在功率減小過渡期間對(duì)燃料電池電壓改變的正速率的響應(yīng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]這個(gè)形態(tài)涉及在功率減小過渡期間在一個(gè)或幾個(gè)步驟中耗散或存儲(chǔ)從燃料電池堆提取的電能以響應(yīng)于燃料電池電壓改變的正速率。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)在燃料電池發(fā)電裝置上汲取的功率減小或被移除時(shí)，如圖8中所示，燃料電池減小或停止將氫燃料轉(zhuǎn)換成電力。如果這個(gè)過量的燃料被倒掉，則它可能會(huì)引起操作問題，諸如發(fā)電裝置的過溫。這是所有燃料電池發(fā)電裝置的特點(diǎn)，因?yàn)榘l(fā)電裝置部件的化學(xué)和機(jī)械平衡的反應(yīng)時(shí)間固有地是慢于電氣負(fù)載改變的量值。當(dāng)發(fā)生下行瞬變過程(down-transient)時(shí)(電氣負(fù)載移除或減小)，存在一時(shí)間段，在該時(shí)間段中發(fā)電裝置的燃料電池平衡繼續(xù)以與發(fā)生下行瞬變過程之前相同的速率向燃料電池供應(yīng)反應(yīng)物(氫/空氣)。參見圖10，這部分上是由于僅在電池電壓接近損壞值時(shí)才監(jiān)視電池電壓并發(fā)起響應(yīng)，諸如功率耗散或存儲(chǔ)。參見圖9，結(jié)果是產(chǎn)生通常為未使用(未消耗)的氫氣的形式的過量會(huì)ti。
[0003]在許多系統(tǒng)中，這種氣體被再循環(huán)到重整器中或另外被驅(qū)除到周圍大氣中。在所有情況中，發(fā)電裝置的燃料電池平衡響應(yīng)于快速下行瞬變過程，該燃料電池平衡難以平衡如下控制:防止I)重整器的過溫或大氣的爆炸限制和2)燃料供應(yīng)的下沖(under-shoot)，同時(shí)處理3)未知數(shù)量的下行瞬變過程的重復(fù)發(fā)生、該瞬變過程的持續(xù)時(shí)間和該瞬變過程的量值。
[0004]結(jié)果是如下系統(tǒng):該系統(tǒng)的繼續(xù)操作取決于許多變量和一些未知情況的這種微妙平衡。
[0005]已經(jīng)知道的是，即在US7790303中，無定形碳觸媒載體和金屬觸媒的腐蝕(這在聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池的啟動(dòng)和停止或其它功率減小過渡期間發(fā)生)導(dǎo)致燃料電池性能的永久衰退。還知道的是，該腐蝕是由于反向電流情況，在該情況中陰極電位可以大大超過一伏特，高于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位。這個(gè)電位使得基于碳的觸媒載體腐蝕并且導(dǎo)致降低的電池性能。
[0006]在可能經(jīng)歷50000-100000次啟動(dòng)/停止循環(huán)和加速/減速循環(huán)的汽車應(yīng)用中，這導(dǎo)致災(zāi)難性的性能損失。在燃料電池發(fā)電裝置上用來在功率減小期間耗散或存儲(chǔ)過量功率的電壓限制器件(VLD)通常包括具有關(guān)聯(lián)控制的快速動(dòng)作IGBT或MOSFET器件以用于檢測(cè)電池堆電壓上升高于預(yù)定的過壓限制，如圖9中所示的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]這個(gè)形態(tài)利用這些相同的器件和控制，但是向該控制添加了另一維度:在具有針對(duì)噪聲的關(guān)聯(lián)過濾器的情況下使用連續(xù)導(dǎo)數(shù)檢測(cè)電池堆電壓的斜率。