中是所期望的电压时所述升压配置是有用的，当所述堆的电压大于在其处能量将被存储在所述能量存储系统中的电压时所述降压配置是有用的。
[0007]在专利公开US 2009/0098427 Al中，响应于低功率需求(其可能导致高阴极电压状态，诸如大于每电池0.87伏)，由鼓风机提供的反应物空气被迅速地转移到环境中。所述鼓风机在低输出功率需求期间以比所需要的更高的水平被运行并且因此准备好对输出功率需求的迅速增加做出响应。
[0008]每当在输出功率需求中存在迅速下降时，可以将可选的辅助负载与正常负载并联连接，由此耗散在消耗所述堆中剩余的氧气(换句话说，在所述流场中并且被吸附在所述催化剂上的残留的氧气)的过程中产生的电力。所述辅助负载可以被来自所述鼓风机的空气冷却，所述空气在低需求期间被转移到环境中。
[0009]在某些汽车应用(作为例子，诸如包裹递送和城市乘客巴士)中，功率需求减小到空闲状态是频繁的。对于典型的公共汽车路线，所述公共汽车一天将仅启动一次或两次，但是将经历多达1200次停车/开车循环，在所述公共汽车慢下来之处，所述需求转到空闲状态，并且在其之后所述公共汽车恢复全功率需求。因此，针对所述燃料电池堆的不同状态以适当的方式控制电池电压是必要的。
【发明内容】
[0010]如下已经被确定:当燃料通道被部分地充满空气时，当到所述堆的燃料被开始或停止时，发生启动和停机损失。在所述燃料电池堆被停机时空气冲到所述通道中，并且在所述燃料在启动期间被供应给它们时其变成被部分地充满燃料。这导致在阳极和阴极侧两者上的通道中具有空气的电池区域具有局部电压中的反转，这导致高的局部电压，伴随附带的高腐蚀。这些电压可以达到大约1.20V。
[0011]然而，归因于停车和开车功率循环的电池电压在0.90到0.95电压状况中，这导致比在启动和停机期间低得多的损失。但是因为停车和开车在一天中发生多达1200次循环，所以与在给定的一天中仅一次或两次停机和启动比较，由所述停车和开车循环带来的损害可能是非常限制寿命的。
[0012]在此处，将启动和停机与停车和开车不同地对待。当正常操作中的燃料电池发电装置的功率需求被减小到在其处燃料电池电压上升到或高于阈值水平的点时，空气被立即地从所述燃料电池的阴极转移以将所产生的输出功率限制到操作点，这将所述电池电压从否则其将达到的水平减小到处于或低于所述阈值水平的水平。所述转移器阀将阴极空气流的量限制到产生用于所述辅助性的电站配套(BOP)设备负载的功率所需的量，被称为“渗气”，同时将电池电压维持在处于或低于所述阈值水平。
[0013]除了所述BOP负载之外，如果所述存储设备低于阈值电荷状态(S0C)，则所述能量存储系统被命令以消耗足够的附加功率，以将电池电压维持在处于或低于如下这样的电压水平:所述电压水平在由所述系统稳定到所述空闲状态时的过渡所引起的变化期间被认为是安全的。这可以是大约每电池0.87伏。
[0014]否则，所述堆被连接到次级设备，诸如电压限制负载(VLD)，其被配置为允许操作所述辅助性的(寄生的)电站配套设备，同时耗散足够的功率以限制所述电池电压处于或低于阈值水平。
[0015]根据下面的示例性实施例(如附图中所示出的)的详细的描述，其他变化将变得更加显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是在其中可以实现本模式的具有空气转移器和空气冷却的电压限制负载的燃料电池发电装置的示意性框图。
[0017]图2是用以帮助实现本模式的简化的、示例性的监督控制程序的流程图。
[0018]图3是用于控制停车和开车操作期间的电池电压的简化的、示例性的程序的流程图。
[0019]图4是其在实现此处的模式时可以被用于将燃料电池发电装置停机的简化的、示例性的程序的流程图。
[0020]图5是其在实现本模式时可以被用于启动燃料电池发电装置的简化的、示例性的程序的流程图。
【具体实施方式】
