CN102034994A - 针对防止电池反转的改进的燃料堆操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及针对防止电池反转的改进的燃料堆操作方法。一种用于防止燃料电池电压电势反转的方法包括：确定燃料电池电压电势发生反转时的电池电阻和燃料电池堆的电流之间的关系、根据所请求的功率需求来操作燃料电池堆、以及确定堆中的燃料电池的最大电池电阻。如果最大电池电阻超过对于燃料电池堆正操作的电流下的阈值，则限制燃料电池堆的操作，以防止燃料电池电压电势反转。

Description

针对防止电池反转的改进的燃料堆操作方法

技术领域

本发明总体涉及一种用于防止燃料电池电压电势反转的方法，更具体地，涉及一种用于通过防止堆功率需求使燃料电池膜过于干燥来防止燃料电池由于燃料电池电压电势反转引起短路的方法。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的，并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分离产生自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂处与氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能够通过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载来做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的汽车燃料电池。PEMFC大致包括固态聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极电极，或催化剂层，通常包括细碎的催化性颗粒，通常是铂(Pt)，担载在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化性混合物沉积在膜的相对两侧，直接涂覆在膜上或分别涂覆在阳极扩散介质和阴极扩散介质上。阳极催化性混合物、阴极催化性混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。各MEA通常夹在两片多孔材料，即气体扩散层(GDL)之间，该气体扩散层保护膜的机械完整性，并帮助得到均匀的反应物和湿度分布。MEA制造起来比较昂贵，并且需要特定的条件以便有效操作。

通常在燃料电池堆中组合若干燃料电池以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可能具有两百或更多个的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是在压缩机作用下强制通过堆的空气流。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，其流入堆的阳极侧。并不是所有的氧都由堆消耗，一些空气被输出为阴极排气，该阴极排气可能包括作为发生在堆中的化学反应的副产物的水。

燃料电池堆包括位于堆中的若干MEA之间的一系列双极板，其中多个双极板和多个MEA位于两端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧流动分配道，或流场。在双极板的阳极侧上设置有阳极气流通道，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧上设置有阴极气流通道，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，诸如由不锈钢或导电复合物制成。端板将燃料电池产生的电导出燃料电池堆。双极板还包括冷却流体流过的流通道。

燃料电池内的膜需要具有一定的水含量，使得膜两侧之间的离子电阻足够低以有效地传导质子。膜的增湿可来自堆的副产物水或外部增湿。反应物流过堆的流通道对电池膜具有干燥效应，在反应流的入口处尤为明显。然而，水滴在流通道内的累积可以阻止反应物流过流通道，并且由于低的反应物气流可能造成电池故障，从而影响堆的稳定性。水在反应物气流通道中以及在GDL中的累积在低的堆输出负载的情况下尤为棘手。

如上所述，水是作为堆运行的副产物而产生的。因此，来自堆的阴极排气通常将包括水蒸汽和液态水。在本领域中已知使用水蒸汽透过(WVT)单元来获取阴极排气中的一些水，并使用该水来增湿阴极输入气流。阴极排气中的水在水透过元件(诸如膜)的一侧被水透过元件吸收，并在水透过元件的另一侧传递到阴极空气流。

高频电阻(HFR)是燃料电池的众所周知的性质，并与燃料电池膜的欧姆电阻或膜质子电阻密切相关。欧姆电阻本身是燃料电池膜的湿润程度的函数。因此，通过测量燃料电池堆膜在特定的激励电流频带中的HFR，可以确定燃料电池膜的湿润的程度。用于确定欧姆电阻的其它方法，诸如电流中断方法、阻抗谱、和/或基于温度和相对湿度的估计可用于确定电池电阻。

