CN101488580A - 用于短路燃料电池堆的***和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于短路燃料电池堆的***和方法，所述燃料电池***包括具有多个燃料电池的燃料电池堆以及与燃料电池堆电气连通的电力变换器。将电力变换器构造成按照预期选择性地调节燃料电池堆的电能并且短路燃料电池堆。还描述了用于启动燃料电池堆的方法，包括通过以短路模式安置电力变换器从而使燃料电池堆短路的步骤；将氢引入燃料电场堆的阳极以取代阳极上的一定量的空气的步骤；以及以电能调节模式安置电力变换器的步骤。因此，防止在启动期间燃料电池堆发生性能劣化。

Description

用于短路燃料电池堆的***和方法
技术领域
本发明公开的内容涉及一种燃料电池***，并且尤其涉及一种用于在启动期间短路燃料电池***中的燃料电池堆的方法。
背景技术
作为一种清洁、高效且环保的电源，燃料电池被用于电动车辆以及多种其它的应用中。特别地，将燃料电池看成是用于现代车辆中的传统内燃机的潜在替代物。
一种普通类型的已公知燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括三个基本部件：阴极、阳极和电解质膜。典型地，阴极和阳极包括担载在碳颗粒上且与离子交联聚合物混合的细碎的催化剂，例如铂。电解质膜夹在阴极和阳极之间以形成膜-电极-组件(MEA)。经常将MEA设置在多孔扩散介质(DM)之间，该多孔扩散介质易于传递用于电化学燃料电池反应的气态反应物，典型地该气态反应物为氢和来自空气的氧。可以将单个燃料电池串联堆叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池堆能够产生足够量的驱动车辆的电力。
在不操作的期间，一些空气扩散到燃料电池堆中并且积累在阳极上。在启动操作燃料电池堆时，将氢提供给阳极。例如如受让人的共同待审的申请11/762,845中所公开地，可以用氢吹扫燃料电池堆，该申请的内容在此全部作为参考被引用。氢取代了积累的空气并且产生沿阳极移动的“氢—空气前锋”。已公知氢—空气前锋使燃料电池性能劣化并且影响燃料电池堆的性能。特别地，氢和空气都存在在阳极上导致了具有氢的阳极部分和具有空气的阳极部分之间的局部电气短路。局部电气短路造成其上设置有催化剂的碳担载体迅速腐蚀。已经发现：碳腐蚀的速度与氢—空气前锋存在的时间以及氢—空气前锋处的局部电压的幅值成比例。碳腐蚀减少了燃料电池堆中的MEA的使用寿命。
在现有技术中，在启动操作期间短路燃料电池堆以使由氢—空气前锋产生的电压最小是公知的。在受让人的共同待审的申请11/858,974中公开了用于短路燃料电池堆的典型***和方法，其内容在此全部作为参考被引用。在一种典型的短路***中，电负载用于使启动操作期间的局部电压最小。但是，这些***通常需要额外的***部件并且就体积而言会很难封装在车辆的机舱中。
继续需要体积高效、质量较小且使用燃料电池***的现有部件来短路燃料电池堆的短路***。预期地，短路***能够提供通过在启动操作期间短路燃料电池堆以使燃料电池堆的性能劣化降至最小程度的方法。
发明内容
根据当前公开的内容，不可思议地发现体积高效、质量较小且使用燃料电池***的现有部件来短路燃料电池堆并使燃料电池堆的性能劣化降至最小程度的燃料电池***和方法。
在一种实施方式中，燃料电池***包括与电力变换器(power converter)电气连通的燃料电池堆。将电力变换器构造成按照预期选择性地调节燃料电池堆的电能并且短路燃料电池堆。
在另一种实施方式中，启动燃料电池***的方法包括以下步骤：通过将电力变换器设置为短路模式使燃料电池堆短路；将氢引入到燃料电池堆的阳极以取代阳极上的一定量的空气；以及将电力变换器设置为电能调节模式。因此，防止在启动期间燃料电池堆发生性能劣化。