[0021]参考图1，车辆150包括燃料电池堆151，其包括多个邻接的燃料电池，每个燃料电池具有在阳极17和阴极19之间的质子交换膜16，在图1中仅显示了一个燃料电池12。所述燃料电池堆151的正端子和负端子处的电输出被一对线155、156通过开关158连接到电力或混合车辆推进系统159。
[0022]水循环系统具有储水器164，所述储水器164具有排气口 165、压力控制调整阀166、水通道84、86、88、89、散热器和风扇168、169 (其选择性地可操作用于冷却在所述系统中循环的水)、以及水泵170。入口 173处的环境空气由泵(诸如鼓风机174、压缩机等等)通过双向转移器阀172提供给所述阴极19的氧化剂反应物气体流场，并且由此通过压力调节阀175到达排气装置176。氢气从源179通过流量调节阀180 (其可以是压力调节阀)被供应到所述阳极17的燃料反应物气体流场，并且由此通过驱气阀181到达排气装置182。燃料再循环回路包括泵183。
[0023]控制器185响应于由电流检测器186确定的负载电流以及响应于跨越所述线155、156的电压；它也可以具有在线187上提供的所述堆的温度。所述控制器控制线190之上的阀180以及线191之上的阀172，以及控制所述其他的阀166、175、181、所述开关158、以及所述泵170、174，如在图1中所显示的。
[0024]所述控制器185响应于线193_195、223上的来自所述车辆推进系统159的启动、速度、需求和关闭控制信号，其将指示所述燃料电池何时应当开始工作，以及由所述车辆推进系统所要求的功率的量。每当在所述线193之上将启动信号从所述车辆推进系统159发送到所述控制器185时，来自所述控制器的信号将导致所述阀180、181以及所述泵183被适当地操作以向所述阳极17的所述流场提供燃料反应物气体，并且所述阀172和175以及所述泵174将被适当地操作以向所述阴极19的所述流场提供环境空气。在下文中关于图4描述了简化的、示例性的启动例程303。
[0025]在已向所述电池均匀地提供了足够量的燃料和空气时，所述控制器185将在所述线155、156上检测到合适的电压。在那时，所述控制器可以关闭开关158以便将所述燃料电池堆151连接到所述车辆推进系统159。
[0026]在启动或停机期间，存储控制200可以通过将其应用到能量存储系统201来耗散被存储在所述燃料电池堆中的能量，在本实施例中所述能量存储系统201是所述车辆推进系统159的电池。在其他实施例中，所述能量存储系统201可以是一些其他电池，其可以是电容器、或飞轮，或者其可以是一些其他能量存储装置。倘若所述电流SOC是适当的，则所述能量存储装置200、201将分别在高或低需求期间帮助提供或吸收电力。
[0027]所述双向转移器阀172被调节以将来自所述泵174的空气不提供、部分提供或全部提供给所述阴极19的所述氧化剂反应物气体流场。当所述负载需求下降到在其处所述燃料电池接近开路电压的点时，诸如当所述车辆减速、停止或下坡行进时，线191上的来自所述控制器的信号调节所述阀172以立即地将所述空气中的一些或全部转移到环境中。在低需求期间，所述空气泵可以以超出所述燃料电池中所需的气流的空气流速被操作，以便所述堆能够快速地响应增加的需求。在具有计量阀172的本发明的任何给定的实现中，所述控制器可以在所述线191上提供作为所述负载的反函数的信号，以便所述转移器阀172将适当比例量的空气转移到环境中。
[0028]通过利用所述转移器阀172来倾卸所述空气，所述泵174可以保持运转并且流向所述阴极的空气的量被立即减少以便仅少量的残留空气保留在所述阴极流场中以及所述电极结构中。在一些实施例中，所述泵174的速度可以在低负载期间被减小，或者甚至被停止。
