CN107210465B - 用于测量燃料电池中的离子交换膜的湿度的系统 - Google Patents

用于测量燃料电池中的离子交换膜的湿度的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量燃料电池中的离子交换膜的含湿量的系统，所述燃料电池包括N个由双极板隔开的电化学电池，其中N是自然数，所述系统包括：‑施加电流至燃料电池的电流发生器；‑用于测量电池的电压的设备；以及‑用于根据电压纹波确定膜的阻抗的装置，所述电压纹波在由所述电流发生器施加电流时通过穿过相应电池的端子的测量设备测得，这些装置安装在用以测量电池的电压的设备中。

Description

用于测量燃料电池中的离子交换膜的湿度的系统
技术领域
本发明涉及燃料电池堆的领域，并且尤其涉及用于监测这种电池堆的系统。更具体而言，本发明涉及用于测量燃料电池堆中的电压的设备。
背景技术
燃料电池堆在多种应用中变得越来越成功。在电动车辆发展的环境下这些燃料电池堆对于汽车行业尤其有兴趣，因为它们构成了比蓄电池类型的电化学蓄能器重量更轻的洁净的发电机，并且呈现出高水平的效率。
在燃料电池堆中，借助于双重化学反应产生电力：在一个电极上的燃料(例如，氢气)的氧化反应和在另一个电极上的氧化剂(例如，氧气)的还原反应。因此，燃料电池堆通常包括正极和负极，在正极与负极之间设置有膜，从而形成膜电极组件(MEA)。可以使用各种类型的膜，例如已知氟化聚合物膜。
为了能够发生化学反应，膜必需是良好的质子电导体。如今，这种质子电导性随着膜的含湿量的增加而提高。然而，需要确保这种水未超量，因为液态水会阻塞气体的通路。因此，参照这些方面，有利的是能够在燃料电池堆的工作期间监测膜的含湿量。
此外，当在极低温度条件下使用燃料电池堆时，据观察有利的是在关闭燃料电池堆时烘干膜，以有助于后面的冷启动。具体地，膜构成了当电池堆处于极冷环境中时水不冻结的电池堆中的唯一“避难处”。当与电池堆核的所有其它部件接触时，水立即冻结并且形成阻碍电池堆工作的堵塞。为了能够利用这种蓄能器，需要能够吸收水(膜具有吸收水的有限能力，被称为“水分吸收能力[mg/cm2]”)，因此在冷启动之前需要烘干膜。因此，还有利的是，在关闭燃料电池堆之后能够测量膜的含湿量。
在现有技术中，已知多种用于测量燃料电池堆的含湿量的装置。但是，这些已知的装置通常独立于任何其它功能性，并且由此在已包括大量的测量和/或管理设备的燃料电池堆系统中需要额外的安装。
因此，本发明旨在提供一种能够克服该缺点的测量系统。
发明内容
因此，本发明涉及一种用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，所述燃料电池堆包括N个由双极板隔开的电化学电池，其中N是自然整数，所述系统包括：
-允许电流施加至燃料电池堆的电流发生器；
-用于测量电池的电压的设备；以及
-用于根据电压纹波确定膜的阻抗的装置，所述电压纹波在通过所述电流发生器施加电流时由穿过相应电池的端子的测量设备测得，这些装置安装在用于测量电池的电压的设备中。
尤其是PEMFC型的燃料电池堆的膜为固体聚合物层。现在，已知固体的含湿量越高，则其阻抗越低。因此，通过使电流流经膜并且测量所产生的电压纹波，可确定膜的阻抗并由此确定其含湿量。
此外，安装用于确定直接在用以测量电池的电压的设备内的阻抗的装置使得能够简化安装，并且由此可使在同一个系统内组合多种功能，而不会使燃料电池堆系统的构造过于复杂。
在一有利实施方案中，电流发生器施加1000赫兹频率的电流。在该实施方案中，如果对于每个电池，膜的电阻大约为2.5毫欧姆(即，对于16个电池的电池堆为40毫欧姆)，其中活动表面面积为200cm2，则膜的含湿量足够低。
因此，本发明涉及一种用于测量燃料电池堆中电池的电压的设备，所述燃料电池堆包括N个由双极板隔开的电化学电池，其中N是自然整数，所述系统包括：
-至少两个电压测量模块，每个模块能够测量穿过燃料电池堆的一组相邻电池的M个电压，其中M是小于或等于N/2的自然整数，通过第一模块测量的电池群组与通过第二模块测量的电池群组毗邻；
-电子计算机，以及
-有线通信总线，其将至少两个测量设备与计算机串联连接，
每个测量模块包括：
-用于将模块紧固至燃料电池堆的机械装置；
-用于测量电压的电子装置；
-用于将双极板连接至用于测量电压的至少一个电子装置的电装置；
-用于将用以测量电压的电子装置连接至通信总线的装置。
此外，优选地，组合有用于将模块紧固至燃料电池堆的机械装置和电连接装置。因此，在一具体实施方案中，这些装置包括使得能够进行机械和电连接的端子，例如
Figure BDA0001325396430000031
型的母端子。这些母端子包括布置成扣紧形成于电池堆的双极板上的金属凸缘以形成连接的两个金属部分。
在本发明的一个具体实施方案中，每个用于测量电压的电子装置测量两个相邻电池的电压。具体地，假设燃料电池堆的电化学电池的厚度较小，则发现安装用于测量每个电池的单独电压的装置在工效学上是不切实际的。此外，已显示出这样的足够灵敏的测量装置，其在两个电池上采取的测量使得能够监测每个电池的状态。因此，在一具体实施方案中，对于16个电池的电池组，一个模块产生八个电压测量。
在本发明的一个具体实施方案中，有线通信总线为
Figure BDA0001325396430000032
(控制器局域网络)串行总线，其呈现出在如本发明的设备的环境下有用的鲁棒特性。在另一具体实施方案中，使用I2C总线。
此外，在本发明的另一具体实施方案中，测量设备包括介于有线通信总线和燃料电池堆之间的至少一个电流隔离设备。这种设备包括例如光耦合器。具体地，燃料电池堆包括串联的电池；根据测量模块在燃料电池堆上的位置，每个测量模块因此处于相对于燃料电池堆的负极的不同电势处。因此需要在测量装置和公共通信总线之间实施电流隔离。
在本发明的另一具体实施方案中，每个电压测量模块包括不同于其它模块的地址或编码。具体地并且如下文所述，这允许电子计算机处理请求，借助于所述请求来命令不同模块进行测量。
