CN107004873B - 用于控制燃料电池的方法及相关联的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制燃料电池(12)的方法，所述方法包括如下步骤：从燃料电池(12)的阳极室和阴极室测量第一隔室中的流体压力；计算燃料电池(12)的第一隔室中的流体压力的第一目标压力，所述第一目标压力取决于第一隔室中测量到的流体压力；将第一隔室中的流体压力稳定在第一目标压力；测量第二隔室中的流体压力；计算第一隔室中的流体压力的第二目标压力，所述第二目标压力取决于第二隔室中测量的流体压力；以及将第一隔室中的流体压力稳定在第二目标压力。

Description

用于控制燃料电池的方法及相关联的燃料电池系统
本发明涉及一种控制燃料电池的方法，所述燃料电池包括至少一个电化学电池，用于通过在所述燃料电池的阴极室中流动的氧化流体与在所述燃料电池的阳极室中流动的还原流体的反应产生电流，所述方法的类型包括以下步骤：
-从阳极室和阴极室测量第一隔室中的流体压力，
-计算第二隔室中的流体压力的第一目标压力，所述第一目标压力取决于在第一隔室中测量的流体压力，以及
-将第二隔室中的流体压力稳定在第一目标压力处。
本发明还涉及燃料电池系统，其类型包括：
-阴极室，
-阳极室，
-至少一个电化学电池，用于通过在阴极室中流动的氧化流体与在阳极室中流动的还原流体的反应来产生电流，
-第一压力传感器，用于从阳极室和阴极室测量第一隔室中的流体压力，
-第一压力调节器，用于测量第二隔室中的流体压力，
-控制模块，包括：
o第一计算模块，用于根据由第一传感器测量的压力来计算第一目标压力，以及
o第一生成模块，用于产生第一调节器的第一控制规律，适于将第二隔室中的流体压力稳定在第一目标压力处，
-第二压力传感器，用于测量第二隔室中的流体压力，以及
-第二压力调节器，用于调节第一隔室中的流体压力。
已知电化学电池可以通过氧化流体和还原流体之间的氧化还原反应产生电。特别地，已知燃料电池可以通过包含氢的燃料和包含氧的氧化剂之间的氧化还原反应来产生电。将燃料注入阳极管道中，并将氧化剂注入到电池的阴极导管中，电解质层提供这两个导管之间的密封，同时允许离子交换。由于这些离子交换，燃料中所包含的氢可以与氧化剂中所含的氧反应产生水，同时在阳极中产生电子。在电池的操作期间，电解质的两侧之间的电位差随之而来，这种电位差能够用于产生电流。
然而，在燃料电池内建立的电位差仍然很小，大约在0.6到1.0V之间。因此，为了获得可用的输出电压，电池通常被堆叠并彼此串联电连接在通常称为燃料电池之内。电化学电池的阳极管道在形成燃料电池的阳极室的内部彼此流体连接，并且电化学电池的阴极管道在形成燃料电池的阴极室的内部彼此流体连接。
为了避免损坏电池的电解质层，必须限制阳极室与阴极室之间的压力差。为此，阳极室和阴极室中的一个隔室中的流体压力通常基于另一隔室中的流体压力来控制，例如使用膨胀器。
因此，WO 2011/083502公开了一种控制燃料电池的方法，其中阴极室中的流体压力保持在低于阈值压力的目标压力处，所述阈值压力取决于阳极室中的压力，以避免破坏电池的膜。
然而，用作控制另一隔室中的流体压力的参考的隔室中的流体压力以不受控制的方式增加。燃料电池的流体压力的这种不受控制的增加有可能大大损害燃料电池，因此必须使燃料电池停止。这导致电池的膜的重复且不受控制的机械应力，这可能损害它们。
本发明的一个目的是确保燃料电池的电化学电池的电解质层的寿命，同时限制燃料电池的安全停止。
为此，本发明涉及一种用于控制上述类型的燃料电池的方法，进一步包括以下步骤：
-测量第二隔室中的流体压力，
-计算第一隔室中的流体压力的第二目标压力，所述第二目标压力取决于在第二隔室中测量的流体压力，以及
