专利名称：在燃料电池系统中减少直至可接受的驶离时的时间的方法
在燃料电池系统中减少直至可接受的驶离时的时间的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年10月8日提交的序列号为61/M9，866的美国临时申请的权 益，在此通过引用将其并入本文。技术领域
本发明总体上涉及燃料电池系统，更具体地，涉及启动燃料电池系统的方法和系统。
背景技术：
为了启动燃料电池系统，在电池活性区域处必需有可用的反应物，从而使得能够 生成电流。如果系统已经关闭或处于备用状态中，那么这通常是启动序列的主要功能。对 于车辆应用，期望在进行启动请求之后能够很快完成所述启动序列，从而使得驾驶员能够 请求全部动力。另外，如果燃料电池系统正在离开备用模式，那么期望在进行唤醒请求之后 系统很快便能够以最大容量运行。
为了准备好燃料电池系统以便以全部容量进行操作，启动序列通常包括阳极冲洗 功能和阳极填充功能。冲洗功能从电池流场中去除非反应物。填充功能则将活性部位处的 氢气浓度增加到期望水平。填充功能通常占据了启动阳极侧功能所需时间的大部分。这是 由于排气排放要求以及在堆的管件和堆中的非均勻流动特性相互组合的缘故。在采用了非 理想集管清扫的实践中，所述阳极冲洗功能将非反应物清扫到如图1中所示的水平。即便 理想的冲洗也可能需要额外的填充时间以使均勻氢气到达全部电池。根据电池流阻的变化 性，这通常是随机的。
在进行非理想集管清扫之后的阳极冲洗的结束时(其通常发生在所述启动序列 期间)，在顶部电池内的阳极将仍然包含一定百分比的非反应物。如果在该时刻需要全部电 流，则仅被部分填充以氢气的电池将不能支持该电流，从而导致电池电压的急剧下降。为了 防止这种情况发生，使用电压稳定化功能来将所述堆的剩余部分填充以氢气。该功能使用 较低的氢气流率，并且所述流率是可控的，从而使得排放要求不被破坏。然而，这是以增加 启动时间长度为代价来实现的。通常执行阳极洗的时间是大约1秒，但是所述额外的阳极 填充和电压稳定化可能会花费长达4秒的时间。
因此，存在改善燃料电池启动方法的需要。发明内容
描述了减少燃料电池启动时间的方法和系统。一种减少启动时间的方法包括开 始启动序列；在开始所述启动序列之后，同时开始包括了支持燃料电池负载需求和稳定燃 料电池电压的运行序列；其中，稳定燃料电池电压包括提供氢气流至该燃料电池并且打 开阳极阀，其中该氢气流持续以预定的氢气量或预定时间；以及，在所述预定的氢气量或所 述预定时间被超出后结束电压稳定化，但使包括了支持所述燃料电池负载需求的运行序列4继续。
本发明还提供了以下方案
1. 一种减少燃料电池启动时间的方法，包括
开始启动序列；
在开始所述启动序列后，同时开始运行序列，所述运行序列包含支持所述燃料电 池的负载需求和稳定所述燃料电池的电压；
其中稳定所述燃料电池的电压包括
提供氢气流至所述燃料电池并且打开阳极阀，其中所述氢气流持续以预定的氢气 量或预定时间；以及
在所述预定的氢气量或所述预定时间被超出后结束电压稳定化，而包含了支持所 述燃料电池的负载需求的所述运行序列继续。
2.如方案1所述的方法，其中，进一步包括
在提供所述氢气流至所述燃料电池并且打开所述阳极阀之后，确定是否存在上升 瞬变状况；
如果所述上升瞬变状况存在，则确定是否提供了充足的稀释空气流以获得目标排 气浓度；
如果所述上升瞬变状况存在并且如果没有提供充足的稀释空气流，则关闭所述阳 极阀，暂停用于所述预定的氢气量或所述预定时间的计数器，并且返回到确定是否存在所 述上升瞬变状况；
如果所述上升瞬变状况存在，并且如果提供了充足的稀释空气流，则返回到确定 是否存在所述上升瞬变状况；以及