[0029]刚刚描述的装置结合次级设备(诸如功率耗散电压限制负载220)而被使用，响应于线222上的信号，所述功率耗散电压限制负载220被所述控制器通过开关221连接到所述燃料电池输出线155、156。在此实施例中，当来自所述泵174的空气流传到并且通过所述转移器阀172以排出时所述电压限制负载220被所述来自所述泵174的空气流冷却。这允许从所述阴极中的残留的氧气更多地耗散能量。所述电压限制负载220被置于所述转移器阀172的下游，以便在正常操作期间，不存在跨越其的压力降。此实施例在空气由于跨越所述电压限制负载220的压力降而被所述阀172转移时将需要到所述阴极的空气流的较不迅速的变化。所述电压限制负载可以包括除电阻性负载之外的次级设备。
[0030]如下是优选的:所述电压限制负载220的物理位置使得其也被环境空气冷却。可替代地，所述辅助负载可连接在所述泵174和所述阀172之间。
[0031 ] 此模式也可以在静止的和其他类型的燃料电池发电装置中被使用。
[0032]为了利用此处的模式，控制的方案是有益的。此处的示例性的实施例的公开代表示出了该模式的总的、宏观的功能步骤和关系，但是不一定具备针对利用该模式的燃料电池发电装置的操作的足够的细节，但是，如将显现的，其他现有细节是常规的并且在本领域中是已知的。假定此后所描述的示例性例程按照重复的方式被处理，取决于所涉及的参数中的转换的定时。对于城市公共汽车，此处的例程可以在充分控制的情况下被达到每秒I和3次之间。在这些所公开的例程中，标志被用于将所述程序从一种状态推进到另一种状态。这些标志在它们的被放置到这样的状态中的模式被公开之前的时刻被描述。然而，所有标志贯穿全部被完全描述。
[0033]在图2中，通过进入点225进入简化的示例性监督例程224。第一测试227确定是否已经设置启动标志。如果所述发电装置被停机、正在运行或者在被停机的过程中，则其将不处于启动的过程中，并且测试227的结果将是否定的。相似地，测试230确定是否已经设置停机标志，指示停机过程正被执行。假定其未已被设置，测试232确定是否已经设置运行
O
[0034]为了便于实现此处的停车和开车模式的描述，假定所述燃料电池发电装置150是完全工作的并且正在运行。所述运行标志已经被设置，因此测试232的肯定性结果到达测试233以确定是否已经从所述车辆推进系统159接收到所述线223 (图1)上的关闭信号。所述关闭信号指示所述车辆已经被关闭，诸如通过点火钥匙类型关闭开关的等同物。如果所述车辆仍然正在工作，则测试233的否定性结果将到达图3中示出的电压限制例程236。[0035]在图3中，所述电压限制例程通过进入点238而被到达。第一测试240确定是已经设置空闲标志还是没有已经设置空闲标志。假定所述车辆正在以任何正常的速度行进，则所述空闲标志将没有已被设置，因此测试240的否定性结果将到达测试241以确定平均或示例性燃料电池电压是否大于阈值电池电压。这是在考虑瞬变等等的情况下指示足够低以避免腐蚀的安全电池电压的电压(诸如大约0.87伏)，或者诸如被确定为对采用此处的模式的燃料电池发电装置而言是适当的其他电压。假定所述车辆正在正常行进，则所述电池电压将不是过高的，因此测试241的否定性结果将到达返回点242，通过所述返回点242，所述控制器的编程将回退到其他例程。
[0036]经过一定的时间，所述车辆将接近停止点，并且将降低需求。当所述需求变得非常低时(诸如在空闲状态)，在所述电池电压达到所述阈值时测试241将变为肯定性的，指示其正在变得过高。这导致步骤243，所述步骤243设置在测试240中被测试的所述空闲标志。步骤244将会把所述转移器阀设置到如下这样的位置:在其处其将会把除了维持用以导致所述燃料电池电压保持在所述阈值电压以下的足够功率的产生所需要的空气(“渗气”)之外的所有空气转移。随后在步骤245中启动空闲计时器。
