CN108695530A - 控制燃料电池的停止模式的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制燃料电池的停止模式的方法和系统。特别地，本发明提供一种用于控制燃料电池的停止模式的方法和系统，其特征在于，计算燃料电池的劣化程度，根据计算的劣化程度确定停止电压，并且控制燃料电池的输出电压为所确定的停止电压。

Description

控制燃料电池的停止模式的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的停止模式的控制方法和系统，该方法和系统能够通过根据燃料电池的劣化程度改变燃料电池的停止模式下的停止电压来提高耐久性和可操作性。
背景技术
以上作为本发明的现有技术提供的描述仅用于帮助理解本发明的背景，而不应被解释为包括在本领域技术人员已知的现有技术中。
燃料电池是一种装置，该装置通过燃料电池堆中的电化学反应将来自燃料的化学能转换为电能，而不用通过燃烧燃料将化学能转化为热量，这种装置不仅可以用于为工业、家庭和车辆供电，而且用于为小型电气/电子产品，特别是移动装置供电。
当燃料电池停止或所需电力为预定值或更小时，需要停止向燃料电池供应反应气体，但燃料电池通过反应层中残留的气体的反应来输出电力，因此燃料电池的电极暴露于高电位。
然而，当电极，特别是阴极处的铂(Pt)催化剂暴露于接近OCV(开路电压)的高电位时，催化剂通过与供应的空气中的氧或潮湿空气中的水分反应而被氧化。氧化后的催化剂在燃料电池中不反应，所以燃料电池的性能劣化，并且当燃料电池以这种情况下的电流工作时，导致燃料电池的输出下降，从而造成系统效率降低。
针对这个问题，在本领域中已经公开了设置上限电压低于OCV，并且在停止模式下将燃料电池控制在上限电压之下以防止高电位下的电极性能降低的技术。
然而，设置上限电压不足以补偿劣化，并且劣化造成催化剂分离，这导致性能的永久劣化。
前述内容只是为了帮助理解本发明的背景，并不意味着本发明落入本领域技术人员已知的现有技术的范围内。
发明内容
本发明已致力于解决这些问题，并且本发明的目的是提供一种用于控制燃料电池以保持基于电极的劣化程度确定的停止电压的方法和系统。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种控制燃料电池的停止模式的方法，该方法包括：计算燃料电池的劣化程度；根据计算的劣化程度确定燃料电池的停止电压；确定燃料电池是否已经进入停止模式；并且当确定燃料电池已经进入停止模式时，控制燃料电池的输出电压，为确定的停止电压。
在计算劣化程度时，可以使用燃料电池的阴极催化剂的氧化程度来计算燃料电池的劣化程度。
在计算劣化程度时，燃料电池的阴极催化剂的氧化程度可以更新并存储在非易失性存储器中。
在确定劣化程度时，可以从以下等式估计阴极催化剂的氧化程度：
θPtOx：阴极铂催化剂的氧化程度(0～1)
ηPtOx：阴极处的电位差
kPtOx：PtOx形成的反应速率
α′α、α′c：PtOx形成的阳极和阴极转移系数
UPtOx：PtOx平衡电位
PtOx：铂催化剂氧化物
φC：燃料电池的电池的测定电压(多个电池的平均)
φion：电解质膜的电位损失
UPtOx：平衡电压
F：法拉第常数
R：理想气体常数
T：温度(K)
t：时间
在确定停止电压时，可以将计算的劣化程度与预定值进行比较，并且可以根据比较结果，选择预先存储的多个停止电压中的一个。
在确定停止电压时，可以确定停止电压使得计算的劣化程度越大，停止电压越低。
在确定停止电压时，可以确定停止电压使得计算的劣化程度越小，停止电压越高。
在确定燃料电池是否已进入停止模式时，可以根据是否存在所请求的输出来确定是否已进入停止模式。
为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制燃料电池的停止模式的系统，该系统包括：劣化计算单元，计算燃料电池的劣化程度；停止电压确定单元，基于由劣化计算单元计算的燃料电池的劣化程度，确定燃料电池的停止电压；停止模式进入确定单元，确定燃料电池是否已进入停止模式；以及电力分配控制单元，当停止模式进入确定单元确定燃料电池已进入停止模式时，控制燃料电池的输出电压为停止电压确定单元所确定的停止电压。
