用于启动燃料电池系统中的电压恢复的系统和方法

摘要

本发明提出了用于部分地基于燃料电池催化剂整个寿命期间的所估计的比活性启动燃料电池系统的电压恢复程序的系统和方法。在某些实施例中，可以估计催化剂的比活性损失和燃料电池系统的电化学表面积损失。可以基于所估计的比活性损失和电化学表面积损失估计燃料电池系统的输出电压。可以基于所估计的输出电压与所测量的输出电压之间的比较来确定可恢复电压损失的量。基于所确定的可记录电压损失的量，可以启动燃料电池系统控制动作(例如电压恢复程序)。

说明书

技术领域

本发明涉及用于启动燃料电池系统中的电压恢复的系统和方法。更具体但不排他地说，本发明涉及用于部分地基于相关燃料电池催化剂的所估计的比活性启动燃料电池系统中的电压恢复的系统和方法。

背景技术

客运车辆可包括为车辆的电系统和动力传动系系统的某些特征供电的燃料电池(“FC”)系统。例如，在车辆中可以利用FC系统直接(例如使用电驱动电机等)和/或通过中间电池系统为车辆的电动力传动系部件供电。氢是可用于FC系统中的一种可能的燃料。氢是一种可用于在FC系统中有效地产生电能的清洁燃料。氢FC系统是一种在阳极与阴极之间可包括电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极发生离解产生自由氢质子和电子。氢质子可以选择性地在电解质上传导。来自阳极的电子无法通过电解质，因此在被发送到阴极之前被引导通过负载而做功。氢质子在阴极中与氧和电子反应生成水。

在FC供电的车辆中可以使用质子交换膜燃料电池(“PEMFC”)。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。包括在PEMFC中的阳极和阴极可包括担载在碳颗粒上并与离聚物混合的细分散催化颗粒(例如铂颗粒)。催化混合物可沉积在所述膜的相对侧上。

随着时间推移，PEMFC可能经历由于各种机构和/或过程所引起的工作电压损失，因此降低了PEMFC的性能。一些PEMFC电压损失可通过启动PEMFC中的电压恢复程序来恢复，而另一些则不可恢复(例如可归因于电极失效等的损失)。然而，某些电压恢复程序可对PEMFC造成一些微小的不可恢复的退化。因此，这些程序应当在可以有效地实现电压损失恢复时启动。进一步来说，可能难以区分可恢复电压损失和不可恢复电压损失，因此使得难以确定何时应该执行电压恢复程序。常规方法无法提供FC系统的整个工作寿命期间的足够精确的电压估计，因此降低了FC系统的整个寿命期间的燃料效率。

发明内容

本文所提出的系统和方法可以用于启动FC系统中的电压恢复程序。如本文所使用的，FC系统和/或PEMFC系统可以包括单个电池，或者可选地，可以包括布置成电池堆构造的多个电池。在某些实施例中，当FC系统正在经历某一阈值量的恢复电压损失时启动电压恢复程序可实现电压恢复，同时减少因电压恢复程序引起的任何FC退化。本文所公开的实施例可进一步用于在预计电压恢复程序不会对相关车辆的性能产生不利影响期间(例如在较低车辆使用时段期间等)启动这一电压恢复程序。

FC系统的各种模式的退化可与不可恢复电压损失相关联。例如，不可逆的和/或以其他方式不可恢复的电压损失可归因于FC系统中的电化学表面积(“ECA”)的损失和催化剂比活性(“SA”)的损失。然而，阳极和/或阴极污染可能会导致可恢复电压损失。

如上所讨论的，当单独考虑总电压损失时，可能难以区分可恢复电压损失和不可恢复电压损失，因此使对可通过电压恢复程序实现的总电压损失中的可能的电压恢复的量进行定量复杂化。与本文所公开的实施例一致，可以基于所估计的ECA损失和所估计的催化剂SA损失确定不可恢复电压损失。基于所确定的不可恢复电压损失和总电压损失，可以确定可恢复电压损失的量，该可恢复电压损失的量可以用于确定启动FC系统中的电压恢复程序的时间。

在一些实施例中，一种用于启动FC系统中的电压恢复程序的方法(例如以低于标准的操作流速和电压操作FC系统，增加对FC系统的加湿、通过一段时间的相关冷却增加对燃料电池系统的冷却等等)可包括基于氧化物生长量和/或氧化物生长速率估计FC系统的催化剂的SA损失，估计FC系统的电化学表面积损失，以及基于所估计的SA损失和电化学表面积损失(例如在设定的电流密度下使用FC系统的性能模型等)估计FC系统的输出电压。可以测量FC系统的电压输出，并且可以基于所估计的输出电压与实际输出电压之间的比较确定可恢复电压损失的量。如果所确定的可恢复电压损失的量超过阈值，则可在稍后的时间启动和/或触发至少一个FC系统控制动作(例如电压恢复程序)。

