CN103515635A - 用于操作燃料电池系统的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于操作燃料电池系统的系统和方法，其通过将在燃料电池车辆停放时扩散到燃料电池组的空气电极中的氧扫除来改善燃料电池组的耐久性。也就是，本发明提供用于操作燃料电池系统的系统和方法，其通过在氧浓度大于预定水平时周期性地将氢供应到阴极以将氧扫除，以防止在燃料电池车辆停放时空气中的氧扩散到阴极中，来防止在阳极处形成氧与氢之间的界面，由此防止燃料电池组的膜电极组件的耐久性劣化。

Description

用于操作燃料电池系统的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法，其通过将在燃料电池车辆的停放过程中扩散到燃料电池组的空气电极中的氧扫除（purge）而改善燃料电池组的耐久性。

背景技术

许多汽车公司已开始开发氢燃料电池车辆，致力于开发替代燃气发动机车辆的环境友好车辆。应用到氢燃料电池车辆的燃料电池系统通常包括：配置成通过电化学反应产生电的燃料电池组；配置成将氢作为燃料供应到燃料电池组的氢供应系统；配置成供应含氧空气作为燃料电池组中的电化学反应所需的氧化剂的氧（空气）供应系统；配置成将反应热从燃料电池组去除到燃料电池系统外部、控制燃料电池组的工作温度、并且进行水管理功能的热管理系统（TMS）；以及配置成控制燃料电池系统的整体运行的系统控制器。

燃料电池组是一种动力产生装置，其产生电作为燃料电池车辆的主要能源并且具有如下结构，其中供应有氢的燃料电极和供应有空气的空气电极堆叠在膜电极组件（MEA）的两侧，使得空气中的氧与外部供应的氢进行电化学反应以产生电能。

因此，在燃料电池系统的运行过程中，具有高纯度的氢被供应到燃料电极（“阳极”），并且同时，来自空气的氧通过空气供应系统例如鼓风机被直接供应到空气电极（“阴极”）以产生电能。

供应到燃料电池组的氢通过阳极的催化剂被离解成氢离子和电子。离解的氢离子经由电解质膜被传递到阴极，并且同时，供应到阴极的氧与经由外部导线传递的电子结合，由此产生电能以及副产物水。使用产生的电能来为驱动电机提供电力，因此可以相应地驱动装备有燃料电池组的燃料电池车辆。

在操作燃料电池车辆之后，在车辆停放时由于氧扩散到燃料电池组的阴极中而在阳极处形成氢与氧之间的界面（interface），并且同时，延长了电位保持时间。然而，该现象使膜电极组件的耐久性劣化。

在美国专利第6,887,599号中描述了一种减少该劣化现象的可能性的方法，其公开了一种在燃料吹扫过程中起动燃料电池系统的方法，其中，在消除形成于阳极处的氢氧间界面之后将空气供应到阴极，并且在燃料电池车辆的起动过程中将氢供应到阳极。然而，在上述专利中，在起动过程中需要保持时间用于消除阳极处的氢氧间界面。

另外，美国专利申请公开第20060046106号公开了使用H2吹扫用于电池组起动/关闭来改善电池组耐久性的方法，其中在燃料电池车辆的起动/停车过程中，将氢气同时引入到阳极和阴极以将氧扫除并消除形成于阳极处的氢氧间界面。然而，上述方法仅将氢气供应到阳极和阴极，以在车辆的起动和停车过程中将氧扫除。而且，由于氧在燃料电池车辆停放时扩散到阴极中而在阳极处形成氢氧间界面，并且同时，延长了电位保持时间，由此使燃料电池组的耐久性劣化。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

提供用于操作燃料电池系统的系统和方法，其通过在氧浓度大于预定水平时周期性地将氢供应到阴极以将氧扫除，以防止在燃料电池车辆停放时空气中的氧扩散到阴极中，从而防止在阳极处形成氧氢间界面，由此防止燃料电池组的膜电极组件的耐久性劣化。

一方面，本发明的示例性实施方式提供用于操作燃料电池系统的系统和方法。具体地，基于相应于燃料电池车辆在停车之后保持停放状态的时间量的氧浓度，确定阴极的氢吹扫循环（cycle）；以及在各个确定的氢吹扫循环中通过将氢供应到阴极来将氧从阴极中扫除。

在示例性实施方式中，氢吹扫循环可以确定为随着停车时间的增加，阴极中/处的氧浓度超过预定氧浓度阈值所花费的时间量。

在另一示例性实施方式中，氧浓度阈值可以确定为在对应于燃料电池组的各个氧浓度的开路电压增加到预定值的时间点的氧浓度，其中在将氧强制性地引入到阴极中之后监测该开路电压。还可以通过安装在阴极处的氧传感器测量氧浓度。