如果所述上升瞬变状况不存在或者当所述上升瞬变状况不再存在时，那么如果所 述计数器被暂停则恢复所述计数器，并且如果所述阳极阀被关闭则打开所述阳极阀。
3.如方案2所述的方法，其中，确定是否存在所述上升瞬变状况包括确定阴极氧 气设定点的变化率，或阴极阀位置的变化率，或电流的变化率是否超出预定值。
4.如方案2所述的方法，其中，如果所述上升瞬变状况存在，则增加所述氢气流。
5.如方案2所述的方法，其中，进一步包括
如果所述上升瞬变状况不存在或当所述上升瞬变状况不再存在时，确定所述预定 的氢气量或所述预定时间是否被超出；
如果所述预定的氢气量或所述预定时间未被超出，则返回到确定是否存在所述上 升瞬变状况。
6.如方案2所述的方法，其中，进一步包括
如果所述上升瞬变状况不存在或当所述上升瞬变状况不再存在时，确定所述预定 的氢气量或所述预定时间是否被超出；
如果所述预定的氢气量或所述预定的时间被超出，则确定是否存在反应性排放需 求；
如果所述反应性排放需求存在，则返回到确定是否存在上升瞬变状况；
如果所述反应性排放需求不存在，则结束电压稳定化。
7.如方案6所述的方法，其中，确定是否存在所述反应性排放需求包括，确定电池电压是否小于预定电压。
8.如方案1所述的方法，其中，进一步包括
在提供所述氢气流至所述燃料电池并且打开所述阳极阀后，使用于所述预定的氢 气量或所述预定时间的计数器开始启动，并且确定是否存在上升瞬变状况；
如果所述上升瞬变状况存在，则确定是否提供了充足的稀释空气流以获得目标排 气浓度；
如果所述上升瞬变状况存在并且充足的稀释空气流未被提供，则关闭所述阳极 阀，暂停用于所述预定的氢气量或所述预定时间的计数器，并且返回到确定是否存在所述 上升瞬变状况；
如果所述上升瞬变状况存在并且提供了充足的稀释空气流，则返回到确定是否存 在所述上升瞬变状况；
如果所述上升瞬变状况不存在或当所述上升瞬变状况不再存在时，那么如果所述 计数器被暂停则恢复所述计数器，并且如果所述阳极阀被关闭则打开所述阳极阀；
确定所述计数器是否超出所述预定的氢气量或所述预定的时间；
如果所述计数器未超出所述预定的氢气量或所述预定时间，则返回到确定是否存 在所述上升瞬变状况；
如果所述计数器超出所述预定的氢气量或所述预定时间，则确定是否存在反应性 排放需求；
如果所述反应性排放需求存在，则返回到确定是否存在所述上升瞬变状况；以及
如果所述反应性排放需求不存在，则结束电压稳定化。
9.如方案8所述的方法，其中，确定是否存在所述上升瞬变状况包括，确定阴极氧 气设定点的变化率，或阴极阀位置的变化率，或电流的变化率是否超出预定值。
10.如方案8所述的方法，其中，如果所述上升瞬变状况存在，则增加所述氢气流。
11.如方案8所述的方法，其中，确定是否存在所述反应性排放需求包括，确定电 池电压是否小于预定电压。
12.如方案8所述的方法，其中，到所述燃料电池的氢气流是采用了中心排放的并 行流动。
13.如方案1所述是方法，进一步包括
在同时进行支持所述燃料电池的负载需求和稳定所述燃料电池的电压之前，确定 所述燃料电池系统是否正在离开备用状态；
如果所述燃料电池系统未离开备用状态，则确定是否所述燃料电池系统关闭；
如果所述燃料电池系统关闭，则确定所述燃料电池的阳极侧是否具有最小氢气浓 度；
如果不具有所述最小氢气浓度，则提供氢气至所述阳极侧；
如果所述系统正在退出备用状态，或如果具有所述最小氢气浓度，或者在提供氢 气至所述阳极侧之后，则闭合高电压接触器；
在闭合所述高电压接触器之后，确定堆电压是否稳定；以及
如果所述堆电压不稳定，则打开所述阳极阀，并且返回到确定所述堆电压是否稳 定。
