CN101764243B - 适应性阳极放气方案 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适应性阳极放气方案。公开了提供从燃料电池堆的阳极侧放气氮气的适应性阳极放气方案的系统。所述系统包括设置在燃料电池堆的排气线路中的氢浓度传感器，所述氢浓度传感器提供在放气期间从燃料电池堆排出的氢的氢浓度读数。控制器分析放气期间的氢浓度读数且确定氢浓度稳定水平何时开始向上陡增，表示更多的氢被排出且更少的氮被排出。通过查看多次放气上的多次氢浓度稳定水平，控制器能够针对燃料电池堆的不同电流密度计算放气事件的有效放气持续时间，其中，刚好在发生氢浓度峰值之后能够停止放气。因而，放气的持续时间在燃料电池堆的寿命内进行调整。

Description

适应性阳极放气方案
技术领域
本发明总体上涉及用于提供阳极排气放气以从燃料电池堆的阳极侧去除氮的系统和方法，且更具体地涉及这样一种用于提供阳极排气放气以从燃料电池堆的阳极侧去除氮的系统和方法：所述系统和方法通过改变放气持续时间在燃料电池堆的寿命内是适应性的，其中，所述放气持续时间基于从燃料电池堆排出的氢浓度来确定。
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质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。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反应气体，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排气输出，所述阴极排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反应气体。燃料电池堆也包括冷却流体流经的流动通道。
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，所述阳极气体流动通道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，所述阴极气体流动通道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(如不锈钢或导电复合物)制成。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。
MEA是渗透性的，因而允许来自于燃料电池堆的阴极侧的空气中的氮从中渗透并收集在燃料电池堆的阳极侧，在行业中称为氮气穿过(nitrogen cross-over)。即使阳极侧压力可能高于阴极侧压力，阴极侧分压将使得空气穿过膜。燃料电池堆的阳极侧中的氮稀释氢气，使得如果氮浓度增加超过某一百分比，例如50％，那么燃料电池堆将变得不稳定且可能发生故障。本领域中已知在燃料电池堆的阳极排气出口处设置放气阀以从燃料电池堆的阳极侧去除氮。
可以采用算法来在燃料电池堆操作期间提供阳极排气中的氮浓度的在线估计，以知道何时触发阳极排气放气。所述算法可基于从阴极侧至阳极侧的渗透速率和阳极排气的周期性放气来跟踪一定时间内燃料电池堆的阳极侧中的氮浓度。当算法计算氮浓度的增加高于预定阈值(例如10％)时，可触发放气。放气通常进行一定持续时间，所述持续时间允许多个燃料电池堆阳极容积被放气，从而使得氮浓度降低至低于阈值。
一些燃料电池系统采用阳极流切换，其中，燃料电池堆分成子堆，且阳极反应气体以交替的方向流经分离的子堆。在这些类型的设计中，有时可在分离子堆之间设置包括用于提供阳极排气放气的阀的放气歧管单元(BMU)。
一种已知的阳极排气放气控制算法基于将减少期望量的氮的固定时间来确定放气持续时间。然而，随着燃料电池堆老化，燃料电池堆中的燃料电池降级，其中，随着燃料电池性能降低，将需要更频繁地进行氮放气。因而，采用固定放气持续时间的那些系统通常选择燃料电池堆的寿命中期的放气持续时间作为整个燃料电池堆寿命的合适平均。然而，这种阳极放气方案对于燃料电池堆的整个寿命明显不是高效的，其中当燃料电池堆是新的时放气持续时间将通常过长，当燃料电池堆接近其寿命末期时，放气持续时间过短。当放气过长时，系统无效地操作，因为显著量的氢被排出阳极排气。当放气过短时，燃料电池开始功能衰退，这会触发通常不必要的阳极放气。通常，放气持续时间和放气频率针对燃料电池堆的不同电流密度范围进行确定，但是所述电流密度范围在燃料电池堆的寿命内是固定值。
发明内容
根据本发明的教导，公开了用于提供从燃料电池堆的阳极侧放气氮气的适应性阳极放气方案的系统和方法。所述系统包括设置在燃料电池堆的排气线路中的氢浓度传感器，所述氢浓度传感器提供在放气期间从燃料电池堆排出的氢的氢浓度读数。控制器分析放气期间的氢浓度读数且确定氢浓度稳定水平(plateau)何时开始向上陡增，表示更多的氢被排出且更少的氮被排出。通过查看多次放气上的多次氢浓度稳定水平，控制器能够针对燃料电池堆的不同电流密度计算放气事件的有效放气持续时间，其中，刚好在发生氢浓度峰值之后能够停止放气。因而，放气的持续时间在燃料电池堆的寿命内进行调整。
本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
附图说明
图1是包括用于执行适应性阳极放气方案的部件的燃料电池系统的框图；
图2是示出了在阳极放气期间的氢浓度水平的曲线图，其中水平轴表示时间，竖直轴表示氢浓度；和
图3是示出了阳极放气持续时间的曲线图，其中水平轴表示时间，竖直轴表示幅值。
具体实施方式