质子交换膜(PEM)通常在升高的水合状态下具有更高的质子传导性，这使得期望以更高的膜湿润水平运行燃料电池堆。然而，如上所述，过湿的膜可能由于水在气流通道中的累积而造成问题，并且，在低温环境下，水在燃料电池堆中的冻结可能产生堵塞流通道的冰，从而影响系统重起。因此，通常更为有利的是，以低的膜湿度操作燃料电池堆，以降低系统成本和复杂度，并且能够得到更好的冻结起动性能，尽管过于干燥的膜可能具有会造成燃料电池堆短路的过低的导电性。

与在较低的膜湿度水平下操作燃料电池堆相关联的一个危险是可能造成燃料电池电压电势反转，称为负电池电势，该情况下，燃料电池的极性反转。电池反转可能造成电池短路和在燃料电池膜中形成小孔，从而可能造成燃料电池的故障和安全问题。因为燃料电池通常是串联地电联接，所以如果燃料电池中的一个停止工作，则整个燃料电池堆可能停止工作。因此，确保燃料电池堆不在过于干燥的情况下操作是重要的。

在本领域中已知在诸如冻结起动的初始阶段实施程序以保护燃料电池堆不过分干燥地操作。尽管这些方法在大多数情况下是有效的，但电流变化斜率极限，即，在给定电池的湿润水平的情况下燃料电池能够安全工作的电压升高或降低率，是经验性的，并且可能是武断的。因此，电流变化斜率极限可能过于保守并且可能没有安全地覆盖所有可能的情况，诸如由于故障的冷却剂温度传感器而使燃料电池系统冷却剂温度超过正常操作温度时。因此，本领域中需要一种用于在相对干燥的状况下操作燃料电池堆以防止发生燃料电池反转的更为稳健的方法。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于防止燃料电池电压电势反转的方法，该方法包括：确定发生燃料电池电压电势反转时的电池电阻和燃料电池堆的电流之间的关系、根据所请求的功率需求来操作燃料电池堆、以及确定堆中的燃料电池的最大电池电阻。如果最大电池电阻超过对于燃料电池堆正被以其操作的电流下的阈值，则限制燃料电池堆的操作，以防止燃料电池电压电势反转。

本发明提供以下技术方案：

方案1.一种用于防止燃料电池堆中的燃料电池的电压电势反转的方法，所述方法包括：

确定对于所述燃料电池堆的燃料电池中使用的预定类型的膜发生燃料电池电压电势反转时的高频电阻和堆电流密度的关系；

根据请求的功率需求来操作所述燃料电池堆；

确定所述堆中的燃料电池的最大电池电阻；

确定所述最大电池电阻是否超过对应于所述燃料电池堆正在以其操作的电流的预定的电池电阻阈值，其中所述预定的电池电阻阈值基于燃料电池电压电势反转发生时的所确定的电池电阻和电池电流之间的关系；以及

如果所述最大电池电阻超过所述预定的电池电阻阈值，则通过减小电流来限制所述燃料电池堆的操作。

方案2.根据方案1所述的方法，其特征在于，还包括当确定所述堆中的燃料电池的最大电池电阻是否超过对应于所述燃料电池堆正在以其操作的电流的阈值时，加上安全裕量，以确保所述堆中的一个或多个燃料电池的电压电势反转不会发生。

方案3.根据方案1所述的方法，其特征在于，确定燃料电池电压电势反转发生时的电池电阻和所述燃料电池的堆电流之间的关系包括将所述确定的关系存储在控制器中。

方案4.根据方案1所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的最大电池电阻包括：测量所述堆中的各电池的电池电阻，并从所测量的各电池的电池电阻确定最大燃料电池电阻。

方案5.根据方案1所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的最大电池电阻包括：利用测量到的所述燃料电池的电压来估计各燃料电池的电池电阻，并从所估计的各电池的电池电阻确定最大燃料电池电阻。

方案6.根据方案1所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的最大电池电阻包括测量所述堆的电池电阻并利用查询表来确定当前堆操作条件下的最大燃料电池电阻。