14.如方案13所述的方法，其中，所述最小氢气浓度是大约70%。
15. 一种减少燃料电池启动时间的方法，包括
开始启动序列；
在开始所述启动序列之后，同时开始包含了支持所述燃料电池的负载需求，以及 稳定所述燃料电池的电压的运行序列；
其中，稳定所述燃料电池的电压包括
提供氢气流至所述燃料电池并且打开阳极阀，其中所述氢气流持续以预定的氢气 量或预定时间；
使用于所述预定的氢气量或所述预定时间的计数器启动；
确定是否存在上升瞬变状况；
如果所述上升瞬变状况存在，则确定是否提供了充足的稀释空气流以获得目标排 气浓度；
如果所述上升瞬变状况存在并且如果未提供充足的稀释空气流，则关闭所述阳极 阀，暂停用于所述预定的氢气量或所述预定时间的计数器，并且返回到确定是否存在所述 上升瞬变状况；
如果所述上升瞬变状况存在并且如果提供了充足的稀释空气流，则返回到确定是 否存在所述上升瞬变状况；
如果所述上升瞬变状况不存在或当所述上升瞬变状况不再存在时，那么如果所述 计数器被暂停则恢复所述计数器，并且如果所述中心排泄阀被关闭，则打开所述中心排泄 阀；
确定所述计数器是否超出所述预定的氢气量或所述预定时间；
如果所述计数器未超出所述预定的氢气量或所述预定时间，则返回到确定是否存 在所述上升瞬变状况；
如果所述计数器超出所述预定的氢气量或所述预定的时间，则确定是否存在反应 性排放需求；
如果所述反应性排放需求存在，则返回到确定是否存在所述上升瞬变状况；以及
如果所述反应性排放需求不存在，则结束电压稳定化，同时使包含了支持所述燃 料电池负载需求的运行序列继续。
16.如方案15所述的方法，其中，确定是否存在所述上升瞬变状况包括，确定阴极 氧气设定点变化率，或阴极阀位置变化率，或电流变化率是否超出预定值。
17.如方案15所述的方法，其中，如果所述上升瞬变状况存在，则增加所述氢气流。
18.如方案15所述的方法，其中，确定是否存在反应性排放需求包括，确定电池电 压是否小于预定电压。
19.如方案15所述的方法，其中，到所述燃料电池的氢气流动是采用了中心排放 的并行流动。
20.如方案15所述的方法，进一步包括
在同时支持所述燃料电池的负载需求和稳定所述燃料电池的电压之前，确定所述 燃料电池系统是否正在退出备用状态；
如果所述燃料电池系统没有正在退出备用状态，则确定所述燃料电池系统是否关 闭；
如果所述燃料电池系统关闭，则确定所述燃料电池的阳极侧是否具有最小氢气浓 度；
如果不具有所述最小氢气浓度，则提供氢气到所述阳极侧；
如果所述系统正在离开备用状态，或如果具有所述最小氢气浓度，或在提供氢气 到所述阳极侧之后，则闭合高电压接触器；
在闭合所述高电压接触器之后，确定堆电压是否稳定；以及
如果所述堆电压不稳定，则打开中心排泄阀，并且返回到确定所述堆电压是否稳定。
21.如方案20所述的方法，其中，所述最小氢气浓度是大约70%。
图1是在典型的阳极冲洗之后的阳极气体成分的图示；
图2是燃料电池的示意性框图3A 图;3B是流程图，其示出了用于提供本发明的燃料电池启动的过程的一个 实施例。
具体实施方式
通过允许阳极填充/冲洗功能延伸到运行模式中，能够减少可靠地启动燃料电池 系统所需的时间量。该功能在运行模式中将保持使能，直到确定使用电池电压和阀流阻 (气体成分)监测到所述堆能够以全部容量操作时为止。使用电压稳定化例程的好处是确 保了所有电池都能被清扫掉非反应物，并且将局部氢气浓度包含在足够高的水平以便维持 用于每个电池的全电流负载。通过将该例程切换成发生在启动后但处于完全运行模式中， 则可以显著减少到可接受的驶离(driveaway)时的时间或者显著减少启动时间长度。