在某些实施例中，前述方法可以由与PEMFC系统相关联的控制电子器件执行和/或使用存储相关联的可执行指令的非瞬时性计算机可读介质来实现。

附图说明

参照附图描述了本发明的非限制性且非穷举性的实施例，包括本发明的各个实施例，其中：

图1示出了与本文所公开的实施例一致的包括在车辆中的FC系统的示意图。

图2A示出了显示与本文所公开的实施例一致的示例性FC系统的多次电压循环测试的SA损失与循环时间之间的示例性关系的图表。

图2B示出了显示在与本文所公开的实施例一致的示例性FC系统中的SA损失与总的氧化电荷之间的示例性关联的图表。

图3示出了用于启动与本文所公开的实施例一致的FC系统中的电压恢复的示例性方法的流程图。

图4示出了可用于实现所公开的系统和方法的各个实施例的示例性系统的示意图。

具体实施方式

下面提供了与本发明的实施例一致的系统和方法的详细描述。尽管描述了几个实施例，但是应该理解的是，本发明并不局限于任何一个实施例，相反，其涵盖多种替代方案、修改及等效物。另外，虽然为了提供对本文所公开的实施例的透彻理解在下列描述中阐述了多个特定细节，但是可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实施一些实施例。而且，为了清楚起见，没有详细描述相关领域中已知的特定技术材料，以避免对本发明造成不必要的模糊。

通过参照附图将最佳地理解本发明的实施例，其中相同部件可以由相同的附图标记表示。如本文附图中大体上描述和说明的所公开的实施例的部件可以按各种不同的构造方式进行布置和设计。因此，本发明的系统和方法的实施例的下列详细描述并不旨在限制本发明所要求保护的范围，而仅表示本发明的可能实施例。另外，不必以任何特定的次序甚至顺次执行方法的步骤，也不要求仅将所述步骤执行一次，另有说明除外。

本文所公开的系统和方法可用于部分地基于总电压损失、所估计的ECA损失和所估计的催化剂SA损失确定FC系统中的可恢复电压损失的量。例如，在一些实施例中，可以使用所估计的ECA和催化剂SA损失确定不可恢复电压损失。基于所确定的不可恢复电压损失和总电压损失，可以确定可恢复电压损失的量。在一些实施例中，所确定的可恢复电压损失的量可以用于确定启动FC系统中的电压恢复程序的时间。

图1示出了与本文所公开的实施例一致的包括在车辆100中的FC系统102的示意图。车辆系统100可以是机动车辆、海上交通工具、飞行器和/或任何其他类型的车辆，并且可以包括用于结合本文所公开的系统和方法的任何适当类型的动力传动系。所公开的系统和方法的其他实施例可以用于任何其他类型的FC系统102，包括例如静止的FC系统(例如用于建筑物的备用电源和/或类似物)。

车辆100可以包括FC系统102，该FC系统102包括FC堆112，在某些实施例中，FC堆112可以与高压(“HV”)电池系统(未示出)耦合。HV电池系统可以用来为车辆100的电动力传动系部件(未示出)供电。在进一步的实施例中，FC堆112可以与低压电池耦合，并且可以被配置成将电能供应到多个车辆100系统，包括例如车辆起动系统(例如起动电动机)、照明系统、点火系统、气候控制系统等。在更进一步的实施例中，FC系统102可被配置成直接为某些车辆系统供电。在一些实施例中，FC系统102可以包括单个电池，或者如图所示，可以包括布置成电池堆构造的多个电池114。

FC堆112可与FC控制系统104相关联。FC控制系统104可被配置成监测并控制FC堆112的某些操作。例如，FC控制系统104可被配置成监测并控制FC堆112的可调节性能参数和/或管理FC堆112的充电和放电操作。在某些实施例中，FC控制系统104可以与一个或多个传感器106(例如电压传感器、电流传感器和/或类似传感器等等)通信耦合和/或与被配置成使得FC控制系统104能够监测并控制FC堆112和/或其组成电池114的操作的其他系统通信耦合。