在又一示例性实施方式中，该系统和方法还可以包括将氢和空气同时供应到阳极和阴极，而不使电位在所述燃料电池车辆停放之后的起动过程中的任何时间段内超过预定值。

下面讨论本发明的其它方面和示例性实施方式。

附图说明

现在将参考附图图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是示出根据本发明的示例性实施方式，相应于车辆保持停放状态的时间量的阴极处氧浓度的示例性测量结果的图；

图2是示出根据本发明的示例性实施方式，相应于阴极处氧浓度的电池电压的示例性测量结果的图；并且

图3是示出根据本发明的示例性实施方式，在燃料电池车辆停放之后的起动过程中相应于阴极处氧浓度的电池组电压特性的示例性测量结果的图。

应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。

在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

可以通过被配置为实施以下过程的控制器来操作以下示例性方法和系统。然而，应理解，也可以通过多个执行其上处理器的控制器来实施以下过程。

此外，计算本发明的控制逻辑可以实现为包含可由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非瞬时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于，ROM、RAM、光盘（CD）-ROM、磁带、软盘、快闪驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在连接网络的计算机系统中，以便，例如通过远程信息处理（telematics）服务器或控制器局域网（CAN）以分布式模式存储和执行计算机可读介质。

本发明的特征在于，通过检测相应于燃料电池车辆保持停放状态的时间量的氧浓度变化来周期性地进行氢吹扫，以防止由于在燃料电池车辆停放时空气中的氧扩散到阴极中而在阳极处形成氧与氢之间的界面。

更具体地，在本发明的示例性实施方式中，在初始停止车辆之后测量相应于燃料电池车辆保持停放状态的时间量的燃料电池组的阴极处氧浓度。优选地，可以通过将氧传感器直接安装在阴极上来测量阴极处的氧浓度，或者可以基于与周围环境因素（例如室外温度、海拔、室外相对湿度等）相关的实际测量值使用典型计算方法来计算阴极处的氧浓度。在测量相应于燃料电池车辆保持停放状态的时间量的阴极处氧浓度之后，可以基于测量结果来确定阴极的氢吹扫循环，并且其实例在图1中示出。

图1是示出与燃料电池车辆保持停放状态的时间量相关的阴极处氧浓度的变化的图，从其中可以看出随着停车时间的增加，外部空气中的氧渐增地扩散到阴极中。根据本发明的示例说明的实施方式，可以基于测量数据确定氢吹扫循环，该测量数据示出相应于停车时间的阴极处氧浓度变化。优选地，在本发明的示例说明的实施方式中，氧扩散到阴极中的程度不影响膜电极组件的耐久性。因此，优选将氢吹扫循环确定为在氧浓度超过例如0.01%的预定阈值的时间点。

更优选地，如图2所示，作为用于确定氧浓度阈值的系统和方法，可以在将氧强制性地引入到阴极之后监测对于燃料电池组的各个氧浓度的开路电压（OCV），并且可以将在监测的开路电压增加到预定值时的氧浓度确定为氧浓度阈值。此处，当开路电压大于预定值时，这表明氧浓度处于如下水平，在该水平，在车辆停放时扩散到阴极中的氧与阳极中存有的氢进行反应而产生相当高的电位，因此，由此产生的高电位使得膜电极组件被腐蚀。因此，优选使开路电压保持为低于预定值。因此，通过上述过程，开路电压增加到预定值时的氧浓度被确定为氧浓度阈值。

在确定了氢吹扫循环，优选以上述方式确定氢吹扫循环时，通过在各个氢吹扫循环中将氢周期性地供应到阴极而自动地将氧从阴极中扫除到外部。因此，当空气中的氧扩散到阴极中的浓度大于上述氧浓度阈值时，将氢供应到阴极以扫除阴极中和阴极周围的氧，以便可以在车辆停放时防止在阳极处形成氢氧间界面，由此有效地防止燃料电池组的耐久性因膜电极组件的腐蚀而劣化。

图3是示出在车辆停放之后的起动过程中相应于阴极处氧浓度的电池组电压特性的示例性测量结果的图，其中虚线表示通过停车过程中对阴极的氢吹扫而使氧浓度保持在阈值（0.01%）之下，而实线表示氧浓度保持在阈值（0.01%）之上。在图3中，部分（a）表示燃料电池车辆停放之后的初始起动，部分（b）表示氢和空气同时供应到阳极和阴极的氢吹扫，并且部分（c）表示起动完成。而且，图3中（c）区域表示由起动时正常供应氧的21%氧浓度的燃料电池所输出的最大电池组电压的范围；区域（b）内的电压输出随着阴极处的氧浓度而变化；并且（a）（即Y轴的100%）的电压表示最大理论电池组电压。

