CN101609899A - 利用hfr测量提高启动可靠性 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用HFR测量提高启动可靠性。具体地，提供了一种用来提高燃料电池系统启动可靠性的系统和方法。该方法包括确定燃料电池堆中膜的电阻是否太高，太高时则系统启动的可靠性将降低，如果判断为是，则提供一个或多个补救措施以帮助确保启动更可靠。在一个实施例中，该系统和方法基于燃料电池堆的高频测量值是否超过预定的HFR阈值来确定燃料电池膜是否变干。如果超过了HFR阈值，则使用特殊的启动程序以提高成功启动的可靠性，其中利用了，例如降低阴极气流和打开堆的端部电池加热器这样的补救措施。

Description

利用HFR测量提高启动可靠性
技术领域
本发明一般地涉及一种用于提高燃料电池系统的启动可靠性的系统和方法，更具体地，涉及一种通过提供燃料电池堆的高频电阻测量(HFR)来提高燃料电池系统启动可靠性的系统和方法，其中该系统和方法减少阴极空气压缩机气流和/或为堆电流提供堆负载，以降低膜的干燥和/或提高膜的湿润度。
背景技术
氢因其清洁以及可被用来在燃料电池中有效地产生电而成为一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种包括阳极、阴极以及它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极分解以生成自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极的氧和电子反应生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，而是在到达阴极前被引导通过负载来起作用。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种常见的车用燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细碎的催化剂颗粒(通常为铂(Pt))，其支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧面上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜结合在一起限定膜电极组件(MEA)。MEA对于生产来说比较昂贵并且要求特定的条件以进行有效操作。
通常将几个燃料电池组合成一个燃料电池堆以产生期望的电力。例如，典型的车用燃料电池堆可具有两百或更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是经由压缩机强行经过所述堆的空气流。所述堆不会消耗掉所有的氧气，部分空气作为阴极排出气体被输出，其中可能含有作为堆的副产品的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧的阳极氢气输入气体。
燃料电池堆包括一系列位于堆中的若干MEA之间的双极板，其中双极板和MEA定位于两个端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供阳极气体流道，以使阳极反应气体能流向相应的MEA。在双极板的阴极侧提供阴极气体流道，以使阴极反应气体能流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流道，且另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池所产生的电导出所述堆。双极板还包括冷却流体流动通过其的流道。
正如本领域中所公知的那样，燃料电池的膜在一定的相对湿度(RH)下操作，以使膜上的离子阻抗足够低，以有效地传导质子。通过控制几个堆操作参数将来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度控制到期望的膜的相对湿度，这些参数例如是堆的压力、温度、阴极化学计量和进入堆中的阴极空气的相对湿度。
燃料电池堆中的端部电池通常具有与堆中其它电池不同的性能和对操作条件的敏感性。特别地，端部电池处于最接近堆的外部环境温度的位置，从而由于热损失会具有温度梯度，使得它们工作在较低的温度下。由于端部电池通常比堆中的其它电池更冷，所以气态水更容易凝结成液态水，从而端部电池具有更高的相对湿度，这使得在端部电池的流道中更容易形成水滴。本领域中公知的是，使用位于端部单元和单极板之间的电阻加热器来加热燃料电池堆的端部电池，以补偿热损失。
