CN102347499A - Pem燃料电池系统中的低阳极氢分压的诊断和补救 - Google Patents

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Abstract

一种防止阳极反应物贫乏的系统和方法。所述系统包括：氢源、阳极放气阀和电池电压监测器。所述系统还包括阳极子系统压力传感器和配置成控制阳极子系统的控制器。所述控制器确定平均电池电压，且估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数。所述控制器还从电池电压监测器和压力传感器接收测量数据，且确定是否存在最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少。如果控制器检测到最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少，那么控制器通过增加阳极压力和/或通过减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正所述减少。

Description

PEM燃料电池系统中的低阳极氢分压的诊断和补救
技术领域
本发明总体上涉及用于确定和校正燃料电池系统的阳极子系统中的低阳极氢分压的系统和方法，且更具体地涉及通过针对燃料电池系统的阳极子系统中的阳极压力和/或氮摩尔分数变化来校正最小电池电压的变化而防止阳极燃料贫乏（anode starvation）的系统和方法。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是可再生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类型。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需要足够的燃料供应和湿度以有效操作。
多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。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。燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池堆通常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，且允许阳极反应物气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应物气体流向相应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。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。
MEA是可渗透的，因而允许来自于燃料电池堆阴极侧的空气中的氮从中穿过且收集在燃料电池堆的阳极侧中，通常称为氮渗漏（nitrogen cross-over）。尽管阳极侧压力可稍高于阴极侧压力，但是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了氢，使得如果氮浓度增加高于某一百分比（例如，50％），燃料电池堆中的燃料电池可能变得缺乏氢。如果阳极变得缺乏氢，燃料电池堆将不能产生足够的电功率且可能遭受对燃料电池堆中的电极的损害。
本领域已知在燃料电池堆的阳极废气输出端提供放气阀以从燃料电池堆的阳极侧去除氮。本领域还已知使用模型来估计阳极侧中的氮的摩尔分数，以确定何时执行阳极侧或阳极子系统的放气。然而，模型估计可能包含误差，尤其是在刚刚启动之后的操作期间。此外，燃料电池系统的部件（例如，燃料电池膜）的部件故障和降级也可引起模型估计的误差。如果阳极氮摩尔分数估计显著高于实际氮摩尔分数，那么燃料电池系统将排放比所需更多的阳极气体，即，将浪费燃料。如果阳极氮摩尔分数估计显著低于实际氮摩尔分数，那么系统将未排放充分的阳极气体且可能使得燃料电池缺乏反应物，这可损害燃料电池堆中的电极。因而，本领域需要在燃料贫乏引起对燃料电池电极的显著损害之前检测并校正阳极反应物贫乏。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种防止燃料电池系统中的燃料电池堆在不足量的阳极反应物的情况下操作的系统和方法。所述系统包括：用于将氢提供给燃料电池堆的氢源、阳极放气阀和电池电压监测器。所述系统还包括阳极子系统压力传感器和配置成控制阳极子系统的控制器。所述控制器确定燃料电池堆中的燃料电池的平均电池电压，且估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数。所述控制器还从电池电压监测器和压力传感器接收测量数据，且确定是否存在最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少。如果控制器检测到最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少，那么控制器通过增加阳极压力和/或通过减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正所述减少。
方案1. 一种防止燃料电池系统中的燃料电池堆在不足量的阳极反应物的情况下操作的方法，所述方法包括：
确定燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压、燃料电池堆中的燃料电池的平均电池电压和燃料电池堆的电流密度；
确定燃料电池系统中的阳极子系统的阳极压力；
估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数;
确定是否存在最小电池电压响应于阳极子系统中的阳极压力的变化相对于平均电池电压和电流密度而减少；以及
通过增加阳极压力和/或通过减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少。
方案2. 根据方案1所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：对于燃料电池堆的电流密度而言，最小电池电压减少为比平均电池电压低大约200 mV。
