一种燃料电池系统（１０），所述燃料电池系统采用燃料电池堆（１２）和补充功率源（１４），例如蓄电池或超级电容器。除燃料电池堆（１２）的输出功率以外，所述补充功率源（１４）还提供补充功率用于高负载需求。所述燃料电池系统（１０）包括根据对燃料电池堆（１２）需求的变化而控制源自补充功率源（１４）和燃料电池堆（１２）的功率输出的功率管理控制器（１６）。在燃料电池堆（１２）的电压可能增大超过可能导致燃料电池堆中的燃料电池内的铂催化剂颗粒发生氧化的电位的低负载需求条件下，所述功率管理控制器（１６）导致所述燃料电池堆（１２）对所述补充功率源（１４）进行充电，以便降低燃料电池堆上的电压输出。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及采用补充功率源的燃料电池系统，且特别是，本专利技术涉及一种采用补充功率源的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统使用一种功率控制策略，其中蓄电池在向所述燃料电池系统发出低负载请求时从燃料电池堆中抽运功率，从而防止所述燃料电池堆的电压电位超过导致电压循环变化(voltage cycling)的预定电压或减少所述燃料电池堆的电压电位超过导致电压循环变化的预定电压的次数。
技术介绍
氢是一种非常具有吸引力的燃料，这是因为氢清洁并可以用于在燃料电池中高效地产生电能。在作为车辆功率源的氢燃料电池的研发中，汽车工业要消耗大量的资源。这样的车辆将会是更高效的并且会比当今使用内燃机的车辆产生更少的排放物。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极发生离解产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极的氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，由此在被传送至阴极之前被引导流过负载作功。所做的功用于使车辆工作。质子交换膜(PEMFC)是一种流行的用于车辆的燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，比如全氟磺酸膜。阳极和阴极一般包括细细分散的催化剂颗粒，通常为铂(Pt)，其被担载在碳颗粒上并与离聚物混合。该催化混合物被沉积在所述膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件对生产商来说是相对较贵的，并且需要一定的条件来有效工作。这些条件包括适当的水管理和湿化，以及对催化剂中毒成分比如一氧化碳(CO)的控制。-->多个燃料电池典型地被组合在燃料电池堆中以产生所需的功率。该燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地为在压缩机的作用下加压通过燃料电池堆的空气流。并不是全部氧都被燃料电池堆消耗掉且一些空气作为可能包括作为燃料电池堆副产物的阴极排出气体被输出。所述燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧中的阳极氢输入气体。一些燃料电池车辆为除燃料电池堆以外还采用补充功率源例如直流蓄电池或超级电容器的混合动力车辆。所述燃料电池堆通过直流电压总线向牵引电动机提供功率用于使车辆运行。在需要附加功率超过燃料电池堆可提供的功率时，例如在加速过程中，所述蓄电池向电压总线提供补充功率。例如，所述燃料电池堆可提供70kW的功率。然而，车辆加速可能需要100kW的功率。在再生制动过程中由牵引电动机提供的发电功率典型地被用于对蓄电池进行再充电。已经发现，典型的燃料电池堆在其使用寿命中会产生电压损失或电压退化。据信，燃料电池堆的电压退化尤其是燃料电池堆电压循环变化作用的结果。当铂催化剂颗粒被用于增强氧化态与非氧化态之间的电化学反应转变时产生电压循环变化，所述电化学反应转变导致所述颗粒发生溶解。如果燃料电池堆的电压小于约0.8伏，那么铂催化剂颗粒不会发生氧化且保持为金属。当燃料电池堆的电压大于约0.8伏时，铂晶体开始发生氧化。燃料电池堆上的低负载可能会导致燃料电池堆的电压输出高于0.8伏。根据膜电极组件的功率密度，0.8伏电压对应于0.2A/cm2大小的电流密度，而高于0.2A/cm2的电流密度不会改变铂的氧化状态。所述氧化电压阈值对于不同的燃料电池堆和不同的催化剂而言可能是不同的。当铂催化剂颗粒在金属态与氧化态之间进行转变时，铂中的氧化离子能够从膜电极组件的表面向膜移动且有可能进入到膜中。当颗粒回复到金属状态时，所述颗粒不处于有助于进行电化学反应的状态，从而减小了活性催化剂表面并且导致燃料电池堆产生电压退化。图1示出了随着在氧化态与金属态之间的电压循环变化次数的增加，铂的表面积的减小导致燃料电池堆产生电压退化的曲线图，其中水平轴表示电压循环变化的次数，垂直轴表示标准化的铂的表面积。所述电压退化对于不同类型的催化剂而言是不同的，所述不同类型的催化剂包括具有不同颗粒尺寸、浓度和组分的催化剂。-->
技术实现思路