与本文所公开的实施例一致，与FC堆112进行通信的传感器106可以为FC控制系统104和/或其他系统(例如内部车辆计算机系统108和/或外部计算机系统110)提供信息，该信息可以用来估计ECA损失和/或估计催化剂SA损失，确定所估计的不可恢复电压损失，确定所估计的可恢复电压损失和/或确定总电压和/或总电压损失。FC控制系统104可以进一步被配置成向包括在车辆110中的其他系统提供信息和/或从包括在车辆110中的其他系统接收信息。例如，FC控制系统104可与内部车辆计算机系统108和/或外部计算机系统110通信耦合。

控制系统104可包括内部控制系统、外部控制系统和/或任何其他车辆控制和/或计算机系统。在进一步的实施例中，控制系统104可以被配置成向包括在车辆100中的其他系统和/或车辆100的操作者提供信息和/或从包括在车辆100中的其他系统和/或车辆100的操作者接收信息。尽管结合单个控制系统106进行了说明，但是应该理解的是，所公开的系统和方法的实施例可以使用多个适当的控制和/或计算系统来实现。

在一些实施例中，控制系统104、内部车辆计算机系统108和/或外部计算机系统110可以包括模块116，当模块116由控制系统104和/或内部车辆计算机系统108和/或外部计算机系统110执行时，使系统104、108和/或110实现所公开的系统和方法的实施例。例如，在一些实施例中，模块116可以使系统104、108和/或110部分地基于总电压损失、所估计的ECA损失和所估计的催化剂SA损失来确定FC系统中的可恢复电压损失的量。在进一步的实施例中，模块116可以使系统104、108和/或110至少部分地基于所确定的可恢复电压损失的量启动FC系统中的电压恢复程序。

应该理解的是，在本发明的主体工作的范围内，可以对结合图1提出的体系结构、关系和例子进行许多变型。例如，上面描述的特定装置和/或系统功能可以被集成到为任何适当构造的单个装置和/或系统和/或多个装置和/或系统的任何适当的组合中。类似地，虽然所公开的系统和方法的某些实施例被描述为通过FC控制系统104实现，但是应该理解的是，内部车辆计算机系统108、外部计算机系统110和/或任何其他计算机系统都可以实现本文所公开的实施例。因而应该理解的是，提供结合图1提出的体系结构、关系和例子是为了示例和解释的目的，而非限制目的。

图2A示出了显示示例性FC系统的多次电压循环测试的SA 204(例如用μA/cm²_Pt表示)与循环时间202(例如用小时表示)之间的示例性关系的图表200a。特别地，图表200a示出了考虑温度和相对湿度变动的FC系统的25个示例性电压循环测试的SA>

图2B示出了显示在与本文所公开的实施例一致的示例性FC系统中的SA 204与总的氧化负荷和/或损坏因子206之间的示例性关联(例如线208)的图表200b。在某些实施例中，FC系统可利用包含铂(“Pt”或者“Pt合金”)的催化剂，该催化剂可以在FC系统中氧化形成两种状态的氧化物，一氧化铂(PtO)和二氧化铂(PtOO)。在某些实施例中，可以使用氧化物模型计算随着时间推移FC系统中的PtO和/或PtOO的生长量和/或氧化物的生长速率。

例如，在一些实施例中，由FC控制系统(例如内部和/或外部车辆控制系统)执行的模块可以使用适当的氧化物模型原位确定驱动循环期间两种状态的氧化物，PtO和PtOO。在一些实施例中，到氧化物模型的输入可包括各种驱动循环参数，包括例如电流密度、电池电压、温度和/或相对湿度。至少部分地基于该信息，氧化物模型可以提供关于随着时间推移FC系统中PtO和/或PtOO的生长量和/或氧化物的生长速率的估计。

在某些实施例中，关于FC系统中的氧化物生长的信息可以用于估计FC的SA 204。在某些实施例中，在给定时间处的FC的SA 204可以根据下式加以表达：

其中，a、b和β是基于特定的FC设计的特征测试所确定的常数，并且是总的氧化电荷和/或损坏因子。在一些实施例中，可以基于包括例如电压循环、温度和/或相对湿度等因子对FC执行测试来获得有关比活性衰减的数据。在某些实施例中，这种测试可提供图表200a中所示的某些数据。使用氧化物模型，可以获得多个电压循环的总的氧化电荷，该总的氧化电荷可以根据以下提供的等式2给出。可以使用等式1的函数形式来获得参数a和b以减小数据与模型之间的误差和/或以其他方式使数据与模型之间的误差最小化。在一些实施例中，两个或三个数据组可以足以获得参数a、b和β，但是同样可以使用任何适当数量的数据组。