[0037]作为例子，考虑具有燃料电池发电装置的城市公共汽车，所述燃料电池发电装置具有75kW的正常最大功率。为了保持大约0.87V的安全电压，所述燃料电池将必须产生大约2.8kW。在这样的燃料电池发电装置中，例如，所述辅助性的寄生功率要求(诸如用于所述冷却剂泵170、空气鼓风机174、燃料再循环泵183、控制器185和所述BOP的其他功率调整和控制装置)是大约1.5kW。这意味着所生成的用以将所述电池电压保持在低水平的功率将是超出由所述辅助设备消耗的功率之上大约1.3kW。该过量功率必须被存储或者被以某种方式耗散。
[0038]在所述转移器阀被打开到适当的位置之后，测试246将检查所述电池的SOC以查看其是否能够存储更多的能量，诸如小于90%的S0C。如果是这样，则步骤247将命令所述能量存储系统存储足够的所生成的电能以将所述电池电压保持在0.87V。所述例程随后将通过所述返回点242退回到其他编程。
[0039]在随后的一遍中(在其中图2的监督例程224到达图3的所述电压限制例程236)，所述空闲标志已经在步骤243中被设置，测试240的肯定性结果将到达测试248以确定由所述线195 (图1)上的信号指示的需求是否大于指示所述车辆正被加速的某个需求阈值。如果其不是这样，则所述车辆仍旧空闲。测试248的否定性结果再次到达所述测试246。如果所述SOC没有已经到达存储阈值(例如，其仍然低于90%)，则所述步骤247将像前面一样继续命令所述ESS存储其用以将所述电池电压保持在0.87V所需要的任何能量。
[0040]最终，所述存储设备可以达到充电的90%，随后所述测试246的否定性结果将到达测试248以确定所述空闲计时器是否已经超时。当所述空闲状态被启动时，该计时器在所述步骤245中被设置。所述空闲计时器可以被设置为如下这样的值:依据所讨论的车辆一般经受的任务的类型，该值是可调节的。例如，在市区城市公共汽车中，所述时间阈值可以是低至两分钟或者高达六或七分钟或更多，以适应在其中驾驶员可能在午餐点停留或购买一杯咖啡的情况。该时间大于在常规的交通十字路口或者在为了乘客的上车和下车的站台处所通常遇到的时间。另一方面，如果所述车辆是包裹递送车辆，则所述阈值时间可以比用于城市公共汽车的阈值时间更长。[0041]如果由所述空闲计时器指示的时间没有已超出所述计时器阈值，则测试249的否定性结果将到达步骤251以将所述电压限制负载220 (图1)连接到所述堆(通过关闭所述开关221)。这将致使所述过量能量被耗散而不是被存储。在所述示例性实施例中，针对在
0.87V处的1.3kff的耗散，该负载将是大约0.54毫欧姆。这将确保不正被所述BOP的所述辅助性的寄生设备利用的大致正确的功率量的耗散。另一方面，如果已经达到所述时间阈值，则测试249的肯定性结果将到达步骤252，所述步骤252将设置所述转移器阀以致其将转移最大量的空气。所述最大量的空气可以是所述空气中的全部，或者其可以少于所述空气中的全部。但是其应当足以使所述燃料电池堆缺乏空气，取决于所述各种工作参数中的所有，并且取决于鼓风机速度是否在步骤253中被降低。如在上文中所描述的，所述鼓风机速度可以被维持在正常工作速度以便在所述车辆从空闲状态加速时帮助提供空气的迅速供应。另一方面，如果发现由于任何原因有必要(诸如为了节省所存储的能量)，鼓风机速度可以在某些程度上被降低或者所述鼓风机可以被关闭。可选地，当情况允许单独地使用一个或另一个时，既如在步骤252中转移最大量的空气又如在步骤253中降低鼓风机速度不是必要的。随后，步骤255将连接所述BOP以基于所述存储系统中所存储的能量工作，这是必要的，以便充分地使所述燃料电池缺乏空气以致所述电压低于所述安全阈值。
[0042]注意的是:即使在实现所述步骤247之后所述SOC超过90%，所述测试246可以在下一遍时切换动作(在一秒或更少时间内)以便所述电压限制负载吸收所述功率而不是其被存储。此灵活性允许最大化地利用存储并且最小化能量的浪费的耗散，其仅在必要时被进行。
