燃料电池中的补救启动方法

专利名称：燃料电池中的补救启动方法
补救启动方法技术领域
本发明总体上涉及燃料电池，更具体地说涉及燃料电池系统的启动方法。
技术背景
汽车用途的燃料电池系统的启动涉及可靠性、耐久性与直至可接受驶离的时间 (启动距离)之间的平衡。可靠性涉及确保在膜两侧的整个活性区域有足够的反应物，以便 可以支持全电流。这必须在不超过氢排放要求的情况下完成。还有一些因素，例如硬件布 局、硬件可靠性、或者各种环境条件(如温度、压力、和湿度)，也会影响用以成功启动燃料 电池系统的策略。
耐久性涉及在阳极上的空气/ 锋面的适当缓和。经过电池的空气/ 锋面速度与 电池退化之间的关系已得到了确定。为了减小电池退化的影响，必须提高锋面速度。但是， 在汽车应用中，锋面速度的提高会受到氢排放要求以及由压缩机提供的可用稀释空气的限 制。
在任何情况下，为了使顾客满意，期望减小启动距离。同样，这受到氢排放要求的 限制，并且由于反应物的不均勻流动特性，因此还要受到充分地且均勻地向电池堆活性区 域提供反应物的能力的限制。
在正常启动中，对可靠性、耐久性、和启动距离的关注是大致相同的。在典型的启 动策略中，需要把系统内的初始气体成分当作给控制器的输入，以便系统可以决定以最优 化的方法来启动。


图1 图2示出了燃料电池系统及正常启动方法的一个实施例。于2007年9月 21 日提交的、名称为Method for Fast and Reliable FuelCell Systems Start-ups(快速 及可靠的燃料电池系统启动方法)的、序列号为11/859，300的美国专利申请中更加全面地 描述了该系统及方法，该专利申请通过引用并入本文。许多其它的实施例是可能的。
图1示出了包括第一分燃料电池堆(split fuel cell stack) 12和第二分燃料电 池堆14的燃料电池系统10。压缩机16通过常闭阴极输入阀20在阴极输入管路18上向 电池堆12和14提供阴极输入空气。阴极废气在管路M上从分电池堆12输出，并且阴极 废气在管路26上从分电池堆14输出，阴极废气在管路沈处并入单一的阴极输出管路观。 常闭阴极背压阀30控制阴极废气经过管路观的流动。输入管路18与输出管路观之间的 阴极旁通管路32允许阴极输入空气绕过电池堆12和14。常闭旁通阀34控制阴极空气是 否绕过电池堆12和14。如果阀20和30关闭并且阀34打开，那么来自压缩机16的空气将 会绕过电池堆12和14。通常，会在阴极输入管路18中的适当位置设置阴极加湿单元(未 图示)。
在这种布置中，电池堆12和14采用了阳极流变换(anodeflow-shifting)，其中， 阳极反应气体以本领域技术人员熟知的方式以预定循环来回地流经电池堆12和14。喷射 器38将氢气从氢气源40经由阳极管路42喷射至分电池堆12，喷射器44以交替的顺序将 氢气从氢气源40经由阳极管路48喷射至分电池堆14。连接管路M使电池堆12的阳极侧与电池堆14的阳极侧相连。
水分离器60联接到连接管路M，并且收集在电池堆12与电池堆14之间的阳极气 流中的水。可以利用周期性打开的常闭排水阀62在管路64上将水排到阴极废气管路28。 此外，可以在连接管路M中设置阳极废气排气阀66。
如上所述，期望对电池堆12和14的阳极侧进行周期性排气，以去除否则可能会稀 释氢气并影响电池性能的氮气。为达到此目的而设置常闭排气阀50和52。当指令进行阳 极排气时，根据氢气的当前流动方向打开排气阀50或52，并将排出的阳极废气送到阴极废 气管路观。特别地，如果在触发排气时氢气正从气源40喷入分电池堆12，那么打开排气阀 52。同样，如果在触发排气时氢气正从气源40喷入分电池堆14，那么打开排气阀50。在 正常排气持续期间通常会发生数次流变换，使得排气阀50和52不得不随着流切换(flow switching)及时地开闭数次。
燃料电池堆12和14产生电流。在正常的电池堆运行期间，由电池堆12和14产 生的电流用于驱动系统负荷，例如车辆上的电牵引系统(ETS)。在关闭程序期间，由电池堆 12和14产生的电流可以用于给电池58充电或者被其它系统部件消耗，然后被电阻68消^^ ο
在一个系统关闭程序中，压缩机16停止，并且阀20和30关闭以密封电池堆12和 14的阴极侧。继续使氢气流动，以便将电池堆12和14中的任何剩余的氧气都消耗掉。由 电池堆12和14产生的电流被送至电池58。当电池堆功率下降到另一预定水平时，把接触 器打开，并将电池堆负荷切换到电阻68。特别地，一旦电压下降到固定的截止电压，就将电 池堆负荷切换到电阻68。截止电压可以是DC/DC转换器(未图示)的下限、或者功率器件 的下限。电池负荷的目的是消耗和/或存储任何否则会被浪费的能量。这也会降低电阻负 荷的能耗需求。
