專利名稱：用可再充電儲電裝置降低由電壓循環變化所致的電壓損失的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及采用補充功率源的燃料電池系統，且特別是，本發明涉及一種采用補充功率源的燃料電池系統，其中所述燃料電池系統使用一種功率控制策略，其中蓄電池在向所述燃料電池系統發出低負載請求時從燃料電池堆中抽運功率，從而防止所述燃料電池堆的電壓電位超過導致電壓循環變化(voltage cycling)的預定電壓或減少所述燃料電池堆的電壓電位超過導致電壓循環變化的預定電壓的次數。
背景技術：
氫是一種非常具有吸引力的燃料，這是因為氫清潔并可以用于在燃料電池中高效地產生電能。在作為車輛功率源的氫燃料電池的研發中，汽車工業要消耗大量的資源。這樣的車輛將會是更高效的并且會比當今使用內燃機的車輛產生更少的排放物。
氫燃料電池是一種電化學裝置，其包括陽極和陰極以及位于其間的電解質。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極發生離解產生自由氫質子和電子。氫質子穿過電解質到達陰極。氫質子與陰極的氧和電子反應產生水。來自陽極的電子不能穿過電解質，由此在被傳送至陰極之前被引導流過負載作功。所做的功用于使車輛工作。
質子交換膜(PEMFC)是一種流行的用于車輛的燃料電池。PEMFC一般包括固體聚合物電解質質子傳導膜，比如全氟磺酸膜。陽極和陰極一般包括細細分散的催化劑顆粒，通常為鉑(Pt)，其被擔載在碳顆粒上并與離聚物混合。該催化混合物被沉積在所述膜的相對側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定出膜電極組件(MEA)。膜電極組件對生產商來說是相對較貴的，并且需要一定的條件來有效工作。這些條件包括適當的水管理和濕化，以及對催化劑中毒成分比如一氧化碳(CO)的控制。
多個燃料電池典型地被組合在燃料電池堆中以產生所需的功率。該燃料電池堆接收陰極輸入氣體，典型地為在壓縮機的作用下加壓通過燃料電池堆的空氣流。并不是全部氧都被燃料電池堆消耗掉且一些空氣作為可能包括作為燃料電池堆副產物的陰極排出氣體被輸出。所述燃料電池堆還接收流入燃料電池堆的陽極側中的陽極氫輸入氣體。
一些燃料電池車輛為除燃料電池堆以外還采用補充功率源例如直流蓄電池或超級電容器的混合動力車輛。所述燃料電池堆通過直流電壓總線向牽引電動機提供功率用于使車輛運行。在需要附加功率超過燃料電池堆可提供的功率時，例如在加速過程中，所述蓄電池向電壓總線提供補充功率。例如，所述燃料電池堆可提供70kW的功率。然而，車輛加速可能需要100kW的功率。在再生制動過程中由牽引電動機提供的發電功率典型地被用于對蓄電池進行再充電。
已經發現，典型的燃料電池堆在其使用壽命中會產生電壓損失或電壓退化。據信，燃料電池堆的電壓退化尤其是燃料電池堆電壓循環變化作用的結果。當鉑催化劑顆粒被用于增強氧化態與非氧化態之間的電化學反應轉變時產生電壓循環變化，所述電化學反應轉變導致所述顆粒發生溶解。如果燃料電池堆的電壓小于約0.8伏，那么鉑催化劑顆粒不會發生氧化且保持為金屬。當燃料電池堆的電壓大于約0.8伏時，鉑晶體開始發生氧化。燃料電池堆上的低負載可能會導致燃料電池堆的電壓輸出高于0.8伏。根據膜電極組件的功率密度，0.8伏電壓對應于0.2A/cm2大小的電流密度，而高于0.2A/cm2的電流密度不會改變鉑的氧化狀態。所述氧化電壓閾值對于不同的燃料電池堆和不同的催化劑而言可能是不同的。
當鉑催化劑顆粒在金屬態與氧化態之間進行轉變時，鉑中的氧化離子能夠從膜電極組件的表面向膜移動且有可能進入到膜中。當顆粒回復到金屬狀態時，所述顆粒不處于有助于進行電化學反應的狀態，從而減小了活性催化劑表面并且導致燃料電池堆產生電壓退化。
圖1示出了隨著在氧化態與金屬態之間的電壓循環變化次數的增加，鉑的表面積的減小導致燃料電池堆產生電壓退化的曲線圖，其中水平軸表示電壓循環變化的次數，垂直軸表示標準化的鉑的表面積。所述電壓退化對于不同類型的催化劑而言是不同的，所述不同類型的催化劑包括具有不同顆粒尺寸、濃度和組分的催化劑。
發明內容
