CN102487143A - 燃料电池系统和控制该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统和控制该系统的方法，以有效地移除在燃料电池车辆停止期间流入阳极侧和阴极侧的空气，从而防止在启动时产生的燃料电池组的过电压，从而提高燃料电池组的耐久性。该燃料电池系统示例性地包括：浓度检测器，安装在燃料电池组的阴极侧和/或阳极侧，以检测空气中的氧浓度；控制器，当氧浓度大于设定值时，输出控制信号以释放空气；以及吸收器，响应从控制器输出的控制信号，通过吸收线路从阴极侧和/或阳极侧吸收空气，从而将所吸收的空气释放到外面。

Description

燃料电池系统和控制该系统的方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统和控制该系统的方法。更具体地，本发明涉及一种能够有效地移除在燃料电池车辆停止期间流入阳极侧和阴极侧的空气，以防止在燃料电池车辆启动时燃料电池组的过电压产生，从而提高燃料电池组的耐久性的燃料电池系统以及控制该系统的方法。
背景技术
燃料电池是被配置成将燃料电池的化学能直接地转换成电能的电力发生器(electric power generator)。聚合物电解质膜燃料电池(polymerelectrolyte membrane fuel cell，PEMFC)，一种目前广泛使用在车辆的燃料电池，由于与其他类型的燃料电池相比，具有高效率、高电流密度和高功率密度，启动时间短以及对负载变化的快速响应而引人注目。
作为将用作燃料电池车辆用的动力源的燃料电池，燃料电池系统可以配置成堆叠多个燃料电池的单元电池以提供必需的电力，并且同时，其中的各种驱动器装置与所堆叠的电池一起集成到一个系统，并且最终将组合的燃料电池系统安装在车辆上。
这样的车用燃料电池系统的主要结构包含：燃料电池组，用于通过反应气体的电化学反应产生电能；氢供给装置，用于将氢作为燃料供应到燃料电池组；空气供给装置，用于将含氧空气作为电化学反应所必需的氧化剂供应到燃料电池组；以及热和水控制器(heat and watercontrolling device)，用于将作为燃料电池中电化学反应的副产物的热排放到外面，以将燃料电池组的工作温度控制在最佳温度，并且执行水控制功能。
根据该结构，燃料电池组产生由于包含在空气中的氧以及反应气体的氢之间的电化学反应而产生的电能，并且排放作为该反应的副产物的热和水。
另外，如果当系统关闭(例如，在停止燃料电池车辆之后切断)时燃料电池组的电压高于预定电压并且氢残留在阳极侧而氧残留在阴极侧，则众所周知地，氢和氧通过电解质膜进行交换，从而加速催化剂层的劣化。
为了防止这种现象，各种技术致力于在系统关闭时，在降低燃料电池组的电压的同时，分别在阴极侧和阳极侧移除氧和氢。
作为典型的实例，当系统关闭时，所使用的一个方法是，将阴极连接到阴极氧消耗(cathode oxygen depletion，COD)用的负载，从而降低燃料电池组的电压，并且同时移除残留在阴极侧的氧。
然而，尽管在系统关闭的时残留氧可以通过阴极氧消耗用的负载的连接来移除，但是，如果残留在阳极侧的氢不足以满足阴极中的残留氧，则不能完全移除阴极中的氧。
此外，进口侧排气导管和出口侧排气导管的阀门在关闭步骤完成后应该是闭合的。就这点而言，在车辆甚至在阀门闭合状态下停了很长时间的情况下，氧可以从外面流入燃料电池组，从而蔓延到阳极和阴极。
因此，可能存在这样问题，即，在停车后燃料电池车辆的首次启动时，在氢供给步骤中，由于阴极侧的残留氧而可能产生电池组电压(stack voltage)，从而不稳定地增加电压，并且由于残留在阳极侧的氧而在膜电极组件的电极催化层中可能出现碳腐蚀，从而降低了该电池组的耐久性。
在普通燃料电池系统中，由于阴极侧排气导管较大，因此空气容易通过阴极侧导管从外面流入电池组的阴极，并且随后由于例如通过电解质膜的扩散等步骤而穿过到阳极侧。
以这样的方式，在空气残留在阳极侧的状态下，如果在启动时氢流入阳极侧，则可以在阳极处建立氢和空气(氧)之间的界面，从而在阴极侧产生过电压，导致电极的腐蚀。
因此，在几十到上百次循环后可能使电池组性能劣化。
