基于电池组参数执行燃料电池组的自适应电压抑制的方法技术

本发明专利技术涉及基于电池组参数执行燃料电池组的自适应电压抑制的方法。一种维持燃料电池组中的燃料电池电压低于预定最高电压的系统和方法。该方法确定一个限定了预定的燃料电池最高电压的所需的电压设定点值，并使用该电压设定点值和燃料电池平均电压产生一个两者之间的差值。该方法利用修正电压设定点值产生一个最小总功率预计值，以防止燃料电池电压高出预定的最高燃料电池电压，并基于所述最小总功率预计值和所述差值产生一个补充功率值，以确定需要从所述电池组提取多少功率以将燃料电池电压维持在低于预定的最高电压值。该方法利用补充功率值对电池充电或操作耦合至所述电池组的辅助负载。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉参考本申请要求2009年10月9日提交的，申请系列号61/250450，标题为“Method to Determine Minimum Stack Gross Power Request for Voltage Suppression Based On Stack Parameters"的美国临时专利申请的优先权日的权益。
技术介绍
1.
本专利技术主要涉及一种维持燃料电池组中的燃料电池电压低于预定最高电压阈值 的系统和方法，并更具体地讲，涉及一种通过利用从极化曲线估计确定的参数确定预定的 最小总功率前馈项来维持燃料电池组中的燃料电池电压低于预定最高电压阈值的系统和 方法，而对蓄电池充电和/或对该电池组应用辅助负载以降低燃料电池的平均或最高电压 测量值至低于最高电压是必须的。2.相关技术氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它清洁并可以被应用于在燃料电池中高效地 产生电流。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及两者之间的电解质的电化学装置。阳极 接收氢气，而阴极接受氧气或空气。氢气在阳极中被离解以产生自由的质子和电子。质子 穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧气和电子发生反应以产生水。来自阳极的电子不 能穿过电解质，并因此在被输送到阴极之前被导向穿过负载以完成做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的车用燃料电池。PEMFC—般包括固体 的聚合物电解质的质子传导膜，比如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括分散良好的催化颗 粒，常见的是由碳粒子支撑并与离子交联聚合物混合的钼(Pt)。所述催化混合物被沉积 在所述膜的相对侧上。所述阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合构成膜电极组件 (MEA)。膜电极组件的造价相当昂贵并且为了有效工作需要特定的条件。典型地，几个燃料电池组合在一个燃料电池组中以产生所需的功率。例如，一个典 型的车用燃料电池组可具有200个或更多的堆叠的燃料电池。所述燃料电池组接受阴极输 入的反应气体，典型地，由压缩机推动的穿过电池组的空气气流。并非所有的氧气都被所述 电池组消耗，并且一些空气被作为阴极排放气体输出，所述阴极排放气体可能含有作为电 池组副产物的水。电池组还接受流入电池组阳极侧的阳极氢反应气体。所述电池组还含有 供冷却流体通过的流道。燃料电池组含有一系列的设置在所述电池组内的若干膜电极组件之间的双极板， 其中所述双极板和膜电极组件被设置在两个端板之间。所述双极板含有用于邻接所述电池 组中燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道设置在允许阳极反应气体流到相应MEA的 所述双极板的阳极侧上。阴极气体流道设置在允许阴极反应气体流到相应MEA的所述双极 板的阴极侧上。其中一个端板含有阳极气体流道，而另一个端板含有阴极气体流道。所述 双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。所述端板将所述燃料电池产生的 电流导出所述电池组。所述双极板还含有供冷却流体通过的流道。已经发现，典型的燃料电池组随着电池组寿命的流逝将产生电压损耗或退化。已 经确信，燃料电池组的退化是除了其它因素之外电池组中的燃料电池电压循环的结果。所 述电压循环发生在钼催化颗粒被用于增强氧化态和非氧化态之间的电化学反应转换时，这 导致颗粒的溶解。如果燃料电池的电压低于约0.9伏，所述钼粒子不会被氧化，而是保持为 金属。当燃料电池的电压高于约0.9伏时，钼晶体开始氧化。所述电池组上的低负载可能 导致电池组的电压输出高于约0. 