CN110911718A - 具有氧传感器的燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

具有氧传感器的燃料电池系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统及其控制方法。在该系统中，氧传感器安装在燃料电池堆的阳极入口侧和阳极出口侧以测量氧浓度。基于测量的氧浓度，在燃料电池系统上执行控制操作以降低阳极侧的氧浓度。因此，有效地减少了由于燃料电池车辆的驱动期间电池的反向电压而发生的燃料电池的不可逆劣化以及由于停车期间的空气流入而发生的阴极碳腐蚀，从而增加了燃料电池和燃料电池车辆的耐久性。

Description

具有氧传感器的燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法，更具体地，涉及一种即使在由于反向电压引起的燃料电池的不可逆劣化模式下也能够正常驱动车辆并且还对由于在车辆停放期间外部空气(氧气)流入阴极以及空气移动到阳极而导致的不可逆的劣化作出响应从而提高了燃料电池和车辆的耐久性的燃料电池系统，以及其控制方法。
背景技术
通常，燃料电池是一种通过使燃料气体和氧化剂气体发生电化学反应而将燃料的化学能转化为电能的发电装置，并且广泛用作工业、家庭和汽车用途的电源，但是也适用于小型电气/电子设备或便携式设备。目前，具有高功率密度的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)通常用作车辆的燃料电池。特别地，PEMFC作为能源(例如，电源)工作，其在燃料电池车辆内向电动机和驱动车辆的各种电气装置供应电力。PEMFC使用氢气作为燃料气体，使用氧气或含氧气体作为氧化剂气体。另外，PEMFC必须能够在宽电流密度范围内可靠地工作，以在车辆的各种工作条件下实现至少几十千瓦的高输出性能。
此外，燃料电池包括各个通过燃料气体和氧化剂气体反应产生电能的单元电池，并且单元电池通常堆叠并串联连接以满足输出需求水平。由于需要高输出，所以单独产生电能的单元电池被堆叠以满足要求。PEMFC的单元电池从其最内侧起包括：膜电极组件(MEA)；气体扩散层(GDL)，其将作为反应气体的燃料气体和氧化剂气体供应到膜电极组件并转移所产生的电能；用于保持反应气体和冷却水的密封性和足够的紧固压力的密封垫和紧固机构；以及传递反应气体和冷却水的隔板或双极板。
在形成这种燃料电池的单元电池的组件中，膜电极组件(MEA)包括：能够输送氢离子的聚合物电解质膜，以及作为电极的阳极和阴极，它们附着在聚合物的两个表面上，并且涂覆有催化剂，该催化剂使得作为燃料气体的氢和作为氧化剂气体的空气(氧气)彼此反应。在外部，即阳极和阴极的外部，气体扩散层(GDL)被层叠以均匀地分配燃料气体和氧化剂气体，并且在气体扩散层的外部，隔板附着于其上以将反应气体供应到气体扩散层，同时提供反应气体和冷却水以及由反应产生的水流动的流场。
另外，用于密封流体的密封垫等可以插入单元电池的部件之间，并且密封垫可以与膜电极组件或隔板一体模制。用于支撑电池的端板连接到单元电池的最外侧，并且堆紧固机构用于连接电池和端板，从而构成燃料电池堆。特别地，电子通过外部电路迁移到阴极以产生电流。
此外，在阴极中，氧分子、氢离子和电子彼此反应以产生水，与热量一起作为反应副产物。在燃料电池中的电化学反应中产生的水在存在适当量时有助于保持膜电极组件的湿润性。然而，当过量产生水时，可能发生溢流，这是在高电流密度下的水溢出现象，除非被适当地除去。在溢流现象的情况下，过量的水会干扰反应气体有效供应到燃料电池中，从而进一步增加电压损失。另外，燃料电池的电池性能可能会劣化。
