专利名称：使用存储器来测量燃料电池系统在关闭或空闲状态的时间的制作方法
技术领域：
0001本发明总体涉及一种确定燃料电池己经关闭的时间的方法，更具体
来说，涉及车用'燃料电池系统已经关闭多久的方法，该方法包括将空闲计时器 与停机计时器相结合，其中空闲计时器提供车辆依然点火但是燃料电池系统关 闭的时间读数，停机计时 供车辆熄火的时间读数。
背景技术：
0002氢是很好的燃料，因为它清洁并且 料电池中能有效产生电。氢 燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极以及阴极，两者之间有电解液。阳极 接收氢气，阴极接受氧气或空气。氢气在阳极电离生成自由质子和电子。质子 通过电解液到达阴极。在阴极质子和氧气以及电子反应产生水。阳极的电子不
^M电解液，因此在被，,^t前M负载做功。
0003质子交f^t料电池(PEMFC)是常见的车用燃料电池。PEMFC 通常包括固体聚合物电解、M子传导膜，例如全氟磺 。阳极和阴丰腿常包 括极细的催化粒子，通常是销(Pt)，以碳粒子为载体并且和离子交联聚^ t/混 合。催化剂混合物沉积在膜相对的两侧。阳极催化剂混合物，阴极催化剂混合 物以及膜组合成膜电极装置(MEA)。
0004^^料电池组中通常几个燃料电池结合来产^^f需电能。前;^if提
到的车用燃料电池组可能包括200或更多的燃料电池。燃料电池组接收阴极反 应气体，通常是利用压縮机而强制通过电池组的空气气流。不是所有的氧气都 被电池组消耗，部分空气作为阴极的排出气体排出，排出气体包括作为电池组
副产物的水。燃料电池组也接收^A电池组阳极侧的阳^MHIS气体。
0005鹏料电池组包括方j(S在电池组中的几个MEA之间的一系列双极板， 在此，双极板和MEA放置在两端板之间。双极板包括电池组中相邻燃料电池的 阳极侧和阴极侧。阳极气^M道位于双极板的阳极侧使阳极，气体流向相应 的MEA。阴极气t臓道位于双极板的阴极侧使阴极反应气髓向相应的MEA。 一端板包括阳极气箭ai道，另一端板包括阴极气 道。双极板和端板由导电
材料制成，例如不锈钢或者导电复合物，端板把电池组产生的电能传导出去。 双极板还包括冷却液流过的通道。
0006本领域已经提出，用分离的电池组的燃料电池系统中提供电池组 顺序开启或者阳极流移动(anode flow-shifting)。特别是，在系统中有阀和管路 以4魏一子电池组的阳极排出气体送入第二子电池组的阳极侧，在循环模式中， 第二子电池组的阳极排出气体^A第一子电池组的阳极侧。
0007当燃料电池系统关闭时，未反应的氢气仍在燃料电池组的阳极侧。 此氢气能扩散通过膜和阴极顶啲氧气发生反应。由于氢气扩散至阴极侧，电池 组阳极侧的总压力低于周围压力。该压力差使周围的空气itA燃料电池的阳极
侧。当空气iax燃料电池阳极侧，它生,空气锋面而在阳极侧造成短路，导
致氢离子从阳极顶啲富氢部分向阳极侧的富空气部分的横向流动。这种高粒子 流和膜的高横向离子电阻的结合产生穿过膜的明显的横向电位降( 0.5 V)。这 样在相对于阳极侧的填充有空气部分的阴极侧和相邻的电解液之间产生局部的 高电位，而使碳腐蚀加快，并且导致鹏变薄。这样减少了催化齐啦子载体， ,斗电池性能體。
0008系统下次起动时，假设足够长时间已经过去，阴极和阳极Sit—般 都充满了空气。系统起动之时，氢气进入阳极通道，氢气将阳极通道里的空气 挤出，同样生成M/空气锋面，其通过阳极气流通道。在每个燃料电池中，i(/ 空气锋面导致了随着锋面的移动沿着膜的长度弓l发了催化反应，和穿过膜的反 应结合，产生高电势。这种合成的电势足够高以致于严重损坏催化剂以及其上 形成催化剂的碳粒子，斷氏燃料电池组中MEA的絲。特别是，敦空气锋面 引发的反应和正常的燃料电池反应结合，比仅仅穿过膜的燃料电池反应高数个 数量级。例如，如果不解决系统起动时S/空气锋面的退化效果，仅仅经过大概 100个关闭和起动周期就会破坏燃料电池。