-将第一隔室中的流体压力稳定在第二目标压力处。
根据本发明的具体实施例，控制方法具有以下特征中的一个或多个，单独考虑或根据任何技术上可能的组合：
-每个隔室中的流体压力的稳定是使用阀来完成的，例如电磁阀，
-第一目标压力等于在第一隔室中测量的流体压力与第一常数之和，第二目标压力等于在第二隔室中测量的流体压力的和与第二常数之和，
-控制方法包括以下步骤：
o计算第二隔室中的流体压力与第一目标压力之间的第一压力差，
o将第一压力差与第一阈值进行比较，
o如果第一压力差超过第一阈值，则停止将第二隔室中的流体压力稳定在第一目标压力处，并且开始将第一隔室中的流体压力稳定在第二目标压力处，
-控制方法包括以下步骤：
o计算第一隔室中的流体压力与第二目标压力之间的第二压力差，
o将第二压差与第二阈值进行比较，以及
o如果第二压力差超过第二阈值，则停止将第一隔室中的流体压力稳定在第二目标压力处，并且开始将第二隔室中的流体压力稳定在第一目标压力处。
本发明还涉及上述类型的燃料电池系统，其中控制模块进一步包括第二计算模块，用于根据第二传感器测量到的压力来计算第二目标压力，以及第二产生模块，用于产生第二压力调节器的第二控制规律，适于将第一隔室中的流体压力稳定在第二目标压力处。
根据本发明的具体实施例，控制方法具有以下特征中的一个或多个，单独考虑或根据任何技术上可能的组合：
-每个压力调节器是阀，例如电磁阀，
-第一目标压力等于由第一传感器所测量的流体压力与第一常数之和，并且第二目标压力等于由第二传感器所测量的流体压力与第二常数之和，
-控制模块包括：
o用于计算由第二传感器所测量的流体压力与第一目标压力之间的第一压力差的第一计算模块，
o用于将第一压力差与第一阈值进行比较的第一比较模块，
o第一停止模块，如果第一压力差超过第一阈值，用于停止第一生成模块，以及
o第一启动模块，如果第一压力差超过第一阈值，则启动第二生成模块，
-控制模块包括：
o第二计算模块，用于计算由第一传感器所测量的流体压力与第二目标压力之间的第二压力差，
o第二比较模块，用于将第二压力差与第二阈值进行比较，
o第二停止模块，如果第二压力差超过第二阈值，用于停止第二生成模块，以及
o第二启动模块，如果第二压力差超过第二阈值，则启动第一生成模块。
本发明的其他特征和优点将在阅读以下仅作为示例提供并参照附图完成的描述后出现，其中：
-图1是根据本发明的燃料电池系统的示意图，以及
-图2是图1的生产系统的燃料电池的电化学电池的示意性剖面图。
图1中所示的燃料电池系统10包括由电化学电池15的堆叠形成的燃料电池12。
燃料电池12的电池15如图2所示。其包括插入在阳极板18与阴极板22之间的膜-电极组件16。
膜-电极组件16包括夹在阳极28a与阴极28b之间的离子交换膜26。
膜26将阳极28a与阴极28b电隔离。
膜26适合于仅允许带电离子，优选阳离子穿过它。膜26通常是质子交换膜，适于仅允许质子穿过它。膜26通常由聚合物材料制成。
阳极28a和阴极28b各自包含通常由铂或铂合金制成的促进反应的催化剂。
阳极板18限定阳极通道20，用于还原气体沿着阳极28a并与阳极28a接触的流动。为此，板18具有至少一个通道，该通道布置在面对膜-电极组件16的板的表面上，并被所述膜-电极组件16封闭。阳极板18由导电材料(通常为石墨)形成。使用的还原气体是包含二氢的气体，例如纯二氢。
阴极板22限定阴极通道24，用于氧化气体沿着阴极28b并与阴极28b接触的流动。为此，板22具有至少一个通道，该通道布置在面对膜-电极组件16的板的表面上，并被所述膜-电极组件16封闭。阴极板22由导电材料(通常为石墨)形成。使用的氧化气体是包含氧气的气体，例如纯氧气、空气、或二氧和中性气体(如氮气或二氧化碳)的重构混合物。