该系统还可以包括估计燃料电池的阴极催化剂的氧化程度的氧化估计单元，其中，劣化计算单元可以从由氧化估计单元估计的燃料电池的阴极催化剂的氧化程度，来计算燃料电池的劣化程度。
氧化估计单元可以包括用于更新和存储阴极催化剂的氧化程度的非易失性存储器。
此外，参考劣化程度和多个停止电压可以预先存储在停止电压确定单元中，并且停止电压确定单元可以通过将由劣化计算单元计算的燃料电池的劣化程度与参考劣化程度进行比较并且根据比较结果选择预先存储的停止电压中的一个，来确定停止电压。
停止电压确定单元可以确定停止电压以使得由劣化计算单元计算的劣化程度越大，停止电压越低，并且可以确定停止电压以使得计算的劣化程度越小，停止电压越高。
根据用于在燃料电池的停止模式下改变停止电压的方法和系统，可以实现以下效果。
首先，通过防止在操作期间可能引起的燃料电池的劣化，可以防止性能下降。
其次，可以实现提高耐用性的效果，这通过使操作期间催化剂的氧化最小化，而降低了当催化剂连续暴露于高电压时由于与阴极铂(Pt)催化剂的电极分离而导致的不能恢复的永久性能下降的可能性。
第三，通过补偿燃料电池操作时的劣化而提高了系统效率，因此，与现有技术相比，可以提高车辆的燃料效率。
第四，由于燃料电池的停止电压仅在需要时选择性地下降，所以可以最小化在停止该停止模式时的输出的延迟。
附图说明
从结合附图进行的以下详细描述中，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，在附图中：
图1示出了本申请的实施方式的工艺流程的流程图；
图2示出了说明根据本发明的实施方式的用于控制燃料电池的停止模式的方法的流程图；
图3示出了说明根据本发明的实施方式的用于控制燃料电池的停止模式的系统的配置的示图；以及
图4示出了说明根据本发明的另一实施方式的用于控制燃料电池的停止模式的系统的配置的示图。
具体实施方式
尽管参考附图中示出的具体实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求中描述的本发明的范围的情况下，可以以各种方式改变和修改本发明。
在下文中，将参考附图，详细描述本发明的示例性实施方式。图1和图2示出了说明根据本发明的实施方式的用于控制燃料电池10的停止模式的方法的流程图。图3示出了说明根据本发明的实施方式的用于控制燃料电池10的停止模式的系统的配置的示图。
参考图2，根据本发明的实施方式的控制燃料电池10的停止模式的方法包括：计算燃料电池10的劣化程度(S100)；根据计算的劣化程度确定燃料电池100的停止电压(S200)；确定是否已进入燃料电池的停止模式(S300)；并且当确定已进入燃料电池的停止模式时，控制燃料电池10的输出电压为确定的停止电压(S400)。
根据控制燃料电池10的停止模式的方法，基于计算的劣化程度确定停止电压，其中，当劣化程度大时促进劣化的补偿，并且当劣化程度小时，确定停止电压以使得当燃料电池10的停止模式停止时输出延迟最小化。因此，可以提高系统的效率并且使输出延迟最小化。
参考图3，根据本发明的实施方式的用于控制燃料电池10的停止模式的系统包括：劣化计算单元20，计算燃料电池10的劣化程度；停止电压确定单元30，基于由劣化计算单元20计算的燃料电池10的劣化程度，确定燃料电池的停止电压；停止模式进入确定单元40，确定燃料电池10是否已进入停止模式；以及电力分配控制单元50，当停止模式进入确定单元确定燃料电池10已进入停止模式时，控制燃料电池10的输出电压为停止电压确定单元30确定的停止电压。
此外，图2所示的根据本发明的实施方式的控制燃料电池10的停止模式的方法可以由图3所示的用于控制燃料电池10的停止模式的系统来完成。
因此，参考图2和图3，计算燃料电池的劣化程度(S100)是劣化计算单元20计算燃料电池10的劣化程度的步骤。
氧化估计单元60估计作为燃料电池10的阴极催化剂的铂(Pt)的氧化程度，并且可以从由氧化估计单元60估计的催化剂的氧化程度来计算燃料电池10的劣化程度。燃料电池10的劣化程度可以通过缩放阴极催化剂的氧化程度来获得，或者可以从采用阴极催化剂的氧化程度作为变量的等式来获得。