涉及用于提供在燃料电池堆的寿命内改变阳极放气持续时间的适应性阳极放气方案的系统和方法的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且不打算以任何方式限制本发明或其应用或使用。
图1是燃料电池系统10的框图，燃料电池系统10包括在阳极流切换下操作的分离燃料电池子堆12和14。当流处于一个方向时，喷射器组16将新鲜氢气喷射到在阳极输入线路24上的子堆12的阳极侧。从子堆12输出的阳极气体被送至连接线路20上的子堆14。当流处于相反的方向时，喷射器组18将新鲜氢气喷射到在阳极输入线路26上的子堆14的阳极侧，新鲜氢气从子堆14输出并且被送至线路20上的子堆12。排泄阀22设置在线路20中且能够用于中心放气。
BMU30设置在分离子堆12和14的阳极输入端处，且在某些时间期间基于任何适当放气进程来提供阳极排气放气以从子堆12和14的阳极侧去除氮。BMU30包括连接阳极输入线路24和26的线路32和用于系统10的排气线路34。虽然为了清楚起见未具体示出，但是子堆12和14的阴极排气与子堆12和14的阳极排气在排气线路34中相混合。第一放气阀36设置在线路32中靠近子堆12，第二放气阀38设置在线路32中靠近子堆14。
排气阀40设置在线路34中，排气阀40控制系统排气流量。氢浓度传感器44设置在线路34中在阀40的下游，并测量在从系统10输出的线路34中的混合阴极和阳极排气中的氢浓度。控制器48控制喷射器组16和18以及阀36、38和40，且从传感器44接收氢浓度测量值。
在已知燃料电池系统中，氢浓度传感器44通常用作安全装置，从而排出给环境的氢浓度保持低于一定百分比(例如，4％)。提供本领域中当前采用的阳极放气算法，使得氢与阴极排气的混合物的浓度保持远低于该值。然而，故障和其它系统操作可能产生将更多的氢(可能是可燃的)排放到环境中的情况，其中放气阀36和38将关闭以防止这种情况发生。
当系统10在阳极流切换下操作且没有指令放气时，放气阀36和38均关闭，使得取决于阳极气体流动方向，第二子堆的输出被截断。如果指令放气且流切换是从子堆12通过线路20至子堆14的方向，那么放气阀38开启且放气阀36关闭。类似地，如果指令放气且流动是从子堆14通过线路20至子堆12的方向，那么第一放气阀36开启且第二放气阀38关闭。因而，阳极排气通过排气阀40放出排气线路34。
图2是示出了在典型放气持续时间内的典型氢浓度曲线的曲线图，其中水平轴表示时间，竖直轴表示氢浓度。图3是示出了如上文所述在放气阀36或38中的一个或另一个开启以提供阳极放气时的约10秒的典型放气持续时间的曲线图，其中水平轴表示时间，竖直轴表示放气阀位置。在该放气期间，氢浓度传感器44测量从阳极排气线路34排放的氢浓度。在放气阀36或38开启之后，氢浓度在位置50处开始上升，且然后在位置52处稳定若干秒，其中，氢浓度保持大致恒定。在位置50和52期间，线路34排放的氮浓度相对高且排放的氢浓度相对低。在放气事件期间的一些时段，氢浓度将在升高位置54开始从稳定水平52上升，其中，氢浓度增加至一些最大水平，其中，氢浓度相对高且氮浓度相对低。在放气阀36和38关闭之后，氢浓度然后在位置56朝0下降。几乎在每个放气事件都发生在阳极放气期间的氢浓度的这种总体形状，而与燃料电池堆电流密度无关。
本发明认识到上述放气持续时间过长，其中，由于足够量的氢在放气结束期间从阳极排气排放，因而放气无效地操作。本发明提出了基于从阳极排气线路排放的氢浓度来减少阳极放气时间。由此，提供一种算法，所述算法监测来自于浓度传感器44的氢浓度且辨识稳定水平52和升高位置54，在升高位置54处，氢的浓度从稳定水平52显著增加。所述算法然后基于刚好在升高位置56之后放气阀36和38关闭的时间来确定放气持续时间。
在一个非限制性实施例中，所述算法通过使得经过升高位置56的放气持续时间超过约总放气持续时间的10％来确定放气的持续时间。因而，确保放气持续时间经过升高位置56，其中，氢浓度增加且氮浓度降低。
随着子堆12和14老化，稳定水平52的长度将增加。所述算法将通过确定何时出现升高位置56来监测该增加，使得放气持续时间能够相应增加。因而阳极放气方案是适应性的，即随着燃料电池堆老化和稳定水平持续时间增加，放气持续时间也将基于确定稳定水平52的结束而增加，如本文讨论的那样。因而，当已知系统由于排气持续时间过短将具有更频繁的放气时，在燃料电池堆寿命将近结束时，所述阳极放气方案通过知道稳定水平52何时结束且放气时间应当何时结束将克服放气事件频率的增加。因而，尽管在燃料电池堆寿命将近结束时放气事件的持续时间可能增加，但是放气事件频率可能不增加。
能够提供所述算法使得它适合于系统的实时操作。例如，由于种种原因，每个放气事件可能不提供图2所示的具体曲线，且可能不包括稳定水平52。因而，这些放气事件的这些数据测量值不能用于确定放气持续时间。稳定水平52的实际时间可根据放气事件而不同，其中，所述算法可在计算放气事件的期望持续时间之前获得多个放气事件的平均稳定水平持续时间。因而，所述算法可保持稳定水平持续时间的滚动平均值，所述滚动平均值可以用于制成不同燃料电池堆电流密度的表，且可以用于确定放气持续时间。
对于系统10的分离堆配置，所述算法可对两个独立放气阀36和38采用两个独立放气事件持续时间，由于子堆12和14不同程度地老化或者具有不同性能的燃料电池，所述放气事件持续时间可不同。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
至少一个燃料电池堆；
