用低电压源起动燃料电池系统的闭环方法技术方案

用低电压源起动燃料电池系统的闭环方法：提供了一种燃料电池系统，其包括：燃料电池堆、与阴极入口连通的空气压缩器、与阳极入口连通的氢气源和适于为空气压缩器供电的起动电池。起动电池为低电压电池和高电压电池中的至少一个。压力传感器与空气压缩器连通并适于测量压缩器出口压力。功率转换模块与起动电池和空气压缩器电连通。控制器与功率转换模块连通并适于基于可用电能而设置空气压缩器速度。还提供了一种在起动时操作燃料电池系统的闭环方法，其中，基于通过压缩器出口压力和实际速度计算出的空气流速来安排阳极清理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池系统，且更具体地涉及一种起动系统和用于启动燃料电池堆的闭环方法。
技术介绍
燃料电池已被认为是一种清洁、高效且无害于环境的能源，用于 电力车辆和各种其他应用。特别地，燃料电池已被确认是一种用于当前车辆 中的传统内燃机的潜在替代物。 —种已知的燃料电池为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃 料电池通常包括三个基本部件阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包 括支撑在碳颗粒上并混合以离子交联聚合物的精细催化剂，例如铂。电解质 膜夹在阴极与阳极之间以形成膜电极组件(MEA)。 MEA经常设置在多孔扩 散介质(DM)之间，DM有助于传输气态反应物，通常为氢气和来自空气 中的氧气，用于电化学燃料电池反应。独立的燃料电池可串联堆叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池 堆能够供应足以为车辆供电的电量。在采用燃料电池堆的车辆动力系统中， 氢气从诸如加压氢气箱之类的氢气储存源供应到阳极。空气通过空气压缩器 单元供应到阴极。在高电压电池不可操作的非混合动力燃料电池车辆或混合 动力车辆中，在燃料电池堆工作之前通常采用低电压电池为车辆部件和空气 压缩器单元供电。在混合动力燃料电池车辆中，在燃料电池堆可工作之前， 适于从之前的车辆操作中储存电能的高电压混合动力电池也可用作电能源。在燃料电池系:起动过程中，氢气用于清理在关断过;呈中积聚在 阳极的空气。所希望的是，快速进行清理(purge)以使当氢气-空气锋 (hydrogen-air front)经过阳极时已知发生的碳退化最小化。在起动过程中， 空气还绕至燃料电池堆的排放部以稀释所排放的清理氢气。车辆排放标准通 常需要所排放的氢气浓度小于4%的体积百分量。不过，由于在关断阶段之 后燃料电池系统的状态不稳定，包括电池荷电状态(SOC)和阳极上积聚空 气的可变量，因此，已知的燃料电池系统在起动过程中对于氢气排放优化和 碳侵蚀最小化不是特别有效。仍然需要一种燃料电池系统和方法，在满足排放和燃料电池性能 需要的情况下，例如在冻结状态下，提供高效起动。所希望的是，燃料电池 系统和方法提供一种具有电压不稳定性最低的稳妥的系统起动，并通过优化 在起动过程中的氢气-空气交锋时间(fronttime)而使堆退化最小化。
技术实现思路
相应地在本公开内容中，令人惊讶地发现了一种燃料电池系统和 方法，其提供低电压起动而同时满足排放和燃料电池性能的需要，并且提供 电压不稳定性最小的稳妥的系统起动，而且使起动过程中的氢气-空气交锋 时间最小化。在一个实施例中，提供一种燃料电池系统。此燃料电池系统包括 具有多个燃料电池的燃料电池堆、阳极入口和阴极入口。空气压缩器与阴极 入口流体连通。氢气源与阳极入口流体连通。起动电池与空气压缩器电连通。 功率转换模块与起动电池和空气压缩器电连通。功率转换模块适于选择性地 升高起动电池的电压并向空气压缩器供电。控制器与功率转换模块连通，并 进一步适于基于可用电能设置空气压缩器速度。压力传感器与控制器电连通， 并适于测量空气压缩器的压缩器压力。在另 一 实施例中，还提供一种在起动时操作燃料电池系统的方法。 所述方法首先包括以下步骤接收启动请求；使功率转换模块能够升高低电 压电池的电能。然后，确定升压的低电压电池的可用电能，并基于可用电能 确定空气压缩器的估算速度。空气压缩器被启动并被设置为估算速度。测量 空气压缩器的实际速度和压缩器出口压力。根据压缩器出口压力和实际速度 估算空气压缩器的空气流速。当实际速度大于所希望的速度时基于空气流速 安排阳极清理。