通常，可以通过连接例如电阻等的虚负载(dummy load)来降低电压，从而防止在空气流入阳极后发动机启动时的过电压产生。然而，当氢不均匀供给时可以在电池中引起反向电压现象。这可以导致电池组性能的严重劣化。
因此，用于提高燃料电池组的耐久性的一个最重要的工序是防止或最小化由界面引起的过电压，该界面是在燃料电池车辆停止期间空气(氧)流入阳极后，在发动机启动时在氢和空气(氧)之间形成的。
本发明背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明一般背景技术的理解，因此，可能包含不构成对本国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明涉及一种能够有效地移除在燃料电池车辆停止期间流入阳极侧和阴极侧的空气，以防止在燃料电池车辆启动时燃料电池组的过电压产生，从而提高燃料电池组的耐久性的燃料电池系统以及控制该系统的方法。
实现该目的的一方面，本发明提供了一种燃料电池系统，包括：浓度检测器，安装在阴极侧和阳极侧的任一侧或两侧以在相应侧检测空气中所含有的氧浓度；控制器，当由浓度检测器检测的氧浓度大于设定值时，输出控制信号以释放空气；以及吸收器，响应从控制器输出的控制信号，经由吸收线路从阴极侧和阳极侧的一侧或者从阴极侧或阳极侧两侧吸收空气，从而将所吸收的空气释放到外面。
另一方面，本发明提供一种方法，包含：将在燃料电池组的阴极侧和阳极侧的任一侧或两侧由浓度检测器检测的空气中所含有的氧浓度输入到控制器；当由浓度检测器检测的氧浓度大于设定值时，从控制器输出用于排放空气的控制信号；以及通过响应从控制器输出的控制信号而被驱动的吸收器，经由吸收线路吸收在阴极侧和阳极侧的一侧或者两侧的空气并排放该空气。
根据本发明，具有的效果在于，燃料电池系统和控制该系统的方法能够有效地移除在燃料电池车辆停止期间流入阳极侧和阴极侧的空气，以防止在启动时产生的燃料电池组的过电压，从而提高燃料电池组的耐久性。
附图说明
现参照示例性说明在下面仅以示例方式给出的附图的特定典型实施方式来详细说明本发明的以上和其它特征，由此，这些特征不限制本发明，其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池系统的结构的示意图；
图2和3是示出根据本发明的另一示例性实施方式的燃料电池系统的结构的示意图；以及
图4a至4d是示出根据常规技术的燃料电池系统的问题的视图。
附图中涉及的附图标记包括后面将进一步讨论的下列部件：
1：阳极
10：燃料电池组
12：阴极
13：氢供给线路
14：阳极侧排放线路
15：空气供给线路
16：阴极侧排放线路
17a、17b、18a、18b：阀门
21、22：浓度检测器
23、24：吸收线路
30：控制器
41、42：吸收器
应该理解到的是，附图不必按比例绘制，而只是表示用于说明本发明的基本原理的各种优选特征的简化表示。包括例如特定尺寸、方向、位置和形状的本文所公开的本发明的特定设计特征，将通过特定施加和使用环境被部分地确定。
在所有附图中，相同的附图标记表示本发明中相同或者等同的部件。
具体实施方式
下文将详细参照本发明的各个实施方式，在附图中示出并在下文中描述其实施例。尽管将结合示例性实施方式说明本发明，然而应该理解的是，本说明书不是要将本发明限制到这些典型的实施方式。相反地，本发明不仅要涵盖这些典型的实施方式，还涵盖包含在所附权利要求所限定的本发明的思想和范围内的各种替代、修改、等效物及其它实施方式。
此外，应当理解此处使用的术语“车辆”或其它类似的术语包括，诸如包括运动用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆包括各种船和艇的水运工具，航行器等，并且包括混合动力车、电动车辆、插入式混合电动车辆、氢动力车辆和其它可选的燃料车辆(例如从除了石油以外的资源中获得的燃料)。参照此处所述，混合动力车为具有两个或更多个动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。
众所周知：当启动燃料电池系统时，在燃料电池组的阳极的氧浓度越高，形成的过电压越高，从而加速阴极电极的腐蚀。因此，阴极的碳催化剂被带走，从而阴极的活性降低，导致使燃料电池的性能降低的劣化现象。