参考图3，当氧浓度保持在阈值（0.01%）或其之上时，在车辆起动完成之前在阳极处形成氢氧间界面，其中扩散到阴极中的氧传输到阳极中，因此，如部分（b）中实线所示产生高电位，例如为开路电压的70%-80%且氧含量为21%。结果，延长了存在高电位的时间量，因此可能使燃料电池组的耐久性劣化。

为供参考，在燃料电池车辆的起动和停车过程中因燃料电池组的阴极中的氧而发生的电化学反应和由此产生的开路电压引起燃料电池组中负载有催化剂的碳的腐蚀和燃料电池组的耐久性的劣化。因此，为解决这些问题，将阴极氧消耗（cathode oxygen depletion，COD），即COD加热器中所含的一种电阻器，与燃料电池组的两端连接以消除开路电压。

反之，当氧浓度保持在低于阈值（0.01%）时，不形成氢氧间界面，因此如部分（b）虚线所示不产生高电位。结果，可以将氧和空气分别供应到阳极和阴极而没有任何高电位保持时间，因此可以防止燃料电池组的耐久性因高电位而劣化。

如上所述，本发明提供以下效果。

在对相应于停车时间的阴极处氧浓度进行测量并且测得的氧浓度大于氧浓度阈值时，通过将氢周期性地供应到阴极以将氧扫除，可以防止在阳极处形成氢与氧之间的界面。因此，可以防止燃料电池组的耐久性由于氢与氧间界面所引起的膜电极组件腐蚀而劣化，从而改善燃料电池组的耐久性。

已经参考本发明的示例性实施方式对本发明进行了详细说明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (13)

1.一种用于操作燃料电池系统的方法，所述方法包括：

由控制器基于与燃料电池车辆在停止之后保持停放状态的时间量相关的氧浓度测量来确定阴极的氢吹扫循环；以及

在各个所述氢吹扫循环中通过将氢供应到所述阴极而将氧从所述阴极中扫除。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述氢吹扫循环是所述阴极处的氧浓度超过预定氧浓度阈值时的时间。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述氧浓度阈值被确定为对应于燃料电池组的各个氧浓度的开路电压达到预定值时的氧浓度，其中在将氧强制性地引入到所述阴极中之后监测所述开路电压。

4.如权利要求1所述的方法，其中通过安装在所述阴极处的氧传感器来测量所述氧浓度。

5.如权利要求1所述的方法，还包括将氢和空气同时供应到阳极和所述阴极而不使电位在所述燃料电池车辆停放之后的起动过程中的任何时间段内超过预定值。

6.一种用于操作燃料电池系统的系统，所述系统包括：

控制器，配置成基于与燃料电池车辆在停止之后保持停放状态的时间量相关的氧浓度测量来确定阴极的氢吹扫循环，并且在各个所述氢吹扫循环中通过控制对所述阴极的氢供应而将氧从所述阴极中扫除。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述氢吹扫循环是所述阴极处的氧浓度超过预定氧浓度阈值时的时间。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述氧浓度阈值被确定为对应于燃料电池组的各个氧浓度的开路电压达到预定值时的氧浓度，其中在将氧强制性地引入到所述阴极中之后监测所述开路电压。

9.如权利要求6所述的系统，其中所述控制器还配置成控制氢和空气同时供应到阳极和所述阴极而不使电位在所述燃料电池车辆停放之后的起动过程中的任何时间段内超过预定值。

10.一种用于操作燃料电池系统的非瞬时性计算机可读介质，其含有由控制器执行的程序指令，所述计算机可读介质包括：

基于与燃料电池车辆在停止之后保持停放状态的时间量相关的氧浓度测量来确定阴极的氢吹扫循环的程序指令；以及

在各个所述氢吹扫循环中通过将氢供应到所述阴极而控制氧从所述阴极扫除的程序指令。

11.如权利要求10所述的非瞬时性计算机可读介质，其中所述氢吹扫循环是所述阴极处的氧浓度超过预定氧浓度阈值时的时间。

12.如权利要求11所述的非瞬时性计算机可读介质，其中所述氧浓度阈值被确定为对应于燃料电池组的各个氧浓度的开路电压达到预定值时的氧浓度，其中在将氧强制性地引入到所述阴极中之后监测所述开路电压。

13.如权利要求11所述的非瞬时性计算机可读介质，还包括将氢和空气同时供应到阳极和所述阴极而不使电位在所述燃料电池车辆停放之后的起动过程中的任何时间段内超过预定值的程序指令。

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