控制功率轉換和空閑期間的pem燃料電池電壓的制作方法
【專利摘要】車輛（150）中的燃料電池堆（151）的控制器（185）響應于較低需求而致使轉移器（172）將來自所述陰極（19）的所有空氣導向，除了產(chǎn)生足夠的電力以將電池電壓限制到安全空閑電壓閾值所需的空氣之外，致使在能量存儲系統(tǒng)（201）中存儲足以將電池電壓限制到所述空閑電壓閾值的電力，除非SOC太高，將電壓限制負載（220）連接到一定大小的堆以消耗不被輔助性的BOP消耗的所有電力，或者，對于較長的空閑，使所述堆缺乏空氣并且從存儲為BOP供電。響應于需求信號中的增加，所述控制器致使所有空氣流向所述陰極。響應于關閉信號（233）或啟動信號（193），所述控制器導致停機例程或啟動例程，在其每個中所生成的所有電力被存儲以將燃料電池電壓保持在閾值以下，或者在所述電壓限制負載中被消耗。
【專利說明】控制功率轉換和空閑期間的PEM燃料電池電壓
【技術領域】
[0001 ] 在啟動、停機和功率減小轉換以及空閑期間，PEM燃料電池發(fā)電裝置選擇性地存儲電能，或者在電壓限制裝置中耗散該能量，或者轉移陰極空氣，或者使用它們的組合。
【背景技術】
[0002]如下是已知的:在高電池電壓狀態(tài)(例如，高于大約0.87V)期間發(fā)生的質子交換聚合物電解質膜(PEM)燃料電池的無定形碳催化劑載體和金屬催化劑的腐蝕導致燃料電池性能的永久性衰退。在停機期間，除非使用惰性氣體驅氣，空氣將緩慢地、均勻地填充所述燃料電池的陽極和陰極流場兩者。在啟動期間，氫氣被饋送到所述陽極流場，這導致到所述陽極流場的入口主要是氫氣，而所述陽極流場的出口主要是空氣。這將與所述陽極上的空氣富集區(qū)域相對的所述陰極的電勢升高到對標準氫電極的1.4-1.8伏的電勢。此電勢導致基于碳的催化劑載體腐蝕并且導致降低的電池性能。
[0003]在可能經(jīng)歷50，000 - 100，000個啟動/停機循環(huán)的汽車應用中，這導致災難性的性能損失。至今，對此問題的解決方案包括在所述停機和啟動過程期間通過用惰性氣體(諸如氮氣)驅氣所述陽極流場來穩(wěn)定所述燃料電池堆并且維持跨越所述燃料電池堆的輔助負載。更新近的解決方案要求遍及所述堆(燃料和空氣)和相關聯(lián)的管路維持氫氣富集氣體。
[0004]在汽車應用中，惰性氣體的可用性以及使用它來驅氣的裝置將是高得驚人的復雜且昂貴。氫氣富集氣體的維持也將要求設計復雜性。輔助負載的使用要求由此所產(chǎn)生的熱量的耗散。
[0005]在汽車應用中，PEM燃料電池發(fā)電裝置典型地具有非常寬的范圍的需求，擺動到非常低的需求導致開路電壓狀態(tài)。在開路電壓狀態(tài)下，相對高的陰極電壓導致陰極催化劑腐蝕，這而又導致過度的性能衰退。因為這樣的燃料電池在功率需求上也具有突然的增加，到所述陰極的反應物空氣流必須是可用的以滿足這樣的需求，并且因此所述空氣泵在低需求期間必須持續(xù)工作以便適應對功率的更高需求的快速恢復。
[0006]在專利公開US 2006/0068249 Al中，在燃料電池堆的啟動和停機或其他功率減小轉換期間，由其中的反應物的消耗所產(chǎn)生的寄生能量以電能的形式被提取并且被存儲在與所述燃料電池發(fā)電裝置相關聯(lián)的能量存儲設備中。所公開的是升壓配置和降壓配置，當所述燃料電池堆的電壓低于在其處將能量存儲在所述能量存儲設備中是所期望的電壓時所述升壓配置是有用的，當所述堆的電壓大于在其處能量將被存儲在所述能量存儲系統(tǒng)中的電壓時所述降壓配置是有用的。
[0007]在專利公開US 2009/0098427 Al中，響應于低功率需求(其可能導致高陰極電壓狀態(tài)，諸如大于每電池0.87伏)，由鼓風機提供的反應物空氣被迅速地轉移到環(huán)境中。所述鼓風機在低輸出功率需求期間以比所需要的更高的水平被運行并且因此準備好對輸出功率需求的迅速增加做出響應。
[0008]每當在輸出功率需求中存在迅速下降時，可以將可選的輔助負載與正常負載并聯(lián)連接，由此耗散在消耗所述堆中剩余的氧氣(換句話說，在所述流場中并且被吸附在所述催化劑上的殘留的氧氣)的過程中產(chǎn)生的電力。所述輔助負載可以被來自所述鼓風機的空氣冷卻，所述空氣在低需求期間被轉移到環(huán)境中。