电压稳定化功能通常利用中央排放阀，并且氢气被同时喷射到两个子堆中。另一 个变型可以包括以预定开关速率使氢气顺序地流动。取决于系统，其它的阳极阀(例如，排 放阀)可以与中央排泄阀一起使用，或者可以替代中央排泄阀。电压稳定化功能在运行模 式激活之前被使能，并且在运行模式开始的若干秒中也是使能的。电压稳定化存在的时间 长度将取决于一定的退出条件。这些退出条件可包括最小时间，电池的最高和最低电压差， 堆电压反弹、或排放要求。
如果在电压稳定化期间存在大功率需求，则该功能应当适当地进行响应，从而使 得所述排放要求不被超出。阳极流率应当增加以维持该更高的负载。阴极空气流率也是如 此。然而，与生成用于阴极的足够的压缩机流以及随后的稀释空气所需的时间相比，阳极反 应得更快。在该情形中，中央排放阀关闭，直到有足够的稀释空气可用时为止。然而，为了 确保堆被完全清扫，在具有足够的稀释空气可用之后将恢复阳极流。
处理大功率步骤的另一种变型是保持通过阳极的正确氢气流，其对应于在排气中 实现目标排气浓度的稀释流的量。这使得瞬变状况期间也将阀保持打开。
图2示出了燃料电池系统的一个实施例。该系统在2007年9月21日提交的标题8为“Method for Fast and Reliable Fuel Cell ^stemsStart-ups，，的美国申请 11/859300 中被更加充分地描述。许多其它实施例也是可能的。
图2示出了燃料电池系统10，其包括第一分离的燃料电池堆12和第二分离的燃 料电池堆14。压缩机16经由常闭的阴极输入阀20通过阴极输入管线18给堆12和14提 供阴极输入空气。阴极排气通过管线M从分离的堆12输出，并且阴极排气通过管线沈从 分离的堆14输出，其中阴极排气被混合到单个阴极输出管线观中。常闭的阴极背压阀30 控制穿过管线观的阴极排气的流动。位于输入管线18和输出管线观之间的阴极旁通管 线32允许阴极输入空气旁路绕过堆12和14。常闭的旁通阀34控制阴极空气是否旁路绕 过堆12和14。如果阀20和30关闭并且阀34打开，则来自压缩机16的空气将旁路绕过堆 12和14。通常，将阴极加湿单元(未示出)设置在阴极输入管线18内的合适位置处。
在该布置中，堆12和14使用了阳极流动变换，其中阳极反应物气体以本领域技术 人员熟知的方式以预定的周期穿过堆12和14来回流动。喷射器38通过阳极管线42将来 自氢气源40的氢气喷射到分离的堆12，喷射器44以交替的顺序通过阳极管线48将来自氢 气源40的氢气喷射到分离的堆14。连接器管线M连接堆12和14的阳极侧。
水分离器60被耦接至连接器管线54，并且收集位于堆12和14之间的阳极气体流 中的水。可以使用常闭的排泄阀62，其周期性打开以通过管线64将水排至阴极排气管线 观。此外，阳极排气清扫阀66可以被设置在连接管线M中。
如上所述，期望周期性对堆12和14的阳极侧进行排放，以去除否则可能稀释氢气 并影响电池性能的氮气。为此目的而设置了常闭的排放阀50和52。当命令阳极排放时，排 放阀50或52打开从而使被排放的阳极排气被送到阴极排气管线观，这取决于当前氢气流 动的方向。具体地，如果当排放被触发时氢气正从源40被喷射到分离的堆12中，那么排放 阀52打开。类似地，如果当排放被触发时氢气正从源40被喷射到分离的堆14中那么，排 放阀50打开。在正常的排放持续期间，该流动变换通常将发生若干次，从而使得排放阀50 和52也必需与该流动变换合拍地打开和关闭若干次。
燃料电池堆12和14生成电流。在正常的堆操作期间，由堆12和14生成的电流 被用来驱动系统负载，例如，车辆上的电牵引系统(ETS)56。在关停序列期间，由堆12和14 生成的电流可以被用来对电池58充电，或者由其它系统部件消耗，以及被电阻68消耗。