方案3. 根据方案2所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：阳极压力变化2 kPa或更多。
方案4. 根据方案1所述的方法，其中，通过升高阳极压力来校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：将阳极压力增加15 kPa。
方案5. 根据方案1所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：通过放气阳极子系统来减少阳极子系统中的氮摩尔分数。
方案6. 根据方案1所述的方法，还包括：确定在燃料电池系统的预定操作时间期间校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少的发生次数。
方案7. 根据方案6所述的方法，其中，确定在预定操作时间期间校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少的发生次数是否达到预定阈值。
方案8. 根据方案7所述的方法，还包括：如果校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少的发生次数达到预定阈值，那么改变燃料电池系统的阳极操作设定点。
方案9. 根据方案8所述的方法，其中，改变燃料电池系统的阳极操作设定点包括：增加阳极子系统压力设定点和/或减少阳极子系统中的氮摩尔分数设定点。
方案10. 一种防止燃料电池系统中的燃料电池堆在不足量的阳极反应物的情况下操作的方法，所述方法包括：
确定燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压、燃料电池堆中的燃料电池的平均电池电压和燃料电池堆电流密度；
确定燃料电池系统中的阳极子系统的阳极压力；
估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数;
确定是否存在最小电池电压响应于阳极压力或阳极子系统中的氢浓度的变化相对于平均电池电压和电流密度而减少；
通过增加阳极压力和/或减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少；
确定在燃料电池系统的预定操作时间内最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少的发生次数是否达到预定阈值；以及
如果最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少的发生次数达到预定阈值，那么通过增加阳极压力设定点和/或减少阳极子系统中的氮摩尔分数设定点而改变燃料电池系统的阳极操作设定点。
方案11. 根据方案10所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：对于燃料电池堆的电流密度而言，最小电池电压对阳极压力变化的响应包括最小电池电压减少为比平均电池电压低大约200 mV。
方案12. 根据方案10所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：阳极压力变化2 kPa或更多。
方案13. 根据方案10所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：将阳极压力增加15 kPa。
方案14. 根据方案10所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少包括：通过放气阳极子系统来减少阳极子系统中的氮摩尔分数。
方案15. 一种防止燃料电池系统中的燃料电池堆在不足量的阳极反应物的情况下操作的系统，所述系统包括：
用于将氢提供给燃料电池堆的氢源；
阳极放气阀，用于排放阳极废气，所述阳极废气包括来自于燃料电池堆阳极侧的氮；
电池电压监测装置，用于监测最小电池电压、平均电池电压和燃料电池堆电流密度；
阳极子系统压力传感器，用于测量阳极子系统中的压力；和
配置成控制阳极子系统的控制器，所述控制器估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数，确定平均电池电压和电流密度，且确定是否存在最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少，所述控制器通过从氢源提供附加的氢以增加阳极压力和/或通过借助于打开放气阀以从燃料电池堆排放氮而减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少。
方案16. 根据方案15所述的系统，其中，当对于燃料电池堆的电流密度而言最小电池电压比平均电池电压低大约200 mV时，所述控制器校正最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少。
方案17. 根据方案15所述的系统，其中，当阳极压力变化2 kPa或更多时，所述控制器校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少。
方案18. 根据方案15所述的系统，其中，所述控制器通过将阳极压力增加大约15 kPa来校正最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少。
方案19. 根据方案15所述的系统，其中，所述控制器通过放气阳极子系统以减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少。
方案20. 根据方案15所述的系统，其中，如果在燃料电池系统的预定操作时间期间最小电池电压针对燃料电池系统中的阳极压力的变化而减少的发生次数达到预定阈值，那么所述控制器通过增加阳极子系统中的压力设定点和/或减少阳极子系统的氮摩尔分数设定点而改变阳极操作设定点。
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是燃料电池系统的简化框图；
图2是曲线图，x轴为时间，左侧y轴是电池电压，右侧y轴是阳极绝对压力，图示了压力变化如何影响最小电池电压；
图3是曲线图，x轴为压力变化，y轴为事件数，图示了与最小电池电压事件有关的压力变化频率；和