[0009]在某些汽車應用(作為例子，諸如包裹遞送和城市乘客巴士)中，功率需求減小到空閑狀態(tài)是頻繁的。對于典型的公共汽車路線，所述公共汽車一天將僅啟動一次或兩次，但是將經(jīng)歷多達1200次停車/開車循環(huán)，在所述公共汽車慢下來之處，所述需求轉到空閑狀態(tài)，并且在其之后所述公共汽車恢復全功率需求。因此，針對所述燃料電池堆的不同狀態(tài)以適當?shù)姆绞娇刂齐姵仉妷菏潜匾摹?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]如下已經(jīng)被確定:當燃料通道被部分地充滿空氣時，當?shù)剿龆训娜剂媳婚_始或停止時，發(fā)生啟動和停機損失。在所述燃料電池堆被停機時空氣沖到所述通道中，并且在所述燃料在啟動期間被供應給它們時其變成被部分地充滿燃料。這導致在陽極和陰極側兩者上的通道中具有空氣的電池區(qū)域具有局部電壓中的反轉，這導致高的局部電壓，伴隨附帶的高腐蝕。這些電壓可以達到大約1.20V。
[0011]然而，歸因于停車和開車功率循環(huán)的電池電壓在0.90到0.95電壓狀況中，這導致比在啟動和停機期間低得多的損失。但是因為停車和開車在一天中發(fā)生多達1200次循環(huán)，所以與在給定的一天中僅一次或兩次停機和啟動比較，由所述停車和開車循環(huán)帶來的損害可能是非常限制壽命的。
[0012]在此處，將啟動和停機與停車和開車不同地對待。當正常操作中的燃料電池發(fā)電裝置的功率需求被減小到在其處燃料電池電壓上升到或高于閾值水平的點時，空氣被立即地從所述燃料電池的陰極轉移以將所產(chǎn)生的輸出功率限制到操作點，這將所述電池電壓從否則其將達到的水平減小到處于或低于所述閾值水平的水平。所述轉移器閥將陰極空氣流的量限制到產(chǎn)生用于所述輔助性的電站配套(BOP)設備負載的功率所需的量，被稱為“滲氣”，同時將電池電壓維持在處于或低于所述閾值水平。
[0013]除了所述BOP負載之外，如果所述存儲設備低于閾值電荷狀態(tài)(S0C)，則所述能量存儲系統(tǒng)被命令以消耗足夠的附加功率，以將電池電壓維持在處于或低于如下這樣的電壓水平:所述電壓水平在由所述系統(tǒng)穩(wěn)定到所述空閑狀態(tài)時的過渡所引起的變化期間被認為是安全的。這可以是大約每電池0.87伏。
[0014]否則，所述堆被連接到次級設備，諸如電壓限制負載(VLD)，其被配置為允許操作所述輔助性的(寄生的)電站配套設備，同時耗散足夠的功率以限制所述電池電壓處于或低于閾值水平。
[0015]根據(jù)下面的示例性實施例(如附圖中所示出的)的詳細的描述，其他變化將變得更加顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是在其中可以實現(xiàn)本模式的具有空氣轉移器和空氣冷卻的電壓限制負載的燃料電池發(fā)電裝置的示意性框圖。
[0017]圖2是用以幫助實現(xiàn)本模式的簡化的、示例性的監(jiān)督控制程序的流程圖。
[0018]圖3是用于控制停車和開車操作期間的電池電壓的簡化的、示例性的程序的流程圖。
[0019]圖4是其在實現(xiàn)此處的模式時可以被用于將燃料電池發(fā)電裝置停機的簡化的、示例性的程序的流程圖。
[0020]圖5是其在實現(xiàn)本模式時可以被用于啟動燃料電池發(fā)電裝置的簡化的、示例性的程序的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]參考圖1，車輛150包括燃料電池堆151，其包括多個鄰接的燃料電池，每個燃料電池具有在陽極17和陰極19之間的質子交換膜16，在圖1中僅顯示了一個燃料電池12。所述燃料電池堆151的正端子和負端子處的電輸出被一對線155、156通過開關158連接到電力或混合車輛推進系統(tǒng)159。
[0022]水循環(huán)系統(tǒng)具有儲水器164，所述儲水器164具有排氣口 165、壓力控制調(diào)整閥166、水通道84、86、88、89、散熱器和風扇168、169 (其選擇性地可操作用于冷卻在所述系統(tǒng)中循環(huán)的水)、以及水泵170。入口 173處的環(huán)境空氣由泵(諸如鼓風機174、壓縮機等等)通過雙向轉移器閥172提供給所述陰極19的氧化劑反應物氣體流場，并且由此通過壓力調(diào)節(jié)閥175到達排氣裝置176。氫氣從源179通過流量調(diào)節(jié)閥180 (其可以是壓力調(diào)節(jié)閥)被供應到所述陽極17的燃料反應物氣體流場，并且由此通過驅氣閥181到達排氣裝置182。燃料再循環(huán)回路包括泵183。
[0023]控制器185響應于由電流檢測器186確定的負載電流以及響應于跨越所述線155、156的電壓；它也可以具有在線187上提供的所述堆的溫度。所述控制器控制線190之上的閥180以及線191之上的閥172，以及控制所述其他的閥166、175、181、所述開關158、以及所述泵170、174，如在圖1中所顯示的。