0009本领域已经提出，在系统起动时，通a^可能M的迫f趨^M:
阳极通道来縮短破坏发生时间的方式来减少M/空气锋面的退化效果。还建议氢 气低速率的进入阳极通道而使空气和氢气活性混合来减少i(/空气锋面。本领域 还提出在去除阳极通道中的氢气之前7賴卩燃料电池。但是，所有的这些方法没 有足够的减少M/空气退化作用而获得具有期望寿命的燃料电池组。尤其是，迅
速移动M/空气锋面没有完全消除催化剂的退化，并且需要大尺寸的管子和其他
组件^M清除阳极通道里的空气。起动时缓慢的导入氢气具有需要用循环泵 耗时几分钟来把阳极通道里的空气全部清除的缺点。另外，需要精确的控制进 入阳极通道的氢气量，而这难以实现。
ooio本领域己经提出提供穿过电池组的负载，例如电阻，用以减少, 空气锋面产生的电势。但是，极低电阻负载将需要高能级的电部件。同时，电 池组中电池间的流量平衡能导致电池阳极腐蚀。此外，在许多例子中，电阻器 自身通常不足以减少碳腐蚀。
0011基于以上讨论，很明显为了更有效和安全的起动顿序，希望获知系 统起动时燃料电池组阳极和阴极侧的气体组分。基于系统上次关闭后经历的时 间，可以模拟显示出燃料电池中的气体组份。因此，需要知M料电池组已经 关闭了多久。
发明内容
0012本发明使用发动t鹏制单元的非易失性存储器来观糧燃料电池系统
在关闭或空闲状态的时间。根据本发明的教导，公开了一种提供燃料电池系统 己经关闭的确切时间的方法，从而可以获知燃料电池组阳极和阴极侧的气体组 分来有效进行下次系统起动顺序。该方法使用两个计时器，其中空闲计时器
(stand-by timer)提供燃料电池系统关闭多久但是车辆依然点火的时间读数，停 机计时器(shirt-offtimer)提供，熄火多久的时间读数。这两个时间读数相加
而给出燃料电池组已经关闭多久的完整时间读数。
0013皿下文以及权利要求书并结合相应的附图，本发明的其他特点将 更清楚。
0014图1是釆用分离电池组的燃料电池系统以阳极流移动来工作的示意 方块0015图2縣用本发明计时的燃料电池系统的起动l,的谳呈图；以及0016图3是根据本发明实施例的鹏亂示出了用于,燃料电池系统
已经关闭多久的计时方法。
具体实施例方式
0017接下来论述的本发明实施例提供的确定燃料电池系统已经关闭多久 的方法本质上仅仅是示例性的，并不是用来限制本发明或者该方法的实施或使 用。
0018图1是包括第一分离燃料电池组12和第一分离燃料电池组14的燃 料电池系统10的示意方i央图。压缩机16通MM常关闭的阴极输入阀20经阴极 输入线18向分离电池组12和14提供阴极输入空气。阴极排出气体从线24上 的分离的电池组排出，并且阴极排出气体从线26上的分离的电池组14排出， 其中阴极排出气体合成一条阴极输出线28。通常关闭的阴极后压力阀30控制通 过线28的阴极排出气体的气流。在输入线18和输出线28之间的阴极支线32 使阴极输入空气绕过电池组12和14。通常关闭的支线阀34控制是否使阴极空 气绕过电池组12和14。如果阀20和30关闭并且阀34打开，那么来自压缩机 16的空气将绕过电池组12和14。通常，阴极加湿单元(未示出)将安装在阴 极输入线18上适合的位置。
0019脏该非P艮制性实施例中，分离电池组12和14釆用阳极流移动(anode flow-shifting),其中阳极反应气條预定的循环中以本领域技术人员熟知的方式 先后、舰分离电池组12和14。以交替的顺序，注入器38 自氢气源40的氢 气M3i阳极线42注入分离电池组12，注入器44 tt自氢气源46的氢气M:阳 极线48注入分离电池组14。通常关闭的阳极流移动阀50和52用于提供阳极流 移动。当阀50关闭而阀52打开时，来自源40的氢气流入线42上的电池组12， M分离电池组12和14之间的连接线54，駄分离电tM且14并且舰阀52 排出阳极线46，准备在阴极排出气鄉出线28中禾,极排出气体混合。同样， 当阀52关闭而阀50打开时，来自源46的氢气iJf^A线46上的分离电池组14， M^接线54，流入分离电池组12并M过阀50，准备在线28中和阴极排出 气体混合。
