采用低电压源启动燃料电池堆的开环系统和方法技术方案

本公开涉及采用低电压源启动燃料电池堆的开环系统和方法。具体地，提供了一种燃料电池系统，其包括：与阴极入口连通的燃料电池堆和空气压缩器、与阳极入口连通的氢气源、和适于向空气压缩器供给功率的启动电池。启动电池为低电压电池和高电压电池中的至少之一。功率变换模块与启动电池和空气压缩器电连通。功率变换模块适于根据需要来提升启动电池的电压，并在启动时向空气压缩器提供功率。控制器与功率变换模块连通，并适于基于可用电能设置空气压缩器速度。本公开还提供了一种在启动时操作燃料电池系统的开环方法，其中基于来自电池的可用电能来设定阳极净化。

【技术实现步骤摘要】

[oooii本公开涉及一种燃料电池系统，更具体地，涉及一种用于启动燃料电池堆的启动系统和开环方法。
技术介绍
的清洁、有效且环保的能量源。特别地，燃料电池已经被公认为在现 代车辆中使用的传统内燃机的潜在替换品。—种类型的燃料电池被公知为质子交换膜(PEM)燃料电 池。PEM燃料电池典型地包括三个基本构件阴极、阳极和电解液膜。 阴极和阳极典型地包括精细区分的阴极，例如铂，其被支撑在碳颗粒 上并且与离聚物混合。电解液膜夹在阴极和阳极之间，以形成膜电极 组件(MEA) 。 MEA经常被设置在渗透性扩散介质(DM)之间，DM 易于传送气态反应物，特别是氢气和来自空气的氧气，以便进行电化 学燃料电池反应。单独的燃料电池能够串联堆叠在一起，以形成燃料电池堆。 燃料电池堆能够供给足以向车辆提供功率的电量。在采用燃料电池堆 的车辆动力系统中，氢气从氢气存储源(例如加压氢气罐)供给到阳 极。空气通过空气压缩单元供给到阴极。在非混合燃料电池车辆或带 有不可用高电压电池的混合车辆中，在燃料电池堆运行之前，低电压 电池典型地用于向车辆构件和空气压缩器提供功率。在混合燃料电池 车辆中，适于存储来自原先的车辆运行的电能的高电压混合电池，也 可用作在燃料电池堆运行之前的电能的来源。在冰冻情况下，采用低 电压电池的启动，对于燃料电池车辆也是基本必要的。在燃料电池系统启动期间，氢气用于净化在关闭期间聚集 的空气的阳极。净化希望能够快速，以似公知的碳降解最小化，随着 氢气-空气向前移动经过阳极，会发生上述碳降解。在启动稀释所排放 的净化氢气期间，空气还旁路至燃料电池堆的排放装置。车辆排放标准通常要求所排放的氢气的浓度在体积上低于百分之四(4% )。然而， 由于紧随关闭时段的燃料电池系统出现不 一 致状况，在启动期间优化 氢气排放量以及使碳腐蚀最小化方面，公知的燃料电池系统并不特别有效。对于燃料电池系统和方法，存在持续需要在于，提供有效 启动，而又满足排放量和燃料电池性能需求，例如，在冻结状况下。 希望的是，燃料电池系统和方法提供一种鲁棒性系统，启动时使电压 不稳定性最小化，并通过优化氢气空气波前时间来使堆积降解最小化。
技术实现思路
根据本公开，令人惊奇地公开了一种在满足排放量和燃料 电池性能需求的同时提供低电压启动的燃料电池系统和方法，提供使 电压不稳定性最小而启动的鲁棒性系统，并且在启动期间使氢气-空气 波前时间最小化。在另 一 实施例中，还^是供一种操作燃并十电池系统的方法。 所述方法首先包括步骤接收启动要求；并且使功率变换模块能够提 升所述低电压电池的电压。然后确定来自所述低电压电池的可用电 能；并且基于所述可用电能确定所述空气压缩器的估计速度。空气压 缩器被启动被被设置为估计速度。测量所述空气压缩器的实际速度， 并且当a)所述实际速度大于理想速度以及b)已经经过了压缩器增速 时间中的一种情况成立时，基于所述可用电能设定(或)阳极净化 (anode purge )。在进一步的实施例中，所提供的方法包括步骤从如下中 的至少一个确定可用电能a)具有电压提升的低电压电池，b)具有 电压提升的高电压电池，和c)不具电压提升的高电压电池。然后， 启动电池选自，处于提升状态和非提升状态中且具有较大可用电能的 低电压电池和高电压电池中的一种。
技术实现思路
