CN102437354B - 燃料电池系统内的动态电压抑制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统内的动态电压抑制。具体地，在燃料电池堆内为燃料电池确定一最大平均电池电压设定点的系统和方法，该系统和方法考虑了燃料电池内的催化剂的氧化过程。该方法包括确定平均电池电压、堆电流密度(I)和燃料电池内的膜的内部电阻(R)，来计算IR校正的平均电池电压。之后，该IR校正的平均电池电压基于，例如，经验模型，被用来确定催化剂颗粒的氧化状态。之后，颗粒的氧化状态被用作计算燃料电池的最大平均电池电压设定点，该设定点用于设定燃料电池堆所要求的最小功率值。

Description

燃料电池系统内的动态电压抑制

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年9月14日提交的名称为《DynamicVoltageSuppressioninaFuelCellSystem》的美国临时专利申请No.61/382,724的提交数据的权益。

技术领域

本发明总体涉及一种为燃料电池堆中的燃料电池确定最大电池电压的系统和方法，更具体地，涉及一种为燃料电池堆中的燃料电池确定最大电池电压的系统和方法，其包括确定燃料电池催化剂的氧化状态，使得在燃料电池系统工作期间能够调节最大堆电压设定点(set-point)，从而使铂催化剂表面积损失最小化。

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高效地产生电能。氢燃料电池是电化学设备，其包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂处被离解而产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极催化剂处起反应生成水。来自阳极的电子不能够穿过电解质，因而在被送到阴极之前直接通过负载以做功。

质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是一种用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地，但不总是，包括细分的催化剂颗粒，通常是高活性催化剂，例如铂(Pt)，其典型地被碳颗粒承载并且与离聚物混合。催化混合物被沉积于膜的相对面上。阳极催化混合物、阴极催化混合物与膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件制造费用相对昂贵，并且需要一定的条件来有效工作。

典型地，若干燃料电池被组合在燃料电池堆中以产生所要求的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可以具有200个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物输入气体，典型地为利用压缩机推动通过堆的空气流。并非全部氧被堆消耗掉，并且一些空气作为阴极排气被输出，其可包括作为堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入堆阳极侧的阳极氢反应物输入气体。

燃料电池堆典型地包括一系列双极板，其置于堆内的若干MEA之间，其中双极板和MEA被放置于两个端板之间。双极板包括用于堆内相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动区域被设置在双极板的阳极侧，其允许阳极反应物气体流向相应的MEA。阴极气体流动区域被设置在双极板的阴极侧，其允许阴极反应物气体流向相应的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，例如不锈钢或导电复合材料。端板将由燃料电池生成的电传导出堆。双极板也包括冷却流体流经其中的流动通道。

众所周知，典型的燃料电池堆在堆的寿命周期内将有电压损耗或退化。可以确信，燃料电池堆退化尤其是堆内的燃料电池电压循环的结果。当铂催化剂颗粒用于增强低电位状态与高电位状态之间的电化学反应过渡时发生电压循环，其促进颗粒分解。颗粒分解导致活性表面积的损失和性能退化。

许多因素影响与电压循环有关的铂颗粒表面积内的相对损失，包括峰值堆电压，温度，堆湿度，电压循环动力学，等等。较低的堆电压设定点提供更大的保护以防止退化，但是更高的堆电压设定点提供提高的系统效率。因此，对各种燃料电池系统的控制经常要求堆至少在最小功率水平下工作，使得在至少一种情况下，电池电压防止上升过高，因为频繁的电压循环到高电压会导致阴极和阳极电解质的活性铂表面积的减小，如上述讨论的一样。

典型地，在已知的燃料电池系统内，使用固定的电压限制来设定堆最小功率水平，以防止不期望的电压循环。例如，典型的电压抑制策略可使用固定的电压设定点，例如850-900mV，并且防止堆电压上升超过上述值。如果燃料电池功率控制器不要求功率，或者要求最小的功率，需要维持电池电压水平处于或低于固定电压设定点的由堆产生的功率被提供给某些源，在其中使用或耗散功率。例如，过量功率可被用来为燃料电池系统车辆内的高压电池充电。受让给本申请的受让人并通过引用并入本文的公布于2006年7月6日的名称为《ReductionofVoltageLossCausedbyVoltageCyclingbyUseofARechargeableElectricStorageDevice》的美国专利申请公开No.US2006/014770A1，公开了一种为车辆电池充电的燃料电池系统，从而将电池电压维持在预定的固定电压设定点以下。

