專利名稱：陽極反應(yīng)性排放及噴射器變換控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種矯正由于缺氫引起的電池電壓不穩(wěn)定的燃料電池系統(tǒng)，更 具體地涉及一種包括分裂式子電池堆的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)在執(zhí)行反應(yīng)性陽極 排放之前將純凈的氫氣噴射到弱的子電池堆中，以盡力從較低的電池電壓中恢復(fù)過來并提 高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
背景技術(shù)：
氫氣是非常有吸引力的燃料，因?yàn)樗乔鍧嵉牟⒖捎糜谠谌剂想姵刂杏行У禺a(chǎn)生 電。氫燃料電池是包括陽極和陰極以及介于它們之間的電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽極接收氫 氣，而陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極分解，以產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子經(jīng)由電解質(zhì) 流到陰極。質(zhì)子與陰極中的氧氣和電子反應(yīng)以產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能通過電解質(zhì)， 并由此被引導(dǎo)通過負(fù)載以便在被送到陰極之前做功。 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的常見燃料電池。PEMFC通常包括固態(tài) 的聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括承載于碳顆粒上并與 離聚物混合的細(xì)碎的催化劑顆粒，通常為鉑(Pt)。催化劑混合物沉積在隔膜的相對側(cè)。陽 極催化劑混合物、陰極催化劑混合物以及膜的結(jié)合物限定了膜電極組件(MEA)。 MEA的制造 成本相對較高，并且需要特定條件以便有效工作。 通常，在燃料電池堆中結(jié)合多個燃料電池來產(chǎn)生期望的電能。例如，用于車輛的典 型燃料電池堆可具有兩百或者更多個堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)氣 體，該反應(yīng)氣體通常為通過壓縮機(jī)強(qiáng)制通入電池堆的空氣流。并非所有氧氣都被電池堆消 耗，一些空氣作為陰極廢氣輸出，陰極廢氣可能包括作為電池堆副產(chǎn)物的水。燃料電池堆還 接收流入電池堆的陽極側(cè)的陽極氫氣反應(yīng)氣體。電池堆還包括冷卻流體流經(jīng)其中的流動通 道。 燃料電池堆包括位于電池堆中的多個MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和 MEA位于兩個端板之間。對于電池堆中的相鄰燃料電池而言，雙極板包括陽極側(cè)和陰極側(cè)。 陽極氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)，其允許陽極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的MEA。陰極氣體 流動通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)，其允許陰極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的MEA。一個端板包括陽極 氣體流動通道，而另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板都由導(dǎo)電材料制成，例 如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池所產(chǎn)生的電引導(dǎo)到電池堆外。雙極板還包括冷卻 流體流經(jīng)其中的流動通道。 MEA是可滲透的，并由此允許來自電池堆陰極側(cè)的空氣中的氮?dú)饨?jīng)由其滲透并積 聚在電池堆的陽極側(cè)，在本領(lǐng)域中稱作氮?dú)獯┰?nitrogen cross-over)。