[0043]在后续通过所述监督和电压限制例程时，所述车辆将最终开始移动，线路195 (图1)上的需求将超过所述阈值，并且所述测试248将是肯定性的，到达步骤257，所述步骤257将会把所述转移器阀设置为将所有空气导向到所述堆。步骤259命令所述ESS停止存储用于电池电压的控制的能量；随后，所述ESS的控制退回到所述存储控制200 (图1)中的其他例程。步骤261将打开所述开关221 (图1)以便断开所述电压限制负载220 (图1)。(步骤259或291将是无害冗余的。)随后步骤264将重置所述空闲标志并且所述编程将通过所述返回点242回退到其他例程。
[0044]在通过图2的监督例程224的随后一遍中，所述运行标志仍然被设置，到达图3的电压限制例程，但是在通过所述电压限制例程的这一遍中，因为所述空闲标志在步骤264中被重置，所述测试240是否定性的，到达所述测试241以查看所述电池电压是否大于所述阈值。在一般情况下，在增加或正常需求期间，所述电池电压将不是过高的，因此测试241的否定性结果将简单地致使所述编程通过所述返回点242回退到其他例程。
[0045]这将继续直到将导致在上文中关于图3所描述的交换的下一个停止为止，以建立所述空闲状态。在所述车辆的所有停止期间，当所述电力系统进入空闲并且随后从空闲加速时，所述监督例程224将保持在所述运行状态中，到达所述电压限制例程236，并且所述电压和空闲时间将继续被测试，以及操作将如在上文中所描述的那样对状况做出反应。
[0046]因此，在停止和启动的情况下，所述系统将总是转移空气以快速地降低所述电池中的电压，在其之后如果它能够则它将存储所述过量电能，或者如果其不能存储它则耗散所述电能，或者在更长的空闲周期期间其将使所述堆缺乏空气。所述“过量电能”被定义为由所述堆产生以将所述电池电压保持到安全水平的电能的量，其超过如下这样的电能:所述系统可以使用其以操作所述BOP的辅助性的寄生电能。
[0047]最终，这一天的结束将会到来并且所述推进系统操作者将提供指示(诸如通过关闭点火钥匙的等同物)，以致将在线223 (图1)上提供关闭信号。通过图2的监督例程224的后续一遍将到达所述关闭测试233的肯定性结果。这将到达步骤266和步骤267，所述步骤266重置所述运行标志，所述步骤267设置所述停机标志，并且随后推进到图4中的停机例程268。
[0048]所述停机例程268在图4中通过进入点271而被到达，在其处可选的第一测试273确定采用此处的模式的配置是否具有可选的空气鼓风机再循环系统(常规的，但是此处未被显示)。如果是这样，则测试273的肯定性结果到达步骤276以关闭可选的空气入口阀(未被显示)并且到达步骤277，所述步骤277将打开可选的阴极再循环阀(未被显示)。换句话说，在这样的选项的情况下，所述鼓风机174 (图1)从将空气吹到所述堆中转换到将所述阴极排气再循环回到所述阴极入口中。这有助于将每个燃料电池稳定到在其中所述阴极和所述阳极两者在它们中均具有氢气的状况中，所述氢气保护它们免受腐蚀并且提供后续的、有序的启动，如在本领域中是已知的那样。
[0049]如果所述空气鼓风机不被用于阴极再循环，则所述测试273的否定性结果将到达可选的步骤279和步骤280，所述步骤279将关闭所述空气鼓风机174(图1)，所述步骤280将打开可选的阴极再循环鼓风机(未被显示)，并且所述步骤277将打开所述可选的阴极再循环阀。效果是相同的。
[0050]无论是这样还是那样(或者如果不存在用于可选的阴极再循环的测试273，则直接地从所述进入点271)，测试282确定所述SOC是否小于90°。如果其是这样，则步骤285将命令所述能量存储系统201存储来自所述堆的所有电能。根据此处如关于图3所描述的模式，这与空闲(其中所存储的电能的量是非常选择性的)期间所发生的不同。