至少一个阳极放气阀，所述至少一个阳极放气阀联接到所述至少一个燃料电池堆的阳极输出且可操作提供从燃料电池堆的阳极侧的阳极排气放气；
氢浓度传感器，所述氢浓度传感器定位成测量从所述至少一个燃料电池堆输出的氢浓度；和
控制器，所述控制器响应于来自于所述氢浓度传感器的氢浓度信号，所述控制器控制所述至少一个阳极放气阀以开启和关闭所述放气阀，以便提供从所述至少一个燃料电池堆放气氮的期望放气持续时间，所述控制器从所述氢浓度信号确定氢浓度大致恒定的区域，且确定氢浓度何时从大致恒定增加，其中，阳极放气的持续时间基于氢浓度何时从恒定氢浓度水平增加来确定。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器确定在氢浓度从恒定氢浓度水平增加之后一定时间将停止放气，所述时间为总阳极放气持续时间的10％。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器基于多次阳极放气内的恒定氢浓度水平的持续时间平均值来确定阳极放气的持续时间。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器基于所述至少一个燃料电池堆的多个电流密度的恒定氢浓度水平的长度来确定阳极放气的持续时间。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个燃料电池堆是分离子堆，且所述至少一个阳极放气阀是用于每个分离子堆的独立阳极放气阀，其中，所述控制器使用氢浓度信号来确定所述阳极放气阀的阳极放气持续时间。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述阳极放气阀是放气歧管单元的一部分。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述氢浓度传感器定位在系统排气线路中，所述系统排气线路输出混合阴极和阳极排气。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述至少一个燃料电池堆老化时，所述控制器增加阳极放气的持续时间。
9.一种燃料电池系统，包括：
第一分离子堆；
第二分离子堆；
放气歧管单元，所述放气歧管单元包括位于第一分离子堆的阳极输入附近的第一阳极放气阀和位于第二分离子堆的阳极输入附近的第二阳极放气阀，所述第一和第二分离子堆在阳极流切换下操作；
氢浓度传感器，所述氢浓度传感器定位成测量从所述第一和第二分离子堆输出的氢浓度，所述氢浓度传感器提供氢浓度信号；和
控制器，所述控制器用于在所述第一和第二分离子堆的流切换操作期间控制用于阳极放气的第一和第二放气阀，使得在所述流从第一分离子堆流向第二分离子堆时所述第二放气阀开启，且在所述流从第二分离子堆流向第一分离子堆时所述第一放气阀开启，所述控制器还控制所述第一和第二放气阀以提供适应性放气持续时间，所述控制器从所述氢浓度信号确定氢浓度大致恒定的区域，且确定氢浓度何时从大致恒定增加，其中，阳极放气的持续时间基于氢浓度何时从恒定氢浓度水平增加来确定。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述氢浓度传感器定位在系统排气线路中，所述系统排气线路输出混合阴极和阳极排气。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器确定氢浓度从恒定氢浓度水平增加一定时间之后将停止放气，所述时间为总阳极放气持续时间的10％。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器基于多次阳极放气内的恒定氢浓度水平的持续时间平均值来确定阳极放气的持续时间。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器基于第一分离子堆和第二分离子堆中的至少一个的多个电流密度的恒定氢浓度水平的长度来确定阳极放气的持续时间。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，当第一分离子堆和第二分离子堆中的至少一个老化时，所述控制器增加阳极放气的持续时间。
15.一种从燃料电池堆的阳极侧提供阳极放气的方法，所述方法包括：
确定在氮放气期间排气线路中的氢浓度；
辨识氢浓度的稳定水平，其中，氢浓度大致恒定；和
在所述稳定水平结束且氢浓度增加之后一定时间时停止阳极放气。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述稳定水平之后一定时间段停止阳极放气包括基于总阳极放气持续时间的10％的期限来在所述稳定水平结束之后停止阳极放气。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，停止阳极放气包括基于多次阳极放气的稳定水平长度的平均值来停止阳极放气。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，停止阳极放气包括针对不同的燃料电池堆电流密度在所述稳定水平结束之后一定时间时停止阳极放气。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，当燃料电池堆老化时，阳极放气持续时间增加。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述燃料电池堆是分离子堆。
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