在一个系统关停序列中，压缩机16停止，阀20和30被关闭以便密封堆12和14 的阴极侧。使氢气流继续，从而使得堆12和14中任何剩余的氧气都被消耗掉。由堆12和 14所生成的电流被传送到电池58。当堆功率减小到另一预定水平时，接触器断开，从而使 堆负载切换到电阻68。具体地，一旦电压已经降低到固定的截止电压，则堆负载被切换到电 阻68。截止电压可以是DC/DC变换器(未示出)的下限，或功率装置的下限。电池负载的 目的是消耗和/或存储能量，否则这些能量将以另外的方式被浪费掉。这还减少了电阻负 载的能量消耗需求。
一旦已经从堆12和14中消耗掉了氧气，则关掉氢气流，并且阀50、52、62和66都 被关闭以便密封堆12和14的阳极侧。当系统10以这种方式关停时，堆12和14在阴极侧 和阳极侧中都包括N2/H2混合物。随着时间消逝，空气也将泄漏到堆12和14中，并且堆12 和14中的氢将开始消耗氧。另外，氢还将缓慢地泄漏到堆12和14外。因此，堆12和14 内的气体成分将随着时间将从氮气中富含氢的混合物变化到水和空气的混合物。
用于在启动时对堆12和14进行清扫的氢气量可以基于堆12和14的阳极侧容 积，堆12和14的温度，以及堆12和14内的压力来加以计算。到堆12和14中的氢气流量 应当粗略为一个阳极容积。如果流入到堆中的氢气量不够充足，则一些电池可能依然含有 H2/02前沿(front)。如果太多的氢气流入到第一堆中，则过多的氢气将被浪费到排气中，并 且可能通过压缩进入到第二堆中，导致迟滞的氢气/空气前沿，从而致使电压下降过多。用 于堆12和14中每一个的回路容积均被计算，并且该信息在启动期间被与氢气流率组合在 一起以便确定用于第一堆的清扫时间。
图3A示出了启动序列的一个实施例。在决策块105处，系统确定燃料电池系统是 否正在退出备用状态。如果燃料电池系统未退出备用状态，则系统行进到决策块110，在决 策块110处系统确定燃料电池系统是否已经关闭。如果系统关闭，则系统行进到块115以 确定阳极中的氢气水平是否超出最小浓度。通过以各种初始气体浓度(各种吸入时间)来 启动燃料电池并且不允许在阳极上进行任何清扫、冲洗或填充来进行测试，从而确定该值。 氢气将被输入到系统中，但没有任何排出。最小浓度一般大于约70 %，或大于约75 %，或大 于约80 %，或大于约85 %，或大于约90 %。
如果氢气水平未超出最小浓度，则系统在块120处行进到阳极冲洗功能，并紧接 着是块125处的阳极填充功能。如果需要的话，集管清扫功能可以在阳极冲洗功能之前。然 后在块130处，高压接触器闭合。阳极冲洗功能是这样的功能，其中利用通过阳极的高流率 以尽可能快地升高阳极流动通道内的氢气浓度而不超出排放限制。这通过使用具有高 <的 阀66来实现。阳极填充功能是对阳极进行的更缓慢的填充，该功能在阳极含有或者假定含 有阈值水平的氢气时被使用。在该情形中，需要缓慢的填充从而使得排放需求不会被违反。 这是通过使用更小的阀(例如排泄阀)来实现的。
如果在块115处氢气水平超出特定水平，那么系统行进到块130以闭合接触器。
如果在决策块105处系统确定所述燃料电池系统从备用状态退出，则系统行进到 块130以闭合接触器。
在这些路径中的任何路径下使高压接触器闭合之前，电池电压均被监测。这是通 过驱动被直接连接到堆的负载来实现的。任何在闭合接触器之前能够被直接应用到堆的负 载都可以被使用，例如，端电池加热器。当电池电压处于可接受的范围内时，高压接触器被 闭合。