方案7.根据方案1所述的方法，其特征在于，如果所确定出的最大电池电阻不超过对应于所述燃料电池正在以其操作的电流的预定阈值，所述燃料电池堆根据所请求的功率需求继续操作并继续受到监测。

方案8.根据方案1所述的方法，其特征在于，还包括：一旦经过了阈值时间段，则在限制操作之后，使所述燃料电池堆返回正常操作。

方案9.根据方案1所述的方法，其特征在于，还包括：一旦所述电池电阻降到阈值之下，则在限制所述堆的操作之后，使所述燃料电池堆返回正常操作。

方案10.一种用于防止燃料电池电压电势反转的方法，所述方法包括：

确定对于所述燃料电池中使用的预定类型的膜发生燃料电池电压电势反转时的电池电阻和电池电流之间的关系；

根据请求的功率需求来操作所述燃料电池；

确定所述燃料电池的电池电阻；

确定所述燃料电池的电池电阻是否超过对应于所述燃料电池正在操作的电流的预定的阈值；以及

限制所述燃料电池的操作，以防止所述燃料电池电压电势反转。

方案11.根据方案10所述的方法，其特征在于，还包括：当确定所述燃料电池的电池电阻是否超过对应于所述燃料电池正在操作的电流的阈值时，加上安全裕量，以确保不会发生所述电池的电压电势反转。

方案12.根据方案10所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的电池电阻包括测量所述燃料电池的电池电阻。

方案13.根据方案10所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的电池电阻包括基于模型计算来估计所述燃料电池的电池电阻。

方案14.一种用于防止燃料电池堆中的燃料电池的燃料电池电压电势反转的方法，所述方法包括：

确定对于所述燃料电池堆的燃料电池中使用的预定类型的膜发生燃料电池电压电势反转时的电池电阻和堆电流之间的关系；

根据请求的功率需求来操作所述燃料电池堆；

确定所述堆中的燃料电池的最大电池电阻；

确定所述最大电池电阻是否超过对应于所述燃料电池堆正在操作的电流的预定的电池电阻阈值，其中所述预定的电池电阻阈值基于燃料电池电压电势反转发生时的所确定的电池电阻和电池电流之间的关系；以及

如果超过了电池电阻的阈值，增加相对湿度和降低所述燃料电池的电流密度，以防止燃料电池电压电势反转。

方案15.根据方案14所述的方法，其特征在于，还包括：当确定所述堆中的燃料电池的电池电阻是否超过对应于所述燃料电池正在操作的电流的阈值时，加上安全裕量，以确保所述堆中的一个或多个燃料电池的电压电势反转不会发生。

方案16.根据方案14所述的方法，其特征在于，确定燃料电池电压电势反转发生时的电池电阻和电流之间的关系包括将所述确定的关系存储在控制器中。

方案17.根据方案16所述的方法，其特征在于，存储在所述控制器中的所确定的关系依赖于在所述燃料电池中所使用的膜的类型。

方案18.根据方案14所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的电池电阻包括：测量所述堆中的各电池的电池电阻，并从所测量的各电池的电池电阻确定最大燃料电池电阻。

方案19.根据方案14所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的电池电阻包括：利用所测量的所述燃料电池的电压来估计各燃料电池的电池电阻，并从所估计的各电池的电池电阻确定最大燃料电池电阻。

方案20.根据方案14所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的最大电池电阻包括：测量所述堆的电池电阻并利用查询表来确定当前堆操作条件下的最大燃料电池电阻。

本发明的其它特征将从结合附图的以下描述和权利要求变得清楚。

附图说明

图1是燃料电池系统的示意框图；

图2是燃料电池的剖视图；

图3A和3B是x轴为电池电流密度、y轴为阴极露点的图线；

图4A和4B是x轴为电池电流密度、y轴为HRF的图线；以及

图5是用于防止燃料电池堆反转的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例的以下描述涉及用于防止燃料电池电压电势反转的方法，其在本质上仅是示例性的，并且绝非意图限制本发明或其应用或用途。