同时，当燃料电池电动车辆(FCEV)正在运行时，燃料电池堆中的一些电池的电压降低时，以往，开始电流限制，并且同时执行阳极吹扫、氢气供应增加、氢气压力增加、空气供应增加和空气压力增加中的一个或多个，以促使车辆的正常行驶。当一些电池的电压降低进一步增加时，燃料电池堆的输出电流被限制在较低水平。因此，以往，通过预定的控制逻辑执行用于促使正常行驶的系统级控制，其中使用从平均电池电压和最小电池电压获得的R值来确定电池电压的降低程度。R表示电池电压的降低程度，其用作确定燃料电池车辆中的电流限制的基础，并且可以通过以下等式计算：
R＝Vmin/Vavg
其中，Vmin表示最小电池电压，Vavg表示平均电池电压，R值越小，最小电池电压Vmin与平均电池电压Vavg之间的偏差越大。
在现有的控制逻辑中，当R值等于或大于设定值R3(R3≤R≤1)时，燃料电池在系统允许的正常电流范围内运行并且车辆正常行驶。然而，当R值小于设定值R3(R2<R<R3，R2<R3)时，电流限制模式被激活，因此，可用的最大电流减小，同时，执行阳极吹扫、氢气供给增加、氢气压力增加、空气供给增加以及空气压力增加中的一个或多个。
此后，当电池漂移进一步增加时，即，当R值减小时(R1<R≤R2，R1<R2)，用于恢复电池电压的可用最大电流进一步减小，其中可用的最大电流在当R值减小时以恒定的斜率减小。此外，当R值减小(R≤R1)时，电池电压偏差变得极端，导致车辆停止。
如上所述，在燃料电池车辆中，执行电流限制模式，其中基于指示电池电压偏差程度的R值，改变可用最大电流。同时，尽管以往的控制逻辑适用于可以可逆地恢复电池性能的情况，但是它在不可逆的劣化模式中有限制，例如溢流现象，其中由于导致反应气体(氢气和空气)流动的中断的燃料电池堆中的水的积聚或收集，电池性能劣化。
另外，已知在燃料电池中的电池中产生的反向电压对燃料电池的性能具有显著的不利影响，从而显著降低电池电压。通常，燃料电池中氢的短缺被分类为：氢气供应不足以用于整个燃料电池的“整体氢气不足”现象，以及尽管有足够的氢气供应给整个电池但由于分布不均匀氢气供应变得不足的“局部氢气不足”现象。
氢气短缺现象经常发生在诸如氢气供应和分配不均匀、燃料电池的负载需求突然增加、燃料电池启动等操作条件下。这样，当燃料电池的阳极缺氢时，阳极电压(Vanode)增加。随着阳极电压连续增加，阳极电压相对于阴极电压(Vcathode)进一步增加，导致电池电压(Vcell)变得小于零的反向电压状态(Vcell＝Vcathode-Vanode<0)。
此外，在由于阳极电压的增加引起的反向电压状态下，首先发生诸如以下反应式1的水电解反应。
反应式1
H2O→1/2O2+2H++2e-,Eo＝1.229V(vs.SHE)
其中，Eo表示标准电极电位，SHE表示标准氢电极。
然而，随着阳极电压继续增加，阳极处的碳腐蚀反应加速，如下面的反应式2和3：
反应式2
C+2H2O→CO2+4H++4e-,Eo＝0.207V(vs.SHE)
反应式3
C+H2O→CO+2H++2e-,Eo＝0.518V(vs.SHE)
当电池中的反向电压状态持续并且达到电池电压小于约-2V的过度反向电压状态时，燃料电池的发热变得过大，因此，膜电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)等通常被损坏，特别是可能发生在膜电极组件中产生针孔并因此导致电池短路的严重问题。
这导致电池故障状态，其中燃料电池不能正常工作。通过使用燃料电池操作装置中的传感器(工厂平衡：BOP)监测氢供应状态，可以检测导致电池故障的整体氢气短缺。然而，仅可以通过利用堆电压监测(SVM)装置密切监测燃料电池堆的每个电池的电压，检测一些电池中的局部氢起短缺，从而需要复杂的控制系统。因此，重要的是开发一种燃料电池系统和操作控制技术，其能够在达到反向电压状态之前适当地操作燃料电池车辆，从而更稳定地操作车辆，并且提供优异的抗反向电压耐久性。
即使当如上述的像以往的控制逻辑中那样根据R值执行燃料电池操作控制时，当一些电池的性能由于反向电压而急剧下降时，也会在燃料电池中发生不可逆的电池性能劣化，并且在严重的情况下，燃料电池车辆可能会停机，驾驶员和乘客的安全可能受到威胁。另一个不可逆的劣化是阴极催化剂层的碳腐蚀劣化，这是由于在停放期间外部空气(氧气)流入阴极和外部空气向阳极的移动。例如，当阀门安装在连接到燃料电池堆的阴极入口侧的空气供应管线中或者安装在连接到车辆的燃料电池系统中的阴极出口侧的排气管线中时，在车辆停放期间外部空气可能通过阀门中的间隙进入阴极。