在块130处接触器被闭合后，系统行进到决策块135以确定堆电压是否稳定。堆 电压的稳定性可以以本领域技术人员所已知的各种方式来确定。例如，在两个堆上测得的 最大电池电压和最小电池电压之间的电压差。可替代地，可以计算最小电池电压到平均电 池电压的比率。另一种方法包括在平均电池电压超出阈值后使用该电池电压的标准偏差。 可以按照需要来使用这些方法中的一种或多种(或其它合适的方法)。另外，一种或多种方 法可以被使用，同时堆仍处于负载下(例如，紧接在接触器闭合之后)。
如果堆电压不稳定，则系统行进到块140，以便进行使用了中心排放并行流动的电 压稳定化，其中排泄阀62打开。对于中心排放并行流动操作，排泄阀或中央排泄阀62被打 开，从而取代了排放阀50和52的顺序操作，并且两个喷射器38和44都同时操作，而不是 如上所述那样顺序地用于正常操作。在该电压稳定化期间，来自驱动器的任何负载需求都 被忽略。
然后系统返回到块135以确定堆电压是否稳定。如果堆电压稳定，则系统行进到 块145，并且开始运行功能150和电压稳定化功能155。这两个功能同时运行，从而减少了 启动时间。此时，电压稳定化功能将忠实于驾驶员功率请求，这是因为运行功能也正在同时 操作。
在图;3B中示出了同时进行的电压稳定化功能的一个实施例的细节。在块160处， 系统确定燃料电池系统是否已经转变至运行。如果燃料电池系统已经转变至运行，则系统 行进到块165，在块165处发生所述堆的并行流动，并且中央排泄阀62打开。在块170处， 计数器启动。该计数器是计时器，只要中央排泄阀62打开其便保持计数，或者保持计数直 至已经通过所测量的气体流量时为止。系统行进到决策块175，其中系统确定上升瞬变状 况是否存在。上升瞬变状况是这样的功能，其中使用独立测量和计算的信号来确定在从堆 中吸取的电流中将要发生显著增加。对上升瞬变状况的控制在美国公开2008/0081225和 2008/0187804中被加以描述，通过引用将其并入本文。阴极氧气设定点的变化率和阴极阀 位置命令的变化率可以被监测。一旦这些变化率大于阈值，则上升瞬变请求被设定。上升瞬 变请求可以具有与之相关联的某些特定滤波器。上升瞬变请求通常是负载需求中的阶跃变 化，其可以通过上述方法被检测到，或通过测量电流中的变化率被检测到。可以使用电流信 号，但其通常具有很多噪声。这使得为了满足动力需求以及满足排放目标要采取预防措施。 如果存在上升瞬变状况，则系统行进到决策块177并且确定是否存在充足的稀释流。如果 存在充足的稀释流，则系统返回到决策块175。如果在块177处不存在充足的稀释流，则系 统行进到块180，在块180处中央排泄阀62关闭。在块185处，计数器被暂停，并且系统返 回到决策块175。
如果上升瞬变状况不存在(或不再存在)，那么在块190处计数器恢复(如果其被 暂停)。在块195处，中央排泄阀打开(如果其关闭)。系统行进到决策块200，其中系统 确定计数器是否超出被校准的阈值，该被校准的阈值可以是预定时间或预定气体量。如果 计数器未超出被校准的阈值，则系统回到决策块175。通过对该系统的测试来确定该阈值。 许多因素都能够影响被校准的阈值，例如，没有同时发生电压稳定化的启动时间长度，氢气 消耗，以及堆的老化。作为示例，一种确定阈值的方法是将没有同时发生电压稳定化的启动 时间长度与使用了同时发生的电压稳定化的启动时间长度进行比较。如果没有同时发生电 压稳定化的启动花费了大约7秒，而使用了同时发生的电压稳定化的启动减少了大约2秒， 则阈值可以被设定为大约2秒，以确保之前输入的氢气水平和冲洗都得以满足。