图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意框图。燃料电池堆12在阳极输入线路16接收来自氢源14的氢，并在线路18上提供阳极排气。压缩机20在阴极输入线路22上给燃料电池堆12的阴极侧提供空气流，该空气流通过将阴极输入空气增湿的水蒸汽透过(WVT)单元26。阴极排气在阴极排气线路28上从堆12输出。阴极排气线路28将阴极排气引导到WVT单元26，以提供湿度来增湿阴极输入空气。旁通线路36设置为绕过WVT单元26，旁通阀32设置在旁通线路36中并被控制为选择性地使阴极排气改方向通过WVT单元26或绕过WVT单元26，以提供所需量的湿度给阴极输入空气。控制器40控制旁通阀32和压缩机20。

高频电阻(HFR)传感器42测量燃料电池堆12的HFR，从而使得燃料电池堆12的电池膜湿度水平能够被控制器40确定。

图2是以上论述类型的燃料电池堆的一部分的燃料电池24的剖视图。燃料电池24包括阴极侧44和阳极侧46，它们由电解质膜48分开。在阴极侧44提供有阴极侧扩散介质层50，在膜48和扩散介质层50之间提供有阴极侧催化剂层52。相似地，在阳极侧46提供有阳极侧扩散介质层54，在膜48和扩散介质层54之间提供有阳极侧催化剂层56。催化剂层52和56以及膜48限定了MEA。扩散介质层50和54是多孔层，其将输入气体传输到MEA，并从MEA提供水传输。在本领域中已知各种技术用于将催化剂层52和56分别沉积在扩散介质层50和54上，或沉积在膜48上。

在阴极侧44提供有阴极侧流场板或双极板58，并且在阳极侧46提供有阳极侧流场板或双极板60。双极板58和60设置在燃料电池堆的燃料电池之间。来自双极板60中的流通道62的氢反应气体流与催化剂层56反应，以分离氢离子和电子。来自双极板58中的流通道64的空气流与催化剂层52反应。氢离子能够传播通过膜48，在膜48中，氢离子以电化学的方式与空气流中的氧和催化剂层52中的返回电子反应产生作为副产物的水。双极板58包括流通道64之间的脊部66，并且双极板60包括流通道62之间的脊部68。在双极板58中提供冷却流体流通道70，在双极板60中提供冷却流体流通道72。

当在燃料电池24中产生负电池电势时，燃料电池24的极性反转，通常造成升高的负电势，这将产生热并可能损坏燃料电池24内的膜48。如果膜48受到损坏，那么膜小孔可能会发展并导致电池24中的气体渗透失效。另外，在膜48的各侧上的扩散介质层50和54可能形成相互接触，从而造成短路，并引起进一步升高的负电势并产生更多热，从而导致更大的损坏。因此，需要一种防止发生这样的负燃料电池电压电势的方法，来保持燃料电池堆内的燃料电池24的功能性。

采用两种不同类型的膜，膜A和膜B，采用特定的燃料电池架构和硬件以消除其它可变因素，进行了一系列测试以研究燃料电池电压反转行为。图3A和3B是x轴为电池电流密度、y轴为入口阴极露点的图线，并分别示出了对于膜A和膜B发生电池反转的临界露点。图3B示出了对于大多数堆电流密度和电池温度，膜B具有较低的临界阴极露点，从而说明膜B可能具有更宽的操作窗口。另外，图3A和3B示出：在越高的堆电流密度或电池温度下，燃料电池24的电压电势反转可能发生在越高的露点，即越高的湿度下。这说明：随着电流密度或电池温度升高，没有电池电压电势反转的危险的安全操作的窗口变得更窄。在上述的一系列测试中，当发生电池电压电势反转时还测量了HFR，这将在下面详细论述。如本领域人员容易理解的，HFR仅是确定欧姆电阻的一种方法，并且诸如电流中断方法、阻抗谱、和/或基于温度和相对湿度的估计的其它方法可用于确定电池电阻，而不脱离本发明的范围。