即使陽極側(cè)壓力 可能高于陰極側(cè)壓力，陰極側(cè)的分壓也會使空氣透過膜。燃料電池堆的陽極側(cè)中的氮?dú)庀♂寶錃?，因此，如果氮?dú)鉂舛仍龃蟪^一定比例，例如50%，燃料電池堆會變得不穩(wěn)定并可 能失效。在本領(lǐng)域中公知的是，在燃料電池堆的廢氣輸出處設(shè)置排放閥，以從電池堆的陽極 側(cè)移除氮?dú)狻?—些燃料電池系統(tǒng)利用陽極流動變換，其中，燃料電池堆被分為多個子電池堆，并 且陽極反應(yīng)氣體沿交替變換的方向流經(jīng)分裂式子電池堆。在這些類型的設(shè)計中，排放歧管 單元(BMU)有時設(shè)置在分裂式子電池堆之間，排放歧管單元包括用于實(shí)現(xiàn)陽極廢氣排放的 閥。 可利用一種算法，該算法在電池堆工作的過程中提供對陽極廢氣中的氮?dú)鉂舛鹊?在線估測，從而確定何時該進(jìn)行陽極廢氣排放。該算法可基于從陰極側(cè)到陽極側(cè)的滲透速 率及陽極廢氣的周期排放在一段時間內(nèi)跟蹤電池堆的陽極側(cè)的氮?dú)鉂舛?。?dāng)算法計算出氮 氣濃度的增長高于預(yù)定的閾值時，例如增長10%，其可觸發(fā)排放操作。通常，在允許多個電 池堆陽極容量進(jìn)行排放的時間段內(nèi)執(zhí)行這種排放，該排放有時稱作主動排放，由此使氮?dú)?濃度降至閾值以下。 另一種已知的陽極廢氣排放被稱為反應(yīng)性排放。在反應(yīng)性排放中，算法計算出燃 料電池電壓，并在電池電壓超過電池堆的電池壓差閾值時進(jìn)行排放。電池壓差是分裂式子 電池堆的最大電池電壓與最小電池電壓之間的差。反應(yīng)性排放的目的是使因電池缺氫而導(dǎo) 致的電池壓差減小。通常，缺氫是因?yàn)樵陔姵囟训年枠O側(cè)的流動區(qū)域中氮?dú)夥e聚過度或者 液態(tài)水泛濫引起的。 當(dāng)分裂式子電池堆系統(tǒng)中發(fā)出反應(yīng)性排放指令時，系統(tǒng)控制器通常基于陽極流動 的當(dāng)前移動方向決定打開哪個排放閥。在一個已知的系統(tǒng)中，利用鋸齒指令信號來決定在 任一具體的時間點(diǎn)時哪個分裂式子電池堆接收氫氣。鋸齒指令信號基于從0到1的數(shù)值范 圍，其中，如果鋸齒指令信號在0與0. 5之間，則氫氣被送到第一子電池堆，而當(dāng)鋸齒指令信 號在0. 5與1之間時，流動反向，并且氫氣被送到第二分裂式子電池堆。在排放指令期間， 在接收純凈氫氣的子電池堆下游的子電池堆的排放閥被打開，其中流動變換保持該配置直 到排放請求終止。當(dāng)排放請求終止時，指令信號重置為O，使得第一子電池堆始終是在排放 請求終止之后首先接收純凈氫氣的子電池堆。 這種陽極流動變換和排放請求的指令控制可能存在兩個問題。第一，如果任一分 裂式子電池堆的電池壓差超過壓差閾值并發(fā)出了反應(yīng)性排放指令，流動變換的方向可能使 得具有最大電池壓差的弱的子電池堆可能不是當(dāng)前正接收氫氣的子電池堆，因而將是發(fā) 生排放的子電池堆。換言之，如果其中一個子電池堆具有表現(xiàn)不佳的電池并且該子電池堆 是具有當(dāng)前流動變換方向的子電池堆下游的子電池堆，則將要執(zhí)行的反應(yīng)性排放將純凈氫 氣噴射到另一個子電池堆中并通過表現(xiàn)不佳的子電池堆的輸出端的排放閥實(shí)施排放。因 此，兩個子電池堆中更穩(wěn)定的子電池堆是在排放事件期間接收純凈氫氣的子電池堆，這將 使弱的子電池堆的壓差增大。 此外，在排放請求終止之后，鋸齒指令信號被重置為O，使得同一子電池堆始終 是首先接收氫氣的子電池堆。這使得通過鋸齒指令信號在0-0.5之間接收氫氣的子電 池堆接收比另一子電池堆多50%的氫氣。該狀況可表示如下。假設(shè)排放請求持續(xù)時間 為t且鋸齒指令信號周期為T。在最差的情況下，由于在排放請求終止之后鋸齒指令 信號被重置為O，所以第二子電池堆接收氫氣的持續(xù)時間為t+T/2，而第一子電池堆接收氫氣的持續(xù)時間為t+T。因此，得到每個子電池堆接收純凈氫氣的持續(xù)時間的比率