在一些实施例中，总的氧化电荷和/或损坏因子可通过下式给出：

其中，k、n和m是基于特定的FC设计的特征测试所确定的常数。在一些实施例中，可以使用其他项来改善测量的数据组与等式1中表达的关系的对准。

在一些实施例中，SA衰减可与驱动循环期间来自催化剂的合金元素的损失相关。来自在FC堆的电压循环期间发生的氧化/还原过程中的空位注入可进一步引起催化剂表面活性的衰减。总的氧化电荷和/或损坏因子可指在电压或者驱动循环期间注入的总空位。参数a、b和β是可以使SA与时间成比例的老化因子。在电压循环中的氧化/还原过程期间，形成以不同速率注入空位的两种类型的氧化物(PtO和PtOO)。包括在等式2中的参数k可表示相比于PtO由PtOO形成的空位的贡献。

图3示出了用于启动与本文所公开的实施例一致的FC系统中的电压恢复的示例性方法300的流程图。在一些实施例中，所示方法300和/或其组成步骤中的任何一个步骤可以至少部分地使用FC控制系统和/或任何其他适当的计算机系统来执行。

方法300可以从302处开始。在304，可以估计ECA、寄生电流和/或氢气穿过i_x，和/或FC系统的短路电阻R_s。在车辆停机期间，FC电压下降至0可以被定义为三个不同阶段。可以使用有关这些阶段中的压降的信息来提取参数，例如ECA、寄生电流和/或氢气穿过i_x，和/或FC系统的短路电阻R_s。在一些实施例中，可以使用标题为“In-vehicle>

在306，可以估计FC系统中的催化剂的SA。在某些实施例中，可以基于上面讨论的氧化物生长信息(例如氧化物生长和氧化物生长速率信息)估计FC系统中的催化剂的SA。

基于在304和306处所估计的信息，可以在308处确定在特定电流密度下FC系统的所估计的输出电压V_est。在某些实施例中，可以使用FC系统的性能模型确定所估计的输出电压。在一些实施例中，FC控制系统可以包含被配置成评估特定电流密度下的功率或电池电压的性能估计模块。性能估计模块可以在驱动循环期间接收例如在FC的BOL处定义的材料特性和FC的运行状况。与催化剂相关联的输入可以包括ECA和SA，它们可能在操作期间衰减。在某些实施例中，可以确定在相对低的电流密度下的所估计的输出电压。例如，在一些实施例中，可以确定在小于0.4A.cm^-2的电流密度下的所估计的输出电压。

在310，可以执行稳态电压测量以获得FC系统的实际输出电压V_实际。在一些实施例中，实际输出电压可以在相对较低的功率(即相对低的电流密度)下获得。在312，可以将所估计的输出电压与实际输出电压之间的差值与阈值电压差相比较。在某些实施例中，基于在304和306处所估计的信息计算出的所估计的输出电压与实际输出电压之间的差值可以包括可通过电压恢复程序来恢复的电压损失。

如果可恢复电压没有超过阈值，则方法300可以进行至318，在318，可以确定与方法300相关联的计数器是否超过特定时间段(例如特定的数个小时)。如果是，则方法300可以返回至310。否则，方法300可以在320处终止。在一些实施例中，计数器可以包括信号，在信号被接收后，可以启动和/或以其他方式促使恢复策略。

如果可恢复电压超过阈值电压，则方法300可以进行至314，在314，可以启动FC系统中的电压恢复程序。结合所公开的实施例，可以启动多种电压恢复程序。例如，在一些实施例中，电压恢复程序可以包括在相对低的流速和相对低的电压(例如0.3V等)下操作FC系统以及增加对FC堆的冷却和对FC堆的加湿。在相对低的电压下的这种湿冷FC系统操作可以运行以恢复FC系统经历的可恢复电压损失。

在一些实施例中，电压恢复程序可以在314处确定可恢复电压超过阈值电压后立即启动。在其他实施例中，在314处确定之后，当电压恢复程序将不会对车辆性能产生不利影响(例如基于车辆的使用等等)时，可以对电压恢复程序进行标记，以便启动。在某些实施例中，电压恢复程序可以在单个时间窗口内执行。在进一步的实施例中，电压恢复程序可以在多个时间窗口内在适当时机(例如基于车辆使用)执行，这依赖于实现电压损失恢复的这些程序的累积效应。

在318，可以重置用于方法300的计数器。方法300可以进行至320处终止。

图4示出了用于实现本文所公开的系统和方法的某些实施例的示例性系统。在某些实施例中，计算机系统400可以是个人计算机系统、服务器计算机系统、车载计算机、内部FC控制系统、外部FC控制系统和/或适合用于实现所公开的系统和方法的任何其他类型的系统。在进一步的实施例中，计算机系统400可以为任何便携式电子计算机系统或电子装置，包括例如笔记本计算机、智能手机和/或平板计算机。