電氣負(fù)載被移除或急劇減小通過電池堆電壓增加速率的急劇上升而被檢測(cè)到。在檢測(cè)時(shí)，陰極空氣可以被分流，并且VLD (耗散器或存儲(chǔ)裝置)可以打開以控制功率耗散并且控制電池堆電壓的斜率。這導(dǎo)致電氣功率的逐漸釋放。通過利用VLD來響應(yīng)于電池電壓的改變速率來對(duì)下行瞬變過程做出響應(yīng)，發(fā)電裝置化學(xué)和機(jī)械部件平衡的響應(yīng)時(shí)間與電氣負(fù)載的改變解耦。因此，實(shí)現(xiàn)了更可靠的燃料電池系統(tǒng)。功率逐漸釋放的快速介入允許發(fā)電裝置部件較慢的化學(xué)和機(jī)械平衡以便一致地響應(yīng)于改變和對(duì)改變做出反應(yīng)?？梢葬槍?duì)特定發(fā)電裝置和負(fù)載調(diào)整這個(gè)特征以便匹配發(fā)電裝置的平衡的響應(yīng)速度。
[0008]本文中的形態(tài)允許VLD在一系列階段中進(jìn)行相應(yīng)以達(dá)到一連串的功率目標(biāo)(如果期望的話)。
[0009]這個(gè)形態(tài)如此響應(yīng)以使得他可以本質(zhì)上消除響應(yīng)于停止而發(fā)起電池電壓限制步驟的需要。
[0010]根據(jù)對(duì)如在附圖中圖示的示例性實(shí)施例的下面的詳細(xì)描述，其它變型將變得更加顯而易見。
【附圖說明】
[0011]圖1是在功率減小過渡期間存儲(chǔ)或耗散燃料電池堆的能量并且還可以分流陰極空氣的燃料電池發(fā)電裝置的示意框圖。
[0012]圖2和圖3分別是現(xiàn)有技術(shù)升壓配置和降壓配置的示意圖，是響應(yīng)于本文的形態(tài)對(duì)功率存儲(chǔ)或功率耗散的控制。
[0013]圖4和5是負(fù)載功率與時(shí)間的圖表。
[0014]圖6是用于執(zhí)行本文中形態(tài)的具有多個(gè)負(fù)載功率目標(biāo)的基本實(shí)施例的功能的簡(jiǎn)化流程圖。
[0015]圖6A是圖6的變型的部分簡(jiǎn)化流程圖。
[0016]圖7是用于執(zhí)行本文中形態(tài)的具有單個(gè)負(fù)載功率目標(biāo)的基本實(shí)施例的功能的模擬圖示。
[0017]圖8-14是與功率減小過渡有關(guān)的事件和值的關(guān)于共同時(shí)間坐標(biāo)的一系列圖；圖8-10涉及現(xiàn)有技術(shù)，并且圖11-14涉及本形態(tài)的響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]參見圖1，車輛150包括燃料電池堆151，燃料電池堆151包括多個(gè)鄰接的燃料電池，每個(gè)燃料電池具有膜電極組件(MEA) 16，在圖1中僅示出一個(gè)燃料電池12。在燃料電池堆151的正和負(fù)端子處的電氣輸出由一對(duì)線155、156通過開關(guān)158連接到車輛推進(jìn)系統(tǒng)159。該輸出也通過線160連接到VLD控件200。
[0019]水循環(huán)系統(tǒng)的儲(chǔ)液器164具有出口 165。水循環(huán)系統(tǒng)可以包括調(diào)整閥166、水通路(諸如水傳輸板84、86、88、89內(nèi)的那些)、散熱器和風(fēng)扇168、169 (其選擇性地可操作為對(duì)在系統(tǒng)中循環(huán)的水進(jìn)行冷卻)以及可控水栗170。