[0051]如果所述SOC不小于90°，则步骤287将通过关闭所述开关221来连接所述电压限制负载220 (图1)。因为停机的效果是在正被生成的电能的量方面的迅速衰退，所述电压限制负载的大小不是关键的，只要其足以耗散大量的电能。因此，针对空闲使用与用于启动和停机相同的电压限制负载是可能的。另一方面，在此处的模式的其他实施例中，可能存在若干电压限制负载并且它们可以取决于所涉及的过程的阶段而被选择:启动、或停机(功率起始或功率减小转换)、或空闲。
[0052]一旦电能被存储或被耗散，取决于所述步骤285、287，测试290将确定何时阳极燃料驱气被完成。这可以简单地通过自所述阴极已从入口空气转换到再循环空气以来的时间的流逝而被确定，或者其可以通过感测所述阳极的出口处的氢气浓度而被确定，或者其可以以某种其他方式而被确定，诸如感测正被产生的电能的电压。这些方法是常规的，并且可以被选择以适合此处的模式的任何特定的实现。
[0053]一旦所述燃料电池已被稳定具有阳极燃料内容，则步骤291将关闭所述燃料入口，步骤292将命令所述ESS停止存储(或许冗余地)用于电池电压的控制。随后，所述ESS的控制回退到所述存储控制200 (图1)中的其他例程。多个步骤293将关闭大部分的辅助功率设备，包括所述空气鼓风机或阴极再循环鼓风机、所述燃料再循环泵、所述冷却剂泵、所述散热器风扇以及在正被停机的时间段期间不被使用的其他BOP设备。所述停机标志在步骤294中被重置，并且所述编程通过返回点296回退到其他例程。[0054]在通过图2的监督例程224的下一个后续一遍中，所述启动标志测试227将是否定性的，所述停机标志测试230将是否定性的，并且所述运行标志测试232将是否定性的，以致测试297确定所述启动标志是否被设置；如果不是如此，则编程将通过返回点299回退到其他任务。所述燃料电池发电装置随后停留在休眠状态中，等待命令以启动并且提供电倉泛。
[0055]只要不存在在所述线193 (图1)上所提供的来自所述车辆推进系统150的启动命令，所述监督系统将经历测试227、230、232和297的否定性结果而运转到达所述返回点299，并且所述燃料电池发电装置将保持休眠。
[0056]最终，启动命令将出现在所述线193 (图1)上以便后续一遍将找到所述启动测试297的肯定性结果，其将到达步骤301，所述步骤301将设置所述启动标志。随后，通过进入点305到达图5中的启动例程303。可选地，所述阴极再循环可以在所述燃料电池发电装置的休眠状态期间被维持以提供如下更好地确保:泄漏到所述燃料电池中的任何空气将不导致腐蚀。如果是这样，则步骤308将关闭所述阴极再循环(打开再循环开关和/或关闭再循环鼓风机)。
[0057]—系列步骤310将打开所述燃料再循环泵、所述冷却剂泵、所述散热器风扇以及电站配套设备中的任何其他寄生性的辅助负载，除去所述空气鼓风机以外。随后所述燃料入口在步骤313中被打开，并且测试314确定所述阳极何时已经被驱除了所有气体，除去氢气以外(通过检测开路电压、通过测量自打开所述燃料入口以来的时间、通过测量所述阳极排气装置处的氢气的浓度、或别的方式)。
[0058]当所述阳极被适当地稳定具有氢气时，步骤315将打开所述空气鼓风机并且正常的电能产生将开始。为了避免起初的低电能产生将所述燃料电池的电压升得太高，所述电能将像前面一样被存储或者被耗散。如果期望，在此情形下所述SOC和所述负载的测量可以与所述空闲状态的测量不同。测试316确定所述SOC是否小于例如85%，并且如果是这样，则步骤317将命令所述能量存储系统201 (图1)存储，并且因此需要足够的电能来将所述电池电压保持在针对启动期间的腐蚀而言被认为是安全的电压(诸如例如0.10V)处或将所述电池电压保持在针对启动期间的腐蚀而言被认为是安全的电压(诸如例如0.10V)之下。如果所述SOC太高，则测试316的否定性结果将到达步骤320以关闭所述开关221 (图O并且由此将所述燃料电池输出155、156连接到所述电压限制负载220。