基于所述可用电能设定阳极净化。本领域技术人员将从下文的详细描述(特别是在参照下文 所述附图而进行考虑之时)容易地明了本公开的上述以及其他优点附图说明图1图示现有技术的PEM燃料电池堆的示意性分解透视图， 其中只示出两个电池；图2为根据本公开实施例的具有低电压电池的燃料电池系 统的示意图3为图2的燃料电池系统的示意图，进一步包括高电压电池；图4为显示不具可用高电压电池的启动方法的示意性流程图5为显示具有可用高电压电池的启动方法的示意性流程图。具体实施方式以下描述实际上仅为示例性的，而并非意在限制于本公开 及其应用或使用。还应该理解，贯穿所有附图，相应的附图标记表示 相似或对应的部件和特征。关于所公开的方法，展示的步骤实际上为 示例性的，因此并非必要或关键性的。图l描述的是燃料电池堆2，其具有一对被导电双极板8彼此 隔开的MEA4、 6。为清晰起见，在图l中仅描述和示例一块双电池堆 (即一块双极板)，可以理解，典型的燃料电池堆有更多这样的电池 和双极板。MEA4、 6和双极板8被一起堆叠在一对夹持板10、 12和一对 单极端板14, 16之间。夹持板IO、 12通过垫片或介电覆盖层(未显示) 与端板14、 16保持电绝缘。单极端板14、双极板8的两个工作面、和单极端板16包括流场18、 20、 22、 24。流场18、 20、 22、 24将氢气和 空气分配于MEA4、 6的各自的阳极和阴极上。绝缘垫片26、 28、 30、 32在燃料电池堆2的多个部件之间提 供密封和电绝缘。透气扩散介质34、 36、 38、 40毗邻MEA4、 6的阳 极和阴极。端板14、 16被各自设置而与扩散介质34、 40相邻，而双极 板8被设置而与MEA 4的阳极面上的扩散介质36相邻。双极板8还被设 置而与MEA6的阴极面上的扩散介质38相邻。双极板8、单极端板14、 16、和垫片26、 28、 30、 32中的每 一个均包括阴极供给孔72和阴极排放孔74、冷却剂供给孔75和冷却剂 排放孔77、以及阳极供给孔76和阳极排放孔78。燃料电池堆2的供给 歧管和排放歧管分别在双极板8、单极端板14、 16、和垫片26、 28、 30、 32中对各自的孔72、 74、 75、 76、 77、 78进行对准而形成。氬气 通过阳极入口管80供给到阳极供给歧管。空气通过阴极入口管82供给 到燃料电池堆2的阴极供给歧管。阳极出口管84和阴极出口管86也各 自被提供用作阳极排放歧管和阴极排放歧管。冷却剂入口管88被提供 用于将液体冷却剂供给到液体供给歧管。冷却剂出口管卯被提供用来 将冷却剂从冷却剂排放歧管排出。应该理解，图1中不同入口80、 82、 88和出口84、 86、 90的构造意在示例，可以才艮据意愿选择其它构造。图2示出根据本专利技术实施例的燃料电池系统200。燃料电池 系统200包括具有多个燃料电池的燃料电池堆2。燃料电池堆2包括阳 才及入口80、阴极入口82、阳极出口84、和阴才及出口86，每个都与燃泮牛 电池堆2的各自的阳极和阴极流体连通。在一特定实施例中，燃料电 池堆2连接到 一 电荷负载，例如非混合或混合燃料电池车辆的电驱马 达(未显示)。燃料电池系统200包括与阴极入口 82流体连通的空气压缩 器202。空气压缩器202适于接收空气(例如从周围大气中接收空气)， 并将所述空气供给到燃料电池堆2的阴极。在特定实施例中，空气压 缩器202的速度可基于用来运转空气压缩器202的电能来调节。作为非 限制性示例，专门适用的空气压缩器202可有约80000转/分(rpm)的 最大运转速度。本领域技术人员应该理解，可以通过现有技术的替代 性合适装置来调节空气压缩器202的速度，以便向燃料电池堆2提供希 望流速的空气。燃料电池系统200还包括设置在空气压缩器202和燃料电池 堆2之间的旁路阀204。旁路阀204适于根据意愿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：　燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个燃料电池并具有阳极入口和阴极入口；　空气压缩器，所述空气压缩器与所述阴极入口流体连通；　氢气源，所述氢气源与所述阳极入口流体连通；　启动电池，所述启动电池与所述空气压缩器电连通；　功率变换模块，所述功率变换模块与所述启动电池和所述空气压缩器电连通，所述功率变换模块适于选择性地提升供给到所述空气压缩器的启动电池的电压；和　控制器，所述控制器与所述功率变换模块电连通，适于基于在所述压缩器处可用的电能来设置空气压缩器速度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：AB奥尔普，A乔杜里，KM怀特豪斯，MK霍尔托普，MC柯克林，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]