[发明专利]启动配备超电容器的车辆的燃料电池发动机的方法和设备

说明书

技术领域

本发明总体上涉及包括超电容器和燃料电池堆的混合动 力燃料电池系统，且更具体地涉及包括超电容器和燃料电池堆的混合 动力燃料电池系统，其中，所述系统采用允许来自于超电容器的功率 操作系统启动部件的启动过程。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于 在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极 和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空 气。氢气在阳极中分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质 到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电 子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做 功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。 PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极 和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂颗粒 支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。 阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件 (MEA)。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。 例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。 燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆 的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极 废气输出，所述阴极废气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃 料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系 列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用 于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通 道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴 极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向 相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气 体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。 端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却 流体流经的流动通道。

大多数燃料电池车辆是混合动力车辆，混合动力车辆除 了燃料电池堆之外还采用补充功率源，如高压DC蓄电池或超电容器。 在系统启动和燃料电池堆不能提供期望功率时的高功率需求期间，所 述功率源给各种车辆辅助负载提供补充功率。燃料电池堆通过DC高压 电总线提供功率给电牵引马达，以用于车辆操作。在需要超过燃料电 池堆能够提供的附加功率时(例如在猛烈加速期间)，蓄电池提供补 充功率给电总线。例如，燃料电池堆可以提供70kW功率。然而，车 辆加速可能需要100kW功率。在燃料电池堆能够提供系统功率需求 时，燃料电池堆用于给蓄电池或超电容器再次充电。在再生制动期间 可从牵引马达获得的发电机功率也用于给蓄电池或超电容器再次充 电。

在上述混合动力车辆中，双向DC/DC转换器通常用于增 加来自于蓄电池的DC电压，以使得蓄电池电压与由燃料电池堆的电压 输出规定的电总线电压相匹配，且在蓄电池再次充电期间减小燃料电 池堆电压。然而，DC/DC转换器是相对大的、昂贵的、重的和不可靠 的，从而提供明显的缺陷。期望从包括补充功率源的燃料电池车辆消 除DC/DC转换器。

在工业中已经有各种尝试来消除燃料电池供电车辆中的 DC/DC转换器，这些尝试通过提供能够在各种车辆操作条件下处理来 自于燃料电池堆的大电压波动的功率源来消除所述转换器。某些类型 的蓄电池也用于消除车辆燃料电池系统中的DC/DC转换器。然而，这 些系统通常受到超出某一水平给蓄电池放电的能力的限制。换句话说， 由于在系统操作期间电总线上的大电压波动，这些类型的蓄电池可能 被损坏。

发明内容