[0024]所述控制器185響應于線193_195、223上的來自所述車輛推進系統(tǒng)159的啟動、速度、需求和關閉控制信號，其將指示所述燃料電池何時應當開始工作，以及由所述車輛推進系統(tǒng)所要求的功率的量。每當在所述線193之上將啟動信號從所述車輛推進系統(tǒng)159發(fā)送到所述控制器185時，來自所述控制器的信號將導致所述閥180、181以及所述泵183被適當?shù)夭僮饕韵蛩鲫枠O17的所述流場提供燃料反應物氣體，并且所述閥172和175以及所述泵174將被適當?shù)夭僮饕韵蛩鲫帢O19的所述流場提供環(huán)境空氣。在下文中關于圖4描述了簡化的、示例性的啟動例程303。
[0025]在已向所述電池均勻地提供了足夠量的燃料和空氣時，所述控制器185將在所述線155、156上檢測到合適的電壓。在那時，所述控制器可以關閉開關158以便將所述燃料電池堆151連接到所述車輛推進系統(tǒng)159。
[0026]在啟動或停機期間，存儲控制200可以通過將其應用到能量存儲系統(tǒng)201來耗散被存儲在所述燃料電池堆中的能量，在本實施例中所述能量存儲系統(tǒng)201是所述車輛推進系統(tǒng)159的電池。在其他實施例中，所述能量存儲系統(tǒng)201可以是一些其他電池，其可以是電容器、或飛輪，或者其可以是一些其他能量存儲裝置。倘若所述電流SOC是適當?shù)?，則所述能量存儲裝置200、201將分別在高或低需求期間幫助提供或吸收電力。
[0027]所述雙向轉移器閥172被調(diào)節(jié)以將來自所述泵174的空氣不提供、部分提供或全部提供給所述陰極19的所述氧化劑反應物氣體流場。當所述負載需求下降到在其處所述燃料電池接近開路電壓的點時，諸如當所述車輛減速、停止或下坡行進時，線191上的來自所述控制器的信號調(diào)節(jié)所述閥172以立即地將所述空氣中的一些或全部轉移到環(huán)境中。在低需求期間，所述空氣泵可以以超出所述燃料電池中所需的氣流的空氣流速被操作，以便所述堆能夠快速地響應增加的需求。在具有計量閥172的本發(fā)明的任何給定的實現(xiàn)中，所述控制器可以在所述線191上提供作為所述負載的反函數(shù)的信號，以便所述轉移器閥172將適當比例量的空氣轉移到環(huán)境中。
[0028]通過利用所述轉移器閥172來傾卸所述空氣，所述泵174可以保持運轉并且流向所述陰極的空氣的量被立即減少以便僅少量的殘留空氣保留在所述陰極流場中以及所述電極結構中。在一些實施例中，所述泵174的速度可以在低負載期間被減小，或者甚至被停止。
[0029]剛剛描述的裝置結合次級設備(諸如功率耗散電壓限制負載220)而被使用，響應于線222上的信號，所述功率耗散電壓限制負載220被所述控制器通過開關221連接到所述燃料電池輸出線155、156。在此實施例中，當來自所述泵174的空氣流傳到并且通過所述轉移器閥172以排出時所述電壓限制負載220被所述來自所述泵174的空氣流冷卻。這允許從所述陰極中的殘留的氧氣更多地耗散能量。所述電壓限制負載220被置于所述轉移器閥172的下游，以便在正常操作期間，不存在跨越其的壓力降。此實施例在空氣由于跨越所述電壓限制負載220的壓力降而被所述閥172轉移時將需要到所述陰極的空氣流的較不迅速的變化。所述電壓限制負載可以包括除電阻性負載之外的次級設備。
[0030]如下是優(yōu)選的:所述電壓限制負載220的物理位置使得其也被環(huán)境空氣冷卻?？商娲?，所述輔助負載可連接在所述泵174和所述閥172之間。
[0031 ] 此模式也可以在靜止的和其他類型的燃料電池發(fā)電裝置中被使用。
[0032]為了利用此處的模式，控制的方案是有益的。此處的示例性的實施例的公開代表示出了該模式的總的、宏觀的功能步驟和關系，但是不一定具備針對利用該模式的燃料電池發(fā)電裝置的操作的足夠的細節(jié)，但是，如將顯現(xiàn)的，其他現(xiàn)有細節(jié)是常規(guī)的并且在本領域中是已知的。假定此后所描述的示例性例程按照重復的方式被處理，取決于所涉及的參數(shù)中的轉換的定時。對于城市公共汽車，此處的例程可以在充分控制的情況下被達到每秒I和3次之間。在這些所公開的例程中，標志被用于將所述程序從一種狀態(tài)推進到另一種狀態(tài)。這些標志在它們的被放置到這樣的狀態(tài)中的模式被公開之前的時刻被描述。然而，所有標志貫穿全部被完全描述。