例如，从图4a和图4b看出，在发动机启动时阳极侧中的氧浓度是0％或1％的情况下，即使重复启动/停止循环也不存在电池电压下降的现象。相对而言，从图4c和图4d看出，在发动机启动时阳极侧中的氧浓度大于10％或20％的情况下，重复启动/停止循环越多，电池电压下降得越多。因此，使燃料电池组的耐久性劣化，并且整个系统变得不稳定，从而导致系统频繁的关闭。
因此，本发明的主要目在于，有效地移除在燃料电池车辆停止(燃料电池系统关闭)期间流入阳极侧和阴极侧的空气，以防止在启动时在燃料电池组中产生过电压，从而提高燃料电池组的耐久性。
图1是示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池系统的实例结构的示意图。
如附图所示，该系统包括连接到燃料电池组10的管路(13、14、15和16)。在管路中，阀门17a、17b、18a、18b各个分别地安装在连接到电池组10的阳极进口的氢供给线路13、连接到阳极出口的阳极侧排放线路14、连接到阴极12的进口的空气供给线路15以及连接到阴极出口的阴极侧排放线路16。
在所示配置的示例性的燃料电池系统中，安装在燃料电池组10的进入口和排出口的阀门17a和17b，以及安装在阴极的进入口和排出口的阀门18a、18b，被设计成在燃料电池系统关闭时(燃料电池系统停止期间)关闭，以切断反应气体(氢和氧)向燃料电池组的供应。然而，如上所述，如果燃料电池车辆停止并且系统因此长时间关闭，则少量空气通过各个导管等流入电池组。
特别地，即使普通燃料电池系统的阴极侧导管即空气供给线路15和阴极侧排放线路16的尺寸大，并且即使阀门18a和18b在车辆停止期间各个都关闭，大量的空气也可以从外面通过阴极侧导管流入电池组。
以这样的方式，已经流入阴极12的外部空气穿过膜电极组件和气体扩散层而穿过到阳极11，从而导致过电压的产生和电极处的腐蚀。
因此，如图1所示，为了有效地移除在车辆停止期间流入电池组10的阴极12侧的空气，根据本发明的燃料电池系统包括：浓度检测器22，用于检测阴极歧管(阴极12)和导管等的阴极侧处的空气中所含有的氧浓度；控制器30，用于当确定由浓度检测器22检测的氧浓度大于特定的设定值(例如，阳极处10％的氧)时输出控制信号以释放空气；以及吸收器42，响应从控制器30输出的控制信号来工作，以通过连接到阴极12侧的吸收线路24从阴极12吸收空气，从而将所吸收的空气输出到外面。
这里，浓度检测器22可以安装在燃料电池组10的进入口或排出口处的阴极12，即进口歧管、出口歧管或阴极侧排放线路16，并且吸收器42可以安装在连接到阴极12导管的电池组10的阴极歧管或者吸收线路24，从而在启动时通过吸收线路24吸收在燃料电池组10的阴极侧的空气，并且将所吸收的空气排放到外面。
如果常规的吸收器具有能够吸收流入阴极12的空气和将所吸收的空气排放到外面的功能，则吸收器42可以用任何常规的吸收器来替代。
例如，真空泵，除此之外，具有吸收和减压功能的排气设备，也可以用作本发明的吸收器42。
由吸收器42吸收的空气通过连接到吸收器42的出口侧的独立排放导管而排放到外面。此时，如图1所示，吸收器42的排放导管可以连接到阴极侧排放线路16上的阀门18b的后侧，从而空气可以最终通过阴极侧排放线路16而排放到外面。
此外，如图1所示，连接到吸收器42的吸收进口侧的吸收线路24可以连接到燃料电池组10中阴极12的进入口(阴极进口歧管或者空气供给线路)和阴极12的排出口(出口歧管或者阴极侧排放线路)的任一个或者两个，从而吸收器42可以在阴极的进入口或排出口两侧吸收空气，从而将吸收的空气释放到外面。
另外，由于本发明将流入电池组10的空气释放到外面，因此，优选地，吸收线路24连接到由阴极的进入口和排出口的阀门18a、18b关闭的管路位置和歧管，也就是说，连接到空气供给线路15、阴极侧排放线路16、电池组的阴极侧进口歧管和阴极侧出口歧管中的任一个。
此外，优选地，浓度检测器22安装在由阴极的进入口和排出口的阀门18a、18b关闭的电池组的歧管以及连接到该歧管的排气导管的任何一个上。
图1所示的示例性的实施方式示出用于排放阴极侧的空气(空气侧)的系统。相应地，该系统以这种方式配置，即，浓度检测器22仅仅在燃料电池系统关闭期间检测氧浓度，并且控制器30被设置成仅仅当所检测的氧浓度大于设定值时使吸收器42工作。在该情况下，可以降低吸收器的功耗。