尽管图3A和图3B分别示出了膜A和膜B具有显著不同的操作窗口，但值得注意的是：如可从图3A和图3B看到的，对于相应的电流密度发生电池电压电势反转时的临界电池HFR阈值是非常相似的，而不管电池温度或不同的露点阈值。因此，在HFR和电流密度之间意外地存在关系。从而，通过监测电池电阻，用于确定燃料电池或燃料电池堆的安全操作窗口的策略可用来限制膜在各种电流密度下的极端干燥，从而限制燃料电池反转。下面更详细地描述用于限制燃料电池反转的方法，其使用HFR来监测电池电阻。

图4A和4B是x轴为电池电流密度、y轴为HFR的图线，并且说明HFR可以是发生电池反转的有效的指示。更具体地说，如果图4A和4B中的HFR和电流密度的组合位于图4A和4B的曲线之下的区域中，即位于“无电池反转”区域，则预期燃料电池电压电势反转不会发生。另一方面，如果HFR和电流密度的组合位于图4A和4B的曲线之上的区域中，即位于“电池反转”区域，则预期燃料电池电压电势反转将会发生，从而增加由于短路引起的燃料电池堆12的寿命突然终结会发生的可能性。因此，基于图3A、3B、4A、4B所示的一系列测试已经开发了将燃料电池堆操作在“无电池反转”区域内的方法，如以下更详细地描述的。

图5是显示了用于防止燃料电池堆电压电势反转的方法的流程图80。本领域技术人员将容易地认识到所描述的发明既可以应用于单个的燃料电池，也可以应用于多个燃料电池，诸如燃料电池堆12。

在框82处的第一步骤是确定电阻标准，它是对于用于堆12的预定类型的膜48可能发生燃料电池电压电势反转的高频电阻和电流密度之间的关系。利用从试验收集的数据，诸如图3A、3B、4A、4B所示的数据，HFR标准得到建立并存储在燃料电池堆12的控制器40的非易失性存储器中，用于操作在各种电流密度、露点和温度下的预定的膜48。燃料电池电阻通常通过利用HFR传感器42来测量HFR而确定，然而，可以利用确定燃料电池堆12的电阻的其它方法，而不会脱离本发明的范围，如以下更详细所述。在下面还描述的是，堆的各独立的燃料电池的HFR可以被测量或估计，或者燃料电池堆12的平均HFR可以被测量或估计。

在框84处的下一步骤中，根据所请求的功率需求来操作燃料电池堆12。一旦根据所请求的功率需求来操作堆12，则在框86中确定堆12的燃料电池的最大的高频电阻。本发明设想三种方式来确定燃料电池堆12中的燃料电池的最大高频电阻。在第一实施例中，测量各燃料电池的高频电阻，并确定最大燃料电池高频电阻。在第二实施例中，基于使用所测量到的各燃料电池的电压的模型计算来估计各燃料电池的高频电阻，并确定最大燃料电池高频电阻。在第三实施例中，测量堆的HFR，并利用当前堆操作条件采用查询表来估计最大燃料电池高频电阻，如本领域技术人员所知的。也可以采用确定最大燃料电池高频电阻的其它方式，而不脱离本发明的范围。

一旦确定了堆12中的燃料电池的最大高频电阻，则在菱形判决框88的下一步骤将确定最大燃料电池高频电阻是否超过了高频电阻阈值，该阈值是基于在框82所建立的电阻标准。通常，高频电阻安全裕量被加到在框86所测量或估计的最大高频电阻，并与在框82所建立的电阻标准比较，以确保燃料电池高频电阻不会允许电压电势反转发生。如果在框86所监测的电阻不超过在框82根据电阻标准所建立的高频电阻阈值，则在菱形判决框88处不对如何操作堆12进行任何限制，算法返回框84并根据所请求的功率需求来操作。