由氧化估计单元60估计的燃料电池10的阴极催化剂的氧化程度可以更新并存储在非易失性存储器61中，以存储最新的氧化程度值。
在计算劣化程度时，阴极催化剂的氧化程度可以从以下等式获得。在以下等式中，法拉第常数可以是96485，理想气体常数可以是8.314，并且作为基于电极的材料和配置的属性的kPtOx、α′α、α′c以及UPtOx可以从关于材料或其他文献的测试结果来计算。此外，通过将燃料电池10的电流乘以预定的计算或估计的膜电阻，可以获得膜电位损失。
θPtOx：阴极铂催化剂的氧化程度(0～1)
ηPtOx：阴极处的电位差
kPtOx：PtOx形成的反应速率
α′α、α′c：PtOx形成的阳极和阴极转移系数
UPtOx：PtOx平衡电位
φC：燃料电池的电池的测定电压(多个电池的平均)
φion：电解质膜的电位损失
UPtOx：平衡电压
F：法拉第常数
R：理想气体常数
T：温度(K)
通过参考在上面‘非专利文献’中描述的内容，可以更清楚地获得以上等式。
此外，需要先前计算的值来计算电极催化剂的氧化程度。在燃料电池10运行时使用先前计算的值，并且当没有先前计算的值时(例如，在燃料电池10刚刚运行之后)，可以从存储在非易失性存储器61中的值来计算该氧化程度。
具体地，当燃料电池10初始运行时，假设燃料电池10的电压在停止时间内为0[V]，通过读取存储在非易失性存储器61中的电极催化剂的氧化程度并且测量从燃料电池10的停止到启动的停止时间，来计算电极催化剂的新的氧化程度。
根据劣化程度确定停止电压(S200)可以通过将由劣化计算单元20计算的劣化程度与预定值进行比较并且根据比较结果选择预先存储的多个停止电压中的一个，来确定停止电压。
参考劣化程度和多个停止电压预先存储在停止电压确定单元30中，并且停止电压确定单元30可以将由劣化计算单元计算的燃料电池10的劣化程度与参考劣化程度进行比较并且根据比较结果选择预先存储的停止电压中的一个，来确定停止电压。
例如，可以将计算的劣化程度与预定值进行比较(S210)，当劣化程度大于预定值时，可以将停止电压确定为V1(S222)，并且当劣化程度等于或小于预定值时，可以将停止电压确定为V2(步骤S221)。V2被设置为大于V1。
通过确定停止电压以使得计算的劣化程度越大，停止电压越小，而可以快速地补偿劣化。
相反，通过确定停止电压以使得计算的劣化程度越小，停止电压越大，可以使当燃料电池10的停止模式停止时对于输出补偿的延迟最小化。
可以由停止模式进入确定单元40执行是否已进入燃料电池10的停止模式的确定(S300)。
根据是否存在请求的输出，可以确定燃料电池10是否已进入停止模式。当燃料电池10的请求的输出为0(S300)时，不再需要操作燃料电池10，因此进入停止模式，但是当请求的输出不是0时，该过程可以返回到确定劣化程度(S100)。
当燃料电池10已进入停止模式时，停止燃料电池10的操作，并且可以由电力分配控制单元50执行将燃料电池10的输出电压控制为确定的停止电压(S400)。
电力分配控制单元50可以控制燃料电池10以及存在于驱动电机51、电气设备52和高压电池53之间的DC-DC转换器(未示出)。
具体地，在燃料电池10的操作停止的情况下，当燃料电池10的输出电压高于停止电压时，通过向电气设备52或高压电池53分配电力，控制DC-DC转换器(未图示)以将燃料电池10的输出电压保持在所确定的停止电压。
参考图4，根据本发明的另一实施方式的用于控制燃料电池10的停止模式的系统包括：劣化计算单元20，计算燃料电池10的劣化程度；停止电压确定单元30，基于由劣化计算单元20计算的燃料电池10的劣化程度，确定燃料电池10的停止电压；停止模式进入确定单元40，确定燃料电池10是否已进入停止模式；以及电力分配控制单元50，当停止模式进入确定单元确定燃料电池10已进入停止模式时，控制燃料电池10的输出电压为停止电压确定单元30确定的停止电压。在该实施方式中，燃料电池10不直接连接到电力分配控制单元50。
尽管为了说明的目的已经描述了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离在所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (13)