[0059]无论是这样还是那样，测试321确定所生成的电压是否等于或大于适合于应用到所述车辆推进系统159 (图1)的阈值电压。所述例程将在所述测试321上循环直到所述电压是足够的为止。在其之后，测试321的肯定性结果将到达步骤322，所述步骤322将关闭所述开关158(图1)以将所述燃料电池连接到所述车辆推进系统159，到达步骤323以断开所述电压限制负载，以及到达步骤324以命令所述ESS停止存储用于电池电压的控制。随后，所述ESS的控制回退到所述存储控制200 (图1)中的其他例程。
[0060]步骤326将重置所述启动标志并且步骤327将设置所述运行标志。随后，所述程序通过返回点330回退到其他例程。
[0061]在通过图2中的监督例程224的随后一遍中，所述启动标志测试227和所述停机标志测试230现在是否定性的，但是所述运行标志测试232现在是肯定性的，到达所述测试233以查看所述燃料电池系统是否已经被所述线223 (图1)上的信号命令而关闭。直到接收到关闭命令，所述电压限制例程236将被重复地到达以在其发生时处理空闲状态，所有均在上文中关于图3被描述。
[0062]如果在任何用途中不需要，则可以使用此处的模式中的一些，而不使用其他模式中的一个或多个。例如，使所述堆缺乏空气同时从存储对所述BOP供电的长空闲特征可以可选地被省略。
[0063]因为可以进行对所公开的实施例的改变和变化而不背离本构思的意图，其不是意在除如由随附的权利要求所要求的之外限制本公开。
【权利要求】
1.一种方法，包括: a)操作燃料电池发电装置以向车辆推进系统(159)提供电力； b)在所述车辆推进系统的正常操作期间监视燃料电池电压； 其特征在于: c)响应于燃料电池电压达到预定的电池电压阈值，转移所有反应物空气，除了产生足够的电力以致使所述燃料电池电压不超过所述预定的电池电压阈值所需要的量之外；以及 d)在步骤c)之后，并且直到所述车辆推进系统的需求超过需求阈值，产生足够的电力以致使所述燃料电池电压不超过所述预定的电池电压阈值，同时将所述燃料电池发电装置的电力输出存储在能量存储系统(201)中，所存储的量等于将电池电压维持在所述预定的电池电压阈值之下所需的电力的量和由辅助性的电站配套设备(170、174、183、185)所消耗的电力的量之间的差，直到所述能量存储系统的电荷状态达到预定的存储阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征进一步在于: 在步骤d)期间，在所述能量存储系统的电荷状态达到所述预定的存储阈值的情况下，在电压限制负载(220)中耗散大约等于将电池电压维持在所述预定的电池电压阈值之下所需的电力的量和由辅助性的电站配套设备所消耗的电力的量之间的差的电力的量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征进一步在于: 如果步骤d)持续超过预定的时间阈值的时间段，则使所述燃料电池发电装置缺乏空气并且使用由所述能量存储系统提供的电力来操作电站配套设备。
4.一种车辆(150)，包括: 燃料电池发电装置，其包括: 电站配套设备(170、174、183、185)； 燃料电池堆(151)，所述燃料电池堆(151)包括多个燃料电池(12 )，每个燃料电池(12 )具有邻近具有反应物空气流场的阴极(19)的膜电极组件(16)，所述燃料电池堆具有电力输出(155、156)； 空气泵(174)，用于向所述阴极提供反应物空气； 转移器阀(172)，其将所述空气泵连接到所述反应物空气流场并且被配置为从所述泵选择性地转移空气而所转移的空气不通过所述反应物空气流场； 电压限制负载(220)，其可选择性地连接到所述堆的所述电力输出； 控制器(185 )，其用于选择性地控制所述转移器阀、所述存储控制装置和所述电压限制负载； 所述车辆也包括: 