CN107346827A - 阳极溢流主动补救 - Google Patents

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Abstract

一种用于执行一种或多种主动补救措施的方法，以防止在低电池堆电流密度下燃料电池堆的阳极侧中发生阳极流场溢流。该方法包括识别一个或多个触发条件，这些触发条件会导致阳极流场充满水；以及响应于所识别的触发条件，执行一种或多种主动补救措施，从而在发生阳极溢流之前从阳极侧流场去除水。

Description

阳极溢流主动补救
技术领域
本发明总体上涉及一种用于提供主动补救措施的系统和方法，其响应于在燃料电池堆的阳极侧中阳极流场溢流的确定电势，更具体地，涉及一种用于执行一种或多种主动补救措施(例如增加阳极压力偏差、引发反应性排放、增加氢浓度设定点，脉冲调制电池堆功率和/或脉冲调制阳极压力)的系统和方法，其响应于在燃料电池堆的阳极侧中阳极流场溢流的确定电势。
背景技术
氢燃料电池是一种电化学装置，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。氢气在阳极中解离以产生游离的氢质子和电子。氢质子通过电解质到阴极。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且在被送到阴极之前被引导通过负载以做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常见燃料电池类型，并且通常包括固态聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的细分催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，其中催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极剂催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。膜阻挡燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的气体输送，同时允许质子的输送以完成其各自电极上的阳极和阴极反应。
通常，几个燃料电池组合形成燃料电池堆，以产生期望的功率。燃料电池堆通常包括位于电池堆中的多个MEA之间的一系列流场或双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体通道设置在双极板的阴极侧上，允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一端板包括阴极气体流动通道。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。端板将燃料电池产生的电力导出电池堆。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。
燃料电池中的MEA是可渗透的，从而允许空气中的氮从电池堆的阴极侧从其渗透通过，并聚集在电池堆的阳极侧，通常称为氮气横穿。即使阳极侧压力可能略高于阴极侧压力，阴极侧分压也会导致空气渗透通过膜。燃料电池堆的阳极侧中的氮稀释氢，使得如果氮浓度增加到超过一定百分比，例如50％，电池堆中的燃料电池会变得缺少氢。如果燃料电池变得缺少氢，则燃料电池堆将不能产生足够的电力，并且因此可能损坏燃料电池堆中的电极。因此，在本领域中已知在燃料电池堆的阳极废气输出管线中提供排放阀，以从电池堆的阳极侧去除氮。燃料电池系统控制算法将识别阳极中所期望的最小氢气浓度，并且当气体浓度低于该阈值时导致排放阀打开，其中阈值基于电池堆稳定性。
如在本领域所充分理解的，燃料电池膜以一定的相对湿度(RH)运行，使得穿过膜的离子电阻足够低，以便有效地传导质子。通常通过控制多个电池堆操作参数，例如电池堆压力、温度、阴极化学计量以及进入电池堆的阴极空气的相对湿度，控制来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度，以便控制膜的相对湿度。目前，燃料电池堆常常是“潮湿”运行，其中根据电池堆的特定操作条件，燃料电池堆的阴极侧和阳极侧的相对湿度都在100％以上。
在燃料电池堆的操作期间，来自MEA的湿气和外部加湿会进入阳极和阴极流动通道。在低电池功率需求下，通常低于0.2A/cm2，因为反应气体的流速太低而不能迫使水流出通道，因此水可能积聚在流动通道内。例如，在低功率水平下，例如在车辆怠速期间，电池堆电流密度低，并且由于注射器处于非常高的占空比则氢未被泵入阳极侧。因此，较少的氢可用于将水推出流动通道，这常常导致一些电池缺少氢。潮湿电池堆操作会由于水积聚而导致燃料电池的稳定性问题，并且还会使阳极缺少氢，导致碳腐蚀。此外，由于在燃料电池堆中的各个位置处的液态水冻结，在冷冻条件下潮湿电池堆操作可能是有问题的。
随着水在电池堆中积聚，在流动通道中形成液滴。随着液滴的大小增加，流动通道被关闭，并且因为通道在共同的入口和出口歧管之间是平行的，所以反应气体被转移到其他流动通道。随着液滴的大小增加，液滴的表面张力可能会比试图将液滴推到排气歧管的△压力更强，因此反应气体不会流经被水堵塞的通道，反应气体不能迫使水流出通道。作为通道阻塞的结果，不接收反应气体的膜的那些区域将不会发电，从而导致不均匀的电流分布并降低燃料电池的整体效率。随着越来越多的流动通道被水堵塞，燃料电池产生的电力降低，其中小于200mV的电池电压被认为是电池故障。因为燃料电池是电性串联的，如果一个燃料电池停止工作，则整个燃料电池堆会停止工作。
燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压是非常重要的参数，其用于监测电池堆的健康并保护电池堆免受反向电压损坏。此外，最小电池电压用于控制燃料电池堆的许多目的，例如功率限制算法、阳极氮排放、诊断功能等。
通常，监测燃料电池堆中的每个燃料电池的电压输出，使得燃料电池系统知道如果燃料电池电压太低，则表明可能有故障。如本领域所充分理解的，因为所有燃料电池是电性串联的，如果电池堆中的一个燃料电池故障，则整个电池堆故障。对于故障的燃料电池可以采取某些补救措施作为临时解决方案，例如增加氢的流量和/或增加阴极化学计量，直到可以维修燃料电池车辆。
发明内容
本发明公开描述了一种用于执行一种或多种主动补救措施的系统和方法，以防止在低电池堆电流密度下在燃料电池堆的阳极侧中的阳极流场溢流。该方法包括识别会导致阳极流场充满水的一个或多个触发条件，并响应于所识别的触发条件，执行一种或多种主动补救措施，从而在发生阳极溢流之前从阳极侧流场去除水。
结合附图从下面的说明书和所附权利要求中，本发明的附加特征将变得显而易见。
附图说明
图1是包括燃料电池系统的车辆的图示；和
图2是燃料电池系统的简化示意框图。
具体实施方式
本发明的实施例的以下讨论涉及一种用于采取主动补救措施的系统和方法，以防止燃料电池堆中的阳极流场溢流，其本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制发明或其应用或用途。例如，本文讨论的燃料电池系统具有用于车辆的特定应用。然而，如本领域技术人员所充分意识到的，本发明的系统和方法可以具有其他应用。
图1示出了混合燃料电池车辆10的简化视图，其包括高压电池12、燃料电池堆14、推进单元16以及控制器18。控制器18表示所有控制模块、处理器、电子控制单元、存储器以及用于采取主动补救措施的操作和计算所需的装置，用于防止如本文所讨论的阳极流场溢流。
图2是包括燃料电池堆22的燃料电池系统20的示意性框图，其中燃料电池系统20具有用于车辆10的特定应用。电池堆22包括上述讨论类型的一系列燃料电池，其通常由表燃料电池24表示，燃料电池24包括在其间具有MEA28的相对的双极板26。压缩机34通过蒸汽转移(WVT)单元38在阴极输入管线36上向燃料电池堆22的阴极侧提供气流，从而为阴极输入空气加湿。在阴极排气管线40上从电池堆22输出阴极废气，其将阴极废气引导到WVT单元38，从而提供湿气以加湿阴极输入空气。在膜的一侧阴极废气中的水被膜吸收并转移到膜的另一侧的阴极气流中。燃料电池系统20还包括氢燃料源44，通常为高压罐，其向注射器46提供氢气，注射器46将可控量的氢气在阳极侧输入线路48上喷射到燃料电池堆22的阳极侧。虽然没有具体示出，但是本领域技术人员理解，将提供各种压力调节器、控制阀、截止阀等，以便以合适的压力从源44向注射器46提供高压氢气。注射器46可以是适合于本文讨论的目的的任何喷射器。
阳极流出气体在极输出管线50上从燃料电池堆22的阳极侧输出，阳极输出管线50设置到排放阀52。如上所述，来自燃料电池22的阴极侧的氮气横穿稀释电池堆22的阳极侧中的氢气，从而影响燃料电池堆的性能。因此，有必要从阳极子系统周期性地排放阳极流出气体以减少其中的氮的量。当系统20以正常非排放模式操作时，排放阀52处于将阳极流出气体提供给再循环管线56的位置，再循环管线56将阳极气体再循环到注射器46，将其作为喷射器或泵以将再循环的氢气返回到电池堆22的阳极输入。水分离器62设置在管线56中，以本领域技术人员所充分理解的方式从再循环阳极支流中除去水。当命令排放以减少电池堆22的阳极侧中的氮时，排放阀52定位成将阳极流出气体引导到旁路管线54，其将阳极流出气体与管线40上的阴极废气组合，其中氢气被稀释以适合于环境。
系统20还包括用于测量阳极子系统中的压力的压力传感器58。系统20还包括电池电压监测单元64，其用于监测电池堆22中的每个燃料电池24的电压并提供最小电池电压指示。系统20还包括电池60，其为包括那些本文所讨论的各种目的向系统20提供补充功率，其中电池60可以是车辆10上的12伏附加电池或与系统相关联的其他电池，这将是本领域技术人员所充分理解的。在系统20的操作期间，电池堆22发电，但是该电力不需要来推动车辆10。在这些情况下，本领域中已知的是为电池60充电供以后使用。
如下面将要详细讨论的，本发明提出了一种响应于检测某些触发条件而采取一种或多种主动补救措施的系统和方法，以防止燃料电池堆22的阳极侧中的阳极流动通道的溢流，这些触发条件指示在不久的将来至少一些燃料电池的阳极流场会发生溢流。
第一触发条件可以包括识别在预定时间段(例如10分钟)内电池堆电流密度低于预定值，例如0.05A/cm2，该时间段可以是车辆长期怠速期间。在低电池堆电流密度下，氢气流量可能不足以将水推出阳极流动通道。
第二触发条件可以包括电池堆温度低于某一值，例如30℃，当识别出可能在冷启动或冻结启动期间发生的条件下的键时，其可以是指示水会进入阳极流动通道。
第三触发条件可以包括电池堆22在比正常情况更高的RH下操作，例如150％RH，这可以在各种燃料电池堆操作条件期间发生，例如在电池堆电压恢复操作期间，其中在本领域中已知的是在电池堆22中提供过量的水以从燃料电池电极去除污染物。典型的燃料电池系统将包括RH模块，其监测燃料电池堆22的RH以识别何时RH超过预定值。