1.一种控制燃料电池的停止模式的方法，所述方法包括以下步骤：
计算所述燃料电池的劣化程度；
根据计算的劣化程度确定所述燃料电池的停止电压；
确定所述燃料电池是否已进入停止模式；并且
当确定所述燃料电池已进入停止模式时，控制所述燃料电池的输出电压为所确定的停止电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在计算所述劣化程度时，使用所述燃料电池的阴极催化剂的氧化程度来计算所述燃料电池的所述劣化程度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在计算所述劣化程度时，所述燃料电池的所述阴极催化剂的氧化程度被更新并存储在非易失性存储器中。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，在确定所述劣化程度时，根据以下等式估计所述阴极催化剂的氧化程度：
ηPtOx＝ΦC-Φion-UPtOx
θPtOx：阴极铂催化剂的氧化程度，范围为0～1
ηPtOx：阴极处的电位差
kPtOx：PtOx形成的反应速率
α′α、α′c：PtOx形成的阳极和阴极转移系数
UPtOx：PtOx平衡电位
φC：燃料电池的电池的测定电压，为多个电池的平均
φion：电解质膜的电位损失
F：法拉第常数
R：理想气体常数
T：温度，单位为K。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定停止电压时，将计算的劣化程度与预定值进行比较，并且根据比较结果选择预先存储的多个停止电压中的一个。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定停止电压时，确定所述停止电压以使得计算的劣化程度越大，所述停止电压越低。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定停止电压时，确定所述停止电压以使得计算的劣化程度越小，所述停止电压越高。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定所述燃料电池是否已进入停止模式时，根据是否存在请求的输出来确定是否已进入停止模式。
9.一种用于控制燃料电池的停止模式的系统，包括：
劣化计算单元，计算所述燃料电池的劣化程度；
停止电压确定单元，基于由所述劣化计算单元计算的所述燃料电池的劣化程度，确定所述燃料电池的停止电压；
停止模式进入确定单元，确定所述燃料电池是否已进入停止模式；以及
电力分配控制单元，当所述停止模式进入确定单元确定所述燃料电池已进入停止模式时，控制所述燃料电池的输出电压为由所述停止电压确定单元确定的停止电压。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括估计所述燃料电池的阴极催化剂的氧化程度的氧化估计单元，
其中，所述劣化计算单元根据由所述氧化估计单元估计的所述燃料电池的所述阴极催化剂的氧化程度，来计算所述燃料电池的劣化程度。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述氧化估计单元包括用于更新和存储所述阴极催化剂的氧化程度的非易失性存储器。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，参考劣化程度和多个停止电压预先存储在所述停止电压确定单元中，并且所述停止电压确定单元通过将由所述劣化计算单元计算的所述燃料电池的劣化程度与所述参考劣化程度进行比较并且根据比较结果选择预先存储的停止电压中的一个，来确定所述停止电压。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述停止电压确定单元确定所述停止电压以使得由所述劣化计算单元计算的劣化程度越大，所述停止电压越低，并且确定所述停止电压以使得计算的劣化程度越小，所述停止电压越高。
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