如果电压设定点相对较高，那么系统可以经常为电池充电，这可能导致电池电量经常处于其的最大状态。如果电池处于它的最大电量并且不可能接收更多的充电功率，那么控制器可导致过量的功率被耗散到其他部件中，例如电阻，以热量的形式来维持电池电压在最大电压设定点之下，这将导致浪费氢燃料从而影响系统效率。

发明内容

根据本发明的教导，公开了考虑了燃料电池中催化剂的氧化，在燃料电池堆中为燃料电池确定最大平均电池电压设定点的系统和方法。该方法包括确定平均电池电压，堆电流密度(I)和燃料电池内的膜的内部电阻(R)来计算IR校正的平均电池电压。然后，使用例如经验模型，该IR校正的平均电池电压被用来确定催化颗粒的氧化状态。然后，颗粒的氧化状态被用于计算燃料电池的最大平均电池电压设定点，该设定点被用于设定燃料电池堆所要求的最小功率。

通过下面的描述和所附的权利要求，结合附图，本发明的附加特征将变得明显。

本发明还提供如下技术方案：

1.一种在燃料电池堆中为燃料电池确定平均电池电压设定点的方法，所述方法包括：

确定所述平均电池电压处于或是接近第一平均电池电压水平；

允许所述燃料电池的平均电池电压从所述第一平均电池电压水平快速升至第二平均电池电压水平；

确定所述燃料电池内的催化剂的氧化状态；和

基于所述催化剂的氧化状态促使所述平均电池电压从所述第二电压水平缓慢升至第三平均电池电压水平。

2.根据技术方案1所述的方法，其中允许所述燃料电池的平均电池电压快速升至第二平均电池电压水平包括响应于所述燃料电池堆上的低功率要求，允许所述燃料电池的平均电池电压快速上升。

3.根据技术方案1所述的方法，其中确定所述燃料电池内的催化剂的氧化状态包括基于所述平均电池电压、堆电流密度(I)和电池膜电阻(R)来确定IR校正的电压，和使用所述IR校正的平均电池电压来确定所述催化剂的氧化状态。

4.根据技术方案3所述的方法，其中确定所述催化剂的氧化状态包括使用堆温度和膜湿度结合所述IR校正的电压来确定所述催化剂的氧化状态。

5.根据技术方案1所述的方法，其中确定所述催化剂的氧化状态包括使用经验模型。

6.根据技术方案1所述的方法，其中所述催化剂是铂。

7.根据技术方案1所述的方法，其中所述第二平均电池电压水平大约是850mV，所述第三平均电池电压水平大约是900mV。

8.一种在燃料电池堆中为燃料电池确定最大平均电池电压设定点的方法，所述方法包括：

使用所述平均电池电压、堆电流密度(I)和膜电阻(R)确定IR校正的平均电池电压；

基于所述IR校正的电压确定所述燃料电池内的催化剂的氧化状态；和

基于所述催化剂的氧化状态来确定最大平均电池电压设定点。

9.根据技术方案8所述的方法，其中确定所述最大平均电池电压设定点包括设定电压设定点为第一平均电池电压水平，之后促使所述平均电池电压缓慢斜坡升至第二平均电池电压水平。

10.根据技术方案9所述的方法，其中所述第二平均电池电压水平大约是850mV，所述第三平均电池电压水平大约是900mV。

11.根据技术方案8所述的方法，其中确定所述催化剂的氧化状态包括使用堆温度和膜湿度结合所述IR校正的电压来确定所述催化剂的氧化状态。

12.根据技术方案8所述的方法，其中确定所述催化剂的氧化状态包括使用经验模型。

13.根据技术方案8所述的方法，其中所述催化剂是铂。

14.一种在燃料电池堆中为燃料电池确定最大平均电池电压设定点的系统，所述系统包括：

用于使用所述平均电池电压、堆电流密度(I)和膜电阻(R)来确定IR校正的平均电池电压的装置；

用于所述基于IR校正的电压来确定所述燃料电池内的催化剂的氧化状态的装置；和

用于基于所述催化剂的氧化状态来确定所述最大平均电池电压设定点的装置。

15.根据技术方案14所述的系统，其中用于确定所述最大平均电池电压设定点的装置设定电压设定点为第一平均电池电压水平，和之后促使所述平均电池电压缓慢斜坡升至第二平均电池电压水平。