第四触发条件可以包括监测阳极水积累模型，此模型预测阳极流动通道的阳极溢流。如本领域技术人员所充分理解的，阳极水积累模型已知可以预测阳极流场溢流并且在来自阴极侧的阳极水横穿中以及基于喷射器操作去除的一些基于探索式的水中采用因子。
第五触发条件可以包括通过例如电池电压监测单元64监测燃料电池堆22中的燃料电池的最小电池电压，并且提供如下所述需要采取补救措施的标志：如果最小电池电压降低到低于某一预定值。
监测一个、一些或全部这些触发条件，使得该算法可以在不久的将来响应于潜在的阳极流场溢流的情况执行某种主动补救措施。这些主动补救措施可以包括以下一种或多种。
第一补救措施可以包括增加阳极压力偏差，即将更多的氢气注入到燃料电池堆22的阳极侧中，使得阳极侧中的压力高于阴极侧。例如，阳极压力可以增加到高于阴极侧压力60-80kPa，这有助于瞬间增加喷射器流量，这导致更高的再循环并且可以帮助从流场清除水。此外，较高的阳极侧压力允许在阳极排放情况期间去除更多的水。
第二补救措施可以包括触发主动排放，特别是在较高的阳极压力情况期间，使得更多的水被推出阳极流场通道。
第三补救措施可以包括增加氢气浓度设定点，这样也引起排放频率的增加，其中增加的主动排放允许从燃料电池堆的阳极侧移除更多的水。
第四补救措施可以包括通过周期性地向其提供更多的反应气体来脉冲调制燃料电池堆22的功率，这可能在没有命令更多功率的时候将会增加燃料电池堆22的功率输出。如上所述，通过脉冲调制功率，更多的氢被输送到阳极侧流动通道，其用于将水推出流动通道。电池堆22产生的多余功率可以用于对电池60进行再充电，或者可以将其吸入其他元件，例如泵，压缩机34等。可以为特定系统校准PWM功率脉冲调制。例如，在一个实施例中，功率可以每360秒脉冲调制到30秒0.07A/cm2，这是约1/12的占空比。此外，如果压缩机34在脉冲功率期间提供过量的空气，那么空气可以绕过燃料电池堆22并被送到废气管线。在一个实施例中，压缩机34运行某个最低速度，该速度高于怠速状态所需的速度，其中脉冲功率可以使用可用的阴极空气流，而压缩机34的速度不会上升。
第五补救措施可以包括通过增加注射器46的占空比来脉冲调制阳极压力从而增加压力偏差，而不打开排放阀52，使得氢气不被浪费，例如将偏差从20kPa增加至80kPa，其中阳极废气可以再循环回到注射器。这可能迫使水离开燃料电池堆22被水分离器收集，这将从燃料电池堆22的阳极侧的流场中除去水分。
本领域技术人员将充分理解的，本文讨论的用于描述本发明的几个和各种步骤和过程可以是由计算机、处理器或其他电子计算装置使用电现象操纵和/或转换数据来执行的操作。这些计算机和电子设备可以使用各种易失性和/或非易失性存储器，包括具有存储在其上的可执行程序的非暂时性计算机可读介质，其中包括可由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和类型的存储器和其他计算机可读介质。
前面的讨论仅公开并描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这样的讨论并从附图和权利要求中容易地认识到，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种改变、修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于防止燃料电池堆中阳极流场溢流的方法，所述方法包括：
识别会导致阳极流场充满水的一个或多个触发条件；以及
响应于所述一个或多个触发条件，执行一种或多种主动补救措施，从而在发生阳极溢流之前从阳极侧流场去除水。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，识别一个或多个触发条件包括确定电池堆电流密度在预定时间周期内已经低于预定的电池堆电流密度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，识别一个或多个触发条件包括确定电池堆温度已经低于预定的温度值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，识别一个或多个触发条件包括确定电池堆是在比正常情况更高的相对湿度下进行操作。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，识别一个或多个触发条件包括使用阳极水积累模型以确定会引发阳极流场溢流的所述阳极流场中的水的量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，执行一种或多种主动补救措施包括增加阳极压力偏差。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，执行一种或多种主动补救措施包括引起阳极侧主动排放情况的发生。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，执行一种或多种主动补救措施包括增加用于燃料电池堆操作的氢气浓度设定点。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，执行一种或多种主动补救措施包括脉冲调制电池堆输出功率。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，执行一种或多种主动补救措施包括将阳极压力从正常偏差脉冲调制到较高偏差。
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