电子计算机用于管理由所述设备执行的测量。为了实现这一点，电子计算机借助有线通信总线与模块通信，并且接收该装置的测量结果。贯穿本申请的其余部分，该计算机被称作为控制器，然而不将该术语的范围限制为特定类型的部件。
附图说明
在通过以下附图示出的优选但非限制性的实施方案的如下描述中，本发明的其它目标和优点将清楚地显现，在所述附图中：
·图1示出了在根据本发明的设备的环境下使用的模块的框图；
·图2示出了包括四个测量模块的根据本发明的设备。
具体实施方式
图1示出了在根据本发明的系统中实施的电压测量设备的功能架构的示例。
模块1连接至九个双极板，从而允许测量九个电势V0至V8。这些测量值由模拟数字转换器11进行测量。该转换器连接至等于例如0.5伏的参考值12，以使得能够与由组件10传送的测量值进行比较。随后借助微控制器16通过使两个连续的电压测量值区分来计算被测量的电池的端子处所出现的八个电压。
模拟数字转换器11仅能够转换正电压。然而，在本发明的一个实施方案中，希望也能够测量负电压，从而能够检测尤其是由于氢气的供给不足所引起的电池反相。为了克服这一点，转换器11还连接至在转换之前允许将偏移电压施加至所测得的电压的设备13。
一旦测量值被转换，则将结果传送至数据总线14。该总线例如为I2C(内部集成电路)总线或
Figure BDA0001325396430000041
总线。该数据总线14将数据路由至第二数据总线15，该第二数据总线15随后将数据路由至通用控制器20(见图2)。在总线14和15不是相同类型的情况下，有利的是设置微控制器16以将数据转换为总线15支持的格式。此外，为了防止燃料电池堆处所存在的高电压传播至总线15并损坏某些部件，有利的是设置电流隔离设备17，例如光耦合器。
整个模块1由总线15提供电力。为此，将电压-电压转换器18安装在模块内并且连接至主部件。在一优选实施方案中，该转换器还包括电流隔离设备以避免上文所述的问题。
图2示出了根据本发明的系统的示例性实施方案，该系统实现了根据图1所示的多个测量设备，这些设备在下文被称作“模块”。
该设备包括四个模块19a、19b、19c以及19d。每个模块连接至总线15，该总线15将各模块连接至控制器20。模块的数量在这里以示例而非限制性的方式给出。每个模块连接至燃料电池堆30的八个电池。出于简洁的目的，这些连接在附图中未示出。在使用具有八个输入的转换器的情况下，带有四个模块的设备允许检测32个电压。因此，其在每两个电池的群组测量电池电压的情况下，可用于64个电池的电池堆上。每个模块具有地址21，以使各模块区分开来。例如，该地址在具有三种状态的三个位上进行编码，并且通过使用焊接点物理地写在每个模块上，以能够进行代表每个位的电连接。
控制器20是管理测量设备的操作并且尤其是命令测量的部件。特别地，电压测量值并非不断地发送给控制器，而是仅在请求时发送。
在没有请求的情况下，模块借助于对应的连接22a、22b、22c及22d仅从总线15获取保持电流，以使得各模块接收请求并且确定各请求是否被关注。然而，在没有请求的情况下，转换器11未被激活，因此不执行转换。
当需要进行测量时，控制器20首先在总线上发送请求，所述请求包括模块的地址和希望接收电压的电池的位置。一旦接收到请求，则被寻址的模块脱离其待机状态并从总线15获取更大的电流。
然后继续读取先前被转换并且存储在转换器11中的值，并且然后触发意指在下一个请求期间使用的新的转换。然后借助于连接23a至23d当中的相应连接将所读取的值传输给总线15，并且然后传送给控制器20。
电池堆的控制器20因此能够根据所接收的测量值来确定出电压未被锁定以及其未位于常规构造的范围之外。如果检测到故障，则有用的是使电池堆停止以防止任何危险的故障。
因此，根据本发明的设备明显满足简易性和可靠性所需的要求。特别地，总线15既用于传输数据也用于向各模块供应电力，从而使得即使在电池堆出现故障的情况下也能继续进行测量。
图2中所示的系统包括1kHz的电流发生器(用附图标记50指代)，用于测量阻抗。将该电流施加至电池堆30的电极。这里假设电池堆包括16个电池。在更大的电池堆的情况下，电流发生器连接至电池堆的端部电极，而与电压测量模块的数量无关。为了使电流发生器50从穿过电池堆30的端子可能存在的DC电压(其构成了电压发生器)去耦，在电流发生器50与电池堆30的电极之间串联连接有电容器40。
为了测量阻抗，使用穿过电池的端子所存在的1000Hz的交流电压分量。因此，电压测量设备必须足够快速地测量该电压纹波。在实践中，该电压测量设备必须能够至少以10kHz的频率来进行测量。由在电池堆的端子处注入的1kHz电流诱发的电压纹波随着阻抗增强。对于每个电压测量模块，通过将1kHz的电压分量除以注入的1kHz的电流值所得到的结果来确定阻抗。于是电池堆的总阻抗通过将由每个模块指示的阻抗相加来计算。当由电池堆产生的直流电流较低或者为零时，由1kHz的电流诱发的电压纹波更灵敏并且测量更准确。然而通常在燃料电池堆未处于工作中或在低电流下工作时，对电池堆进行烘干。
与用于确定阻抗的电压测量设备的使用有关的另一优点在于：由于在每两个电池的群组处进行电压测量，因此能够确定每两个电池的群组的含湿量水平。这对于确定电池堆内的含湿量的均一性是有利的，而如通常的做法一样在电池堆的电极处的阻抗的总体测量并不能指示含湿量的均一性。这对于数十个电池的电池堆来说尤其有利，这种电池堆在烘干时由于歧管中的热量损失很可能出现含湿量缺少均一性。还有利的是针对具有最高含湿量的两个电池的群组而非整个电池堆设置阻抗标准。特别地，在冷启动阶段，如果在电池堆内膜的含湿量不均一，则具有最高含湿量风险的膜成为限制冷启动成功的因素。
出于成本原因，可不必在整个电池堆上安装电压测量设备，而是仅在需要监测的最灵敏区域(通常是端部)安装。在这种构造中，仅在设置有电压测量设备的那些电池上进行阻抗测量。于是在烘干以准备进行冷启动时，根据被监测的电池的数量足够适应目标阻抗标准。为简单起见，例如可以在电池堆的端子处注入1kHz的电流，因此该电流也将流经所有的电池(即使未被监测的那些电池)，也这不会造成任何特别的问题。