图4是用于检测阳极燃料贫乏的算法的流程图。
具体实施方式
涉及通过针对燃料电池系统的阳极子系统中的阳极压力的变化和/或氮摩尔分数变化校正最小电池电压而防止阳极燃料贫乏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绝不旨在限制本发明或其应用或使用。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的简化框图。燃料电池系统10旨在总体上表示需要阳极废气放气以从燃料电池堆12的阳极侧去除氮的任何类型的燃料电池系统。这种燃料电池系统的示例包括将阳极废气再循环回到阳极入口的燃料电池系统和采用具有阳极流转移的分离式燃料电池堆设计的燃料电池系统，其二者在本文称为“阳极子系统”。来自于氢源14的氢气在线路18上提供给燃料电池堆12的阳极侧。阳极废气在线路20上从燃料电池堆12输出且送至放气阀26。当放气阀26打开时，所排放阳极废气流经排放线路28。压力传感器40也设置在线路20中以测量燃料电池系统10的阳极子系统的压力。在可选实施例中，压力传感器40可位于线路18中，如本领域技术人员已知的那样。
来自于压缩机30的空气在线路32上提供给燃料电池堆12的阴极侧。阴极废气在阴极废气线路34上从燃料电池堆12输出。混合装置38设置在线路34中，用于混合阴极废气和线路28上的所排放阳极废气。
系统10还包括电池电压监测器42，其以本领域技术人员已知的方式监测燃料电池堆12中的燃料电池的平均燃料电池堆电压、电流密度和最小电池电压。
控制器36监测燃料电池系统10的阳极子系统的压力（由压力传感器40测量），控制压缩机30的速度，控制氢从氢源14到燃料电池堆12阳极侧的喷射，且控制阳极放气阀26的位置，如下文更详细所述。控制器36还计算来自于电池电压监测器42的平均电池电压，确定燃料电池堆12中的燃料电池的最小电池电压且计算燃料电池堆12的电流密度。
如上所述，来自于燃料电池堆12的阴极侧的氮渗漏稀释燃料电池堆阳极侧中的氢，从而影响燃料电池堆性能。因而，需要定期地从燃料电池系统10的阳极子系统排放阳极废气以减少阳极子系统（即，燃料电池堆12的阳极侧）中的氮量。还如上所述，典型燃料电池系统采用氮估计模型来确定何时从燃料电池堆12的阳极侧排放氮。
由于快速阳极动力学，当发生阳极燃料贫乏时，阳极压力的小变化可极大地影响燃料电池堆12中测量的最低或最小电池电压。图2是曲线图，x轴为时间（单位：秒），左侧y轴是电池电压（单位：mV），右侧y轴是阳极绝对压力（单位：kPaA）。线50是燃料电池堆12中的燃料电池的平均电池电压，线52是测量最小电池电压，线54是在燃料电池系统10操作期间阳极压力的波动。图2图示了平均电池电压不受阳极压力变化的影响，因为阳极燃料贫乏局限于燃料电池堆12中的小部分电池。然而，最小电池电压与系统10的阳极子系统中的压力波动或压力变化紧密相关，表明压力变化可用于检测和防止阳极燃料贫乏事件。
图3是曲线图，x轴为压力变化（单位：kPa），y轴为事件数。图3图示了在最小电池电压下降到比平均电池电压低200 mV之前0.5秒内阳极子系统中的压力变化的频率。在一个分析中，110个数据文件中的515个数据样本在最小电池电压下降到比平均低超过200 mV时被评估。图3所示的结果图示了大约80％的最小电池大约事件与最小电池电压事件之前500毫秒内阳极电压下降大于3 kPa相对应。因而，数据表明，相关联的最小电池电压和阳极电压变化可以用于预测阳极燃料贫乏，从而提供一种防止阳极燃料贫乏损害燃料电池系统10的部件的方法。
图4是用于检测阳极燃料贫乏的在控制器36中运行的算法的流程图60。在框62，所述算法确定最小电池电压、平均电池电压、阳极压力和燃料电池堆电流，且还确定阳极子系统中的氮和/或氢的估计摩尔分数。接下来，在判定菱形块64，所述算法确定是否存在最小电池电压响应于阳极子系统压力变化或燃料电池堆12阳极侧中氢浓度变化相对于氢分压变化而减少，即对于给定电流密度，最小电池电压比平均电池电压低大约200 mV。如果最小电池电压没有减少，所述算法继续在框62监测最小电池电压、阳极压力、燃料电池堆电流和电流密度，且还继续确定氮和/或氢的估计摩尔分数。
如果在判定菱形块64存在与氢分压变化有关的最小电池电压减少，那么所述算法在判定菱形块66确定阳极燃料贫乏是否频繁地发生，例如在燃料电池系统10的30分钟操作期间四个或更多事件。如果可以检测或假定重复阳极燃料贫乏，那么采取对控制操作条件的永久性变化，如下文更详细所述。如果否，所述算法将在框68临时地改变燃料电池系统10的操作条件以防止阳极燃料贫乏损害系统10的部件。例如，所述算法可使得控制器36升高燃料电池系统10的阳极子系统中的压力。更具体地，控制器36可以通过将附加的氢提供给阳极子系统而将阳极子系统中的压力升高大约15 kPa。通过增加阳极子系统中的压力，燃料电池堆12中的氢分压也增加。因而，燃料电池堆12应当更耐受高于预测氮摩尔分数。如果在接收压力升高之后最小电池电压增加超过当前电流密度的预期值，那么可以假定阳极燃料贫乏。
每次升压的压力增加可取决于测量最小电池电压结合平均电池电压和燃料电池堆电流密度，且还可取决于燃料电池堆特性，例如燃料电池堆设计和燃料电池堆12中的燃料电池数量。然而，压力增加可能受限制。例如，压力增加可限制为从标称水平增加10-20％以确保氢排放不超过预定阈值水平。
可选地，如果在判定菱形块64存在最小电池电压减少，那么所述算法可使得控制器36给阳极子系统放气，直到达到阳极子系统中的较高氢浓度，而不是升高压力。例如，阳极氮摩尔分数模型可以被重置为阳极子系统中的100％氮的值。换句话说，阳极氮摩尔分数的最保守估计用于模型初始化。例如，如果氮摩尔分数的设定点是40％，控制器36将打开放气阀26足够长的时间段，以排放100％的氮，且装填阳极直到阳极浓度建模为40％的氮摩尔分数。在所有实践情况下，在氮摩尔分数模型重置之后，在大的时间段内，真实氮摩尔分数将远小于氮的建模值。在上述阳极放气之后，如果最小电池电压增加超过当前电流密度和氢浓度的预期值，那么可以假定阳极燃料贫乏。
每当燃料电池堆12的最小电池电压下降低于某预定平均电池电压时，所述算法将采取动作以防止阳极燃料贫乏损害燃料电池系统10的部件，例如电极。如上所述，所采取的动作可以是压力升高、氮摩尔分数模型的变化或其组合。