在又一种实施方式中，电力变换器选自逆变器和升压变流器中的一种，该逆变器适于将来自燃料电池堆的直流(DC)转换成交流(AC)，该升压变流器适于选择性地将燃料电池堆的第一电压转变为第二电压。短路模式包括逆变器的击穿故障以及允许电流基本连续地流过升压变流器中的一种，如果选择逆变器作为电力变换器则短路模式为逆变器的击穿故障(shoot-through fault)，如果选择升压变流器作为电力变换器则短路模式为允许电流基本连续地流过升压变流器。电能调节模式包括操作逆变器以将来自燃料电池堆的直流(DC)转换成交流(AC)和操作升压变流器以将燃料电池堆的第一电压转变为第二电压中的一种，如果选择逆变器作为电力变换器则电能调节模式为操作逆变器以将来自燃料电池堆的直流(DC)转换成交流(AC)，如果选择升压变流器作为电力变换器则电能调节模式为操作升压变流器以将燃料电池堆的第一电压转变为第二电压。
附图说明
根据随后的详细描述，尤其当结合附图进行考虑的时候，本发明公开的上述以及其它优点，对所属领域的技术人员来说将变得显而易见。
图1是一种示例性的具有燃料电池堆和短路开关的现有技术燃料电池***的示意图；
图2是一种具有适于按照预期短路燃料电池堆的电力变换器的根据本发明公开的实施方式的燃料电池***的示意图；
图3是如图2所示的燃料电池***的示意图，电力变换器为逆变器；以及
图4是如图2所示的燃料电池***的示意图，电力变换器为升压变流器。
具体实施方式
随后的描述本质上只是示例性的，而且不旨在限制本发明公开的内容、应用或用途。还应该理解：在全部附图中，使用相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。对于公开的方法而言，所提出的步骤本质上是示例性的，而且因此，不是必要的或关键的。
图1示出了一种现有技术的燃料电池***2。燃料电池***2包括燃料电池堆4，该燃料电池堆4包括多个燃料电池6。每个燃料电池具有阳极和阴极。燃料电池堆4具有与阳极流体连通的适于将氢10传输到其中的阳极入口8。燃料电池堆具有与阴极流体连通的适于将空气14传输到其中的阴极入口12。将氢10和空气14用于燃料电池堆4中的电化学燃料电池反应中。燃料电池堆4具有正极端子16和负极端子18。
在燃料电池***2中设有与燃料电池堆4电气连通的短路开关20。短路开关20与正极端子16和负极端子18电气连通。例如，短路开关20分别经第一高压总线22和第二高压总线24与端子16、18电气连通。短路开关20适于按照预期短路燃料电池堆4。作为非限制性的实例，短路开关20在燃料电池堆4的启动操作期间短路燃料电池堆4。
燃料电池***2还可包括与燃料电池堆4电气连通的至少一个附加开关26。例如，附加开关26适于选择性地从燃料电池堆4向至少一个电负载诸如电动车辆的电动机或另一个电负载(未示出)提供电流。作为非限制性的实例，已公知的电气部件包括空气压缩机、电力变换器、泵以及加热和冷却装置。
参照图2到4，描述了根据本发明的各种实施方式。出于清楚的目的，来自图1中的相似结构在图2到4中具有相同的附图标记并且结合符号(’)表示。
如图2所示，燃料电池***200包括与电力变换器202电气连通的燃料电池堆4’。燃料电池堆4’经阳极入口8’接收氢10’，并且经阴极入口12’接收空气14’。燃料电池堆4’的正极端子和负极端子16’、18’经高压总线22’、24’与电力变换器202电气连通。燃料电池***200可包括与燃料电池堆4’和电力变换器202都电气连通的开关28’。开关28’适于按照预期选择性地从燃料电池堆4’向电力变换器202提供电流。