16.根据技术方案15所述的系统，其中所述第二平均电池电压水平大约是850mV，所述第三平均电池电压水平大约是900mV。

17.根据技术方案14所述的系统，其中用于确定所述催化剂的氧化状态的装置使用堆温度和膜湿度结合所述IR校正的电压来确定所述催化剂的氧化状态。

18.根据技术方案14所述的系统，其中用于确定所述催化剂的氧化状态的装置使用经验模型。

19.根据技术方案14所述的系统，其中所述催化剂是铂。

附图说明

图1是燃料电池系统的简化方框图；

图2是水平轴表示时间、左垂直轴表示平均电池电压和右垂直轴表示由燃料电池功率系统提供的最小功率要求的曲线图；和

图3是考虑了燃料电池堆工作期间的电池催化剂氧化状态，用于确定和使用燃料电池堆的最小要求功率值的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例的下面讨论涉及在燃料电池堆中为燃料电池确定最大电池电压设定点的系统和方法，其包括确定燃料电池催化剂的氧化状态以最小化铂催化剂表面积损失，这本质上仅为示例性的，并且绝不旨在对本发明或者其应用或者使用进行限制。例如，本发明的系统和方法具有在燃料电池车辆上的燃料电池堆中估计燃料电池的电压设定点的特定应用，然而，本领域技术人员认识到的，用于估计峰值堆电压的系统和方法将具有为其他燃料电池堆和其它设备提供应用。

电压循环导致的燃料电池内的铂颗粒的氧化在电池电解质内产生钝化层，钝化层将阻止颗粒进入溶液和被吸收到膜中。换句话说，燃料电池内的铂颗粒的氧化降低了催化剂表面积减小的可能性，这将减小电池退化。尽管此处的讨论涉及的催化剂是铂，本领域技术人员将容易地理解到，其他金属也能够作为催化剂使用，并且催化剂可以是各种浓度、颗粒尺寸、载体材料等。

相信发生在MEA内的两个竞争反应导致的燃料电池堆MEA内的铂催化剂发生损失，其通过以下方程式(1)和方程式(2)定义。

Pt+H₂O→PtOH+H⁺+e-(1)

Pt→Pt²⁺+2e-(2)

相信方程式(2)的反应对催化剂造成破坏，但是相信方程式(1)的反应保护催化剂。在高燃料电池电压电位发生的两个反应，例如电压大于0.7V时并且特别地电池电压大于0.9V时。方程式(1)的反应在较低的电位开始，并且进行得要比方程式(2)的反应缓慢许多，方程式(2)的反应在高电压电位时进行得非常快，例如，当电位大于0.85时。

本发明提出了一种工艺，该工艺减少了或阻止了方程式(2)的反应，但同时利于方程式(1)的反应。一种算法被提出，这种算法使用模型来监控PtOH的水平从而控制电池电压电位，并且通过将电位和/或电位变化率封顶(capping)保持电位为低(小于0.85V)，直到PtOH水平足够高使得阻止方程式(2)的反应。一旦PtOH的水平为高，能够允许电池电压升高而不会大面积地损坏催化剂。

基于电池电压历史、铂颗粒氧化水平与氧化速率和电池电压的估计，该算法确定在燃料电池系统工作过程期间在各种时间的最大平均电池电压设定点。更具体地，基于该点当时的铂颗粒氧化水平，电池的电压设定点可以被促使从某些较低的电压值以某些预定的速率斜坡升高(rampup)到相对较高的电压值。因此，当堆上的功率要求降低并且电池电压升高时，被用于为电池充电或被耗散到其他设备的堆功率量会随着铂颗粒被允许氧化，电池电压增长至某些最大电压水平设定点而减小。