如果计数器超出被校准的阈值，则系统继续到决策块205，其中系统确定是否存在 反应性排放需求。反应性排放需求是对系统中的异常的响应。导致反应性排放需求的主要 原因是电池中的氮气水平。如果阳极中的氮浓度超出阈值，则一个或多个电池电压通常将 以显著下降来响应。在前述系统中，当电压下降被检测到时，排放阀(例如，图2中所示的 排放阀50或52，其在流变换期间的时间仅一个打开)将被打开以尽可能多地清扫氮。然 而，在本系统中，在启动之后以及在开始运行期间，优选中心排放并行流动，因此排泄阀62 被打开。导致反应性排放需求的其它原因包括但不限于，堵塞流动通道的液态水，或冰的形 成。
如果系统检测到反应性排放需求，则其返回到决策块175。如果不存在反应性排放 需求，则电压稳定化功能在块210处结束。
该启动方法考虑到了从备用模式的快速退出，从而在正常启动序列中减少了到可 接受的驶离时的时间。该启动方法通过在启动序列完成后进一步增加阳极氢气浓度来改善 启动可靠性。另外，该启动方法还考虑到了由于系统变化以及非均勻的堆流动的缘故所致 的不完全阳极冲洗。
要注意的是，本文中关于实施例的部件被以特定方式“配置”，或具体化特定属性， 或以特定方式起作用的陈述均是与关于预期用途的陈述相对的结构性陈述。更具体地，本 文中对部件被“配置”的方式参考是指该部件的现有物理状况，同样地，也被认为是对部件 的结构因素的限定性陈述。
要注意的是，术语“以便”、“常常”、“通常”当在本文中被使用时，都不被用来限制 所要求保护的实施例的范围，也不暗示某些特征对于所要求保护的实施例的结构或功能而 言是关键的、必需的、或者甚至是重要的。相反，这些术语仅仅意在识别实施例的特定方面， 或者强调可以或者可以不用在特定实施例中的替代性或另外的特征。
为了描述和限定本文中的实施例的目的，要注意的是，本文使用了术语“基本上”、 “显著地”、以及“约”来表示不确定性的固有程度，其可归因于任何数量比较、值、测量、或其 它表述。术语“基本上”、“显著地”、以及“大约”在本文中还被用来表示数量表述可以从所 阐述的基准进行变化而不会导致讨论中的对象的基本功能变化的程度。
已经详细描述了本发明的实施例，并且通过参考本发明的具体实施例，各种可能 的修改和变型将变得明显，而不会背离所附权利要求中限定的实施例的范围。更具体地，尽 管本发明实施例的一些方面已经被看作是优选的或者特别有优势的，但是所设想的是，本 发明的实施例并不必被局限于这些优选方面。
权利要求
1.一种减少燃料电池启动时间的方法，包括 开始启动序列；在开始所述启动序列后，同时开始运行序列，所述运行序列包含支持所述燃料电池的 负载需求和稳定所述燃料电池的电压； 其中稳定所述燃料电池的电压包括提供氢气流至所述燃料电池并且打开阳极阀，其中所述氢气流持续以预定的氢气量或 预定时间；以及在所述预定的氢气量或所述预定时间被超出后结束电压稳定化，而包含了支持所述燃 料电池的负载需求的所述运行序列继续。
2.如权利要求1所述的方法，其中，进一步包括在提供所述氢气流至所述燃料电池并且打开所述阳极阀之后，确定是否存在上升瞬变 状况；如果所述上升瞬变状况存在，则确定是否提供了充足的稀释空气流以获得目标排气浓度；如果所述上升瞬变状况存在并且如果没有提供充足的稀释空气流，则关闭所述阳极 阀，暂停用于所述预定的氢气量或所述预定时间的计数器，并且返回到确定是否存在所述 上升瞬变状况；如果所述上升瞬变状况存在，并且如果提供了充足的稀释空气流，则返回到确定是否 存在所述上升瞬变状况；以及如果所述上升瞬变状况不存在或者当所述上升瞬变状况不再存在时，那么如果所述计 数器被暂停则恢复所述计数器，并且如果所述阳极阀被关闭则打开所述阳极阀。