[0033]在圖2中，通過進入點225進入簡化的示例性監(jiān)督例程224。第一測試227確定是否已經(jīng)設置啟動標志。如果所述發(fā)電裝置被停機、正在運行或者在被停機的過程中，則其將不處于啟動的過程中，并且測試227的結果將是否定的。相似地，測試230確定是否已經(jīng)設置停機標志，指示停機過程正被執(zhí)行。假定其未已被設置，測試232確定是否已經(jīng)設置運行
O
[0034]為了便于實現(xiàn)此處的停車和開車模式的描述，假定所述燃料電池發(fā)電裝置150是完全工作的并且正在運行。所述運行標志已經(jīng)被設置，因此測試232的肯定性結果到達測試233以確定是否已經(jīng)從所述車輛推進系統(tǒng)159接收到所述線223 (圖1)上的關閉信號。所述關閉信號指示所述車輛已經(jīng)被關閉，諸如通過點火鑰匙類型關閉開關的等同物。如果所述車輛仍然正在工作，則測試233的否定性結果將到達圖3中示出的電壓限制例程236。[0035]在圖3中，所述電壓限制例程通過進入點238而被到達。第一測試240確定是已經(jīng)設置空閑標志還是沒有已經(jīng)設置空閑標志。假定所述車輛正在以任何正常的速度行進，則所述空閑標志將沒有已被設置，因此測試240的否定性結果將到達測試241以確定平均或示例性燃料電池電壓是否大于閾值電池電壓。這是在考慮瞬變等等的情況下指示足夠低以避免腐蝕的安全電池電壓的電壓(諸如大約0.87伏)，或者諸如被確定為對采用此處的模式的燃料電池發(fā)電裝置而言是適當?shù)钠渌妷?。假定所述車輛正在正常行進，則所述電池電壓將不是過高的，因此測試241的否定性結果將到達返回點242，通過所述返回點242，所述控制器的編程將回退到其他例程。
[0036]經(jīng)過一定的時間，所述車輛將接近停止點，并且將降低需求。當所述需求變得非常低時(諸如在空閑狀態(tài))，在所述電池電壓達到所述閾值時測試241將變?yōu)榭隙ㄐ缘?，指示其正在變得過高。這導致步驟243，所述步驟243設置在測試240中被測試的所述空閑標志。步驟244將會把所述轉移器閥設置到如下這樣的位置:在其處其將會把除了維持用以導致所述燃料電池電壓保持在所述閾值電壓以下的足夠功率的產(chǎn)生所需要的空氣(“滲氣”)之外的所有空氣轉移。隨后在步驟245中啟動空閑計時器。
[0037]作為例子，考慮具有燃料電池發(fā)電裝置的城市公共汽車，所述燃料電池發(fā)電裝置具有75kW的正常最大功率。為了保持大約0.87V的安全電壓，所述燃料電池將必須產(chǎn)生大約2.8kW。在這樣的燃料電池發(fā)電裝置中，例如，所述輔助性的寄生功率要求(諸如用于所述冷卻劑泵170、空氣鼓風機174、燃料再循環(huán)泵183、控制器185和所述BOP的其他功率調(diào)整和控制裝置)是大約1.5kW。這意味著所生成的用以將所述電池電壓保持在低水平的功率將是超出由所述輔助設備消耗的功率之上大約1.3kW。該過量功率必須被存儲或者被以某種方式耗散。
[0038]在所述轉移器閥被打開到適當?shù)奈恢弥?，測試246將檢查所述電池的SOC以查看其是否能夠存儲更多的能量，諸如小于90%的S0C。如果是這樣，則步驟247將命令所述能量存儲系統(tǒng)存儲足夠的所生成的電能以將所述電池電壓保持在0.87V。所述例程隨后將通過所述返回點242退回到其他編程。
[0039]在隨后的一遍中(在其中圖2的監(jiān)督例程224到達圖3的所述電壓限制例程236)，所述空閑標志已經(jīng)在步驟243中被設置，測試240的肯定性結果將到達測試248以確定由所述線195 (圖1)上的信號指示的需求是否大于指示所述車輛正被加速的某個需求閾值。如果其不是這樣，則所述車輛仍舊空閑。測試248的否定性結果再次到達所述測試246。如果所述SOC沒有已經(jīng)到達存儲閾值(例如，其仍然低于90%)，則所述步驟247將像前面一樣繼續(xù)命令所述ESS存儲其用以將所述電池電壓保持在0.87V所需要的任何能量。
[0040]最終，所述存儲設備可以達到充電的90%，隨后所述測試246的否定性結果將到達測試248以確定所述空閑計時器是否已經(jīng)超時。當所述空閑狀態(tài)被啟動時，該計時器在所述步驟245中被設置。所述空閑計時器可以被設置為如下這樣的值:依據(jù)所討論的車輛一般經(jīng)受的任務的類型，該值是可調(diào)節(jié)的。例如，在市區(qū)城市公共汽車中，所述時間閾值可以是低至兩分鐘或者高達六或七分鐘或更多，以適應在其中駕駛員可能在午餐點停留或購買一杯咖啡的情況。該時間大于在常規(guī)的交通十字路口或者在為了乘客的上車和下車的站臺處所通常遇到的時間。另一方面，如果所述車輛是包裹遞送車輛，則所述閾值時間可以比用于城市公共汽車的閾值時間更長。[0041]如果由所述空閑計時器指示的時間沒有已超出所述計時器閾值，則測試249的否定性結果將到達步驟251以將所述電壓限制負載220 (圖1)連接到所述堆(通過關閉所述開關221)。這將致使所述過量能量被耗散而不是被存儲。在所述示例性實施例中，針對在