然而，如果所测量或估计的最大高频电阻确实超过了在框82根据电阻标准所建立的高频电阻阈值，则菱形判决框88确定需要对堆12的操作进行限制，这发生在框90。可在框90采取各种修正措施，包括降低电流密度或通过提高堆相对湿度来降低燃料电池堆电阻。一旦在框90采取了适当的限制动作，则算法返回框84，并允许燃料电池堆12满足功率需求。本文描述的方法在燃料电池堆12的操作过程中可以连续地实施或周期性地实施。

前述论述仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本发明技术人员将从该论述以及附图和权利要求容易地懂得：在不偏离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变，变换和变形。

Claims (10)

1.一种用于防止燃料电池堆中的燃料电池的电压电势反转的方法，所述方法包括：

确定对于所述燃料电池堆的燃料电池中使用的预定类型的膜发生燃料电池电压电势反转时的高频电阻和堆电流密度的关系；

根据请求的功率需求来操作所述燃料电池堆；

确定所述堆中的燃料电池的最大电池电阻；

确定所述最大电池电阻是否超过对应于所述燃料电池堆正在以其操作的电流的预定的电池电阻阈值，其中所述预定的电池电阻阈值基于燃料电池电压电势反转发生时的所确定的电池电阻和电池电流之间的关系；以及

如果所述最大电池电阻超过所述预定的电池电阻阈值，则通过减小电流来限制所述燃料电池堆的操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括当确定所述堆中的燃料电池的最大电池电阻是否超过对应于所述燃料电池堆正在以其操作的电流的阈值时，加上安全裕量，以确保所述堆中的一个或多个燃料电池的电压电势反转不会发生。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定燃料电池电压电势反转发生时的电池电阻和所述燃料电池的堆电流之间的关系包括将所述确定的关系存储在控制器中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的最大电池电阻包括：测量所述堆中的各电池的电池电阻，并从所测量的各电池的电池电阻确定最大燃料电池电阻。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的最大电池电阻包括：利用测量到的所述燃料电池的电压来估计各燃料电池的电池电阻，并从所估计的各电池的电池电阻确定最大燃料电池电阻。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述燃料电池的最大电池电阻包括测量所述堆的电池电阻并利用查询表来确定当前堆操作条件下的最大燃料电池电阻。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所确定出的最大电池电阻不超过对应于所述燃料电池正在以其操作的电流的预定阈值，所述燃料电池堆根据所请求的功率需求继续操作并继续受到监测。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：一旦经过了阈值时间段，则在限制操作之后，使所述燃料电池堆返回正常操作。

9.一种用于防止燃料电池电压电势反转的方法，所述方法包括：

确定对于所述燃料电池中使用的预定类型的膜发生燃料电池电压电势反转时的电池电阻和电池电流之间的关系；

根据请求的功率需求来操作所述燃料电池；

确定所述燃料电池的电池电阻；

确定所述燃料电池的电池电阻是否超过对应于所述燃料电池正在操作的电流的预定的阈值；以及

限制所述燃料电池的操作，以防止所述燃料电池电压电势反转。

10.一种用于防止燃料电池堆中的燃料电池的燃料电池电压电势反转的方法，所述方法包括：

确定对于所述燃料电池堆的燃料电池中使用的预定类型的膜发生燃料电池电压电势反转时的电池电阻和堆电流之间的关系；

根据请求的功率需求来操作所述燃料电池堆；

确定所述堆中的燃料电池的最大电池电阻；

确定所述最大电池电阻是否超过对应于所述燃料电池堆正在操作的电流的预定的电池电阻阈值，其中所述预定的电池电阻阈值基于燃料电池电压电势反转发生时的所确定的电池电阻和电池电流之间的关系；以及

如果超过了电池电阻的阈值，增加相对湿度和降低所述燃料电池的电流密度，以防止燃料电池电压电势反转。

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