0020水分离器60耦合到连接线54并且收集分离电池组12和14之间的 阳极气流中的水。通常关闭的排水阀62周期性的开启，把水排至线64上的阴 极排出气体线28。另外，阳极排出气体mi:阀66耦合到连接线54和线64，通
过下文的讨论就会理解这样连接的原因。
0021燃料电池组12和14产生电流。在电池组正常工作期间，电池组 12和14产生的电流用于驱动系统负载，例如车用电力牵引系统(ETS) 70。在 关師l,期间，电池组12和14产生的电流用于对电池72充电，或者被其他系 统元件消耗，然后就是被电阻74消耗。
0022在一个系统关師顿序期间，压缩机16停止并且阀20和30关闭以 密封电池组12和14的阴极侧。氢气流继续使电池组12和14里任何残留氧气 被消耗完。当电池组电力陶氏到预定值，电池组12和14产生的电流从ETS70 切换到电池72。当电池组电力降低到另一预定值，电池组负载切换到电阻74。 特别是， 一旦电压低于固定的切断电压，电池组负载切换到电阻74。切断电压 可能是DC/DC变换器(未示出)的下限，或者是供电装置的下限。电池负载的 目的是消耗和/鹏储任何电能，否贝哒些电能将被浪费。它还减少电阻负载的 育遣消耗需求。
0023
一旦来自电池组12和14的氧气已经被消耗，切断氢气流并且阀 50、 52、 62和66关闭来密封电池组12和14的阳极侧。当以这种方式关闭系统 10时，电池组12和14的阴极侧和阳极侧都包括N2/H2混合物。过会儿，空气 将渗入电、 乸且12和14，同时电池组12和14中的氢气首先消耗氧。另外，氢气 将缓慢的渗出电池组12和14。结果，电池组12和14中的气体组分将随时间在 氮气中的富氢混合物和空气混合物的7]C之间变化。
0024根据本发明，采用了确定燃料电池系统10关闭或短暂停止己经发 生多久的方法，以估算获得分离电池组12和14中的气体浓度和成分来用于正 确的起动",(stert-upsequence)。基于气体动力学和关于系统10的假设，随着 时间可以预测阴极侧和阳极侧的近似气微度。在系统10空闲或关闭期间，通 过获知系统中气体浓度，可以采用某些方法来确保最佳的下次起动顺序发生。 通过控制限定起动顺序的状态会获得关于安全、排放、可靠以及耐用的某些要 求。
0025为了实现这些，本发明提供了空闲计时器，其用来计算系统10已 经关闭的时间但是钥匙仍然在 点火状态并且在开启位置或副(ACC)位置， 以及停机计时器，其用来计算熄火时间。因此，系统10的所需停止或短暂停止 都被包括了，以确定从最后一次电池组关闭所经历的时间。当系统10关闭而钥 匙仍然在车辆点火状态时，空闲计时器从系统关闭时开始计时。当钥匙从点火 状态被取走时，空闲时间值被存储，并且停机计时器开始计时。当钥匙回到点 火状态并且系统10起动时，空闲时间和停机时间相加得到識的停止时间值， 用来确定分离电池组12和14阴极侧和阳极侧的气体浓度。
0026如果停止时间值低于500秒，在阳极侧氢气浓度高并且正在被消耗。由于高的氧气消耗率，阳极压力将迅速下降。如果停止时间值在500和1000秒 之间，由于持续的氧气消耗，阳极侧氢气浓度下降。由于氢气浓度下降，阳极 压力提供大的真空度。如果停止时间值在1000和10000秒之间，由于阴极的氧
气扩散回阳极侧，阳极侧氢气继续下降。在它的峰值之后阴极侧的浓度开始下 降。当空气中的氮气駄阳极侧时阳，腿力恢复以补偿局部压力差。如果停止