根据本专利技术的教导，公开了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统采用燃料电池堆和补充功率源，例如蓄电池、超级电容器或任何其它的可再充电的电能源。所述补充功率源例如在车辆加速的过程中除燃料电池堆的输出功率以外还提供补充功率用于高功率需求。所述燃料电池系统包括根据燃料电池堆需求的变化而控制源自补充功率源和燃料电池堆的功率输出的功率管理控制器。在燃料电池堆的电压可能增大超过可能导致燃料电池堆中的燃料电池内的铂催化剂颗粒发生氧化的电位的低负载条件下，所述功率管理控制器导致所述燃料电池堆对功率源进行充电，以便增大燃料电池堆上的负载并且降低燃料电池堆的电压，从而防止发生电压循环变化，由此防止产生电压退化。在一个实施例中，所述功率管理控制器提供一种控制方案计划，其中在功率需求开始时，功率源可被用于为车辆的牵引系统提供功率，从而使得功率源的充电状态足够低，从而被用以其后在低负载条件下抽运来自燃料电池堆的功率。通过下面的描述和所附的权利要求并结合附图，本专利技术的其它优点和特征将变得更加明显。附图说明图1示出了燃料电池中的电压循环变化次数与铂的表面积的减小量之间的关系的曲线图，其中水平轴表示电压循环变化的次数，垂直轴表示铂的表面积；和图2为根据本专利技术的一个实施例的车辆用燃料电池系统的框图，其中所述系统采用在低负载运行过程中由燃料电池堆进行充电的补充功率源以防止或减少电压循环变化。具体实施方式对本专利技术的针对用于控制采用补充功率源的燃料电池系统的方法的多个实施例的下述讨论本质上仅是示例性的，因而绝非旨在对本专利技术或者其应用或者使用进行限定。例如，以下对燃料电池系统进行的讨论具有用于在燃料电池混合动力车辆中提供功率的特定应用。然-->而，本专利技术的燃料电池系统可具有其它用途和应用。图2是车辆用燃料电池系统10的框图。所述车辆是燃料电池混合动力车辆，原因在于所述燃料电池混合动力车辆中包括燃料电池堆12和补充功率源14。该补充功率源14可以是任何适合的功率源，例如蓄电池、超级电容器等，所述补充功率源可进行再充电并且提供了附加功率以便例如在加速时当燃料电池堆12上的负载超出其功率容量时驱动所述车辆。所述燃料电池系统10包括接收来自功率源14的充电信息状态并且输出来自燃料电池堆12中的每个燃料电池的电压的功率管理控制器16。所述功率管理控制器16还接收来自车辆系统的负载需求，以便由功率源14和燃料电池堆12提供适当的功率输出，从而满足需求。补充功率源14和燃料电池堆12通过电压总线22向车辆电力牵引系统20提供输出功率。所述牵引系统20使车轮24和26产生转动。所述电力牵引系统20可以是用于这种类型的车辆的任何适合的电力牵引系统并且有可能包括交流同步电动机和功率变换器，如本领域的技术人员所公知地。所述功率管理控制器16还控制燃料电池堆12与电压总线22之间的开关28以及功率源14与电压总线22之间的开关30，从而使得燃料电池堆12和功率源14可断开与电压总线22的连接。因此，如果所述电力牵引系统20被用于在再生制动过程中对功率源14进行再充电，那么燃料电池堆12可以断开与电压总线22的连接。同样地，如果功率源已充足电，那么在再生制动过程中功率源14可以断开与电压总线22的连接。向牵引系统20提供功率仅是所述燃料电池系统10的一个应用实例。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：包括一堆燃料电池的燃料电池堆；电连接到所述燃料电池堆上的补充功率源；和功率控制器，所述功率控制器通过使用所述功率源作为燃料电池堆上的负载控制所述燃料电池堆和所述补充功率源的功率输出，从而保持燃 料电池堆上的电压低于预定的氧化电压阈值。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-1-4 11/028,8871、一种燃料电池系统，包括：包括一堆燃料电池的燃料电池堆；电连接到所述燃料电池堆上的补充功率源；和功率控制器，所述功率控制器通过使用所述功率源作为燃料电池堆上的负载控制所述燃料电池堆和所述补充功率源的功率输出，从而保持燃料电池堆上的电压低于预定的氧化电压阈值。2、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述氧化电压阈值是燃料电池中的铂催化剂颗粒开始发生氧化的阈值。3、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述氧化电压阈值为约0.8伏。4、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述功率控制器采用减小或消除燃料电池堆的电压循环变化的控制方案计划。5、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中从包括蓄电池和电容器的组中选择所述功率源。6、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池堆和所述补充功率源提供输出功率以驱动车辆上的电力牵引系统。7、一种燃料电池系统，包括：包括一堆燃料电池的燃料电池堆；补充功率源；和控制器，所述控制器控制所述燃料电池堆和所述补充功率源的功率输出，所述控制器在低负载需求下将所述燃料电池堆电连接到所述功率源上，以便减小或防止燃料电池堆产生电压循环变化。8、根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：B克劳斯，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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