0.87V處的1.3kff的耗散，該負載將是大約0.54毫歐姆。這將確保不正被所述BOP的所述輔助性的寄生設備利用的大致正確的功率量的耗散。另一方面，如果已經(jīng)達到所述時間閾值，則測試249的肯定性結果將到達步驟252，所述步驟252將設置所述轉移器閥以致其將轉移最大量的空氣。所述最大量的空氣可以是所述空氣中的全部，或者其可以少于所述空氣中的全部。但是其應當足以使所述燃料電池堆缺乏空氣，取決于所述各種工作參數(shù)中的所有，并且取決于鼓風機速度是否在步驟253中被降低。如在上文中所描述的，所述鼓風機速度可以被維持在正常工作速度以便在所述車輛從空閑狀態(tài)加速時幫助提供空氣的迅速供應。另一方面，如果發(fā)現(xiàn)由于任何原因有必要(諸如為了節(jié)省所存儲的能量)，鼓風機速度可以在某些程度上被降低或者所述鼓風機可以被關閉。可選地，當情況允許單獨地使用一個或另一個時，既如在步驟252中轉移最大量的空氣又如在步驟253中降低鼓風機速度不是必要的。隨后，步驟255將連接所述BOP以基于所述存儲系統(tǒng)中所存儲的能量工作，這是必要的，以便充分地使所述燃料電池缺乏空氣以致所述電壓低于所述安全閾值。
[0042]注意的是:即使在實現(xiàn)所述步驟247之后所述SOC超過90%，所述測試246可以在下一遍時切換動作(在一秒或更少時間內(nèi))以便所述電壓限制負載吸收所述功率而不是其被存儲。此靈活性允許最大化地利用存儲并且最小化能量的浪費的耗散，其僅在必要時被進行。
[0043]在后續(xù)通過所述監(jiān)督和電壓限制例程時，所述車輛將最終開始移動，線路195 (圖1)上的需求將超過所述閾值，并且所述測試248將是肯定性的，到達步驟257，所述步驟257將會把所述轉移器閥設置為將所有空氣導向到所述堆。步驟259命令所述ESS停止存儲用于電池電壓的控制的能量；隨后，所述ESS的控制退回到所述存儲控制200 (圖1)中的其他例程。步驟261將打開所述開關221 (圖1)以便斷開所述電壓限制負載220 (圖1)。(步驟259或291將是無害冗余的。)隨后步驟264將重置所述空閑標志并且所述編程將通過所述返回點242回退到其他例程。
[0044]在通過圖2的監(jiān)督例程224的隨后一遍中，所述運行標志仍然被設置，到達圖3的電壓限制例程，但是在通過所述電壓限制例程的這一遍中，因為所述空閑標志在步驟264中被重置，所述測試240是否定性的，到達所述測試241以查看所述電池電壓是否大于所述閾值。在一般情況下，在增加或正常需求期間，所述電池電壓將不是過高的，因此測試241的否定性結果將簡單地致使所述編程通過所述返回點242回退到其他例程。
[0045]這將繼續(xù)直到將導致在上文中關于圖3所描述的交換的下一個停止為止，以建立所述空閑狀態(tài)。在所述車輛的所有停止期間，當所述電力系統(tǒng)進入空閑并且隨后從空閑加速時，所述監(jiān)督例程224將保持在所述運行狀態(tài)中，到達所述電壓限制例程236，并且所述電壓和空閑時間將繼續(xù)被測試，以及操作將如在上文中所描述的那樣對狀況做出反應。
[0046]因此，在停止和啟動的情況下，所述系統(tǒng)將總是轉移空氣以快速地降低所述電池中的電壓，在其之后如果它能夠則它將存儲所述過量電能，或者如果其不能存儲它則耗散所述電能，或者在更長的空閑周期期間其將使所述堆缺乏空氣。所述“過量電能”被定義為由所述堆產(chǎn)生以將所述電池電壓保持到安全水平的電能的量，其超過如下這樣的電能:所述系統(tǒng)可以使用其以操作所述BOP的輔助性的寄生電能。
[0047]最終，這一天的結束將會到來并且所述推進系統(tǒng)操作者將提供指示(諸如通過關閉點火鑰匙的等同物)，以致將在線223 (圖1)上提供關閉信號。通過圖2的監(jiān)督例程224的后續(xù)一遍將到達所述關閉測試233的肯定性結果。這將到達步驟266和步驟267，所述步驟266重置所述運行標志，所述步驟267設置所述停機標志，并且隨后推進到圖4中的停機例程268。
[0048]所述停機例程268在圖4中通過進入點271而被到達，在其處可選的第一測試273確定采用此處的模式的配置是否具有可選的空氣鼓風機再循環(huán)系統(tǒng)(常規(guī)的，但是此處未被顯示)。如果是這樣，則測試273的肯定性結果到達步驟276以關閉可選的空氣入口閥(未被顯示)并且到達步驟277，所述步驟277將打開可選的陰極再循環(huán)閥(未被顯示)。換句話說，在這樣的選項的情況下，所述鼓風機174 (圖1)從將空氣吹到所述堆中轉換到將所述陰極排氣再循環(huán)回到所述陰極入口中。這有助于將每個燃料電池穩(wěn)定到在其中所述陰極和所述陽極兩者在它們中均具有氫氣的狀況中，所述氫氣保護它們免受腐蝕并且提供后續(xù)的、有序的啟動，如在本領域中是已知的那樣。