时间值大于ioooo秒之间，阳极侧的氢气浓度低，但是持续的从阳极侧扩散到 阴极侧。当空气i3A阳极侧时阳极压力达到周围环境压力。
0027图2 ^用了空闲和停机时间值的燃料电池系统的起动顺序流程 图。当燃料电池系统在框82所示的关闭状态，框84中的停机计时器计时。燃 料电池系统10从框86接,^i青求，并且系统在框88中存储停机时间。在框 90中，在电池组输出，缩机16为来自于分离电池组12和14的阳极侧的阳极 氢气供应稀释空气。在菱形92中系统10确定是否起动失败、异常中止的起动 或者短暂停止。如果是，在框94中停机计时器再继续被保持的计时。如果在菱 形92中确定系统10没有发生起动失败、异常中止的起动或者短暂停止，在菱 形96中确定系统10阳t腿力是否大于预定值，例如150kPa。如果在菱形96 中确定系统10阳极压力大于预定值，系统10继续进行起动顺序的下一步，在 框98中为分离电池组12和14的阴极侧充入阴极气体并且衝共不同的阳极侧压 力设定值。然后在框100中系统10提供氢气流到分离电池组12和14的阳极侧， 并且在框102中提供正常运行。
0028在菱形96中如果阳极侧压力低于预定值，那么在框104中系， 动顺序为分离电池组12和14的阳极侧送气净化。在框106中一旦阳极侧压力 到达f疏值，例如107kPa，在框108中系统10开始正常的阳极流移动，并且在 框110中是填充电池组。然后系^ii行返回至l雁98进行正常系统运行。
0029图3是前^Jf述的系统关闭期间，提供空闲计时读数和停机计时读 数的操作^l呈图120。当在框122中系统10运行时，在菱形124中，算法周期 性的确定系统是否有关闭。如果在菱形124中系统有关闭，算法确定下一起动 顺序是否已经到达某种状态，这时在菱形126中正在提供阴极稀释空气。如果 起动顺序没有到达该状态，那么在框132中，空闲计时器isU:—空闲计时继续 计时。如果在菱形126中起动〗l,已经到达阴极稀释空气状态，那么在框128 中算法将空闲时间设置为0。然后在框130中算法开始走动空闲计时器
(incrementing the stand-by timer)。
0030然后，在菱形134中算法确定是否点火已经关闭。如果在菱形134 中点火己经关闭，那么在框136中算法停止走动空闲计时器。当点火开始时空 闲计时器提供的系统停机时间被存储。现在停机计时器走动燃料电池系统IO已 经关闭的时间。
0031然后在，138中，算法确定在上一7 料电池系统10已经关闭 时，点火是否已经开始。如果点火尚未开始，那么在框136中停机计时器继续 走动。如果在菱形138中，点火己经开始，然后在菱形140中算法确定停机时 间读数是否归零，来确定在燃料电池系统10关闭期间是否有电力损失。如果在 ,140中，停机时间不是0，这表示在关闭期间，计时器有合适的电源，在框 142中，算法使已存储的空闲时间和已存储的停机时间相加，给出分离电池组 12和14关闭和密封的总的停止时间，使得算法能确定正确的起动顺序以使氢气 流流入分离电池组12和14的阳极侧。然后停止时间算法返回菱形134来确定 是否点火己经关闭。如果在菱形140中停机时间是0，那么算法知道电池电力已 经损失，并且在框144中设置停机时间为0。
0032如果在菱形134中点火没有关闭，则在菱形146中算法继续确定是 否系统10已经起动，如果是的话，返回系^iS行框122来在菱形124中等待下 次系统关闭。如果在菱形134中点火没有关闭且在菱形146中没有起动事件， 那么在菱形148中算法确定电力是否已经损耗，如果没有，在框130中走动空 闲计时器。因此，如果点火没有关闭，贝股有起动事件并且没有电池电力损耗， 燃料电池控制器仍然在运行，但是系统10没有起动。因此，空闲时间继续走动。 如果在菱形148中存在电池电力损耗，那么在框150中，算法将停机计时器归 零，并且返回菱形146等待起动事件。