此外，引入阴极的一部分空气可以通过阴极和电解质膜移动到阳极。特别地，由于空气和氢燃料一起存在于燃料电池的阳极中，所以在空气和氢燃料之间形成空气/氢燃料边界，并且在阳极中提供有空气区域和氢燃料区域。其结果，和与阳极中的氢燃料区域隔着电解质膜相对设置的阴极内部的空气区域相比，在与阳极中的空气区域隔着电解质膜相对设置的阴极内部的空气区域，产生高于1V的高电压，并且在该位置处发生严重的碳侵蚀。这是不可逆转的劣化，导致性能不佳和寿命缩短，一旦发生，就无法恢复。
发明内容
因此，本发明提供一种燃料电池系统以及其控制方法，即使在由于反向电压引起的燃料电池的不可逆劣化模式下也能够正常驱动车辆，并且还对由于在车辆停放期间外部空气(氧气)进入阴极并且空气向阳极运动(交叉)的流入引起的不可逆的劣化作出响应，从而提高燃料电池和车辆的耐久性。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，燃料电池系统可包括：燃料电池堆；氢气供应装置，被配置为向燃料电池堆供应氢气；空气供应装置，被配置为向燃料电池堆供应空气；控制器，被配置为操作燃料电池操作装置；和安装在燃料电池堆内的氧传感器，用于检测阳极侧气体中的氧浓度。
在燃料电池系统的工作期间，控制器可以被配置成，基于由氧传感器检测的实时氧浓度值和对应于当前燃料电池工作电流的第一氧浓度参考值，来确定阳极侧上的当前氧浓度是否满足预测要产生反向电压的预定条件。当确定阳极侧上的当前氧浓度满足预定条件时，控制器可以配置成，操作燃料电池操作装置以降低阳极侧上的氧浓度，从而防止由于电池堆的电池中的反向电压的产生而导致的劣化。
根据本发明的另一方面，一种控制燃料电池系统的方法可以包括：在燃料电池系统的工作期间，通过安装在燃料电池堆内的氧传感器检测阳极侧的气体中的氧浓度；基于由氧传感器检测的实时氧浓度值和对应于当前的燃料电池工作电流的第一氧浓度参考值，由控制器确定阳极侧上的当前氧浓度是否满足预测要产生反向电压的预定条件。当确定阳极侧上的当前氧浓度满足预定条件时，该方法可以包括操作燃料电池操作装置以降低阳极侧上的氧浓度，从而防止由于电池堆的电池中的反向电压的产生而导致的在阳极侧的劣化。
根据本发明的燃料电池系统及其控制方法，氧传感器可以安装在燃料电池堆的阳极入口侧和阳极出口侧以测量氧浓度，并且基于测量的氧浓度可以对燃料电池系统进行控制操作以降低阳极侧的氧浓度，从而有效地减少由于在燃料电池车辆的驱动期间电池的反向电压以及停车期间由于空气流入而产生的阴极碳腐蚀而可能发生的燃料电池的不可逆的劣化。
特别地，在本发明中，可以测量在反向电压时在碳腐蚀阶段之前在水的电解步骤中产生的氧浓度，并且如果氧浓度高于特定水平，则可以在作为不可逆的劣化的碳腐蚀发生之前进行主动响应控制，从而防止碳腐蚀的发生。另外，与在车辆停放期间没有氧传感器的防止碳腐蚀的周期性吹扫操作相比，在本发明中，仅当由氧传感器测量的电池堆的阳极侧上的氧浓度增加到等于或者如果大于参考值，执行氢气供应和阳极吹扫操作，从而在效率和功耗方面更有利。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点。其中，
图1是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池系统的框图；
图2至图4是示出根据示例性实施方式的燃料电池系统中的氧传感器安装在燃料电池堆上的状态的视图；
图5,6A和6B是示出根据示例性实施方式的燃料电池系统中的氧传感器安装在燃料电池堆上的状态的视图；
图7是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池系统中的氧传感器的感测部的剖视图；