已经显示，燃料电池系统停机的时间越长，下次系统启动的可靠性越差。特别地，在燃料电池系统已经关闭了一段非常长的时间周期后，系统启动往往会发生启动失效，这是因为燃料电池堆中的一个或更多电池不能传导所需量的电流。已经指出，造成这种在系统启动时堆失效的影响因素之一是燃料电池中膜的高阻抗，这是其传导质子能力的直接结果。已经提出，这种高的膜阻抗是膜变干燥所造成的。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用来提高燃料电池系统的启动可靠性的系统和方法。该方法包括判断燃料电池堆中膜的阻抗是否太高(太高时系统启动的可靠性将降低)，如果太高，提供一个或多个补救措施以帮助确保启动更可靠。在一个实施例中，该系统和方法基于燃料电池堆的高频电阻测量值是否超过预定的HFR阈值来判断燃料电池膜是否变干。如果没有超过HFR阈值，则认为膜阻抗足够低以提供可靠启动，从而执行正常的启动程序。如果已经超过了HFR阈值，则使用特殊的启动程序以提高使启动成功的可靠性。该特殊的启动程序包括有助于防止膜进一步干燥和/或提高膜的湿度的各种措施。为了避免膜进一步干燥，提供比正常启动程序期间更低的阴极空气流率，以降低阴极空气对膜的干燥作用。此外，在特殊的启动程序中可以打开内部堆负载，例如端部电池加热器，以使流经堆的电流能够生成水以提高堆的湿度。
结合附图并根据以下描述和所附权利要求，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是燃料电池系统的示意性框图；以及
图2显示了系统启动时燃料电池系统的各个参数的曲线图。
具体实施方式
以下对本发明实施例的讨论涉及响应于燃料电池堆中膜可能太干和具有太高阻抗的判断来改变燃料电池系统的启动程序以提高系统启动可靠性的过程，其本质上只是示例性的，而不是要限制本发明及其应用或使用。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意性框图。系统10还包括由马达16驱动的压缩机14，其通过阴极输入管线18向堆12提供阴极入口气流。阴极排出气体经阴极排气管线20排出。在阴极输入管线18中提供有水蒸气传送(WVT)单元22，从而以本领域技术人员公知的方式湿润阴极气流。尽管没有特别示出，WVT单元22的润湿通常由阴极排出气体提供。氢源24通过阳极输入管线26向燃料电池堆12的阳极侧提供新鲜干燥的氢气，阳极排出气体经阳极排气管线28从堆12中排出。
在系统10停机期间，燃料电池堆12中的阴极和阳极流道通常被清扫以去除其中过量的水，并提供适于下次系统启动的堆相对湿度。为了进行该清除，在连接阴极输入管线18至阳极输入管线26的清除管线32中提供清除阀30，从而当阀30打开时可以将来自压缩机14的空气引至燃料电池堆12中的阴极和阳极流道。在该清除过程中氢源24通过阀34关闭。
燃料电池堆12包括端部电池加热器36和38，出于本领域技术人员公知的原因，它们用来在一定操作条件下加热堆12的端部电池。此外，系统10包括内部堆负载40，例如电阻器，其在堆12上提供负载以提供来自堆12的电流消耗，其原因将在下面详细讨论。控制器44控制上述各种系统部件，包括马达16、端部电池加热器36和38、以及选择性切换该堆12上的负载40的开关42。
如上所述，通常需要控制堆的湿度以使堆12中的膜具有适合的导电率，而在系统停机期间如果水冻结，则流道不会被冰阻塞。一种用于测量膜湿度的技术在本领域中被称为高频电阻(HFR)湿度测量。通过在堆12的电负载上提供高频部件从而在堆12的电流输出上产生高频纹波，来产生HFR湿度测量值。然后通过检测器46测量高频部件的电阻，该电阻为堆12中膜的湿度水平的函数。在下面讨论的一个实施例中，系统10不包括检测器46。
如上所述，燃料电池系统10包括单个堆12。本领域中公知的是，可以将燃料电池系统中的燃料电池堆分成两个或更多个子堆，这是因为对于生成用于车用目的足够动力的燃料电池堆而言，所需燃料电池的数目是非常大的，这将产生流动分布的问题。在某些燃料电池系统设计中，使用了本领域技术人员熟知的阳极流转移(anode flow shifting)，其中阳极气体在两个分离的子堆之间来回流动。出于以下讨论的目的，燃料电池堆12是包含子堆A和子堆B的分离的堆。然而，本领域技术人员应理解，这只是出于讨论的目的，堆12可以是单个的堆，或者是任何适当数量的分离的堆。