更详细地，当浓度检测器22在燃料电池系统关闭(车辆停止)期间检测到大于设定值的氧浓度时，控制器使吸收器42工作以将流入燃料电池组10的阴极12侧的空气释放到外面。以这样的方式，由于吸收器42在车辆启动前工作，因此，启动步骤可以是以这样的方式来进行，即，当阴极12侧所含有的氧浓度保持在设定值以下时，将氢供应到阳极11。因此，由于在车辆长时间停止并因此使燃料电池组10长时间保持在关闭状态后，在将氢供应到阳极之前将空气从阴极排放，因此，根据本发明的系统可以克服上述常规问题，例如可能在车辆启动期间建立的氢/氧界面的形成、可能由该界面引起的过电压的产生、碳腐蚀以及电极损坏等。
图2和3是示出根据本发明的另一个示例性实施方式的燃料电池系统的结构的示意图。
图2所示的实施方式与图1所示的实施方式的不同在于，图1所示的浓度检测器、吸收器、吸收线路安装在阳极侧而非阴极侧，但是浓度检测器21、吸收器41、吸收线路23和控制器30与图1所示的相同。
在图2所示的实施方式中，在由浓度检测器21检测的氧浓度大于设定值的情况下，控制器使吸收器41工作以将流入电池组10的阳极11侧的空气释放到外面。
浓度检测器21可以安装在阳极11的进入口或者电池组10的排出口，例如氢供给线路13、进口歧管、出口歧管或阳极侧排放线路14。吸收器41可以安装在电池组10的阳极歧管或者连接到阳极侧排放导管的吸收线路23，以通过吸收线路23吸收电池组10的阳极11侧的空气，从而将所吸收的空气排放到外面。
由吸收器41吸收的空气通过连接到吸收器的出口侧的独立排放导管而排放到外面。如图2所示，吸收器41的排放导管连接到阳极侧排放线路14上的阀门17b的后侧，从而最终通过阳极侧排放线路来排放空气。
此外，连接到吸收器41的进口侧的吸收线路21可以连接到电池组10的阳极11的进入口(阳极进口歧管或者氢供给线路)和阳极11的排出口(出口歧管或者阳极侧排放线路)中的任何一个或者两个。
由于图2所示的示例性的实施方式与用于排放阳极11侧(氢侧)的空气的系统相关，因此，在车辆停止期间或者车辆启动时氧浓度大于设定值的情况下，控制器30可以被设计成使吸收器41工作。当启动车辆时，在供应氢之前控制器30使吸收器41工作，从而将阳极侧的氧浓度降至设定值以下，并且接着供应氢。
在图3的示例性实施方式中，还将图1所示的浓度检测器、吸收器和吸收线路添加到阳极侧。图3的示例性实施方式与图1的示例性实施方式的不同在于，浓度检测器、吸收器和吸收线路同时安装在阳极11侧和阴极12侧，但是浓度检测器21、22、吸收器41、42、吸收线路23、24和控制器30的所起的作用与图1的实施方式中的作用相同。
特别地，在图3所示的示例性实施方式中，系统被配置成，除了包括图1所示的浓度检测器22、吸收器42和吸收线路24以外，还包括图2所示的浓度检测器21、吸收器41和吸收线路23，从而将阳极11侧和阴极12侧两侧的流入空气吸收并排放。
在该情况下，可以确定阳极11侧的氧浓度的设定值不同于阴极12侧的氧浓度的设定值，这成为用于确定是否操作吸收器41、42的基础。
即使在图3所示的示例性实施方式中，控制器30也可以被设计成，仅仅在启动时使浓度检测器21检查阳极11侧的氧浓度，并且当氧浓度被检测出大于设定值时使吸收器41工作。也就是说，在启动时供给氢之前控制器30用来使吸收器41工作，从而将阳极11侧的氧浓度降至设定值以下，并且接着供应氢。在该情况下，吸收器的操作使功耗最小化。
显然地，如果电池组中氧浓度小于设定值，则即使在没有吸收器41的操作的情况下，燃料电池系统也可以根据普通的启动步骤来启动。
本发明已经通过参考其优选的实施方式来进行详细地描述。然而，本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明的原理和思想的情况下，可以改变这些实施方式，其中，本发明的范围由所附的权利要求及其等价形式限定。

Claims (15)

1.一种燃料电池系统，包含：
浓度检测器，安装在燃料电池组的阴极侧和阳极侧的任一侧或两侧，以在相应侧检测空气中所含有的氧浓度；