[0049]如果所述空氣鼓風機不被用于陰極再循環(huán)，則所述測試273的否定性結果將到達可選的步驟279和步驟280，所述步驟279將關閉所述空氣鼓風機174(圖1)，所述步驟280將打開可選的陰極再循環(huán)鼓風機(未被顯示)，并且所述步驟277將打開所述可選的陰極再循環(huán)閥。效果是相同的。
[0050]無論是這樣還是那樣(或者如果不存在用于可選的陰極再循環(huán)的測試273，則直接地從所述進入點271)，測試282確定所述SOC是否小于90°。如果其是這樣，則步驟285將命令所述能量存儲系統(tǒng)201存儲來自所述堆的所有電能。根據(jù)此處如關于圖3所描述的模式，這與空閑(其中所存儲的電能的量是非常選擇性的)期間所發(fā)生的不同。
[0051]如果所述SOC不小于90°，則步驟287將通過關閉所述開關221來連接所述電壓限制負載220 (圖1)。因為停機的效果是在正被生成的電能的量方面的迅速衰退，所述電壓限制負載的大小不是關鍵的，只要其足以耗散大量的電能。因此，針對空閑使用與用于啟動和停機相同的電壓限制負載是可能的。另一方面，在此處的模式的其他實施例中，可能存在若干電壓限制負載并且它們可以取決于所涉及的過程的階段而被選擇:啟動、或停機(功率起始或功率減小轉換)、或空閑。
[0052]一旦電能被存儲或被耗散，取決于所述步驟285、287，測試290將確定何時陽極燃料驅氣被完成。這可以簡單地通過自所述陰極已從入口空氣轉換到再循環(huán)空氣以來的時間的流逝而被確定，或者其可以通過感測所述陽極的出口處的氫氣濃度而被確定，或者其可以以某種其他方式而被確定，諸如感測正被產(chǎn)生的電能的電壓。這些方法是常規(guī)的，并且可以被選擇以適合此處的模式的任何特定的實現(xiàn)。
[0053]一旦所述燃料電池已被穩(wěn)定具有陽極燃料內(nèi)容，則步驟291將關閉所述燃料入口，步驟292將命令所述ESS停止存儲(或許冗余地)用于電池電壓的控制。隨后，所述ESS的控制回退到所述存儲控制200 (圖1)中的其他例程。多個步驟293將關閉大部分的輔助功率設備，包括所述空氣鼓風機或陰極再循環(huán)鼓風機、所述燃料再循環(huán)泵、所述冷卻劑泵、所述散熱器風扇以及在正被停機的時間段期間不被使用的其他BOP設備。所述停機標志在步驟294中被重置，并且所述編程通過返回點296回退到其他例程。[0054]在通過圖2的監(jiān)督例程224的下一個后續(xù)一遍中，所述啟動標志測試227將是否定性的，所述停機標志測試230將是否定性的，并且所述運行標志測試232將是否定性的，以致測試297確定所述啟動標志是否被設置；如果不是如此，則編程將通過返回點299回退到其他任務。所述燃料電池發(fā)電裝置隨后停留在休眠狀態(tài)中，等待命令以啟動并且提供電倉泛。
[0055]只要不存在在所述線193 (圖1)上所提供的來自所述車輛推進系統(tǒng)150的啟動命令，所述監(jiān)督系統(tǒng)將經(jīng)歷測試227、230、232和297的否定性結果而運轉到達所述返回點299，并且所述燃料電池發(fā)電裝置將保持休眠。
[0056]最終，啟動命令將出現(xiàn)在所述線193 (圖1)上以便后續(xù)一遍將找到所述啟動測試297的肯定性結果，其將到達步驟301，所述步驟301將設置所述啟動標志。隨后，通過進入點305到達圖5中的啟動例程303。可選地，所述陰極再循環(huán)可以在所述燃料電池發(fā)電裝置的休眠狀態(tài)期間被維持以提供如下更好地確保:泄漏到所述燃料電池中的任何空氣將不導致腐蝕。如果是這樣，則步驟308將關閉所述陰極再循環(huán)(打開再循環(huán)開關和/或關閉再循環(huán)鼓風機)。
[0057]—系列步驟310將打開所述燃料再循環(huán)泵、所述冷卻劑泵、所述散熱器風扇以及電站配套設備中的任何其他寄生性的輔助負載，除去所述空氣鼓風機以外。隨后所述燃料入口在步驟313中被打開，并且測試314確定所述陽極何時已經(jīng)被驅除了所有氣體，除去氫氣以外(通過檢測開路電壓、通過測量自打開所述燃料入口以來的時間、通過測量所述陽極排氣裝置處的氫氣的濃度、或別的方式)。