在另一实施例中，所提供的方法包括以下步骤根据以下中的至 少一种确定可用电能a)具有电压升高的低电压电池，b)具有电压升高的 高电压电池，和c)不具有电压升高的高电压电池。然后，起动电池选自在 电压升高或未升高状态下的具有最大可用电能的低电压电池和高电压电池中 的一种。当a)所述实际速度大于所希望的速度，或者b)已经经过了压缩器增速时间时，根据实际速度和压缩器出口压力计算空气流速。 附图说明本公开内容的以上以及其他优点，根据以下详细描述特别是结合以下描述的附图，对于本领域技术人员而言将变得显而易见。图1例示了现有技术的PEM燃料电池堆的示意分解立体图，其 中仅显示出两个电池；图2是根据本公开内容的实施例的具有低电压电池的燃料电池系 统的示意图3是图2所示燃料电池系统的示意图，其中进一步包括高电压 电池；图4是显示出没有可操作高电压电池的起动方法的示意流程图；和图5是显示出具有可操作高电压电池的起动方法的示意流程图。具体实施方式以下描述实际上仅为示例性的，而并非用于限制本公开内容、其 应用或使用。还应理解的是，在各附图中对应的附图标记指示相同的或对应 的部件和特征。对于所公开的方法，所描述的步骤实际上是示例性的，因而不 一 定是必要的或必须的。图1图示出燃料电池堆2，其具有通过导电双极板8相互分离的 一对MEA 4、 6。为了简单显示，仅由两个电池的堆(即， 一个双极板)在 图1中例示和描述，应理解的是，典型堆燃料电池堆将具有更多这样的电池 和双极板。 MEA 4、 6和双极板8在一对夹板10、 12之间和一对单极端板14、 16之间堆叠在一起。夹板IO、 12通过衬垫或介电涂层(未示出)与端板14、 16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(flow fields) 18、 20、 22、 24将氢气和空气分别分 配到MEA 4、 6的阳极和阴极上。不导电衬垫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。可使气体透过的扩散介质34、 36、 38、 40邻接MEA 4、 6 的阳极和阴极。端板14、 16分别与扩散介质34、 36相邻设置，而双极板8 与MEA 4的阳极面上的扩散介质36相邻设置。双极板8进一步与MEA 6的阴极面上的扩散介质38相邻设置。双极板8、单极端板14、 16和衬垫26、 28、 30、 32均包括阴极 供应孔72和阴极排放孔74,冷却剂供应孔75和冷却剂排放孔77，以及阳极 供应孔76和阳极排放孔78。通过使双极板8、单极端板14、 16和衬垫26、 28、 30、 32中的相应的孔72、 74、 75、 77、 76、 78对准，形成燃料电池堆2 的供应歧管和排放歧管。氢气通过阳极入口导管80被供应到阳极供应歧管。 空气通过阴极入口导管82被供应到燃料电池堆2的阴极供应歧管。阳极出口 导管84和阴极出口导管86也分别设置用于阳极排放歧管和阴极排放歧管。 冷却剂入口导管88设置用于将液态冷却剂供应到冷却剂供应歧管。冷却剂出 口导管90设置用于从冷却剂排放歧管中去除冷却剂。应理解的是，图1中的 各种入口 80、 82、 88和出口 84、 86、 90用于例示目的，根据需要也可选择 其他结构。图2显示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包括阳极入口 80、 阴极入口 82、阳极出口 84和阴极出口 86,每一入口或出口与燃料电池堆2 的相应的阳极和阴极流体连通。在特别的实施例中，燃料电池堆2连接到电 负载，例如非混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：　燃料电池堆，其具有多个燃料电池并具有阳极入口和阴极入口；　空气压缩器，其与所述阴极入口流体连通；　氢气源，其与所述阳极入口流体连通；　起动电池，其与所述空气压缩器电连通；　功率转换模块，其与所述起动电池和所述空气压缩器电连通，该功率转换模块适于选择性地升高供应到所述空气压缩器的所述起动电池的电压；　控制器，其与所述功率转换模块连通，并适于基于可用电能设置空气压缩器速度；和　压力传感器，其与所述控制器电连通，并适于测量所述空气压缩器处的压缩器压力。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：AB阿尔普，A乔杜里，MC柯克林，MK霍尔托普，JP萨尔瓦多，
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]