[发明专利]使用电压分布控制的燃料电池系统起动

说明书

一种燃料电池系统，该燃料电池系统用于车辆或其它系统且包括燃料电池堆叠、DC‑DC升压转换器以及控制器。该堆叠具有多个燃料电池和堆叠电压。该控制器经由升压转换器在燃料电池堆叠的起动期间调节堆叠电压，并且经编程有多个校准电压分布，每个校准电压分布具有对应的幅值和变化率。控制器构造成执行方法，该方法响应于燃料电池堆叠的经请求起动而检测燃料电池堆叠的空气起动。该控制器然后在燃料电池堆叠的实际起动期间将堆叠电压实施为预定电压分布，且经由升压转换器的调节并且使用多个校准电压分布来这样做。

背景技术

燃料电池堆叠是能够从在相同构造燃料电池的堆叠中发生的配对氧化/还原反应中产生电力的一种电化学装置。每个燃料电池均包括用于在相反电荷电极之间输送带电颗粒的电解质。铂基或其它合适的催化剂加速电极处的催化过程。氢和氧是氧化/还原反应的基本燃料，这允许水能作为惰性反应副产物而产生。于是，燃料电池可用作车辆推进系统、发电设备以及其它移动或静止系统中的替代清洁能量源。

在燃料电池系统中，将堆叠起动过程限定为配对氧化/还原反应的启动和堆叠最终达到稳定输出电压的之后时间点之间的经过阶段。因此，燃料电池系统在结束起动过程的情形下开始输出可用水平的功率。某些问题可能妨碍给定的燃料电池系统经历成功起动，例如“空气起动”事件或者电池电压的突发峰值。当在延长的关闭时间段之后可忽略不计水平的氢保留在堆叠阳极中时，例如当燃料电池车辆在关闭状态中停车经过一周时，发生空气起动事件。空气起动可能导致负阳极电势以及可能的堆叠退化。在高于900毫伏水平上的电压峰值可能导致催化剂氧化和腐蚀，这进而会减小催化剂的可用表面积并且不利地影响燃料电池效率。

发明内容

这里公开一种控制方法，该控制方法用于在堆叠起动过程期间控制燃料电池堆叠的输出电压(即，堆叠电压)，且根据预定电压分布来这样做，而每个分布均具有对应的幅值和变化率。该方法包括使用直流-直流(DC-DC)升压转换器，以将堆叠电压控制为预定电压分布，从而很大程度地防止堆叠阳极的负电势，以及降低催化剂氧化的发生。

燃料电池系统包括燃料电池堆叠并且还包括DC-DC升压转换器和控制器，该燃料电池堆叠具有多个燃料电池和堆叠电压。控制器经编程有校准电压分布，每个校准电压分布具有对应的幅值和变化率，且该控制器构造成经由DC-DC升压转换器调节在燃料电池堆叠的起动期间的堆叠电压。控制器还构造成响应于燃料电池堆叠的经请求起动而检测燃料电池堆叠的空气起动。响应于所检测的空气起动，该控制器经由升压转换器的调节而在燃料电池堆叠的实际起动期间实施堆叠电压的预定电压分布，且使用校准电压分布而这样做。

校准电压分布包括对应于阳极加压阶段的第一电压分布和对应于阴极填充阶段的第二电压分布，且第二电压分布所具有的变化率小于第一电压分布的变化率。

该控制器经编程为使用气体浓度评估(GCE)模型的输出来检测燃料电池堆叠的空气起动。在该实施例中，GCE模型的输出可以是燃料电池堆叠的阳极板中的经评估氧水平。该控制器可接收燃料电池堆叠的关闭时间、温度以及压力数值的每个作为一组输入，且GCE模型的输出根据该组输入所确定。

DC-DC升压转换器可包括半导体开关和门驱动电路，且该控制器在电压恢复操作模式期间经由门驱动电路通过控制半导体开关的占空比来施加或实施电压分布。

该控制器可包括微处理器，该微处理器是DC-DC升压转换器的一部分，且在电压恢复操作模式期间控制半导体开关的占空比。该控制器构造成通过以电流控制模式来控制DC-DC升压转换器而在完成起动之后实施电压分布。

该燃料电池系统可包括高电压DC电池、电气地连接于电池的功率逆变器模块、轴以及可操作用以将转矩输出至轴的电动机器。在非限制的机动车辆实施例中，道路车轮能可旋转地连接于轴。