将本发明公开的电力变换器202构造成当处于操作的正常或电能调节模式的时候选择性地调节燃料电池堆4’的电能。例如，电力变换器还经电气接线204向电负载提供经过调节的电能。如在本文中所使用地，术语电力变换器包括构造成从一种形式向另一种形式调节或传输电能的任何装置。用于电力变换器202的布局的适合的例子包括：用于将直流(DC)转换为交流(AC)的逆变器；用于将AC转换为DC的整流器；用将第一电压转化为第二电压的电压变换器，诸如适于将输入电压转化成更大的输出电压的升压变流器；以及用于将第一频率的AC转换为第二频率的AC的变频器。应该理解的是，可以使用用于调节燃料电池堆4’的电能的其它适合的电力变换器布局。根据所选择的电力变换器布局，可以将电力变换器202与燃料电池堆4’和电负载串联或并联连接。
所属领域的技术人员还应该理解：常规的电力变换器典型地具有控制装置，例如空载时间补偿或门电路信号互锁，这防止了短路或者“击穿故障”并保护了常规的电力变换器。但是，将本发明的电力变换器202构造成当以短路模式安置时选择性地短路燃料电池堆4’。作为一个非限制性的示例，电力变换器202可包括适于在启用或“打开”状态与停用或“关闭”状态之间进行转换的至少一个晶体管，从而提供短路电流流经的通路。
所公开的燃料电池***200可以包括控制器206。控制器206与电力转换器202电气连通，并且适于选择性地使电力变换器短路燃料电池堆4’。燃料电池***200还可以包括构造成监控燃料电池堆4’的至少一个传感器208。作为非限制性的实例，传感器208是与燃料电池堆4’电气连通并且适于测量其电压的电压传感器。电压传感器还可以与控制器206电气连通，并且测量燃料电池堆4’的电压以控制电力变换器202的操作模式。
在如图3所示的实施方式中，电力变换器202是逆变器300。电能调节模式下的逆变器300适于将来自燃料电池堆4’的DC转换成AC。例如，逆变器300经负载端子301与电负载电气连通。逆变器300可以包括在同一逆变器相脚306中的第一晶体管302和第二晶体管304。逆变器300可以包括在逆变器300的电能调节模式下用于DC到AC的转换的附加晶体管和相脚(phase leg)。虽然图3所示的逆变器300是三相逆变器，但是可以使用其它适合的逆变器300，正如预期的一样。
所属领域的技术人员应该理解：当逆变器300处于电能调节模式时，操作第一晶体管302和第二晶体管304使其在启用状态和停用状态之间交替反相以将来自燃料电池堆4’的DC转换成AC。第一和第二晶体管302、304以现有技术中已公知的协同方式迅速地来回开闭以提供预期的AC输出。例如，开闭的频率可以在10kHz之上。在特定的实施方式中，开闭的频率为大约20kHz。可以选择其它适合的频率。
当把逆变器300设置为短路模式时，同时启用第一和第二晶体管302、304。由此允许短路电流基本连续地流过第一和第二晶体管302、304，并短路燃料电池堆4’。短路期间燃料电池堆4’的电压基本维持在零电压。
现在参照图4，所公开的电力变换器202可以是升压变流器400。升压变流器适于选择性地将燃料电池堆4’的第一电压转化为第二电压。例如，升压变流器400将输入电压升压到更大的输出电压。然后，例如将第二电压下的电流经负载线402提供给电负载。
在一种特定的实施方式中，升压变流器400包括二极管404、升压晶体管406以及电阻器408。在操作的“正常”或电能调节模式下，升压晶体管406在启用状态和停用状态之间迅速转换，如现有技术中已公知的一样造成输出电压增加。作为非限制性的实例，正常操作下的升压晶体管406的开闭速率大于约10kHz。在特定的实例中，开闭速率大于约20kHz。可以选择其它适合的开闭速率，正如预期的一样。
当把升压变流器400设置为短路模式以短路燃料电池堆4’的时候，升压晶体管406维持切换到启用状态。从而允许短路电流基本连续地流过升压晶体管406并且短路燃料电池堆4’。在短路期间，燃料电池堆4’的电压基本维持在零电压。
本发明公开的内容包括一种用于启动燃料电池堆4’的方法，该方法防止了由氢—空气前锋而导致的燃料电池堆4’发生性能劣化。首先，方法包括如本文所述的使燃料电池堆4’与电力变换器202电气连通的步骤。然后，通过将电力变换器202设置为短路模式而使燃料电池堆4’短路。将氢10’提供给燃料电池堆4’的阳极。如果存在，则氢10’取代在阳极上的一定量的空气并形成沿阳极移动的氢—空气前锋。随后，将电力变换器202设置为电能调节模式，其中电力变换器202调节燃料电池堆4’的电能。