根據本發明的教導，公開了一種燃料電池系統，所述燃料電池系統采用燃料電池堆和補充功率源，例如蓄電池、超級電容器或任何其它的可再充電的電能源。所述補充功率源例如在車輛加速的過程中除燃料電池堆的輸出功率以外還提供補充功率用于高功率需求。所述燃料電池系統包括根據燃料電池堆需求的變化而控制源自補充功率源和燃料電池堆的功率輸出的功率管理控制器。在燃料電池堆的電壓可能增大超過可能導致燃料電池堆中的燃料電池內的鉑催化劑顆粒發生氧化的電位的低負載條件下，所述功率管理控制器導致所述燃料電池堆對功率源進行充電，以便增大燃料電池堆上的負載并且降低燃料電池堆的電壓，從而防止發生電壓循環變化，由此防止產生電壓退化。
在一個實施例中，所述功率管理控制器提供一種控制方案計劃，其中在功率需求開始時，功率源可被用于為車輛的牽引系統提供功率，從而使得功率源的充電狀態足夠低，從而被用以其后在低負載條件下抽運來自燃料電池堆的功率。
通過下面的描述和所附的權利要求并結合附圖，本發明的其它優點和特征將變得更加明顯。
圖1示出了燃料電池中的電壓循環變化次數與鉑的表面積的減小量之間的關系的曲線圖，其中水平軸表示電壓循環變化的次數，垂直軸表示鉑的表面積；和圖2為根據本發明的一個實施例的車輛用燃料電池系統的框圖，其中所述系統采用在低負載運行過程中由燃料電池堆進行充電的補充功率源以防止或減少電壓循環變化。
具體實施例方式
對本發明的針對用于控制采用補充功率源的燃料電池系統的方法的多個實施例的下述討論本質上僅是示例性的，因而絕非旨在對本發明或者其應用或者使用進行限定。例如，以下對燃料電池系統進行的討論具有用于在燃料電池混合動力車輛中提供功率的特定應用。然而，本發明的燃料電池系統可具有其它用途和應用。
圖2是車輛用燃料電池系統10的框圖。所述車輛是燃料電池混合動力車輛，原因在于所述燃料電池混合動力車輛中包括燃料電池堆12和補充功率源14。該補充功率源14可以是任何適合的功率源，例如蓄電池、超級電容器等，所述補充功率源可進行再充電并且提供了附加功率以便例如在加速時當燃料電池堆12上的負載超出其功率容量時驅動所述車輛。所述燃料電池系統10包括接收來自功率源14的充電信息狀態并且輸出來自燃料電池堆12中的每個燃料電池的電壓的功率管理控制器16。所述功率管理控制器16還接收來自車輛系統的負載需求，以便由功率源14和燃料電池堆12提供適當的功率輸出，從而滿足需求。
補充功率源14和燃料電池堆12通過電壓總線22向車輛電力牽引系統20提供輸出功率。所述牽引系統20使車輪24和26產生轉動。所述電力牽引系統20可以是用于這種類型的車輛的任何適合的電力牽引系統并且有可能包括交流同步電動機和功率變換器，如本領域的技術人員所公知地。所述功率管理控制器16還控制燃料電池堆12與電壓總線22之間的開關28以及功率源14與電壓總線22之間的開關30，從而使得燃料電池堆12和功率源14可斷開與電壓總線22的連接。因此，如果所述電力牽引系統20被用于在再生制動過程中對功率源14進行再充電，那么燃料電池堆12可以斷開與電壓總線22的連接。同樣地，如果功率源已充足電，那么在再生制動過程中功率源14可以斷開與電壓總線22的連接。向牽引系統20提供功率僅是所述燃料電池系統10的一個應用實例。所述燃料電池系統10可向任何適合的裝置提供功率。
所述燃料電池系統10還包括儲氫罐32，所述儲氫罐為燃料電池堆12提供作為陽極輸入的氫，如本技術領域所周知地。儲氫罐32可以是儲存液體氫的低溫貯罐或儲存壓縮氫氣的壓縮氣體貯罐。另一種可選方式是，可以用產生氫的重整器替換儲氫罐32。
根據本發明，所述功率管理控制器16聯合控制燃料電池堆12和功率源14以減少或消除燃料電池堆的電壓循環變化。特別是，控制器16試圖防止燃料電池堆12的輸出電壓超過電壓電位閾值，在所述閾值條件下，燃料電池堆12中多個燃料電池的膜電極組件中的鉑催化劑顆粒發生氧化。在一個實施例中，該電壓電位為約0.8伏特，所述電壓電位與約0.2A/cm2的電池電流密度相對應，顆粒在所述電壓電位之上開始發生氧化。如果對燃料電池堆12的需求足夠低，從而致使所述電壓電位位于氧化電位閾值之上，那么所述功率管理控制器16致使燃料電池堆12被電聯接到補充功率源14上，從而對作為負載的功率源14進行再充電。
當然，如果已經充足了電的話，那么燃料電池堆12就不能對補充功率源14進行充電了。因此，所述功率管理控制器16采用一種控制方案計劃，其中使得功率源14的充電狀態保持處于充滿狀態之下。當功率源14處于或接近充滿狀態時，功率源14的電輸出被用于驅動牽引系統20。一旦功率源14已被放電達到一定的電量水平，那么所述功率管理控制器16將隨后允許燃料電池堆12在需求量致使燃料電池堆12的輸出電壓高于氧化電位閾值的那些過程中對功率源14進行充電。例如，當車輛開始加速時，功率源14可被用于向牽引系統20提供功率。當例如在停車燈處車輛停止時，此時燃料電池堆的負載將是較低的，則可在燃料電池堆12上面提供附加負載以對蓄電池16進行充電，從而保持燃料電池堆上的電壓低于氧化電位閾值。