一旦电池堆12和14中的氧气已被消耗掉，就关闭氢气流，并将阀50、52、62和66 关闭以密封电池堆12和14的阳极侧。当系统10以这种方式被关闭时，电池堆12和14在 阴极侧和阳极侧均包含队/吐混合物。随着时间的推移，空气会漏入电池堆12和14中，电 池堆12和14中的氢气将会开始消耗氧气。另外，氢气将会缓慢地从电池堆12和14泄漏 出。结果，电池堆12和14内的气体成分将会随着时间的推移在氮气中富氢混合物与水中 富氢混合物之间变为空气混合物。
启动时用于吹扫电池堆12和14的氢气的量，可基于电池堆12和14的阳极侧的容 积、电池堆12和14的温度、以及电池堆12和14内的压力来计算。流入电池堆12和14中 的氢气应当大致为一倍阳极容积。如果不足量的氢气流入电池堆，那么在燃料电池的一些 中可能留有压/02锋面。如果有过多的氢气流入第一电池堆，那么过量的氢气就会浪费到废 气中，并且可能会通过压缩进入第二电池堆，从而产生会导致过分电压退化的停滞的氢气/ 空气锋面。计算电池堆12和14中每一个的循环容积，并且在启动期间将此信息与氢气流 量相结合来确定第一电池堆的吹扫时间。
图2A 2B为流程图70，图中示出了特别是在冷启动期间用于快速及可靠地启动 燃料电池系统10的方法。在方框72中，为了氢气输出稀释目的而启动压缩机16。系统启动 的最初部分包括启动压缩机16，以给由于启动程序而收集在废气中的氢气提供稀释空气。 然后算法在决定菱形框74中确定电池堆12和14是否由于它们已经关闭的时间而充满了空气，如果充满空气，那么在方框76中利用集管吹扫来启动阳极集管的冲洗。这提供了在 电池堆冲洗之前从电池堆12和14的集管中去除空气和氮气的技术。在集管已经被吹扫之 后，电池堆冲洗可提供经过阳极流场的大流量氢气，从而使由于氢气/空气锋面所引起的 启动退化最小化，如上所述。
然后在方框78中，算法通过打开排水阀62使阳极流继续，同时流到燃料电池堆 12和14中，以便继续用氢气填充阳极集管。在这个流动过程中，同时使用喷射器38和44， 以使氢气均勻地流动经过燃料电池堆12和14。在此阶段，所有的大阀都关闭以允许受控 良好且低流量的氢气喷射。打开的阀通常具有小孔。可替代地，可以使用脉冲宽度调制的 大阀来有效地提供小阀。通常基于燃料电池堆12和14的阳极出口压力来控制氢气喷射器 38和44。但是，在这种情况下，喷射器38和44将会把模式切换为流量控制，在流量控制中 将对流量进行计量，使得在当与阴极废气混合时不引起废气排放超过预定氢气浓度的情况 下，流量尽可能地高。因此，会根据阴极稀释流来实时改变氢气流量。
在决定菱形框74中，如果电池堆中未充满空气，那么算法会跳过方框76的电池堆 冲洗步骤，直接进入方框78中的提供阳极流的步骤。
同时，应当有限制喷射器流38和40的峰值阳极压力。换句话说，需要了解阴极废 气的流量，并且基于喷射器占空比来估计阳极流量。应当对喷射器38和44加以控制以便 产生尽可能高的流量，从而产生小于预定阈值的排放，并且使得阳极压力不超过预定压力 (例如150kPa)。基于把自上次关闭以来的时间作为输入并且输出应当流动的氢气的最小 阳极容积数的函数来确定该流的持续时间。
然后在决定菱形框80中，算法确定这是否为第一次经过启动循环，并且是否执行 了阳极侧冲洗。如果这两个条件都得到满足，那么算法在方框82中使阴极空气绕过燃料电 池堆12和14并持续阳极流的一些持续时间，例如一半。当使阴极空气绕过燃料电池堆12 和14时，可渗透经过膜的额外空气未被加到阴极侧。换句话说，期望在空气被引入阴极侧 之前用氢气完全填充阳极侧，以便氢气渗透通过膜而不是空气，从而减少在燃料电池堆12 和14的阳极侧上的氢气/空气锋面。
一旦阴极空气已针对预定阳极容积的流绕过电池堆12和14，那么在方框84中算 法使阴极空气针对剩余的阳极流流过燃料电池堆12和14。如果在方框76中这不是第一次 通过控制循环或者未发生电池堆冲洗，那么在方框86中算法会直接进入使阴极空气流经 燃料电池堆12和14的步骤。