一种已知的燃料电池系统启动程序在堆12的阳极侧用氢气执行起始清除和冲洗。然后该过程逐渐变为通过压缩机14向阴极输送空气，一段时间之后闭合接触器以使堆12连接到系统负载。紧随其后系统10进入运行状态，在该状态中允许驱动车辆。在某些条件下的某些场合中，在进入运行状态的很短时间后，堆中的某些电池电压会在负载影响下骤降，并导致系统10迅速停止或停机。
图2是显示了系统启动期间燃料电池系统的大量参数的曲线图，其中横轴为时间，纵轴为各个适用单位。这些值由图例标识，包括子堆A的HFR(StkA-HFR)、端部电池工作循环(EndCellHeater_DC)、启动状态(FCS_State)、子堆B的平均电池电压(StkB_AvgCellVlt)、子堆B的HFR(StkB_HFR)、堆电流(StkCurr)、子堆A的平均电池电压(StkA_AvgCellVlt)、子堆B的最小电池电压(StkB_MinCellVlt)、阴极空气供应(CathodeAirFlow)和子堆A的最小电池电压(StkA_MinCellVlt)。
在该曲线图所限定的启动程序中，子堆A和/或B的HFR太高，造成了启动失败。本发明提出，HFR值大于120毫欧时将导致系统启动失败，这显示于图中时间点13之后。尽管在该启动序列中系统还没有成功地启动，但是在时间点5和7之间产生了电流。由于该电流，堆12生成水，随后将该水用于降低堆的HFR，如产生电流之后的StkA_HFR和StkB_HFR曲线所示。然而，由于电流是有限的和暂时的，子堆A和B之一或两者的HFR值又回到超过120毫欧的值。此外，图中显示阴极空气供应较高，因此对电池膜具有干燥作用。
本发明提出了一种用于确定电池膜的HFR是否太高的系统和方法，电池膜的HFR太高将增大系统启动失败的可能性。如果燃料电池系统确定HFR测量值不太高，那么意味着电池膜不太干燥，则系统进入其正常的启动程序。然而，如果系统确定HFR太高，则系统进入特殊的启动程序，包括采取补救措施以减少膜的进一步干燥和/或提高膜的湿度水平。
根据本发明，可以采用不同的技术来确定，作为时间消逝的结果膜的湿度水平是否可能导致启动失败。系统10包括检测器46，用来测量燃料电池堆12的HFR。因此，在系统启动时，如果控制器44确定堆12的HFR在预定阈值(如，120毫欧)以上，则可进入包含补救措施的特殊启动程序。
对长期停机时间之后多次失败启动的分析显示，启动期间HFR趋向于变高。这对应于低的膜湿度，进而对应于膜上的较低传导率。膜的适当湿润化对于膜承受经过它的任何负载的能力是至关重要的。当确信启动有效时，本发明在启动过程中获取HFR。总的目标是使HFR值处于某一水平，其对应于膜能够承受一定负载的已知值。在电流启动策略中，在需要测量HFR的关键点处，HFR测量不再可用。这是因为没有电流流过堆，而这是HFR测量所必需的。最后已知的、好的HFR测量可以被用作预估的HFR。
补救措施之一可包括，减少启动程序中由压缩机14经输入管线18供应给燃料电池堆12阴极侧的阴极空气的量。燃料电池堆12需要空气来产生电流。公知的燃料电池系统的启动程序通常采用由压缩机14提供的大约30克/秒的阴极气流。这样的空气量是很大的，并对堆12中的膜具有高的干燥效果。通过减小该气流，例如减小至5-10克/秒，干燥效果被显著降低，但是仍然有足够的阴极空气使得堆12能够产生一定的电流，确定足够用于系统启动。
避免系统启动失败的另一补救措施可以是在启动程序中生成堆电流，这将产生水以使膜湿润。在一种公知的系统启动程序中，端部电池加热器36和38将工作一段有限的时间，作为燃料电池堆12的预热过程的一部分。如上所述，由子堆A和B产生的用来操作端部电池加热器36和38的电流显示在图中的时间点5和7之间。然而，如图2中的曲线所示，该有限量的、用来驱动端部电池加热器36和38的堆电流可能不产生足够的水来防止启动失败。因此，该补救措施可以包括在启动序列期间以一定的工作循环(duty cycle)逐渐升高端部电池加热器36和38至一定功率水平，以使堆12产生更大的电流，这将生成更多的水。可以计算所生成的水的量，以提供已知的、使堆平均湿度达到适当水平的最小水平。
还有另一替代性方式是，以使平均堆电压稍微下降的水平来驱动端部电池加热器36和38。这也可以用作在膜上生成一定量水的措施。
某些燃料电池堆在它们的具体设计中可能不包含端部电池加热器。在这些情形中，可以在燃料电池堆12上提供单独的内部负载，用来消耗堆12产生的电流。对于本实施例，该负载由电阻器40表示并且仅为消耗堆12电流的负载。如果系统10进入特殊启动程序以避免启动失败，控制器44可以在启动过程中闭合开关42，以便可以消耗来自堆12的电流。