<formula>formula see original document page 7</formula>(工) 對于低電流密度，排放請求持續(xù)時間t通常小于鋸齒指令 信號周期T，因此，RAt。B較大。例如，對于電流密度J = 0. 1的電池 堆，鋸齒指令信號變換周期T = 6. 09秒，排放周期t = 3s。因此
<formula>formula see original document page 7</formula>( 2 ) 這意味著在相同的排放請求條件下第一子電池堆將接收比第二子電池堆多50 % 的氫氣。該計算還說明了在低電流密度條件下電池堆電壓更容易發(fā)生下降，并且第二子電 池堆更容易成為弱電池堆。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了用于矯正分裂式子電池堆燃料電池系統(tǒng)的大的燃料電 池電壓差的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括將氫氣供給到每個分裂式子電池堆的氫氣源和用于使 子電池堆的陽極側(cè)進(jìn)行排放的排放閥。該系統(tǒng)還包括用于測量分裂式子電池堆中的每個電 池的電壓的電壓測量裝置。該系統(tǒng)提供了矯正大的燃料電池電壓差問題的兩個階段。第一 階段包括在正常的反應(yīng)排放進(jìn)行之前將純凈的氫氣送到弱的子電池堆，第二階段包括在電 池壓差接近電池堆失效水平時將純凈的氫氣送到弱的子電池堆并打開另一個子電池堆的 排放閥。 根據(jù)另一個實(shí)施方式，在排放請求終止之后，決定系統(tǒng)流動方向的鋸齒指令信號 被重置，從而使得在排放請求開始時未接收純凈氫氣的子電池堆是在排放請求終止之后首 先接收純凈氫氣的子電池堆。 通過下面的描述和所附權(quán)利要求并結(jié)合附圖，本發(fā)明的附加特征將變得明顯。


圖1是分裂堆燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖； 圖2是橫軸為時間縱軸為量值的曲線圖，示出了用于確定分裂堆燃料電池系統(tǒng)的 分裂式子電池堆的陽極流動變換順序的鋸齒指令信號；以及
圖3是示出矯正低電池壓差的過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明的用于矯正分裂式子電池堆及燃料電池系統(tǒng)的大電池壓差的系統(tǒng) 和方法的實(shí)施方式進(jìn)行的描述本身僅是示例性的，并非旨在限制本發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用或 用途。 圖1是包括在陽極流動變換模式下工作的分裂式燃料電池子堆12和14的燃料電 池系統(tǒng)10的示意性框圖。當(dāng)流動沿某一方向進(jìn)行時，噴射器組16將純凈的氫氣噴射到陽 極輸入管線24上的子電池堆12的陽極側(cè)。從子電池堆12輸出的陽極氣體在連接管線20 上被送到子電池堆14。當(dāng)流動沿相反的方向進(jìn)行時，噴射器組18將純凈的氫氣噴射到陽極輸入管線26上的子電池堆14的陽極側(cè)，該氣體從子電池堆14輸出，并在連接管線20上被 送到子電池堆12。 BMU30設(shè)置在分裂式子電池堆12和14的陽極輸入端處，并在確定的時間階段內(nèi)提 供陽極廢氣排放以基于任何合適的排放計劃從子電池堆12和14的陽極側(cè)移除氮?dú)?。BMU 30包括使陽極輸入管線24和26相連的管線32及將管線32連接到系統(tǒng)10的排氣端的排 氣管線34，系統(tǒng)10的排出端通常為子電池堆12和14的陰極側(cè)排氣端。第一排放閥36靠 近子電池堆12設(shè)置在管線32中，而第二排放閥38靠近子電池堆14設(shè)置在管線32中。排 氣閥40設(shè)置在管線34中，排氣閥40在陽極排放過程中以及其它可能需要打開的時間段打 開。 系統(tǒng)10還包括測量分裂堆燃料電池系統(tǒng)的子電池堆12和14中的每個電池的電 壓的電池電壓監(jiān)測器(CVM)46?？刂破?8控制噴射器組16和18以及閥36、38和40。控 制器48從CVM46接收電壓測量信號，并確定每個子電池堆12和14的最小電池電壓、最大 電池電壓以及電壓差。 當(dāng)系統(tǒng)10在陽極流動變換模式下工作并且未發(fā)出排放指令時，排放閥36和38均 關(guān)閉，因此，依據(jù)陽極氣體流動的方向，第二子電池堆的輸出端是封閉的。