[发明专利]用于燃料电池推进系统的基于效率的待机模式

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于在待机模式下操作燃料电池系统的系统和方法，并且更特别地涉及用于在待机模式下操作燃料电池系统的这样的系统和方法，该方法包括：基于在燃料电池堆功率和电池功率之间的优化确定进入待机模式的时间；然后提供动态待机模式操作，其中燃料电池堆关闭并且阴极压缩机在怠速下操作，直到经过计算时间；然后提供其中压缩机不操作的静态待机模式。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且能用来在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极并在两者间具有电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中解离以生成自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应以生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此被导向穿过负载以便在被送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的车辆用燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟代磺酸膜。阳极和阴极通常包括承载在碳粒上且与离聚物混合的细分的催化剂粒子，通常为铂(Pt)。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA制造相对昂贵并且需要某些条件来有效操作。

几种燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生所需功率。例如，典型的车辆用燃料电池堆可具有两百个或以上的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应物气体，该气体通常为由压缩机迫使通过电池堆的空气流。典型的阴极压缩机将包括空气轴承。并非所有氧均被电池堆消耗，其中一些空气被输出为可包括作为电池堆副产物的水的阴极排气。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢反应物气体。电池堆还包括其中流过冷却流体的流动通道。

燃料电池堆包括定位在电池堆中的若干MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应物气体流至相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，其允许阴极反应物气体流至相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将由燃料电池产生的电力传导至电池堆外部。双极板也包括其中流过冷却流体的流动通道。

大多数燃料电池车辆为混合动力车辆，其采用除了燃料电池堆之外的补充电源，例如高压直流电池或超级电容器。双向DC/DC转换器有时用来匹配电池电压与燃料电池堆的电压。当燃料电池堆不能够提供所需功率时，电源为各种车辆辅助负载、为系统起动和在高功率需求期间提供补充功率。燃料电池堆通过直流高压电气母线为电气牵引马达提供功率以用于车辆操作。在对额外功率的需求超出电池堆能提供的功率期间，例如在重载加速期间，电池为电气母线提供补充功率。例如，燃料电池堆可提供70kW的功率，然而，车辆加速可能需要100kW的功率。燃料电池堆用来在燃料电池堆能够提供系统功率需求时对电池或超级电容器再充电。在再生制动期间可从牵引马达得到的发电机功率也用来对电池或超级电容器再充电。

需要提供用于燃料电池混合动力车辆的控制算法以确定响应于驾驶员功率请求和在所有车辆操作条件下将由燃料电池堆提供多少功率以及将由电池提供多少功率。希望优化由燃料电池堆和电池提供的功率分布，以使得用来操作车辆的氢的量被最小化。换言之，希望以最有效的方式操作燃料电池系统，以允许车辆使用最少量的氢行驶最远的距离。电池必须在限定的荷电状态(SOC)范围内操作，其中控制算法通常提供SOC设定点，基于该设定点而对电池充电和放电进行控制。

当车辆上的燃料电池系统处于空闲模式时，例如当车辆在停车灯处停止时，此时，燃料电池堆不产生用于操作系统装置的功率，空气和氢通常仍然被提供至燃料电池堆，并且电池堆正产生输出功率。该功率通常用来对电池再充电，直到达到电池的SOC上限，此时如果电池被充电超出该上限，电池可能会损坏。当达到该SOC极限时，电池堆上的电池负载被移除，这增加了电池堆电压，但引起减少电池堆寿命的某些现象。如果燃料电池系统在空闲条件期间关闭，则不需要解决当电池达到其最大SOC时在电池堆上提供负载的问题。另外，当燃料电池堆处于空闲模式时向其提供氢通常是一种浪费，因为在该条件下操作电池堆不产生非常有用的功，如果有的话。