Claims (10)

1.一种用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，所述燃料电池堆包括N个由双极板隔开的电化学电池，其中N是自然整数，所述系统包括：
-允许电流施加至燃料电池堆的电流发生器，所述电流发生器与燃料电池堆之间串联有电容器；
-用于测量电池的电压的设备；以及
-用于根据电压纹波确定膜的阻抗的装置，所述电压纹波在由所述电流发生器施加电流时通过穿过相应电池的端子的测量设备测得，这些装置安装在用于测量电池的电压的设备中。
2.根据权利要求1所述的用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，其中，所述电流发生器施加1000赫兹频率的电流。
3.根据权利要求1所述的用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，其中，所述用于测量电池的电压的设备包括：
-至少两个电压测量模块(1，2)，每个模块能够测量穿过燃料电池堆(32)的一组相邻电池的M个电压，其中M是小于或等于N/2的自然整数，通过第一模块测量的电池群组与通过第二模块测量的电池群组毗邻；
-电子计算机，以及
-有线通信总线，其将至少两个测量设备与计算机串联连接，
每个测量模块包括：
-用于将模块紧固至燃料电池堆(30)的机械装置；
-用于测量电压的电子装置；
-用于将双极板连接至用于测量电压的至少一个电子装置的电连接装置；
-用于将用以测量电压的电子装置连接至通信总线的装置。
4.根据权利要求3所述的用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，其中，每个用于测量电压的电子装置测量两个相邻电池的电压。
5.根据权利要求3所述的用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，其中，所述电连接装置包括还能够被用作机械装置的端子。
6.根据权利要求5所述的用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，其中，所述电连接装置布置成与设置在双极板上的金属凸缘相互作用。
7.根据权利要求3所述的用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，其中，还包括介于有线通信总线与燃料电池堆之间的至少一个电流隔离设备。
8.根据权利要求7所述的用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，其中，所述电流隔离设备包括光耦合器。
9.根据权利要求3所述的用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，其中，每个电压测量模块包括与其它模块不同的地址。
10.根据权利要求3所述的用于测量燃料电池堆中的离子交换膜的含湿量的系统，其中，M等于8。
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