一旦算法在框68已经使得控制器36临时地改变燃料电池系统10的操作条件，所述算法就返回框62且所述算法继续监测最小电池电压、阳极压力、燃料电池堆电压和电流密度，且还确定阳极子系统中氮和/或氢的估计摩尔分数。
如果所述算法在判定菱形块66确定阳极燃料贫乏已经被频繁地检测，例如在燃料电池系统10的30分钟操作期间四个或更多阳极燃料贫乏事件，那么所述算法在框70可改变阳极操作设定点以借助于阳极氮控制解决更长期的问题，即复现的阳极燃料贫乏。通过改变阳极子系统的操作设定点，可防止由于阳极燃料贫乏和/或阳极子系统中过多氮引起的未来故障。例如，阳极放气控制的氮摩尔分数设定点可由算法减少。减少氮摩尔分数设定点将通过更频繁地将气体排放到阳极子系统中的阳极容积之外而增加阳极中的氢分压。
可选地或者除了改变氮摩尔分数设定点之外，所述算法可增加阳极压力控制设定点。如果氮摩尔分数保持不变，增加阳极压力设定点将永久性地增加阳极中的氢分压。如上所述，较高氢分压应当减少阳极中高于预测氮摩尔分数的影响。然而，如上所述，操作设定点的变化可能受限制，使得所采用的氢增加受限制。例如，氢消耗的增加量可限制为10-20％，以限制从燃料电池系统10排出的氢量。此外，如上所述，由算法做出的燃料电池系统10操作设定点的适应性变化可通过标定燃料电池系统10而重置。例如，操作设定点可在系统10或系统10所设置的车辆的维修事件期间重置。
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 (10)

1.一种防止燃料电池系统中的燃料电池堆在不足量的阳极反应物的情况下操作的方法，所述方法包括：
确定燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压、燃料电池堆中的燃料电池的平均电池电压和燃料电池堆的电流密度；
确定燃料电池系统中的阳极子系统的阳极压力；
估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数;
确定是否存在最小电池电压响应于阳极子系统中的阳极压力的变化相对于平均电池电压和电流密度而减少；以及
通过增加阳极压力和/或通过减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：对于燃料电池堆的电流密度而言，最小电池电压减少为比平均电池电压低大约200 mV。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：阳极压力变化2 kPa或更多。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过升高阳极压力来校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：将阳极压力增加15 kPa。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少包括：通过放气阳极子系统来减少阳极子系统中的氮摩尔分数。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定在燃料电池系统的预定操作时间期间校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少的发生次数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定在预定操作时间期间校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少的发生次数是否达到预定阈值。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：如果校正最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少的发生次数达到预定阈值，那么改变燃料电池系统的阳极操作设定点。
9.一种防止燃料电池系统中的燃料电池堆在不足量的阳极反应物的情况下操作的方法，所述方法包括：
确定燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压、燃料电池堆中的燃料电池的平均电池电压和燃料电池堆电流密度；
确定燃料电池系统中的阳极子系统的阳极压力；
估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数;
确定是否存在最小电池电压响应于阳极压力或阳极子系统中的氢浓度的变化相对于平均电池电压和电流密度而减少；
通过增加阳极压力和/或减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少；
确定在燃料电池系统的预定操作时间内最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少的发生次数是否达到预定阈值；以及
如果最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少的发生次数达到预定阈值，那么通过增加阳极压力设定点和/或减少阳极子系统中的氮摩尔分数设定点而改变燃料电池系统的阳极操作设定点。
10.一种防止燃料电池系统中的燃料电池堆在不足量的阳极反应物的情况下操作的系统，所述系统包括：
用于将氢提供给燃料电池堆的氢源；
阳极放气阀，用于排放阳极废气，所述阳极废气包括来自于燃料电池堆阳极侧的氮；
电池电压监测装置，用于监测最小电池电压、平均电池电压和燃料电池堆电流密度；
阳极子系统压力传感器，用于测量阳极子系统中的压力；和
配置成控制阳极子系统的控制器，所述控制器估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数，确定平均电池电压和电流密度，且确定是否存在最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少，所述控制器通过从氢源提供附加的氢以增加阳极压力和/或通过借助于打开放气阀以从燃料电池堆排放氮而减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正最小电池电压响应于阳极压力或氢浓度的变化而减少。
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