9伏。取决于所述MEA的功率密度，0. 9伏对应于0. 2A/cm2 的电流密度，其中高于该值的电流密度不会改变钼的氧化状态。所述氧化电压阈值可能随 着不同的电池组和不同的催化剂而不同。当钼颗粒在金属态和氧化态之间转换时，钼中的被氧化的离子能够从所述MEA的 表面向所述膜移动，并可能进入所述膜。当颗粒转换回金属态时，它们不利于电化学反应， 减少了活性催化剂表面并造成电池组的电压退化。如上所述，接近开路电压(OCV)的电压循环和维持在或接近OCV的燃料电池组操 作导致钼催化剂表面面积的减少并导致催化剂支撑体的腐蚀。通过维持平均电池电压低于 特定的预定阈值，如900mV，就可能阻止电池组中的电压退化并提高它的耐用性。
技术实现思路
依据本专利技术的教导，揭示了一种维持燃料电池组中的燃料电池电压低于预定最高 电压的系统和方法。该方法包括修正限定了预定的最大燃料电池电压值的期望电压设定点 值，并用修正的电压设定点值和来自燃料电池组中的燃料电池的平均燃料电池电压反馈测 量值产生两者之间的差值。该方法基于极化曲线的参数和修正的电压设定点值产生最小总 功率预计值，以防止燃料电池电压高出预定的最高燃料电池电压值，并基于所述最小总功 率预计值和所述差值得到补充功率值，以确定需要从所述电池组提取多少功率以将燃料电 池电压维持在低于预定的最高电压值。该方法利用补充功率值来对蓄电池充电或操作耦合 至所述电池组的辅助负载。本专利技术的附加特征将通过下面的说明和附加的权利要求结合附图予以展现。本专利技术也提供了如下方案方案1. 一种维持燃料电池组中的燃料电池的输出电压等于或小于最高电压的方 法，所述方法包括修正限定了预定的最高燃料电池电压值的期望电压设定点值；确定修正电压设定点值和来自燃料电池组中燃料电池的平均燃料电池电压之间 的差值；利用修正电压设定点值确定最小总功率预计值，所述最小总功率预计值用于防止 燃料电池电压高出所预定的最高值；基于所述最小总功率预计值和所述差值确定补充功率值，以确定需要从所述电池 组提取多少功率以将燃料电池电压维持在低于所预定的最高电压值；基于所述补充功率值使用电池组功率对蓄电池充电，以降低燃料电池电压；以及在最高蓄电池电荷极限达到或即将达到时，耦合辅助负载到所述燃料电池组以降 低燃料电池电压。方案2.根据方案1所述的方法，其中修正电压设定点值包括将期望电压设定点值施加至斜坡限制器，以将期望电压设定点值从初始电压设定点值变换到期望电压设定点值。方案3.根据方案1所述的方法，其中确定最小总功率预计值包括从存储器获得预 定的电池组参数、确定维持使电压被抑制至所述修正电压设定点值所需的电池组电流并利 用所述电池组电流确定所述最小总功率预计值。方案4.根据方案3所述的方法，其中确定最小总功率预计值包括使用燃料电池组 中燃料电池的数量和燃料电池组中燃料电池的面积。方案5.根据方案4所述的方法，其中确定最小总功率预计值包括使用方程式权利要求1.一种维持燃料电池组中的燃料电池的输出电压等于或小于最高电压的方法，所述方 法包括修正限定了预定的最高燃料电池电压值的期望电压设定点值；确定修正电压设定点值和来自燃料电池组中燃料电池的平均燃料电池电压之间的差值；利用修正电压设定点值确定最小总功率预计值，所述最小总功率预计值用于防止燃料 电池电压高出所预定的最高值；基于所述最小总功率预计值和所述差值确定补充功率值，以确定需要从所述电池组提 取多少功率以将燃料电池电压维持在低于所预定的最高电压值；基于所述补充功率值使用电池组功率对蓄电池充电，以降低燃料电池电压；以及 在最高蓄电池电荷极限达到或即将达到时，耦合辅助负载到所述燃料电池组以降低燃 料电池电压。2.根据权利要求1所述的方法，其中修正电压设定点值包括将期望电压设定点值施加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种维持燃料电池组中的燃料电池的输出电压等于或小于最高电压的方法，所述方法包括：修正限定了预定的最高燃料电池电压值的期望电压设定点值；确定修正电压设定点值和来自燃料电池组中燃料电池的平均燃料电池电压之间的差值；利用修正电压设定点值确定最小总功率预计值，所述最小总功率预计值用于防止燃料电池电压高出所预定的最高值；基于所述最小总功率预计值和所述差值确定补充功率值，以确定需要从所述电池组提取多少功率以将燃料电池电压维持在低于所预定的最高电压值；基于所述补充功率值使用电池组功率对蓄电池充电，以降低燃料电池电压；以及在最高蓄电池电荷极限达到或即将达到时，耦合辅助负载到所述燃料电池组以降低燃料电池电压。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：S加纳帕思，JP萨瓦多，T蔡，DW布莱格，
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]