图8是示出控制根据本发明示例性实施方式的燃料电池系统的过程的流程图；
图9是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池系统的控制操作的视图，其中根据R值确定可用的最大电流；
图10是示出根据本发明的示例性实施方式的控制系统的框图，该控制系统执行用于防止在空气流入燃料电池堆时发生的阴极碳腐蚀的控制操作；和
图11是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池系统的控制操作中的阳极吹扫控制的视图。
具体实施方式
应当理解，这里使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语包括：机动车辆，一般例如包括客车，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆；船舶，包括各种船和艇；飞机等，并且包括：混合动力车辆，电动车辆，插电式混合动力电动车辆，氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，源自石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两个或更多动力源的车辆，例如同时具有汽油动力和电动动力的车辆。
尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是应当理解，示例性过程也可以由一个或多个模块执行。另外，应理解，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为存储模块，并且处理器被具体配置为执行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个过程。
此外，本发明的控制逻辑可以体现为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质还可以分布在网络耦合的计算机系统中，使得计算机可读介质以分布式方式存储和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(CAN)。
这里使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，并不意图限制本发明。如这里所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所用，术语“约”应理解为在本领域的正常耐受范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文另外清楚，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式，以允许本领域技术人员容易地实现这些实施方式。然而，本发明不限于那些示例性实施方式，而是可以实现为其他形式。
本发明提供一种即使在由于反向电压引起的燃料电池的不可逆劣化模式下也能够正常驱动车辆的燃料电池系统，并且还对由于在车辆停放期间外部空气(氧气)流入阴极以及空气向阳极的运动(交叉)而导致的不可逆劣化作出响应，从而提高了燃料电池和车辆的耐久性。
换句话说，本发明有效地防止了由于在燃料电池车辆的驱动期间产生的反向电压导致的阳极电极的劣化以及在燃料电池车辆停放期间由于在阳极形成空气/氢气燃料之间的界面而导致的阴极电极的劣化。因此，在本发明中，氧传感器可以安装在燃料电池的阳极的入口侧和出口侧，以快速检测氧气，氧气是反向电压导致的碳腐蚀反应之前的水电解反应的副产物，反向电压由于阳极中的氢气短缺而产生。因此通过进行避免氢气短缺问题的控制，可以防止碳腐蚀反应。
此外，在本发明中，可以通过氧传感器快速检测停车期间存在于阳极中的气体中的氧浓度，并且可以在空气/氢气燃料之间的界面的形成得到加强之前吹扫阳极中的氢气，从而执行从电池排出残余氧的控制操作。
