在功率减小过渡期间对燃料电池电压改变的正速率的响应的制作方法
【技术领域】
[0001]这个形态涉及在功率减小过渡期间在一个或几个步骤中耗散或存储从燃料电池堆提取的电能以响应于燃料电池电压改变的正速率。
【背景技术】
[0002]当在燃料电池发电装置上汲取的功率减小或被移除时，如图8中所示，燃料电池减小或停止将氢燃料转换成电力。如果这个过量的燃料被倒掉，则它可能会引起操作问题，诸如发电装置的过温。这是所有燃料电池发电装置的特点，因为发电装置部件的化学和机械平衡的反应时间固有地是慢于电气负载改变的量值。当发生下行瞬变过程(down-transient)时(电气负载移除或减小)，存在一时间段，在该时间段中发电装置的燃料电池平衡继续以与发生下行瞬变过程之前相同的速率向燃料电池供应反应物(氢/空气)。参见图10，这部分上是由于仅在电池电压接近损坏值时才监视电池电压并发起响应，诸如功率耗散或存储。参见图9，结果是产生通常为未使用(未消耗)的氢气的形式的过量會ti。
[0003]在许多系统中，这种气体被再循环到重整器中或另外被驱除到周围大气中。在所有情况中，发电装置的燃料电池平衡响应于快速下行瞬变过程，该燃料电池平衡难以平衡如下控制:防止I)重整器的过温或大气的爆炸限制和2)燃料供应的下冲(under-shoot)，同时处理3)未知数量的下行瞬变过程的重复发生、该瞬变过程的持续时间和该瞬变过程的量值。
[0004]结果是如下系统:该系统的继续操作取决于许多变量和一些未知情况的这种微妙平衡。
[0005]已经知道的是，即在US7790303中，无定形碳触媒载体和金属触媒的腐蚀(这在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的启动和停止或其它功率减小过渡期间发生)导致燃料电池性能的永久衰退。还知道的是，该腐蚀是由于反向电流情况，在该情况中阴极电位可以大大超过一伏特，高于标准氢电极的电位。这个电位使得基于碳的触媒载体腐蚀并且导致降低的电池性能。
[0006]在可能经历50000-100000次启动/停止循环和加速/减速循环的汽车应用中，这导致灾难性的性能损失。在燃料电池发电装置上用来在功率减小期间耗散或存储过量功率的电压限制器件(VLD)通常包括具有关联控制的快速动作IGBT或MOSFET器件以用于检测电池堆电压上升高于预定的过压限制，如图9中所示的。
【发明内容】
[0007]这个形态利用这些相同的器件和控制，但是向该控制添加了另一维度:在具有针对噪声的关联过滤器的情况下使用连续导数检测电池堆电压的斜率。电气负载被移除或急剧减小通过电池堆电压增加速率的急剧上升而被检测到。在检测时，阴极空气可以被分流，并且VLD (耗散器或存储装置)可以打开以控制功率耗散并且控制电池堆电压的斜率。这导致电气功率的逐渐释放。通过利用VLD来响应于电池电压的改变速率来对下行瞬变过程做出响应，发电装置化学和机械部件平衡的响应时间与电气负载的改变解耦。因此，实现了更可靠的燃料电池系统。功率逐渐释放的快速介入允许发电装置部件较慢的化学和机械平衡以便一致地响应于改变和对改变做出反应。可以针对特定发电装置和负载调整这个特征以便匹配发电装置的平衡的响应速度。
[0008]本文中的形态允许VLD在一系列阶段中进行相应以达到一连串的功率目标(如果期望的话)。
[0009]这个形态如此响应以使得他可以本质上消除响应于停止而发起电池电压限制步骤的需要。
[0010]根据对如在附图中图示的示例性实施例的下面的详细描述，其它变型将变得更加显而易见。
【附图说明】
[0011]图1是在功率减小过渡期间存储或耗散燃料电池堆的能量并且还可以分流阴极空气的燃料电池发电装置的示意框图。
[0012]图2和图3分别是现有技术升压配置和降压配置的示意图，是响应于本文的形态对功率存储或功率耗散的控制。
[0013]图4和5是负载功率与时间的图表。