典型地，当燃料电池堆4’的电压低于预定的电压限值的时候，实施短路的步骤。当燃料电池堆电压低于预定的电压限值时进行短路，防止了不希望有的影响，即，会消弱电力变换器202的在电能调节模式下调节燃料电池堆4’的电能的性能。例如，在向燃料电池堆4’提供氢10’和空气14’之前，电力变换器202处于短路模式。因此，由于各自的燃料没有出现在燃料电池堆4’的阳极和阴极上，所以电压基本为零。当燃料电池堆4’的电压低于预定的电压限值时，该电压由电压传感器所测量，也会导致短路模式。可以按照预期选择预定的电压限值以防止电力变换器202上的不希望有的影响。
当电力变换器202是本文所述的逆变器300的时候，短路步骤还包括启用第一晶体管302和第二晶体管304的步骤。可以基本上同时启用第一和第二晶体管302、304。类似地，当电力变换器202是升压变流器400的时候，短路步骤包括启用升压晶体管406的步骤。从而允许短路电流基本连续地流过电力变换器202，并且短路燃料电池堆4’。
当燃料电池堆4’的电压大于预定的电压限值的时候，可以执行将电力变换器202设置为电能调节模式的步骤。作为非限制性的实例，当氢10’基本充满燃料电池堆4’的阳极的时候，电力变换器202可以处于电能调节模式。当氢10’基本充满阳极的时候，引入氢10’而产生的氢—空气前锋已经通过，并且伴随的性能劣化不再发生。然后，可以将电力变换器202从短路模式，其中防止燃料电池堆发生性能劣化，转换到电能调节模式。
应该理解的是，当电力变换器202是逆变器300的时候，将电力变换器202设置为电能调节模式的步骤包括操作第一和第二晶体管302、304使其在启用状态和停用状态之间交替反相(alternating opposition)的步骤，就像现有技术中已公知的一样。从而逆变器能够将来自燃料电池堆4’的DC转换为AC。类似地，当电力变换器202是升压变流器400的时候，将电力变换器设置为电能调节模式的步骤包括在启用状态和停用状态之间操作升压晶体管的步骤。从而将燃料电池堆4’的第一电压转化为更大的第二电压。然后，可以将来自燃料电池堆4’的经过调节的电能提供给至少一个电负载，正如所预期的一样。
不可思议地发现，当变为以本文所述的非常规的方式操作的时候，使用了电力变换器202以防止启动时在氢—空气前锋存在的期间里燃料电池堆4’发生性能劣化。因为在公开的燃料电池***200和方法中没有使用额外的短路设备，并且由于在现有技术的燃料电池***中使用了电力变换器，所以可以使燃料电池***的质量和封装体积最小。
虽然出于阐明本发明的目的而示出了某些有代表性的实施方式和细节，但是在不偏离公开内容的范围的情况下进行各种改变对于所属领域的技术人员来说是显而易见的，这将在后面所附的权利要求书中进一步进行描述。

Claims (20)

1、一种燃料电池***，包括：
包括多个燃料电池的燃料电池堆；以及
与燃料电池堆电气连通的电力变换器，将电力变换器构造成选择性地调节燃料电池堆的电能并且短路燃料电池堆。
2、根据权利要求1所述的燃料电池***，还包括与电力变换器电气连通的适于选择性地使电力变换器短路燃料电池堆的控制器。
3、根据权利要求1所述的燃料电池***，其中电力变换器包括适于在启用状态和停用状态之间转换的至少一个晶体管。
4、根据权利要求1所述的燃料电池***，其中电力变换器选自逆变器和升压变流器中的一种，逆变器适于将来自燃料电池堆的直流(DC)转换为交流(AC)，升压变流器适于选择性地将燃料电池堆的第一电压转化为第二电压。
5、根据权利要求4所述的燃料电池***，其中电力变换器是在逆变器相脚中具有第一晶体管和第二晶体管的逆变器，当启用第一和第二晶体管以允许击穿故障的时候造成短路。