如果發(fā)出排放指 令且流動沿著從子電池堆12經(jīng)由管線20到子電池堆14的方向進(jìn)行，則排放閥38打開而 排放閥36關(guān)閉。同樣地，如果發(fā)出排放指令且流動沿著從子電池堆14經(jīng)由管線20到子電 池堆12的方向進(jìn)行，則第一排放閥36打開而第二排放閥38關(guān)閉。因此，陽極廢氣經(jīng)由排 氣閥40從排氣管線34排出。 圖2是橫軸為時間縱軸為量值的曲線圖，示出了用于確定如上所述的陽極流動變 換時間順序的鋸齒指令信號。指令線的坡度表示流動變換的頻率，而指令線的數(shù)值是在0 與0. 5之間還是在0. 5與1之間決定了子電池堆12或14中哪一個正在接收純凈的氫氣。 具體地說，如果指令線在0與0. 5之間，其中一個子電池堆將接收純凈的氫氣，而當(dāng)指令線 在O. 5與1之間時，流動反向，另一個子電池堆將接收純凈的氫氣。指令線中的平坦部分表 示進(jìn)行排放的時間，在平坦部分，流動變換暫停，并且正在接收氫氣的子電池堆12或14決 定了將要進(jìn)行排放的是另一個子電池堆12或14。當(dāng)排放請求終止時-此時平坦部分結(jié)束， 明顯的是，流動變換指令信號被重置為O，從而使同一子電池堆12或14成為在排放請求終 止之后首先接收純凈氫氣的子電池堆。 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式，不是每當(dāng)排放請求終止時都將鋸齒指令信號重置為 O，而是將鋸齒指令信號設(shè)置給與最后接收氫氣的電池堆不同的電池堆。因此，如果在子電 池堆12接收氫氣時發(fā)出排放請求指令-此時從子電池堆14進(jìn)行排放，則鋸齒指令信號將 被重置到0或0. 5(對應(yīng)于子電池堆14)，使得當(dāng)排放請求終止時子電池堆14首先接收氫 氣。類似地，如果發(fā)出排放請求指令時子電池堆14正在接收氫氣，則在排放請求終止時鋸 齒指令信號將被重置到0或0. 5 (對應(yīng)于子電池堆12)，使得當(dāng)排放請求終止時子電池堆12 首先接收氫氣。 當(dāng)分裂式子電池堆系統(tǒng)經(jīng)受低電池電壓時，有利的是確定哪個子電池堆性能不佳 以便充分地對問題作出反應(yīng)。本發(fā)明認(rèn)識到，在陽極排放之前通過向性能不佳的電池堆中 注入純凈的氫氣能夠改善電壓恢復(fù)的結(jié)果。因此，提供一種算法，該算法確定每個子電池堆 的電池電壓是否在期望的最小電池電壓級別內(nèi)以及電壓差是否在可接受的范圍內(nèi)，如果不
8在，則采取合適的補(bǔ)救措施。 圖3是示出矯正大的電池壓差的過程的流程圖60。流程圖60用于分裂式子電池 堆12和14中的一個，應(yīng)該認(rèn)識到對另一個子電池堆12或14執(zhí)行相同的操作，該操作同時 進(jìn)行或以交替方式進(jìn)行。周期性地，在方框62處，系統(tǒng)10啟動用于監(jiān)測分裂式子電池堆的 電壓差的程序。在方框64處，控制器48判斷子電池堆12或14的電壓差是否大于第一壓 差閥值。在一個非限制性的實(shí)施方式中，第一壓差閥值是150mV，該閾值是比需要進(jìn)行電池 堆快速停機(jī)的值小很多、但表明子電池堆12或14中的一個電池可能出現(xiàn)故障的合適電壓。 如果電池壓差不大于第一壓差閥值，則算法返回到開始方框62處。 如果在判斷菱形框64處子電池堆12或14中的電池壓差大于第一壓差閥值，意味 著子電池堆12或14中的至少一個電池的電壓開始下降，則在方框66處算法將氫氣噴射到 那個子電池堆12或14中。在某一預(yù)定的時間段_例如5秒之后，算法將接著在判斷菱形 框68處判斷將純凈的氫氣噴射到子電池堆12或14中是否矯正了高電壓差問題，如果是， 則算法進(jìn)行到方框70，以等待下一次陽極廢氣排放。 如果在判斷菱形框68處將氫氣噴射到子電池堆12或14中沒有使電池壓差降至 第一壓差閥值以下，則算法在判斷菱形框72處判斷子電池堆12或14的電池壓差是否大 于第二壓差閥值。第二壓差閥值是表明子電池堆具有比較嚴(yán)重的問題的壓差，此時子電池 堆可能接近于失效，可能需要進(jìn)行快速停機(jī)。在一個非限制性實(shí)施方式中，第二壓差大約為 250mV。