3.如权利要求2所述的方法，其中，进一步包括如果所述上升瞬变状况不存在或当所述上升瞬变状况不再存在时，确定所述预定的氢 气量或所述预定时间是否被超出；如果所述预定的氢气量或所述预定的时间被超出，则确定是否存在反应性排放需求； 如果所述反应性排放需求存在，则返回到确定是否存在上升瞬变状况； 如果所述反应性排放需求不存在，则结束电压稳定化。
4.如权利要求3所述的方法，其中，确定是否存在所述反应性排放需求包括，确定电池 电压是否小于预定电压。
5.如权利要求1所述的方法，其中，进一步包括在提供所述氢气流至所述燃料电池并且打开所述阳极阀后，使用于所述预定的氢气量 或所述预定时间的计数器开始启动，并且确定是否存在上升瞬变状况；如果所述上升瞬变状况存在，则确定是否提供了充足的稀释空气流以获得目标排气浓度；如果所述上升瞬变状况存在并且充足的稀释空气流未被提供，则关闭所述阳极阀，暂 停用于所述预定的氢气量或所述预定时间的计数器，并且返回到确定是否存在所述上升瞬 变状况；如果所述上升瞬变状况存在并且提供了充足的稀释空气流，则返回到确定是否存在所 述上升瞬变状况；如果所述上升瞬变状况不存在或当所述上升瞬变状况不再存在时，那么如果所述计数 器被暂停则恢复所述计数器，并且如果所述阳极阀被关闭则打开所述阳极阀； 确定所述计数器是否超出所述预定的氢气量或所述预定的时间； 如果所述计数器未超出所述预定的氢气量或所述预定时间，则返回到确定是否存在所 述上升瞬变状况；如果所述计数器超出所述预定的氢气量或所述预定时间，则确定是否存在反应性排放 需求；如果所述反应性排放需求存在，则返回到确定是否存在所述上升瞬变状况；以及 如果所述反应性排放需求不存在，则结束电压稳定化。
6.如权利要求5所述的方法，其中，确定是否存在所述上升瞬变状况包括，确定阴极氧 气设定点的变化率，或阴极阀位置的变化率，或电流的变化率是否超出预定值。
7.如权利要求5所述的方法，其中，如果所述上升瞬变状况存在，则增加所述氢气流。
8.如权利要求5所述的方法，其中，确定是否存在所述反应性排放需求包括，确定电池 电压是否小于预定电压。
9.如权利要求5所述的方法，其中，到所述燃料电池的氢气流是采用了中心排放的并 行流动。
10.如权利要求1所述是方法，进一步包括在同时进行支持所述燃料电池的负载需求和稳定所述燃料电池的电压之前，确定所述 燃料电池系统是否正在离开备用状态；如果所述燃料电池系统未离开备用状态，则确定是否所述燃料电池系统关闭； 如果所述燃料电池系统关闭，则确定所述燃料电池的阳极侧是否具有最小氢气浓度； 如果不具有所述最小氢气浓度，则提供氢气至所述阳极侧；如果所述系统正在退出备用状态，或如果具有所述最小氢气浓度，或者在提供氢气至 所述阳极侧之后，则闭合高电压接触器；在闭合所述高电压接触器之后，确定堆电压是否稳定；以及 如果所述堆电压不稳定，则打开所述阳极阀，并且返回到确定所述堆电压是否稳定。
全文摘要
本发明涉及在燃料电池系统中减少直至可接受的驶离时的时间的方法。具体地，描述了减少燃料电池启动时间的方法和系统。一种减少启动时间的方法包括同时开始包括了支持燃料电池负载需求和稳定燃料电池电压的运行序列；其中，稳定燃料电池电压包括提供氢气流至该燃料电池并且打开阳极阀，其中该氢气流持续以预定的氢气量或预定时间；以及，在所述预定的氢气量或所述预定时间被超出后结束电压稳定化，但使包括了支持所述燃料电池负载需求的运行序列继续。
文档编号H01M8/04GK102034997SQ201010508219
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月8日
发明者A·乔扈里, S·E·莱尔纳, S·G·格贝尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司