[0020]由栗(諸如鼓風(fēng)機(jī)174)把入口 173處的環(huán)境空氣提供給陰極的氧化劑反應(yīng)物氣體流場(chǎng)19，并且從此處起通過壓力調(diào)節(jié)閥175提供給排出裝置176。氧化劑空氣通過分流閥177，分流閥177可以通過來自控制器的在線178上的信號(hào)而被打開一選擇的量，以便排出空氣，使得鼓風(fēng)機(jī)174可以針對(duì)稍后的快速響應(yīng)而保持在操作速度，同時(shí)減小電池堆中的功率生成，如專利公開2009/0098427中描述的那樣。氫從源179通過流量調(diào)節(jié)閥180被供應(yīng)到陽極的燃料反應(yīng)物氣體流場(chǎng)17，并且從此處起通過壓力調(diào)節(jié)閥181被供應(yīng)到排出裝置182。燃料循環(huán)回路包括栗183。
[0021]控制器185響應(yīng)于由電流檢測(cè)器186確定的負(fù)載電流并且響應(yīng)于跨線155、156的電壓；它還可以具有在線187上提供的電池堆的溫度?？刂破骼^而能夠通過線190控制閥門180以及控制其他閥門、開關(guān)158、160、162和栗170、174，如圖1中所示的。
[0022]控制器185響應(yīng)于來自車輛推進(jìn)系統(tǒng)159的在線193-195上的啟動(dòng)、速度和需求控制信號(hào)，這些控制信號(hào)將指示燃料電池應(yīng)當(dāng)何時(shí)開始操作以及車輛推進(jìn)系統(tǒng)所需求的功率的量。每當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)從車輛推進(jìn)系統(tǒng)159通過線193被發(fā)送到控制器185時(shí)，來自控制器的信號(hào)就將使閥門180、181和栗183被適當(dāng)?shù)夭僮鳎员闾峁┤剂戏磻?yīng)物氣體到陽極的流場(chǎng)17并且然后閥門175和栗174將被適當(dāng)?shù)夭僮鳛橄蜿帢O流場(chǎng)19提供環(huán)境空氣。
[0023]當(dāng)足夠量的燃料和空氣已被均勻地提供給電池時(shí)，控制器185將在線155、156上檢測(cè)到開路電壓。在這時(shí)，控制器可以閉合開關(guān)199或閉合開關(guān)197或閉合這兩者，以便把燃料電池堆151通過VLD控件200連接到輔助負(fù)載198或連接到存儲(chǔ)控件201，或者連接到這兩者，并且還將閉合開關(guān)158，以便把燃料電池堆151同時(shí)或稍后連接到車輛推進(jìn)系統(tǒng)159。
[0024]每當(dāng)來自車輛推進(jìn)系統(tǒng)159的停止信號(hào)被接收到時(shí)，隨著開關(guān)158開路以便將車輛從燃料電池發(fā)電裝置斷開，線212上的信號(hào)將選擇性地激勵(lì)VLD控件200。
[0025]此后關(guān)于圖2-5描述的VLD控制器200將響應(yīng)于控制器185閉合開關(guān)197而把由燃料電池中的或流過燃料電池的剩余反應(yīng)物生成的功率引導(dǎo)到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)201 (如果存儲(chǔ)器件未完全充電的話)?；蛘撸憫?yīng)于控制器閉合開關(guān)199，VLD控制器200將把剩余功率引導(dǎo)到電阻性輔助負(fù)載198，該電阻性輔助負(fù)載198將把這些功率作為熱量耗散。或者在一些情況中，開關(guān)197、198兩者都可以被閉合。
[0026]替代地或附加地，雙向分流閥177被線178上的信號(hào)調(diào)整為向陰極的氧化劑反應(yīng)物氣體流場(chǎng)19不提供、提供一些或提供所有來自栗174的空氣。當(dāng)負(fù)載需求下降到燃料電池接近開路電壓的點(diǎn)時(shí)(諸如當(dāng)車輛減慢、停止或下坡行進(jìn)時(shí))，來自控制器的在線178上的信號(hào)調(diào)整閥門177以便向環(huán)