[0014]图6是用于执行本文中形态的具有多个负载功率目标的基本实施例的功能的简化流程图。
[0015]图6A是图6的变型的部分简化流程图。
[0016]图7是用于执行本文中形态的具有单个负载功率目标的基本实施例的功能的模拟图示。
[0017]图8-14是与功率减小过渡有关的事件和值的关于共同时间坐标的一系列图；图8-10涉及现有技术，并且图11-14涉及本形态的响应。
【具体实施方式】
[0018]参见图1，车辆150包括燃料电池堆151，燃料电池堆151包括多个邻接的燃料电池，每个燃料电池具有膜电极组件(MEA) 16，在图1中仅示出一个燃料电池12。在燃料电池堆151的正和负端子处的电气输出由一对线155、156通过开关158连接到车辆推进系统159。该输出也通过线160连接到VLD控件200。
[0019]水循环系统的储液器164具有出口 165。水循环系统可以包括调整阀166、水通路(诸如水传输板84、86、88、89内的那些)、散热器和风扇168、169 (其选择性地可操作为对在系统中循环的水进行冷却)以及可控水栗170。
[0020]由栗(诸如鼓风机174)把入口 173处的环境空气提供给阴极的氧化剂反应物气体流场19，并且从此处起通过压力调节阀175提供给排出装置176。氧化剂空气通过分流阀177，分流阀177可以通过来自控制器的在线178上的信号而被打开一选择的量，以便排出空气，使得鼓风机174可以针对稍后的快速响应而保持在操作速度，同时减小电池堆中的功率生成，如专利公开2009/0098427中描述的那样。氢从源179通过流量调节阀180被供应到阳极的燃料反应物气体流场17，并且从此处起通过压力调节阀181被供应到排出装置182。燃料循环回路包括栗183。
[0021]控制器185响应于由电流检测器186确定的负载电流并且响应于跨线155、156的电压；它还可以具有在线187上提供的电池堆的温度。控制器继而能够通过线190控制阀门180以及控制其他阀门、开关158、160、162和栗170、174，如图1中所示的。
[0022]控制器185响应于来自车辆推进系统159的在线193-195上的启动、速度和需求控制信号，这些控制信号将指示燃料电池应当何时开始操作以及车辆推进系统所需求的功率的量。每当启动信号从车辆推进系统159通过线193被发送到控制器185时，来自控制器的信号就将使阀门180、181和栗183被适当地操作，以便提供燃料反应物气体到阳极的流场17并且然后阀门175和栗174将被适当地操作为向阴极流场19提供环境空气。
[0023]当足够量的燃料和空气已被均匀地提供给电池时，控制器185将在线155、156上检测到开路电压。在这时，控制器可以闭合开关199或闭合开关197或闭合这两者，以便把燃料电池堆151通过VLD控件200连接到辅助负载198或连接到存储控件201，或者连接到这两者，并且还将闭合开关158，以便把燃料电池堆151同时或稍后连接到车辆推进系统159。
[0024]每当来自车辆推进系统159的停止信号被接收到时，随着开关158开路以便将车辆从燃料电池发电装置断开，线212上的信号将选择性地激励VLD控件200。
[0025]此后关于图2-5描述的VLD控制器200将响应于控制器185闭合开关197而把由燃料电池中的或流过燃料电池的剩余反应物生成的功率引导到能量存储系统201 (如果存储器件未完全充电的话)。或者，响应于控制器闭合开关199，VLD控制器200将把剩余功率引导到电阻性辅助负载198，该电阻性辅助负载198将把这些功率作为热量耗散。或者在一些情况中，开关197、198两者都可以被闭合。
[0026]替代地或附加地，双向分流阀177被线178上的信号调整为向阴极的氧化剂反应物气体流场19不提供、提供一些或提供所有来自栗174的空气。当负载需求下降到燃料电池接近开路电压的点时(诸如当车辆减慢、停止或下坡行进时)，来自控制器的在线178上的信号调整阀门177以便向环