如图所示，计算机系统400尤其可以包括一个或多个处理器402、随机存取存储器(“RAM”)404、通信接口406、用户接口408和非瞬时性计算机可读存储介质410。处理器402、RAM 404、通信接口406、用户接口408和计算机可读存储介质410可以通过公共数据总线412彼此通信耦合。在一些实施例中，计算机系统400的各个部件可以使用硬件、软件、固件和/或其任意组合来实现。

用户接口408可以包括允许用户与计算机系统400交互的任何数量的装置。例如，用户接口408可以用于向用户显示交互接口。用户接口408可以是与计算机系统400通信耦合的独立的接口系统，或者可选地，可以是例如用于笔记本电脑或其他类似装置的显示接口的集成系统。在某些实施例中，用户接口408可以形成在触摸屏显示器上。用户接口408还可以包括任何数量的其他输入装置，包括例如键盘、轨迹球和/或指示器装置。

通信接口406可以是能够与其他计算机系统、外围装置和/或与计算机系统400通信耦合的其他装置通信的任何接口。例如，通信接口406可以允许计算机系统400与其他计算机系统(例如与外部数据库和/或因特网相关联的计算机系统)通信，允许向这些系统传输数据以及从这些系统接收数据。通信接口406尤其可以包括调制解调器、卫星数据传输系统、以太网卡和/或使得计算机系统400能够连接至数据库和网络(诸如局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)和因特网)的任何其他适当的装置。在进一步的实施例中，通信接口406可进一步能够与一个或多个传感器(例如电流传感器、电压传感器)和/或被配置成测量和/或以其他方式提供用于所公开的实施例的信息的其他系统通信。

处理器402可以包括一个或多个通用处理器、专用处理器、可编程微处理器、微控制器、数字信号处理器、FPGA、其他可定制或可编程的处理装置和/或能够实现本文所公开的系统和方法的任何其他装置或装置的布置。

处理器402可以被配置成执行存储在非瞬时性计算机可读存储介质410上的计算机可读指令。计算机可读存储介质410可以存储所需要的其他数据或信息。在一些实施例中，计算机可读指令可以包括计算机可执行功能模块414。例如，计算可读指令可以包括被配置成实现上述系统和方法的全部或部分功能的一个或多个功能模块。可以存储在计算机可读存储介质410上的特定功能模块可以包括：被配置成估计ECA和SA的模块、被配置成估计FC系统的输出电压的模块、被配置成确定FC系统的实际输出电压的模块、被配置成确定可恢复电压损失的模块、被配置成启动和/或以其他方式控制电压恢复程序的模块和/或被配置成实现本文所公开的系统和方法的任何其他模块或多个模块。

虽然为了清楚起见已经详细描述了上述内容，但是显而易见的是，在不偏离其原理的情况下，可进行某些改变和修改。例如，在某些实施例中，本文所公开的系统和方法可用于不包括在车辆中的FC系统(例如备用电源等)中。应该注意的是，存在许多实现本文所述的方法和系统的可选方式。因此，本发明实施例应被视为说明性的而非限制性的，并且本发明不限于本文所给出的细节，而是可在所附权利要求书的范围和其等效物内进行修改。

已经参照各种实施例描述了上述说明书。然而，本领域的普通技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行各种修改和改变。例如，各种操作步骤以及用于执行操作步骤的部件都可以根据特定应用或考虑到与系统的操作相关联的任何数量的成本函数以替代方式来实现。因此，任何一个或多个步骤可被删除、修改或与其他步骤相结合。进一步地，本发明被视为是说明性意义而非限制意义的，并且所有这些修改都旨在包括在本发明的范围内。同样地，上文已经针对各种实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，使得任何益处、优点或解决方案出现或变得更加显著的益处、优点、问题的解决方案和任何元素(一个或多个)不应被视为是关键的、必须的或基本的特征或元素。

如本文所使用的，术语“包含”和“包括”及其任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，使得包含一系列元素的工艺、方法、物品或装置不仅包括那些元素，而且可包括未明确列出的或这些工艺、方法、系统、物品或装置所固有的其他元素。此外，如本文所使用的，术语“通信”、“被耦合”、“耦合”及其任何其他变体旨在涵盖物理连接、电连接、磁连接、光学连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。

本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的基本原理的情况下，可对上述实施例的细节做出多种改变。因此，本发明的范围应仅由下列权利要求书确定。