下面将要详细讨论，本发明包括一种方法，该方法在燃料电池系统工作期间可周期性地估计燃料电池系统内的燃料电池堆的峰值堆电压(peakstackvoltage)，其包括确定铂氧化状态。该评估的峰值堆电压允许堆电压设定点选择性地被设为足够低以防止铂催化剂表面积损失，并可以为足够高从而提供堆运行效率。通常而言，给定某个点实时的某些堆条件，算法估计出目标最大平均电池电压(MAV)，并使用该MAV和现有的燃料电池系统的寄生现象(parasitics)，该算法估计出最小净功率(minimumnetpower)，该最小净功率是燃料电池系统预期燃料电池功率系统所要求的。并非在所有条件下降低MAV，本发明提出在高预期的损坏率的条件下使用较低的初始MAV，然后升高MAV到稳定状态最大值。

图1是燃料电池系统10的简化方框图，其包括燃料电池堆12，其中堆12包括一系列燃料电池30。压缩机14沿阴极输入线16提供气流到燃料电池堆12的阴极侧，并从堆12中沿阴极排气线18输出阴极排气。燃料电池堆12的阳极侧沿阳极输入线22从氢气源20接收氢气，并从堆12中沿阳极排气线24排出阳极排气。组件32(例如高电压电池)被提供作为由堆12产生的功率的负载，来维持电池电压位于或低于预期的最大设定点，如这里所讨论的。监控设备26监控燃料电池堆12内的电池30的电压，控制器28控制系统10工作，包括计算平均电池电压和生成电池30的最大电压设定点，这些将在下面详细讨论。燃料电池系统10意图代表任何适用于此处所讨论的工艺的燃料电池系统，包括阳极再循环系统，阳极流切换系统，等等。

图2是一个曲线图，水平轴代表时间，左垂直轴代表平均电池电压，右垂直轴代表提供到燃料电池功率系统的最小功率。曲线40示出了一段时间上的平均电池电压，曲线42示出了将提供到燃料电池功率系统(其将提供平均电池电压)的最小功率。由曲线段44所表征的平均电池电压是低平均电池电压，系统10关闭、系统10位于高功率状态或者系统10工作在阴极化学计量方法1时会导致出现低平均电池电压。在点46处，当堆12所要求的功率变低和平均电池电压增加时，算法允许平均电池电压沿曲线段48快速上升至降低的平均电池电压点50，例如850mV，其低于电压阈值，在该电压阈值处由于电压循环会导致出现铂颗粒的明显分解。因而，有限的电池退化出现，不过有限的铂颗粒氧化会开始出现。换句话说，位于点50的电压被选择为刚好低于发生催化剂分解的电压，但其中该电压足够高使得堆12不产生被低效使用的大功率。通常，在电压点50处催化剂的氧化过程开始发生，并且随着电池电压的增长，催化剂的氧化区域将会以某些速率增长，这取决于系统的细节，包括特定的催化剂，其中增长率可能是线性的，也可能不是。

之后，从点50开始，算法促使平均电池电压沿曲线段52缓慢升至位于点54的最大目标平均电池电压。点54处的目标电池电压是稳定状态最大平均电池电压，该最大平均电池电压在低系统功率要求中是被期望的。点54处的电压可以被选择为预期的相对的高电压，例如，900mV，此处由于电压循环而将发生催化剂退化，但堆12将不会生成以其他方式低效使用的大功率，如上所述。在电池电压到达点54处的临界退化电压之前，沿着斜坡缓慢上升到预期的目标电压给了铂颗粒氧化时间。在电压沿着段52缓慢斜坡上升期间，可能要比平均电池电压被允许立即到达稳态电压需要耗散更多的堆功率，但是由于氧化铂颗粒的退化减少。在点56处，当要求功率上升瞬变时，平均电池电压沿曲线段58下降。曲线42示出了在高平均电池电压期间堆12所要求的最小功率。