如果在判斷菱形框72處子電池堆12或14的電池壓差未達(dá)到第二壓差閥值，則算 法返回到方框66以繼續(xù)將純凈的氫氣噴射到子電池堆12或14中，并希望該過程將最終矯 正問題并且電池壓差將降到第一壓差閥值以下。另外，必須非常謹(jǐn)慎，以確保在通過使純凈 的氫氣在無限制的時間段內(nèi)流到弱的子電池堆中來照料弱的子電池堆時，兩個子電池堆中 的較強(qiáng)的子電池堆不會變得不穩(wěn)定。因此，必須以預(yù)定的周期速率進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，以便迅速 將純凈的氫氣供給到較強(qiáng)的子電池堆，從而主動防止較強(qiáng)的子電池堆變得缺少氫氣。
如果在判斷菱形框72處子電池堆12或14的電池壓差大于第二壓差閥值，這意味 著將純凈的氫氣噴射到子電池堆中未能矯正導(dǎo)致低電池電壓的問題，則算法在方框74處 繼續(xù)將純凈的氫氣噴射到該子電池堆12或14中，并打開另一個子電池堆12或14的排放 閥，以繼續(xù)盡力矯正電池壓差的問題。算法隨后在判斷菱形框76處判斷排放請求是否終 止，排放請求可能因電池壓差降至第一壓差閾值以下而終止，這意味著通過噴射純凈的氫 氣和打開排放閥已經(jīng)解決了電池壓差問題。如果在判斷菱形框76處排放請求終止，則算法 返回到方框70以等待下一次規(guī)則性陽極排放。然而，如果純凈的氫氣和排放未能矯正電池 壓差問題，則算法將在方框82處返回到方框74以嘗試?yán)^續(xù)補(bǔ)救弱的子電池堆。如果在預(yù)定 的時間段之后該子電池堆的狀況仍未改善，則在返回到方框74之前的短暫時間段內(nèi)將進(jìn) 行供給較強(qiáng)子電池堆的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)將一直重復(fù)這種控制循環(huán)，直到弱的子電池堆恢 復(fù)正常，或者直到在方框80處最小電池電壓持續(xù)降至大約OmV的絕對最小電壓閾值以下， 從而導(dǎo)致在方框78處決定快速停機(jī)。 因此，上述過程提供了矯正電池壓差大的問題的兩個階段。矯正該問題的第一階 段包括在進(jìn)行正常的反應(yīng)性排放之前將純凈的氫氣噴射到發(fā)生故障的子電池堆池中，而第 二階段包括當(dāng)電池壓差接近電池堆失效水平時將純凈的氫氣噴射到發(fā)生故障的子電池堆 中并打開另一個子電池堆的排放閥。
前面的說明僅公開和描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。通過這些說明和附圖以及 權(quán)利要求書，本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易認(rèn)識到，可在不偏離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的 原理和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種變化、改型以及變型。
權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，包括第一分裂式子電池堆；第二分裂式子電池堆；將純凈的氫氣供給到所述第一子電池堆和所述第二子電池堆的第一氫氣源和第二氫氣源；靠近所述第一分裂式子電池堆的陽極輸入端定位的第一陽極排放閥和靠近所述第二分裂式子電池堆的陽極輸入端定位的第二陽極排放閥；用于測量所述第一分裂式子電池堆和所述第二分裂式子電池堆中的燃料電池的電壓的電壓測量電路；以及響應(yīng)來自所述電壓測量電路的電壓信號的控制器，所述控制器確定所述第一子電池堆和所述第二子電池堆的燃料電池電壓差，如果所述第一子電池堆或所述第二子電池堆的燃料電池電壓差大于第一預(yù)定閾值，則所述控制器使純凈的氫氣被送到所述第一子電池堆或所述第二子電池堆，如果燃料電池電壓差大于比所述第一預(yù)定閾值大的第二預(yù)定閾值，則所述控制器使純凈的氫氣被送到所述第一子電池堆或所述第二子電池堆，并從所述第一子電池堆或所述第二子電池堆中的另一個進(jìn)行陽極排放。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器在所述第一子電池堆的燃料電池電壓 差或所述第二子電池堆的燃料電池電壓差大于所述第一閾值之后等待大約5秒的時間段， 以判斷所述第一子電池堆或所述第二子電池堆的燃料電池電壓差是降至所述第一閾值以 下還是大于所述第二閾值。