[0058]當所述陽極被適當?shù)胤€(wěn)定具有氫氣時，步驟315將打開所述空氣鼓風機并且正常的電能產(chǎn)生將開始。為了避免起初的低電能產(chǎn)生將所述燃料電池的電壓升得太高，所述電能將像前面一樣被存儲或者被耗散。如果期望，在此情形下所述SOC和所述負載的測量可以與所述空閑狀態(tài)的測量不同。測試316確定所述SOC是否小于例如85%，并且如果是這樣，則步驟317將命令所述能量存儲系統(tǒng)201 (圖1)存儲，并且因此需要足夠的電能來將所述電池電壓保持在針對啟動期間的腐蝕而言被認為是安全的電壓(諸如例如0.10V)處或將所述電池電壓保持在針對啟動期間的腐蝕而言被認為是安全的電壓(諸如例如0.10V)之下。如果所述SOC太高，則測試316的否定性結果將到達步驟320以關閉所述開關221 (圖O并且由此將所述燃料電池輸出155、156連接到所述電壓限制負載220。
[0059]無論是這樣還是那樣，測試321確定所生成的電壓是否等于或大于適合于應用到所述車輛推進系統(tǒng)159 (圖1)的閾值電壓。所述例程將在所述測試321上循環(huán)直到所述電壓是足夠的為止。在其之后，測試321的肯定性結果將到達步驟322，所述步驟322將關閉所述開關158(圖1)以將所述燃料電池連接到所述車輛推進系統(tǒng)159，到達步驟323以斷開所述電壓限制負載，以及到達步驟324以命令所述ESS停止存儲用于電池電壓的控制。隨后，所述ESS的控制回退到所述存儲控制200 (圖1)中的其他例程。
[0060]步驟326將重置所述啟動標志并且步驟327將設置所述運行標志。隨后，所述程序通過返回點330回退到其他例程。
[0061]在通過圖2中的監(jiān)督例程224的隨后一遍中，所述啟動標志測試227和所述停機標志測試230現(xiàn)在是否定性的，但是所述運行標志測試232現(xiàn)在是肯定性的，到達所述測試233以查看所述燃料電池系統(tǒng)是否已經(jīng)被所述線223 (圖1)上的信號命令而關閉。直到接收到關閉命令，所述電壓限制例程236將被重復地到達以在其發(fā)生時處理空閑狀態(tài)，所有均在上文中關于圖3被描述。
[0062]如果在任何用途中不需要，則可以使用此處的模式中的一些，而不使用其他模式中的一個或多個。例如，使所述堆缺乏空氣同時從存儲對所述BOP供電的長空閑特征可以可選地被省略。
[0063]因為可以進行對所公開的實施例的改變和變化而不背離本構思的意圖，其不是意在除如由隨附的權利要求所要求的之外限制本公開。
【權利要求】
1.一種方法，包括: a)操作燃料電池發(fā)電裝置以向車輛推進系統(tǒng)(159)提供電力； b)在所述車輛推進系統(tǒng)的正常操作期間監(jiān)視燃料電池電壓； 其特征在于: c)響應于燃料電池電壓達到預定的電池電壓閾值，轉移所有反應物空氣，除了產(chǎn)生足夠的電力以致使所述燃料電池電壓不超過所述預定的電池電壓閾值所需要的量之外；以及 d)在步驟c)之后，并且直到所述車輛推進系統(tǒng)的需求超過需求閾值，產(chǎn)生足夠的電力以致使所述燃料電池電壓不超過所述預定的電池電壓閾值，同時將所述燃料電池發(fā)電裝置的電力輸出存儲在能量存儲系統(tǒng)(201)中，所存儲的量等于將電池電壓維持在所述預定的電池電壓閾值之下所需的電力的量和由輔助性的電站配套設備(170、174、183、185)所消耗的電力的量之間的差，直到所述能量存儲系統(tǒng)的電荷狀態(tài)達到預定的存儲閾值。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征進一步在于: 在步驟d)期間，在所述能量存儲系統(tǒng)的電荷狀態(tài)達到所述預定的存儲閾值的情況下，在電壓限制負載(220)中耗散大約等于將電池電壓維持在所述預定的電池電壓閾值之下所需的電力的量和由輔助性的電站配套設備所消耗的電力的量之間的差的電力的量。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征進一步在于: 如果步驟d)持續(xù)超過預定的時間閾值的時間段，則使所述燃料電池發(fā)電裝置缺乏空氣并且使用由所述能量存儲系統(tǒng)提供的電力來操作電站配套設備。