在大部分正常系统工作期间，燃料电池堆12并非处于持续不变的低电压。如果堆12已经处于较高的电压，能够使用较小侵害性(aggressive)的初始MAV。达到上述目的最简单的方法就是将MAV设置为阴极铂氧化物(PtOH)覆盖区域的函数。通过知晓铂氧化状态，系统10的电压控制能够选择性地确定最大平均电池电压值能够设定的各种电压值，和可选择性地确定对于该氧化水平而言，升到所预期的稳态电池电压的斜坡上升速率。作为平均电池电压函数的经验动态PtOH模型，能够根据该目的进行开发，这将被本领域技术人员所理解。该PtOH模型的初始输入可以是IR(电流-电阻)校正的平均电池电压，其等于堆电流乘以电池电阻，加上平均电池电压，此处堆电阻可以被测量或被估计。阴极相对湿度和堆温度也能够与校正的电压一起作为输入来使用，以生成更精确的铂氧化状态。对铂氧化物覆盖区域的估计可以是基于经验的，也可以在形式上更多地是基于原理的。

图3是一个用于确定和使用燃料电池堆12的所要求的最小功率值的流程图60，其考虑了燃料电池30内的催化剂的氧化状态，如上所述。在框62处，该算法任何合适的技术(其中许多技术为本领技术人员所理解)，通过各种测量和/或估计过程来确定和/或获取平均电池电压、堆电流密度和电池30的膜的内部电阻。在框64处，该算法使用这些值来计算堆12内的燃料电池30的IR校正的平均电池电压，如上所述。之后，在框66处，该算法使用IR校正的平均电池电压来确定铂或其他催化剂的氧化状态。如果要求，其他参数(例如堆温度、膜湿度等等)也可以被用来确定铂的氧化状态。之后，在框68处，该算法使用铂的氧化状态来确定堆12内的燃料电池30的最大平均电池电压设定点。该电压设定值可以是允许铂颗粒进一步发生氧化的任何电压，此处，电压设定点能够如上所述的沿坡度上升，这依赖催化剂的氧化状态。之后，在框70处，该电压设定点被用于确定燃料电池堆12所要求的最小功率，使得从堆12提取的功率促使燃料电池30在该电压设定点工作。之后，由堆12生成的功率，超过车辆正常工作所要求的部分，在框72处将被用于为电池充电或者耗散到系统10的一些部件中，这取决于功率值和其他因素。

前述的讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性的实施例。本领域的技术人员会容易地认识到通过这样的讨论和所附的附图以及权利要求，在不偏离下面的权利要求所限定的本发明的精神和范围的条件下，可对本发明作出各种改变、改进和变化。

Claims (12)

1.一种在燃料电池堆中为燃料电池确定最大平均电池电压设定点的方法，所述方法包括：

使用平均电池电压、堆电流密度（I）和膜电阻（R）确定IR校正的平均电池电压；

基于所述IR校正的平均电池电压确定所述燃料电池内的催化剂的氧化状态；和

基于所述催化剂的氧化状态来确定最大平均电池电压设定点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述最大平均电池电压设定点包括设定电压设定点为第一平均电池电压水平，之后促使所述平均电池电压斜坡升至第二平均电池电压水平。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二平均电池电压水平是850mV。

4.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述催化剂的氧化状态包括使用堆温度和膜湿度结合所述IR校正的平均电池电压来确定所述催化剂的氧化状态。

5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述催化剂的氧化状态包括使用经验模型。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂是铂。

7.一种在燃料电池堆中为燃料电池确定最大平均电池电压设定点的系统，所述系统包括：

用于使用平均电池电压、堆电流密度（I）和膜电阻（R）来确定IR校正的平均电池电压的装置；

用于基于所述IR校正的平均电池电压来确定所述燃料电池内的催化剂的氧化状态的装置；和

用于基于所述催化剂的氧化状态来确定所述最大平均电池电压设定点的装置。

8.根据权利要求7所述的系统，其中用于确定所述最大平均电池电压设定点的装置设定电压设定点为第一平均电池电压水平，和之后促使所述平均电池电压斜坡升至第二平均电池电压水平。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二平均电池电压水平是850mV。

10.根据权利要求7所述的系统，其中用于确定所述催化剂的氧化状态的装置使用堆温度和膜湿度结合所述IR校正的平均电池电压来确定所述催化剂的氧化状态。

11.根据权利要求7所述的系统，其中用于确定所述催化剂的氧化状态的装置使用经验模型。

12.根据权利要求7所述的系统，其中所述催化剂是铂。