在某些燃料电池系统的设计中，可不提供检测器46，因此将无法知道堆12的HFR。在这些系统中，本发明提出，只是基于自上次系统停机经过的时间量而进入使用上述补救措施的特殊启动程序。在一个非限制性实施例中，时间可以设定为72小时，如果系统10已经停机了这么长时间或者更久，则控制器44将进入特殊启动程序以提高启动可靠性。
作为上述补救概念的另一替代性方式，可以使用简单的电压测量来完成相对来说相同的事情。数据分析已经显示，如果燃料电池系统已经处于长时间的关机状态，则阴极将充满空气。因此，在阳极清除/冲洗或者向阳极引入氢气的过程中，部分或所有电池的电压将升高。如果系统10仅处于较短时间的关机状态，这样的电压正常情况下在阳极清除/冲洗过程中不会出现，这是因为大部分或所有的氧气已经在上次停机期间被消耗，并且空气还来不及渗透入堆12。
上述讨论只是公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员根据这些讨论、附图和权利要求很容易认识到，可以在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下实现各种改变、修改和变化。

Claims (20)

1、一种用于可靠地启动包括燃料电池堆的燃料电池系统的方法，所述方法包括：
提供该燃料电池堆的高频电阻测量值；
确定该高频电阻测量值是否超过预定的高频电阻阈值；以及
如果高频电阻测量值超过该高频电阻阈值，执行一个或多个补救措施以防止该燃料电池堆中的膜进一步变干。
2、根据权利要求1的方法，其中高频电阻阈值为120毫欧。
3、根据权利要求1的方法，其中执行一个或多个补救措施包括限制提供给该燃料电池堆阴极侧的空气流。
4、根据权利要求3的方法，其中向该燃料电池堆阴极侧提供空气流包括，提供在5-10克/秒的范围内的阴极侧空气流。
5、根据权利要求1的方法，其中执行一个或多个补救措施包括打开该燃料电池堆中的端部电池加热器。
6、根据权利要求1的方法，其中执行一个或多个补救措施包括连接该堆上的内部堆负载。
7、根据权利要求1的方法，其中提供该燃料电池堆的高频电阻测量值包括，使用检测器测量该高频电阻。
8、根据权利要求1的方法，其中该燃料电池堆是分离的子堆。
9、一种用于可靠地启动包括燃料电池堆的燃料电池系统的方法，所述方法包括：
提供该燃料电池堆的高频电阻测量值；
确定该高频电阻测量值是否超过预定的高频电阻阈值；
如果该高频电阻测量值超过该高频电阻阈值，则限制提供给该燃料电池堆阴极侧的空气流；以及
如果该高频电阻测量值超过该高频电阻阈值，则打开该燃料电池堆中的端部电池加热器。
10、根据权利要求9的方法，其中该高频电阻阈值为120毫欧。
11、根据权利要求9的方法，其中限制提供给该燃料电池堆阴极侧的空气流包括，提供在5-10克/秒的范围内的阴极侧空气流。
12、根据权利要求9的方法，其中该燃料电池堆是分离的子堆。
13、根据权利要求9的方法，其中提供该燃料电池堆的高频电阻测量值包括，使用检测器测量该高频电阻。
14、一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆；
压缩机，用于向该燃料电池堆的阴极侧提供阴极输入空气；
高频电阻测量装置，其测量该燃料电池堆的高频电阻并提供高频电阻测量值信号；以及
控制器，所述控制器控制该压缩机的速度并接收来自该高频电阻测量装置的高频电阻测量值信号，所述控制器确定该高频电阻测量值是否超过预定的高频电阻阈值，如果是，则导致执行一个或多个补救措施以防止该燃料电池堆中的膜进一步变干。
15、根据权利要求14的系统，进一步包括提供在该燃料电池堆的端部电池中的端部电池加热器，作为所述补救措施之一，所述控制器打开并逐渐电升高该端部电池加热器以提供作用于所述堆上的负载，使得电流能从该堆消耗掉，以使该堆产生湿气。
16、根据权利要求14的系统，其中如果该高频电阻测量值信号超过该高频电阻阈值，则该控制器限制该压缩机的速度。
17、根据权利要求16的系统，其中该控制器限制该压缩机的速度，以使该压缩机提供5-10克/秒的空气。
18、根据权利要求14的系统，进一步包括选择性电连接在该堆上的负载，作为所述补救措施之一，所述控制器打开该负载以使得能从该堆消耗掉电流，以使该堆产生湿气。
19、根据权利要求14的系统，其中该燃料电池堆是分离的子堆。
20、根据权利要求14的系统，其中该高频电阻阈值为120毫欧。
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