6、根据权利要求4所述的燃料电池***，其中电力变换器是具有升压晶体管的升压变流器，当启用升压晶体管的时候造成短路。
7、根据权利要求1所述的燃料电池***，还包括与燃料电池堆电气连通的电压传感器，电压传感器适于测量燃料电池堆的电压以控制电力变换器的操作模式。
8、根据权利要求1所述的燃料电池***，还包括与燃料电池堆的正极端子电气连通的正极高压堆总线，以及与燃料电池堆的负极端子电气连通的负极高压堆总线。
9、一种用于燃料电池堆的启动方法，该方法包括以下步骤：
设置包括多个燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池具有阳极和阴极；
设置与燃料电池堆电气连通的电力变换器；
通过将电力变换器设置为短路模式使燃料电池堆短路；
将氢引入到燃料电池堆的阳极以取代阳极上的一定量的空气；以及
将电力变换器设置为电能调节模式。
10、根据权利要求9所述的方法，其中在将氢引入到阳极时将电力变换器设置为短路模式。
11、根据权利要求9所述的方法，其中当燃料电池堆的电压基本为零的时候，将电力变换器设置为短路模式。
12、根据权利要求9所述的方法，其中当氢基本充满燃料电池堆的阳极的时候，将电力变换器设置为电能调节模式。
13、根据权利要求9所述的方法，其中当燃料电池堆的电压超过预定的电压限值的时候，将电力变换器设置为电能调节模式。
14、根据权利要求13所述的方法，其中预定的电压限值低于消弱了电力变换器为燃料电池堆调节电能的能力的电压。
15、根据权利要求9所述的方法，其中电力变换器是在逆变器相脚中具有第一晶体管和第二晶体管的逆变器，导致短路的步骤还包括启用第一晶体管和第二晶体管以允许电流基本连续地从中流过的步骤。
16、根据权利要求15所述的方法，其中将电力变换器设置为电能调节模式的步骤包括操作第一晶体管和第二晶体管使其在启用状态和停用状态之间交替反相以将来自燃料电池堆的直流(DC)转换为交流(AC)的步骤。
17、根据权利要求9所述的方法，其中电力变换器是具有升压晶体管的升压变流器，导致短路的步骤包括启用升压晶体管以允许电流基本连续地从中流过的步骤。
18、根据权利要求17所述的方法，其中将电力变换器设置为电能调节模式的步骤包括在启用状态和停用状态之间操作升压晶体管以将燃料电池堆的第一电压转化为第二电压的步骤。
19、根据权利要求9所述的方法，其中防止了在用氢取代一定量的空气的期间燃料电池堆发生性能劣化。
20、一种用于燃料电池堆的启动方法，该方法包括以下步骤：
设置包括多个燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池具有阳极和阴极；
设置与燃料电池堆电气连通的电力变换器，电力变换器选自逆变器和升压变流器中的一种，逆变器适于将来自燃料电池堆的直流(DC)转换为交流(AC)，升压变流器适于选择性地将燃料电池堆的第一电压转化为第二电压；
通过将电力变换器设置为短路模式使燃料电池堆短路，短路模式包括逆变器的击穿故障以及允许电流基本连续地流过升压变流器中的一种，如果选择逆变器作为电力变换器则短路模式为逆变器的击穿故障，如果选择升压变流器作为电力变换器则短路模式为允许电流基本连续地流过升压变流器；
将氢引入到燃料电池堆的阳极以取代阳极上的一定量的空气；以及
将电力变换器设置为电能调节模式，电能调节模式包括操作逆变器以将来自燃料电池堆的直流(DC)转换成交流(AC)和操作升压变流器以将输入电压转变为更大的输出电压中的一种，如果选择逆变器作为电力变换器则电能调节模式为操作逆变器以将来自燃料电池堆的直流(DC)转换成交流(AC)，如果选择升压变流器作为电力变换器则电能调节模式为操作升压变流器以将输入电压转变为更大的输出电压，其中防止在启动期间燃料电池堆发生性能劣化。
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