0033KC所讨论公开和描述的仅仅是本发明典型的实施例。本领域M 人员很容易理解从上述讨论以及相应的附图和权利要求进行各种变化、修改以 及变型，而不脱离本申请的权利要求所限定的思想和范围。
权利要求
1、一种确定在系统关闭后燃料电池系统多久没有向燃料电池组阳极侧传递氢的方法，所述方法包括确定系统是否已经关闭；如果系统已经关闭并且燃料电池控制器打开，则走动空闲时间；如果系统已经关闭并且发动机控制器关闭，则走动停机时间；确定在前一熄火事件以后是否已经点火；以及将空闲时间和停机时间相加来提供能够用于确定电池组阳极侧气体组分的停止时间。
2、 根据权利要求1的方法，进一步包括确定熄火时燃料电池系统电池是否已经损失电能。
3、 根据权利要求2的方法，进一步包括如果燃料电池系统电池己经损失电能，则将空闲时间设为零。
4、 根据权利要求1的方法，进一步包括确定稀释空气是否正在从压缩机提供到稀释阳极排气管。
5、 根据权利要求4的方法，进一步包括如果正在提供稀释空气，则将空闲时间设为零。
6、 根据权利要求1的方法，其中燃料电池组包括以阳极流移动而运行的第一分离电池组和第二分离电池组。
7、 根据权利要求1的方法，其中系统关闭包括密封燃料电池组的阴极和阳
8、 根据权利要求1的方法，其中停止时间用于确定燃料电池系统的正确起 动顺序。
9、 一种确定车用燃料电池系统已经关闭多久的方法，，方法包括 如果系统己经关闭但是钥匙在车辆点火状态的开启位置或副位置，贝陡动空闲时间；如果系统已经关闭并且钥匙不在车辆点火状态，则走动停机时间；以及 将空闲时间和停机时间相加来提供总的系统停止时间。
10、 根据权利要求9的方法，进一步包括确定熄火时燃料电池系统电池 是否己经损失电能。
11、 根据权利要求10的方法，进一步包括如果燃料电池系统电池已经损 失电能，则将空闲时间设为零。
12、 根据权利要求9的方法，进一步包括确定稀释空气是否正在从压縮 机提供到,阳极排气管。
13、 根据权利要求12的方法，进一步包括如果正在提供稀释空气，则将 空闲时间设为零。
14、 根据权利要求9的方法，其中燃料电池组包括以阳极流移动而运行的 第一分离电池组和第二分离电池组。
15、 根据权利要求9的方法，其中系统关闭包括密封燃料电池组的阴极和
16、 根据权利要求9的方法，其中停止时间用于确定燃料电池系统的正确 起动綠
17、 一种确定车用燃料电池系统中分离燃料电池组已经关闭多久的方法， 所述方法包括如果分离电池组己经关闭但是钥匙在车辆点火状态且在开启位置或副位 置，则走动空闲时间；如果分离电池组已经关闭并且钥匙不在 点火状态，则走动停机时间； 确定在前一熄火事件之后是否已经点火；以及将空闲时间和停机时间相加来提供停止时间，该停止时间兽嫩用于确定电 池组阳极侧气体组分以及确定燃料电池系统的正确起动顺序。
18、 根据权利要求17的方法，进1包括确定熄火时燃料电池系统电池 是否已经损失电能。
19、 根据权利要求18的方法，进一步包括如果燃料电池系统电池已经损 失电能，则将空闲时间设为零。
全文摘要
使用存储器来测量燃料电池系统在关闭或空闲状态的时间一种提供燃料电池系统已经关闭的确切时间的方法，由此可以获知燃料电池组阳极和阴极侧的气体组分来有效进行下次系统起动顺序。该方法使用两个计时器，其中空闲计时器提供燃料电池系统关闭多久但是车辆依然点火的时间读数，停机计时器提供车辆熄火多久的时间读数。这两个时间读数相加而给出燃料电池组已经关闭多久的完整时间读数。
文档编号H01M8/04GK101388467SQ200810173708
公开日2009年3月18日 申请日期2008年9月11日 优先权日2007年9月11日
发明者A·B·阿尔普, D·A·阿瑟, R·A·迪南, S·E·莱尔纳 申请人:通用汽车环球科技运作公司