膜26分离将氧化气体和还原气体分开。它位于电池单元15的阳极板18与阴极板22之间，并将它们彼此电隔离。
阳极28a与阳极板18电接触。阴极28b与阴极板22电接触。在燃料电池的操作期间，还原气体的氧化发生在阳极28a处，导致电子和质子产生。电子接着通过阳极板18朝向电池单元15的阴极28b，或者朝向另一个电池的阴极，参与氧化气体的还原。
电池单元15然后由两个电端子构成：负极端子由阳极板18形成，正极端子由阴极板22形成。
电池单元15与另一相似的电池单元堆叠，每个电池单元的阳极板18与相邻电池单元的阴极板22相接触。因此，阳极板18和阴极板22确保电子从在一个电池中流动的还原气体转移到在另一个电池中流动的氧化气体。堆叠的两个相邻电池的阳极板18和阴极板22优选是一体的并且一起形成双极板。堆叠的不同电池单元15的阳极管道20彼此流体连接以形成堆叠12的阳极室(未示出)，并且堆叠的不同电池单元15的阴极导管24彼此流体连接以形成堆叠12的阴极室(未示出)。
燃料电池系统10还包括向阳极室提供还原流体的第一供应管道30，向阴极室供应氧化流体的第二供应管道32，用于测量阳极室中的流体压力的第一压力传感器34，用于测量阴极室中的流体压力的压力传感器36，用于调节阴极室中的流体压力的第一压力调节器38，用于调节阳极室中的流体压力的第二压力调节器39，以及用于控制压力调节器38、39的模块40。
第一导管30流体地连接到还原流体源(未示出)以及燃料电池12的阳极室的流体入口。
第二导管32流体地连接到氧化流体源(未示出)以及燃料电池12的阴极室的流体入口。
第一传感器34适用于在阳极室的入口附近测量第一导管30中的流体压力。应当注意，在阳极室的入口附近的第一导管30中的流体压力基本上等于阳极室中的流体压力，这相当于测量阳极室中的流体压力。
第二传感器36适用于在阴极室的入口附近测量第二导管32中的流体压力。应当注意的是，在阴极室的入口附近的第二导管32中的流体压力基本上等于阴极室中的流体压力，这相当于测量阴极室中的流体压力。
第一压力调节器38在第二导管32上连接在第二传感器36的压力测量点的上游。它被流体地插入到氧化流体源和阴极室的入口之间。第一调节器38优选地是阀，例如电磁阀。
第二压力调节器39在第一导管30上连接在第一传感器34的压力测量点的上游。它被流体地插入到还原流体源和阳极室的入口之间。第二调节器39优选地是阀，例如电磁阀。
控制模块40包括第一计算模块42、第一生成模块43、第一计算模块45、第一比较模块46、第一停止模块48、第一启动模块49、第二计算模块52、第二生成模块53、第二计算模块55、第二比较模块56、第二停止模块58和第二启动模块59。
第一计算模块42适于根据由第一传感器34测量的压力来计算第一目标压力。所述第一目标压力例如等于由第一传感器34测量的流体压力与第一常数之和。第一常数例如包括在1与500mBar之间。
第一生成模块44适于产生第一调节器38的第一控制规则，适于在第一目标压力下稳定第二隔室中的流体压力。
第一计算模块45适于计算由第二传感器36测量的流体压力与第一目标压力之间的第一压力差。
第一比较模块46适合于将第一压差与第一阈值进行比较。第一阈值例如包括在1与500mBar之间。
如果第一压力差超过第一阈值，则第一停止模块48适于停止第一生成模块43。
如果第一压力差超过第一压力差阈值，则第一启动模块49适于启动第二生成模块53。
第二计算模块52适于根据由第二传感器36测量的压力来计算第二目标压力。所述第二目标压力例如等于由第二传感器36测量的流体压力和第二常数之和。第二常数例如包括在1与500mBar之间。