车辆推进系统(159)，其被配置为由所述堆响应于需求信号选择性地供电； 能量存储系统(201)； 存储控制装置(200)，其用于选择性地控制电能向所述能量存储系统的存储以及从所述能量存储系统的取回； 其特征在于: 在运行模式中，所述控制器响应于由所述车辆推进系统在操作期间所消耗的电力的减少而进入空闲模式，在所述空闲模式中所述控制器a)操作所述转移器阀以便从所述阴极转移所有空气，除了所述燃料电池堆产生足以致使所述燃料电池的电压不超过预定的空闲阈值电池电压的预定的空闲电力所需的空气之外，b)致使所述燃料电池堆产生足以致使所述燃料电池的电压不超过预定的空闲阈值电池电压的预定的空闲电力，C)致使i)所述存储控制装置在所述能量存储系统中存储所述预定的空闲电力超过由所述电站配套设备所消耗的电力的量的电力的量，除非所述能量存储系统的电荷状态超过预定的电荷状态阈值，在此情况下所述控制器致使ii)所述燃料电池堆产生所述预定的空闲电力并且致使所述电压限制负载跨越所述堆的所述电力输出而被连接，所述电压限制负载在所述预定的空闲电力下耗散大约所述预定的空闲电力超过由所述电站配套设备所消耗的电力的量的电力的量。
5.根据权利要求4所述的车辆(150)，其特征进一步在于:所述空闲模式继续，直到所述车辆推进系统的需求超过需求阈值。
6.根据权利要求4所述的车辆(150)，其特征进一步在于:如果所述空闲模式的持续时间超过预定的时间阈值，则所述控制器停止致使i)或ii)，并且反而导致使所述燃料电池发电装置缺乏空气并且使用由所述能量存储系统提供的电力来操作电站配套设备。
7.根据权利要求4所述的车辆(150)，其特征进一步在于:在所述空闲模式中，所述控制器(185)响应于所述车辆推进系统(159)的需求超过预定的需求阈值而致使所述转移器阀(220 )将所有空气导向到所述阴极(19 )。
8.根据权利要求7所述的车辆(150)，其特征进一步在于:在所述空闲模式中，所述控制器(185)响应于所述车辆推进系统(159)的需求超过预定的需求阈值而确保所述电力的存储以控制空闲电压停止并且确保所述电压限制负载(220)被从所述堆断开。
9.根据权利要求4所述的车辆(150)，其特征进一步在于:所述控制器(185)响应于来自所述车辆推进系统(159)的关闭信号(223)而开始停机例程(268)，在所述停机例程中所述控制器致使a)所述存储控制装置(200)在所述能量存储系统(201)中存储足够的电力以致使所述燃料电池(12)的电压不超过预定的停机阈值电压，除非所述能量存储系统(201)的电荷状态超过预定的电荷状态阈值，在此情况下所述控制器致使b)所述电压限制负载(220)跨越所述燃料电池堆(151)的所述电力输出(155、156)而被连接。
10.根据权利要求9所述的车辆(150)，其特征进一步在于:所述预定的停机阈值电压高于所述预定的空闲阈值电压。
11.根据权利要求4所述的车辆(150)，其特征进一步在于:所述控制器(185)响应于来自所述车辆推进系统(159)的启动信号(193)而开始启动例程，在所述启动例程中所述控制器致使a)所述存储控制系统(200 )在所述能量存储系统(201)中存储足够的电力以致使所述燃料电池(12)的电压不超过预定的启动阈值电压，除非所述能量存储系统的电荷状态超过预定的电荷状态阈值，在此情况下所述控制器致使b)所述电压限制负载(220)跨越所述燃料电池堆(151)的所述电力(155、156 )输出而被连接。
12.根据权利要求11所述的车辆(150)，其特征进一步在于: 所述预定的启动阈值电压高于所述预定的空闲阈值电压。
【文档编号】H01M8/04GK103650224SQ201180070348
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2011年2月25日 优先权日:2011年2月25日
【发明者】C.A.里泽 申请人:联合工艺公司