控制器，当在所述相应侧由所述浓度检测器检测的氧浓度大于设定值时，输出控制信号以从所述相应侧释放空气；以及
吸收器，响应从所述控制器输出的所述控制信号，经由吸收线路从所述阴极侧和所述阳极侧的一侧或两侧吸收空气，从而将所吸收的空气释放到所述系统的外面。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述浓度检测器安装在下列中的任一处：i)由燃料电池组的进入口的阀门和排出口的阀门关闭的燃料电池组的歧管，ii)连接到在阴极侧的所述燃料电池组的歧管的气体导管，以及iii)连接到在阳极侧的所述燃料电池组的歧管的气体导管。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述吸收线路作为空气吸收位置连接到下列中的至少一处：i)在所述阴极侧的燃料电池组的进入口，ii)在所述阴极侧的燃料电池组的排出口，iii)在所述阳极侧的燃料电池组的进入口，以及iv)在所述阳极侧的燃料电池组的排出口。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述吸收线路连接到下列中的至少一处：i)燃料电池组的歧管，或ii)由燃料电池组的进入口和排出口的阀门关闭的气体导管。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，如果对于下列中的至少一种情况：i)在所述燃料电池系统关闭期间，或ii)在所述燃料电池系统启动时，由所述浓度检测器检测的氧浓度大于设定值，则所述控制器使所述吸收器工作。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述吸收器的排放导管连接到位于阴极侧排放线路或阳极侧排放线路的一个或两个的阀门后侧，相应地通过所述阴极侧排放线路或所述阳极侧排放线路释放所吸收的空气。
7.一种控制燃料电池系统的方法，包含：
将在燃料电池组的阴极侧和阳极侧的任一侧或两侧由浓度检测器检测的空气中所含有的氧浓度输入到控制器；
当在相应侧由所述浓度检测器检测的氧浓度大于设定值时，从所述控制器输出用于从所述相应侧排放空气的控制信号；并且
通过响应从所述控制器输出的控制信号而被驱动的吸收器，经由吸收线路在所述相应侧吸收空气并排放该空气。
8.根据权利要求7所述的控制燃料电池系统的方法，还包含：如果对于下列中的至少一种情况：i)在所述燃料电池系统关闭期间，或ii)在所述燃料电池系统启动时，由所述浓度检测器检测的氧浓度大于设定值，则使所述吸收器工作。
9.根据权利要求8所述的控制燃料电池系统的方法，还包含：响应所述燃料电池系统的关闭，使所述浓度检测器检查所述氧浓度并使所述吸收器工作，所述燃料电池系统的关闭与安装在所述燃料电池组的阴极侧的所述浓度检测器、吸收线路和吸收器相关。
10.根据权利要求8所述的控制燃料电池系统的方法，还包含：响应所述燃料电池系统的启动，使所述浓度检测器检查所述氧浓度并使所述吸收器工作，所述燃料电池系统的启动与安装在所述燃料电池组的阳极侧的所述浓度检测器、吸收线路和吸收器相关。
11.根据权利要求10所述的控制燃料电池系统的方法，还包含：
在所述燃料电池系统启动时使所述吸收器工作，以降低所述氧浓度；并且
随后将氢供应到所述燃料电池组的阳极侧。
12.根据权利要求8所述的控制燃料电池系统的方法，还包含：
在所述燃料电池系统启动时使所述吸收器工作，以降低所述氧浓度；并且
随后将氢供应到所述燃料电池组的阳极侧。
13.一种方法，包含：
在燃料电池的阴极侧和阳极侧的一侧或两侧检测空气中的氧浓度；
确定所述氧浓度是否大于设定值；并且
响应所述氧浓度大于所述设定值，从相应侧排放空气。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述检测、确定和排放发生在所述燃料电池关闭期间。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述检测、确定和排放发生在所述燃料电池启动期间，所述方法还包含：
在排放所述空气之后，将氢供应到所述燃料电池的阳极侧。
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