第二生成模块53适用于产生第二调节器39的第二控制规则，适于在第二目标压力下稳定第一隔室中的流体压力。
第二计算模块55适于计算由第一传感器34测量的流体压力与第二目标压力之间的第二压力差。
第二比较模块56适合于将第二压力差与第二阈值进行比较。第二阈值例如包括在1与500mBar之间。
第二停止模块58适于在第二压力差超过第二阈值时停止第二生成模块53。
如果第二压力差超过第二压力差阈值，则第二启动模块59适用于启动第一生成模块43。
现在将参照图1描述用于控制燃料电池系统10的方法。
最初，阴极室中的流体压力通常基于阳极室中的流体压力来控制。为此，通过第一传感器34来测量阳极室中的流体压力，通过第一计算模块42计算第一目标压力，以及适于将阴极室中的流体压力稳定在第一目标压力的控制规则由第一生成模块43产生。然后阴极室中的流体压力由第一压力调节器38稳定在第一目标压力。
同时，通过第一计算模块45计算由第二传感器36测量的压力与第一目标压力之间的第一压力差，并且通过比较模块46将所述第一压力差与第一阈值进行比较。
如果第一压力差超过第一阈值，则第一比较模块46向第一停止模块48和第一启动模块49发送信号。第一停止模块48然后命令停止第一生成模块43，并且第一启动模块49命令第二生成模块53的启动。阴极室中的流体压力因此停止在第一目标压力下稳定，并且阳极室中的流体压力开始由第二压力调节器39稳定在第二目标压力。
特别地，在第二生成模块53启动之后，通过第二传感器36测量阴极室中的流体压力，第二计算模块52计算第二目标压力，并且适用于使阴极室内的压力流体压力稳定在第二目标压力下的控制律由第二产生模块53产生。
同时，通过第二计算模块55计算由第一传感器34测量的压力与第二目标压力之间的第二压力差，并且通过比较模块56将所述第二压力差与第二阈值进行比较。
如果第二压差超过第二阈值，则第二比较模块56向第二停止点58发送信号并启动59模块。第二停止模块48然后命令停止第二生成模块53，并且第二启动模块59命令第一生成模块43的启动。阳极室中的流体压力因此停止在第二目标压力下稳定，并且阴极室中的流体压力由第一压力调节器38开始在第一目标压力下再次稳定：燃料电池系统1具有恢复到初始状态。
重复上述步骤直到燃料电池系统10停止。
由于上述发明，更好地控制燃料电池的隔室之间的压力偏差。因此，可以确保燃料电池12的电池单元15的膜26的良好寿命，同时限制安全停止。

Claims (10)

1.一种用于控制燃料电池(12)的方法，所述燃料电池(12)包括至少一个电化学电池(15)，用于通过在所述燃料电池(12)的阴极室中流动的氧化流体与在所述燃料电池(12)的阳极室中流动的还原流体的反应产生电流，所述方法包括以下步骤：
-测量对应于所述阳极室和所述阴极室中的一个的第一隔室中的流体压力，
-计算对应于所述阳极室和所述阴极室中的另一个的第二隔室中的流体压力的第一目标压力，所述第一目标压力取决于在第一隔室中测量的流体压力，以及
-将第二隔室中的流体压力稳定在第一目标压力处；
其特征在于，所述方法进一步包括如下步骤：
-测量所述第二隔室中的流体压力，
-计算所述第一隔室中的流体压力的第二目标压力，所述第二目标压力取决于在所述第二隔室中测量的流体压力，以及
-将所述第一隔室中的流体压力稳定在所述第二目标压力处。
2.根据权利要求1所述的控制燃料电池(12)的方法，其中每个隔室中的所述流体压力的稳定是使用阀(38)来完成的。
3.根据权利要求1或2所述的控制燃料电池(12)的方法，其中所述第一目标压力等于在所述第一隔室中测量的所述流体压力与第一常数之和，并且第二目标压力等于在第二隔室中测量的所述流体压力与第二常数之和。