接着，在方框88中，算法继续阳极流并且接合联接到燃料电池堆12和14的作为 负荷的下拉电阻68，直到满足两个条件中的一个条件为止，S卩，最小电池电压大于预定电压 值(例如700mV)、或者已经过去了预定的时段(例如10秒)。通过在电池堆12和14上设 置负荷，而跨电池堆12和14产生电压降，该电压降更加接近地匹配与系统10中的高压电 池58相联接的高压母线(未图示)。特别地，算法利用电池堆电压响应来施加负荷以通过 把辅助负荷联接到燃料电池堆来评估氢气和氧气是否被充分地分配到所有燃料电池中。该 步骤是算法提供快速可靠的启动的方法之一，该算法通过保证最小电池电压为足够高或者 在阳极流通道中有足够的氢气使得电池堆12和14的运行稳定，来提供快速可靠的启动。如 果电池堆12和14是正常的并且不存在问题，那么算法将会非常快速地进行通过控制循环 的这些步骤。但是，如果电池堆12和14已经显著老化、或者由于某些其它原因而退化，那么在启动程序期间算法等待的时段将会给电池堆12和14提供更好的情况，从而以稳定的 方式启动。
一旦最小电池电压大于预定的电压值、或者预定时段已经届满，在方框90中算法 就会关闭到高压母线的电池堆接触器，以允许电池堆12和14在系统10的正常负荷下运 行。然后，在方框92中算法利用与多达电池堆12和14的最大极限同样多的燃料电池系统 部件来给电池堆12和14施加负荷并持续预定的时段(例如7秒)，以测试电池堆12和14 并判断它们是否将正常运行。
然后，在决定菱形框94中算法确定最小电池电压是否已降至预定电压(例如 400mV)。如果电池堆12或14中任一个电池堆的最小电池电压在预定电压以下，那么启动 的可靠性下降。然后，算法进入方框96，将允许从电池堆12和14中提取的最大功率最小 化，以试图努力使最小电池电压升高至预定值以上。
算法还在决定菱形框98中确定最小电池电压是否已降至另一个较低的预定电 压(例如200mV)以下，或者最小电池电压降低速率是否超过预定的电压降低速率(例如 1000mV/sec)。如果这两个条件都不满足，那么算法返回方框92给电池堆12和14另一尝 试，以将它们的最小电池电压升高到第一预定电压值以上。
如果在决定菱形框94中最小电池电压不低于第一预定电压值，那么分电池堆12 和14可以适当地运行。然后，算法在决定菱形框100中确定从电池堆12和14所允许的最 大功率是否低于预定值(例如90kW)。如果最大电池堆功率在预定值以下，那么电池堆12 和14在启动程序期间没有足够快地提高它们的最大功率输出，这意味着电池堆12和/或 14可能是不稳定的。
如果在决定菱形框98中最小电池电压低于第二预定电压值、或者最小电池电压 降低速率大于预定电压降低速率，或者在决定菱形框100中电池堆12和14没有达到允许 的最大功率，那么算法在决定菱形框102中确定电池58是否可以在启动程序期间支持另一 个循环。如果有足够的电池功率并且在循环中的重复次数低于预定值(例如8次)，那么在 方框104中打开电池堆接触器。另外，在方框106中，算法把从电池58中提取的最大功率 限制为某个预定的最大值(例如20kW)或者可用最大电池功率中的较小值。然后，算法进 入方框78中的给电池堆12和14提供阳极流的步骤(其中，在决定菱形框80中对“这是否 为第一次通过循环”的回答将会为“否”)，从而增加在循环中所执行的重复的次数。
如果在决定菱形框102中电池58不能支持循环中的另一次重复、或者已经达到循 环中的最大重复次数，那么在方框108中系统10被设置为允许车辆以有限功率运行的性能 降低模式，以便可以把车辆驾驶到维修站或其它安全位置。
在决定菱形框100中，如果允许的最大功率大于预定值，那么算法在方框110中修 改查找表，该查找表用于确定已让多少阳极容积的氢气流入阳极流场。如果所需阳极流的 量较高，那么在系统的软件中会持续地更新该表。这样，启动时间在将来可延长自上次关闭 以来的新时间，但系统的可靠性得以提高。基本上，所述表格将适应为电池堆使用年限。一 旦表格被更新，算法将会在方框112中进入全系统运行并开始阳极流变换。
尽管普通的启动方法在大多数时间工作良好，但在某些情况下初始的气体浓度是 未知的。例如，前一次关闭可能未恰当地完成、启动可能已经失败、或者系统可能已经损失 电池电压。在这种情况下，初始的气体浓度可能是未知的，这可能会导致燃料电池启动过程中的问题。
因此，需要一种在非标准条件下提供良好的可靠性同时不超过排放要求的启动方法。发明内容
用于启动燃料电池系统的补救方法满足这些要求。在一个实施例中，该方法包括 确定是否需要补救方法；向燃料电池堆的废气提供空气；设定到燃料电池堆的阳极侧的氢 气流量；以该氢气流量向燃料电池的阳极侧提供预定体积的氢气；在向阳极侧提供预定体 积的氢气之后向燃料电池堆的阴极侧提供预定体积的空气，同时继续向燃料电池堆的废气 提供空气，并且向燃料电池堆的阳极侧提供氢气；在向阴极侧提供了预定体积的空气之后 确定电池堆电压是否稳定；以及，在电池堆电压稳定之后关闭阳极出口阀。