氧传感器可以安装在燃料电池堆的每个电池附近，并且可以执行基于来自氧传感器的信号的系统控制。特别地，本发明的主要特征在于，可以基于来自安装在燃料电池堆中阳极的入口侧和出口侧的氧传感器的信号执行系统控制，来避免阳极中的氢气短缺和停车期间的氧剩余，从而防止电池发生劣化。
图1是根据本发明示例性实施方式的燃料电池系统的框图，其中氧传感器可安装在燃料电池堆中的阳极的入口侧和出口侧。如图所示，安装在车辆上的燃料电池系统可以包括：燃料电池堆10，其配置成从反应气体(即，作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的空气中的氧气)的电化学反应产生电能；氢气供应装置20，被配置为将氢作为燃料气体供应到燃料电池堆10；空气供应装置30，被配置为将包含氧气的空气作为氧化剂气体供应到燃料电池堆10；热量及水管理系统40，用于调节燃料电池堆10的运行温度，并执行燃料电池堆的水管理功能；以及控制器60，被配置为执行包括氢气供应装置20和空气供应装置30的燃料电池操作装置以及燃料电池系统的整个操作。
特别地，氢气供应装置20可包括氢罐21、压力调节器22、氢供应阀23、氢再循环器等。空气供应装置30可包括鼓风机31、加湿器32等。热量及水管理系统40可包括电动水泵(例如，冷却水泵)41、储液器42、散热器43、三通阀44、集水器46等。在氢气供应装置20中，可以使用压力调节器22和氢气供应阀23将从用作氢气存储部的氢气罐21供应的高压氢气调节到适当的压力，然后可以将其供应给燃料电池堆10。
此时，氢再循环器可以配置成，使用喷射器24或再循环鼓风机25，将从燃料电池堆10的阳极排出的未反应的氢再循环到阳极，然后可以从氢罐21向阳极供应新鲜的氢气，并与由再循环单元再循环的再循环气体一起处于混合状态。氢再循环装置可以用于再利用残留在燃料电池堆10中的未反应的氢，并且可以包括连接在阳极入口侧排气管线L2和氢气供应管线L1之间的再循环管线L3。阳极入口侧排气管线L2连接到燃料电池堆10的阳极出口侧，氢气供应管线L1连接到阳极入口侧，喷射器24和/或再循环鼓风机25一起安装在再循环管线L3中。
空气供应装置30可以被配置为使用加湿器32加湿由鼓风机31供应的空气，然后将空气供应到燃料电池堆10的阴极。加湿器32可以被配置为通过在从燃料电池堆10的阴极排出的潮湿空气和供给阴极的干燥空气之间的湿气交换来执行加湿。热量及水管理系统40可包括配置成调节电池堆温度的装置，其可包括：配置成使冷却水循环的电动水泵41；配置成储存冷却水的储液器42；配置成对冷却水散热的散热器43；和三通阀44，其配置成调节冷却水流以使冷却水选择性地流到散热器43。
另外，用于水管理的集水器46可以设置在燃料电池堆10的阳极出口侧，以存储从燃料电池堆的阳极排出的水，并且排水阀47可以安装在集水器46的出口侧。排水阀47可以配置成打开以排出存储在集水器46中的水。此外，吹扫阀26可以设置在燃料电池堆10的阳极侧排气管线L2中。
在燃料电池堆10的工作期间，供应到阴极的空气中的氮和在阴极中产生的水产物(水和水蒸气)交叉穿过电池堆内的电解质膜以移动到阳极侧。特别地，可以通过周期性地打开设置在阳极出口侧线L2中的吹扫阀26的吹扫操作来去除作为杂质的诸如氮、水和水蒸气的外来物质。用于改善燃料电池堆10的耐久性的截止阀33和34可以分别设置在连接到燃料电池堆10的阴极入口侧的空气供应管线L5和连接到阴极出口侧的排气管线L4处。截止阀33和34在车辆停放期间切断燃料电池系统和空气供应管线L5和阴极出口侧排气管线L4的流动路径，以阻止空气流入电池堆中的阴极。
在燃料电池系统中，控制器60可以配置成操作每个阀以及鼓风机31、再循环鼓风机25、电动水泵41等，并且可以配置成接收来自氧传感器51和52的信号。氧传感器51和52可以安装在密封燃料电池堆10的电池堆外壳11内，并且可以设置在燃料电池堆10中的阳极的入口侧和出口侧。对本发明中的氧传感器51或52的类型没有特别限制，但适用的氧传感器的类型可包括半导体氧传感器、燃烧氧传感器等。