4.根据权利要求1或2所述的控制燃料电池(12)的方法，包括如下步骤：
-计算所述第二隔室中的流体压力与所述第一目标压力之间的第一压力差，
-将所述第一压力差与第一阈值进行比较，
-如果所述第一压力差超过第一阈值，则停止将所述第二隔室中的流体压力稳定在所述第一目标压力处，并且开始将所述第一隔室中的流体压力稳定在所述第二目标压力处。
5.根据权利要求4所述的控制燃料电池(12)的方法，包括如下步骤：
-计算所述第一隔室中的流体压力与所述第二目标压力之间的第二压力差，
-将所述第二压差与第二阈值进行比较，以及
-如果所述第二压力差超过第二阈值，则停止将所述第一隔室中的流体压力稳定在所述第二目标压力处，并且开始将所述第二隔室中的流体压力稳定在所述第一目标压力处。
6.一种燃料电池系统(10)，包括：
-阴极室，
-阳极室，
-至少一个电化学电池(15)，用于通过在阴极室中流动的氧化流体与在阳极室中流动的还原流体的反应来产生电流，
-第一压力传感器(34)，用于测量对应于所述阳极室和所述阴极室中的一个的第一隔室中的流体压力，
-第一压力调节器(38)，用于测量对应于所述阳极室和所述阴极室中的另一个的第二隔室中的流体压力，
-控制模块(40)，包括：
o第一计算模块(42)，用于根据由所述第一压力传感器(34)测量的压力来计算第一目标压力，以及
o第一生成模块(43)，用于产生所述第一压力调节器(38)的第一控制规律，适于将所述第二隔室中的流体压力稳定在第一目标压力处，
-第二压力传感器(36)，用于测量所述第二隔室中的流体压力，以及
-第二压力调节器(39)，用于调节所述第一隔室中的流体压力，
其特征在于，所述控制模块(40)进一步包括第二计算模块(52)，用于根据所述第二压力传感器(36)测量到的压力来计算第二目标压力，以及第二产生模块(53)，用于产生所述第二压力调节器(39)的第二控制规律，适于将所述第一隔室中的流体压力稳定在第二目标压力处。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统(10)，其中第一、第二压力调节器(38、39)是阀。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池系统(10)，其中所述第一目标压力等于由所述第一压力传感器(34)测量的流体压力与第一常数之和，并且所述第二目标压力等于所述第二压力传感器(36)测量的流体压力与第二常数之和。
9.根据权利要求6或7所述的燃料电池系统(10)，其中所述控制模块(40)包括：
-第一计算模块(45)，用于计算由所述第二压力传感器(36)所测量的流体压力与所述第一目标压力之间的第一压力差，
-第一比较模块(46)，用于将所述第一压力差与第一阈值进行比较，
-第一停止模块(48)，用于如果所述第一压力差超过所述第一阈值，则停止第一生成模块(43)，以及
-第一启动模块(49)，用于如果所述第一压力差超过所述第一阈值，则启动第二生成模块(53)。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统(10)，其中所述控制模块(40)包括：
-第二计算模块(55)，用于计算由所述第一压力传感器(34)所测量的流体压力与所述第二目标压力之间的第二压力差，
-第二比较模块(56)，用于将所述第二压力差与第二阈值进行比较，
-第二停止模块(58)，用于如果所述第二压力差超过所述第二阈值，则停止第二生成模块(53)，以及
-第二启动模块(59)，用于如果所述第二压力差超过所述第二阈值，则启动第一生成模块(43)。
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