4.一種車輛(150)，包括: 燃料電池發(fā)電裝置，其包括: 電站配套設備(170、174、183、185)； 燃料電池堆(151)，所述燃料電池堆(151)包括多個燃料電池(12 )，每個燃料電池(12 )具有鄰近具有反應物空氣流場的陰極(19)的膜電極組件(16)，所述燃料電池堆具有電力輸出(155、156)； 空氣泵(174)，用于向所述陰極提供反應物空氣； 轉移器閥(172)，其將所述空氣泵連接到所述反應物空氣流場并且被配置為從所述泵選擇性地轉移空氣而所轉移的空氣不通過所述反應物空氣流場； 電壓限制負載(220)，其可選擇性地連接到所述堆的所述電力輸出； 控制器(185 )，其用于選擇性地控制所述轉移器閥、所述存儲控制裝置和所述電壓限制負載； 所述車輛也包括: 車輛推進系統(tǒng)(159)，其被配置為由所述堆響應于需求信號選擇性地供電； 能量存儲系統(tǒng)(201)； 存儲控制裝置(200)，其用于選擇性地控制電能向所述能量存儲系統(tǒng)的存儲以及從所述能量存儲系統(tǒng)的取回； 其特征在于: 在運行模式中，所述控制器響應于由所述車輛推進系統(tǒng)在操作期間所消耗的電力的減少而進入空閑模式，在所述空閑模式中所述控制器a)操作所述轉移器閥以便從所述陰極轉移所有空氣，除了所述燃料電池堆產(chǎn)生足以致使所述燃料電池的電壓不超過預定的空閑閾值電池電壓的預定的空閑電力所需的空氣之外，b)致使所述燃料電池堆產(chǎn)生足以致使所述燃料電池的電壓不超過預定的空閑閾值電池電壓的預定的空閑電力，C)致使i)所述存儲控制裝置在所述能量存儲系統(tǒng)中存儲所述預定的空閑電力超過由所述電站配套設備所消耗的電力的量的電力的量，除非所述能量存儲系統(tǒng)的電荷狀態(tài)超過預定的電荷狀態(tài)閾值，在此情況下所述控制器致使ii)所述燃料電池堆產(chǎn)生所述預定的空閑電力并且致使所述電壓限制負載跨越所述堆的所述電力輸出而被連接，所述電壓限制負載在所述預定的空閑電力下耗散大約所述預定的空閑電力超過由所述電站配套設備所消耗的電力的量的電力的量。
5.根據(jù)權利要求4所述的車輛(150)，其特征進一步在于:所述空閑模式繼續(xù)，直到所述車輛推進系統(tǒng)的需求超過需求閾值。
6.根據(jù)權利要求4所述的車輛(150)，其特征進一步在于:如果所述空閑模式的持續(xù)時間超過預定的時間閾值，則所述控制器停止致使i)或ii)，并且反而導致使所述燃料電池發(fā)電裝置缺乏空氣并且使用由所述能量存儲系統(tǒng)提供的電力來操作電站配套設備。
7.根據(jù)權利要求4所述的車輛(150)，其特征進一步在于:在所述空閑模式中，所述控制器(185)響應于所述車輛推進系統(tǒng)(159)的需求超過預定的需求閾值而致使所述轉移器閥(220 )將所有空氣導向到所述陰極(19 )。
8.根據(jù)權利要求7所述的車輛(150)，其特征進一步在于:在所述空閑模式中，所述控制器(185)響應于所述車輛推進系統(tǒng)(159)的需求超過預定的需求閾值而確保所述電力的存儲以控制空閑電壓停止并且確保所述電壓限制負載(220)被從所述堆斷開。
9.根據(jù)權利要求4所述的車輛(150)，其特征進一步在于:所述控制器(185)響應于來自所述車輛推進系統(tǒng)(159)的關閉信號(223)而開始停機例程(268)，在所述停機例程中所述控制器致使a)所述存儲控制裝置(200)在所述能量存儲系統(tǒng)(201)中存儲足夠的電力以致使所述燃料電池(12)的電壓不超過預定的停機閾值電壓，除非所述能量存儲系統(tǒng)(201)的電荷狀態(tài)超過預定的電荷狀態(tài)閾值，在此情況下所述控制器致使b)所述電壓限制負載(220)跨越所述燃料電池堆(151)的所述電力輸出(155、156)而被連接。
10.根據(jù)權利要求9所述的車輛(150)，其特征進一步在于:所述預定的停機閾值電壓高于所述預定的空閑閾值電壓。
11.根據(jù)權利要求4所述的車輛(150)，其特征進一步在于:所述控制器(185)響應于來自所述車輛推進系統(tǒng)(159)的啟動信號(193)而開始啟動例程，在所述啟動例程中所述控制器致使a)所述存儲控制系統(tǒng)(200 )在所述能量存儲系統(tǒng)(201)中存儲足夠的電力以致使所述燃料電池(12)的電壓不超過預定的啟動閾值電壓，除非所述能量存儲系統(tǒng)的電荷狀態(tài)超過預定的電荷狀態(tài)閾值，在此情況下所述控制器致使b)所述電壓限制負載(220)跨越所述燃料電池堆(151)的所述電力(155、156 )輸出而被連接。
12.根據(jù)權利要求11所述的車輛(150)，其特征進一步在于: 所述預定的啟動閾值電壓高于所述預定的空閑閾值電壓。
【文檔編號】H01M8/04GK103650224SQ201180070348
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2011年2月25日 優(yōu)先權日:2011年2月25日
【發(fā)明者】C.A.里澤 申請人:聯(lián)合工藝公司