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，如果所述第一子電池堆或所述第二子電池堆的燃 料電池電壓差介于所述第一閾值與所述第二閾值之間，則所述控制器繼續(xù)將純凈的氫氣送 到所述第一子電池堆或所述第二子電池堆。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一閾值大約為150mV。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二閾值大約為250mV。
6. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，如果在所述控制器使純凈的氫氣被送到所述第一 子電池堆或所述第二子電池堆并從所述第一子電池堆或所述第二子電池堆中的另一個進(jìn) 行陽極排放之后，所述第一子電池堆或所述第二子電池堆的燃料電池電壓差在一定時間段 內(nèi)保持大于第三最小極限閾值，則所述控制器使系統(tǒng)快速停機(jī)。
7. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器使用鋸齒指令信號設(shè)定所述第一子電 池堆和所述第二子電池堆的陽極流動變換頻率，在所述鋸齒指令信號中，數(shù)值為O到O. 5的 信號量值使純凈的氫氣被送到所述第一子電池堆，數(shù)值為0. 5到1的信號量值使純凈的氫 氣被送到所述第二子電池堆，并且其中，所述控制器在陽極排放終止之后將所述鋸齒指令 信號重置到0或0. 5，從而使所述第一子電池堆或所述第二子電池堆中的在陽極排放開始 時未接收純凈氫氣的另一個子電池堆首先接收純凈的氫氣。
8. —種燃料電池系統(tǒng)，包括 第一分裂式子電池堆； 第二分裂式子電池堆；將純凈的氫氣供給到所述第一子電池堆和所述第二子電池堆的第一氫氣源和第二氫 氣源；靠近所述第一分裂式子電池堆的陽極輸入端定位的第一陽極排放閥和靠近所述第二 分裂式子電池堆的陽極輸入端定位的第二陽極排放閥；用于測量所述第一分裂式子電池堆和所述第二分裂式子電池堆中的燃料電池的電壓 的電壓測量電路；以及控制所述氫氣源、所述第一陽極排放閥以及所述第二陽極排放閥的控制器，所述控制 器使用鋸齒指令信號設(shè)定所述第一子電池堆和所述第二子電池堆的陽極流動變換頻率，在 所述鋸齒指令信號中，數(shù)值為0到0. 5的信號量值使純凈的氫氣被送到所述第一子電池堆， 數(shù)值為0. 5到1的信號量值使純凈的氫氣被送到所述第二子電池堆，所述控制器在陽極排 放終止之后將所述鋸齒指令信號重置到0或0. 5，從而使所述第一子電池堆或所述第二子 電池堆中的在陽極排放開始時未接收純凈氫氣的另一個子電池堆首先接收純凈的氫氣。
9. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器從所述電壓測量電路接收電壓信號，并 確定所述第一子電池堆和所述第二子電池堆的燃料電池電壓差，如果所述第一子電池堆或 所述第二子電池堆的燃料電池電壓差大于第一預(yù)定閾值，則所述控制器使純凈的氫氣被送 到所述第一子電池堆或所述第二子電池堆。
10. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述第一閾值大約為150mV。
11. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，如果燃料電池電壓差大于比所述第一預(yù)定閾值大 的第二預(yù)定閾值，則所述控制器使純凈的氫氣被送到所述第一子電池堆或所述第二子電池 堆，并從所述第一子電池堆或所述第二子電池堆中的另一個進(jìn)行陽極排放。
12. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述第二閾值大約為250mV。
13. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器在所述第一子電池堆的燃料電池電 壓差或所述第二子電池堆的燃料電池電壓差大于所述第一閾值之后等待大約5秒的時間 段，以判斷所述第一子電池堆或所述第二子電池堆的燃料電池電壓差是降至所述第一閾值 以下還是大于所述第二閾值。
14. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，如果所述第一子電池堆或所述第二子電池堆的 燃料電池電壓差介于所述第一閾值與所述第二閾值之間，則所述控制器繼續(xù)將純凈的氫氣 送到所述第一子電池堆或所述第二子電池堆。
15. —種用于矯正燃料電池系統(tǒng)的第一分裂式子電池堆或第二分裂式子電池堆的大的 燃料電池電壓差的方法，所述燃料電池系統(tǒng)在陽極流動變換模式下工作，所述方法包括確定所述第一子電池堆和所述第二子電池堆的燃料電池電壓差；如果所述第一子電池堆或所述第二子電池堆的燃料電池電壓差大于第一預(yù)定閾值，則 將純凈的氫氣送到所述第一子電池堆或所述第二子電池堆，如果燃料電池電壓差大于比所述第一預(yù)定閾值大的第二預(yù)定閾值，則將純凈的氫氣送 到所述第一子電池堆或所述第二子電池堆，并使所述第一子電池堆或所述第二子電池堆中 的另一個的陽極進(jìn)行排放。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，還包括使用鋸齒指令信號設(shè)定所述第一子電池堆和所 述第二子電池堆的陽極流動變換頻率，在所述鋸齒指令信號中，數(shù)值為0到0. 5的信號量值 使純凈的氫氣被送到所述第一子電池堆，數(shù)值為0. 5到1的信號量值使純凈的氫氣被送到 所述第二子電池堆，所述方法還包括在陽極排放終止之后將所述鋸齒指令信號重置到0或 0.5，從而使得所述第一子電池堆或所述第二子電池堆中的在陽極排放開始時未接收純凈氫氣的另一個子電池堆首先接收純凈的氫氣。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，還包括在所述第一子電池堆的燃料電池電壓差或所 述第二子電池堆的燃料電池電壓差大于所述第一閾值之后等待大約5秒的時間段，以判斷 所述第一子電池堆或所述第二子電池堆的燃料電池電壓差是降至所述第一閾值以下還是 大于所述第二閾值。
18. 如權(quán)利要求15所述的方法，還包括如果所述第一子電池堆或所述第二子電池堆 的燃料電池電壓差介于所述第一閾值與所述第二閾值之間，則繼續(xù)將純凈的氫氣送到所述 第一子電池堆或所述第二子電池堆。
19. 如權(quán)利要求15所述的方法，還包括如果所述第一子電池堆或所述第二子電池堆 的燃料電池電壓差大于第二預(yù)定閾值的持續(xù)時間超過了預(yù)定的時間段，則進(jìn)行所述第一子 電池堆或所述第二子電池堆的強(qiáng)制氫氣流變換和排放切換。
20. 如權(quán)利要求15所述的方法，還包括如果在噴射純凈的氫氣到一個子電池堆并從另一個子電池堆進(jìn)行陽極排放之后燃料電池電壓差持續(xù)大于第三最小極限閾值一段時間， 則使系統(tǒng)進(jìn)行快速停機(jī)。
21. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述第一閾值大約為150mV，所述第二閾值大約 為250mV，用于快速停機(jī)的最小絕對閾值小于OmV。
全文摘要
本發(fā)明涉及陽極反應(yīng)性排放及噴射器變換控制方法。一種用于矯正分裂式子電池堆燃料電池系統(tǒng)的大燃料電池電壓差的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括將氫氣供給到每個分裂式子電池堆的氫氣源和用于使子電池堆的陽極側(cè)進(jìn)行排放的排放閥。該系統(tǒng)還包括用于測量分裂式子電池堆中的每個電池的電壓的電壓測量裝置。該系統(tǒng)提供了矯正大的電池電壓差問題的兩個階段。第一階段包括在正常的反應(yīng)排放進(jìn)行之前將純凈的氫氣送到弱的子電池堆，第二階段包括在電池電壓差接近電池堆失效水平時將純凈的氫氣送到弱的子電池堆并打開另一個子電池堆的排放閥。
文檔編號H01M8/24GK101794898SQ20091025836
公開日2010年8月4日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者A·喬扈里, D·R·薩瓦奇, J·K·利里, J·蔡, S·E·萊爾納, W·S·馬利 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司