前述的討論僅僅公開和描述了本發明的示例性的實施例。本領域的技術人員會容易地認識到通過這樣的討論和所附的附圖以及權利要求，在不偏離下面的權利要求所限定的本發明的精神和范圍的條件下，可對本發明作出各種改變、改進和變化。
權利要求
1.一種燃料電池系統，包括包括一堆燃料電池的燃料電池堆；電連接到所述燃料電池堆上的補充功率源；和功率控制器，所述功率控制器通過使用所述功率源作為燃料電池堆上的負載控制所述燃料電池堆和所述補充功率源的功率輸出，從而保持燃料電池堆上的電壓低于預定的氧化電壓閾值。
2.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中所述氧化電壓閾值是燃料電池中的鉑催化劑顆粒開始發生氧化的閾值。
3.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中所述氧化電壓閾值為約0.8伏。
4.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中所述功率控制器采用減小或消除燃料電池堆的電壓循環變化的控制方案計劃。
5.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中從包括蓄電池和電容器的組中選擇所述功率源。
6.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中所述燃料電池堆和所述補充功率源提供輸出功率以驅動車輛上的電力牽引系統。
7.一種燃料電池系統，包括包括一堆燃料電池的燃料電池堆；補充功率源；和控制器，所述控制器控制所述燃料電池堆和所述補充功率源的功率輸出，所述控制器在低負載需求下將所述燃料電池堆電連接到所述功率源上，以便減小或防止燃料電池堆產生電壓循環變化。
8.根據權利要求7所述的燃料電池系統，其中所述電壓循環變化被定義為燃料電池中的鉑催化劑顆粒開始發生氧化的電壓。
9.根據權利要求8所述的燃料電池系統，其中所述氧化電壓為約0.8伏。
10.根據權利要求7所述的燃料電池系統，其中從包括蓄電池和電容器的組中選擇所述功率源。
11.根據權利要求7所述的燃料電池系統，其中所述燃料電池堆和所述補充功率源提供輸出功率以驅動車輛上的電力牽引系統。
12.一種用于控制燃料電池系統的功率輸出的方法，所述方法包括以下步驟由包括一堆燃料電池的燃料電池堆提供輸出功率；由補充功率源提供輸出功率；并且控制所述燃料電池堆和所述補充功率源的功率輸出，以便保持燃料電池堆上的電壓低于預定的氧化電壓閾值。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述氧化電壓閾值是燃料電池中的鉑催化劑顆粒開始發生氧化的閾值。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述氧化電壓閾值為約0.8伏。
15.根據權利要求12所述的方法，其中控制所述燃料電池堆和所述補充功率源的功率輸出包括減小或消除燃料電池堆的電壓循環變化。
16.根據權利要求12所述的方法，其中由補充功率源提供輸出功率包括由從包括蓄電池和電容器的組中選擇出的補充功率源提供輸出功率。
17.根據權利要求12所述的方法，其中由燃料電池堆和補充功率源提供輸出功率包括提供輸出功率以驅動車輛上的電力牽引系統。
全文摘要
一種燃料電池系統(10)，所述燃料電池系統采用燃料電池堆(12)和補充功率源(14)，例如蓄電池或超級電容器。除燃料電池堆(12)的輸出功率以外，所述補充功率源(14)還提供補充功率用于高負載需求。所述燃料電池系統(10)包括根據對燃料電池堆(12)需求的變化而控制源自補充功率源(14)和燃料電池堆(12)的功率輸出的功率管理控制器(16)。在燃料電池堆(12)的電壓可能增大超過可能導致燃料電池堆中的燃料電池內的鉑催化劑顆粒發生氧化的電位的低負載需求條件下，所述功率管理控制器(16)導致所述燃料電池堆(12)對所述補充功率源(14)進行充電，以便降低燃料電池堆上的電壓輸出。
文檔編號H01M10/44GK101095257SQ200580045789
公開日2007年12月26日 申請日期2005年10月31日 優先權日2005年1月4日
發明者B·克勞斯 申請人:通用汽車公司