本发明还涉及以下技术方案
方案1. 一种用于启动燃料电池系统的补救方法，包括
确定是否需要所述补救方法；
向燃料电池堆的废气提供空气；
设定到所述燃料电池堆的阳极侧的氢气流量；
以所述氢气流量向所述燃料电池的阳极侧提供预定体积的氢气；
在向所述阳极侧提供预定体积的氢气之后，向所述燃料电池堆的阴极侧提供预定 体积的空气，同时继续向所述燃料电池堆的废气提供空气，并向所述燃料电池堆的阳极侧 提供氢气；
在向所述阴极侧提供了预定体积的空气之后，确定电池堆电压是否稳定；以及
在所述电池堆电压稳定之后，关闭阳极出口阀。
方案2.如方案1所述的方法，其特征在于，用阳极到阳极的废气压力差来设定所述氢气流量。
方案3.如方案2所述的方法，其特征在于，所述氢气流量被控制为氢气排放废气 目标。
方案4.如方案1所述的方法，其特征在于，用下列方程式来设定所述氢气流量
权利要求
1.一种用于启动燃料电池系统的补救方法，包括 确定是否需要所述补救方法；向燃料电池堆的废气提供空气； 设定到所述燃料电池堆的阳极侧的氢气流量； 以所述氢气流量向所述燃料电池的阳极侧提供预定体积的氢气； 在向所述阳极侧提供预定体积的氢气之后，向所述燃料电池堆的阴极侧提供预定体积 的空气，同时继续向所述燃料电池堆的废气提供空气，并向所述燃料电池堆的阳极侧提供 氢气；在向所述阴极侧提供了预定体积的空气之后，确定电池堆电压是否稳定；以及 在所述电池堆电压稳定之后，关闭阳极出口阀。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用阳极到阳极的废气压力差来设定所述氢气流量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氢气流量被控制为氢气排放废气目标。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用下列方程式来设定所述氢气流量γ Exh-Exh 'Vlv _ ^2 Air nH2 _ J __γ Exh Η2其中，为经过阀的期望氢气流量 ？^^为目标废气浓度 hff为用于废气中稀释的可用空气流量IfY ην *4 633 V PAn = ^H2k j *MW*T + Plh其中，PAn为阳极压力设定点为如之前计算的期望氢气流量 Kv为等效阀流量系数 MW为氢气的分子量 T为气体温度 PExh为废气(下游)压力。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过打开氢气供给阀和阳极出口阀来向所 述燃料电池堆的阳极侧提供氢气。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定是否需要所述补救方法包括确定所述 燃料电池系统是否经历了快速停止、启动失败、或者电池电压损失。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定电池堆电压在每电池约600mV到约 900mV的范围内。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供给所述燃料电池阴极侧的空气量与提 供给所述燃料电池的废气的空气量之比小于约10%。
9.如权利要求1所述的方法，还包括当获得预定电池堆电压时，在把空气导入所述燃 料电池堆的阴极侧之后，关闭高电压接触器。
10.如权利要求1所述的方法，还包括在确定所述电池堆电压之前关闭高电压接触
全文摘要
本发明涉及燃料电池中的补救启动方法。具体地，描述了一种用于启动燃料电池系统的补救方法。该方法包括确定是否需要补救方法；向燃料电池堆的废气提供空气；设定到燃料电池堆阳极侧的氢气流量；以所述氢气流量向燃料电池的阳极侧提供预定体积的氢气；在向阳极侧提供预定体积的氢气之后，向燃料电池堆的阴极侧提供预定体积的空气，同时继续向燃料电池堆的废气提供空气并向燃料电池堆的阳极侧提供氢气；在向阴极侧提供了预定体积的空气之后，确定电池堆电压是否稳定；以及，在电池堆电压稳定之后关闭阳极出口阀。
文档编号H01M4/1397GK102034970SQ20101050822
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