在半导体氧传感器中吸附和解吸氧的材料可包括二氧化钛(TiO2)、氧化锶钛(SrTiO3)、氧化镓(III)(Ga2O3)、氧化铈(CeO2)等。可以使用采用这些材料中的一种或多种的氧传感器。在本发明中，氧传感器51和52可以设置在阳极的入口侧和出口侧，并且基于来自氧传感器51和52的信号，可以执行控制操作以防止燃料电池车辆的驱动期间的反向电压劣化(例如，用于防止阳极劣化的控制)和用于防止在燃料电池车辆停放期间当空气流入电池堆时发生的阴极碳腐蚀(例如，用于防止阴极劣化的控制)。
图2至图4是示出根据示例性实施方式的燃料电池系统中的氧传感器安装在燃料电池堆上的状态的视图。在本发明中，氧传感器51,52可以安装在燃料电池堆10的阳极出口侧，更具体地，如图1所示，除阳极出口侧外，还可以安装在阳极入口侧。换句话说，在本发明的示例性实施方式中，氧传感器51和52可以安装在燃料电池堆10中的阳极的入口侧和出口侧，氧传感器51和52以及控制器60彼此电连接，从而来自氧传感器51和52的电信号，即来自氧传感器51和52的氧检测信号能够被输入到控制器60。
在本发明的示例性实施方式中，氧传感器51和52可以设置在燃料电池堆10中插入至作为阳极出口通道部的阳极出口歧管(图6A和6B中的111)，以及插入至作为阳极入口通道部的阳极入口歧管。特别地，阳极出口歧管111和阳极入口歧管(未示出)是指通过沿着电池的堆叠方向堆叠燃料电池堆10中的电池的隔板来连接形成于各个隔板的歧管孔彼此而形成的单个连续气体路径。
阳极入口歧管是电池堆中的阳极入口侧通道，其将氢气分配到每个电池，阳极出口歧管111是电池堆中的阳极出口侧通道，在其中收集通过电池的阳极侧尾气。更具体地，阳极入口歧管是氢气在被供应并且分配到燃料电池堆10中的各个电池的阳极通道之前通过的入口通道，阳极出口歧管111是通过燃料电池堆10中的每个电池的阳极通道之后的气体被允许通过的出口通道。在如前所述的本发明的示例性实施方式中，如图2至图4所示，氧传感器51和52可以沿作为阳极入口侧通道的阳极入口歧管的内部通道以及沿着作为出口侧通道的阳极出口歧管的内部通道(图6A中的111和6B)插入和安装。
图2是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池堆10的立体图，其中氧传感器安装在燃料电池系统中。在燃料电池堆10的每个电池(单元电池)中，配置有：阳极电极和阴极电极结合到电解质膜的两个表面的膜电极组件(MEA)；结合到膜电极组件两侧的阳极电极和阴极电极的外表面的气体扩散层(GDL)；分别堆叠在两个气体扩散层的外表面上的阳极和阴极隔板；以及插入电池部件之间而密封部件的密封垫。
在现有的燃料电池堆10中，用于支撑电池的端板121和122可以连接到堆叠体110的最外端，其中可以堆叠具有上述结构的电池，并且在本发明的示例性实施方式中，氧气传感器51和52可以安装成插入电池堆10中的阳极出口通道和阳极入口通道，使得其两端连接到端板121和122并由端板121和122支撑。换句话说，在本发明的示例性实施方式中，氧传感器51和52可以配置成在燃料电池堆10中插入阳极入口通道(即阳极入口歧管)和阳极出口通道(即阳极出口歧管)并沿其安装，其中氧传感器的两端可以连接到端板121和122并由端板121和122支撑。
结果，氧传感器51和52可沿电池堆叠方向纵向插入阳极入口通道和阳极出口通道。特别地，氧传感器51和52沿着阳极入口通道和阳极出口通道顺序地穿过在其两端的端板121和122之间堆叠的电池。由于氧传感器51和52可以如上所述安装在阳极入口通道和阳极出口通道中，因此在每个通道空间中未被氧传感器占据的空的空间成为气体可以通过的通道空间。
在本发明的示例性实施方式中，氧传感器51和52可以具有细长形状，从而插入阳极入口侧通道和阳极出口侧通道。连接销53和54可以设置在氧传感器51和52的两端，用于与端板121和122连接，并用于支撑传感器和引导传感器组件。用于输出传感器信号(检测信号)的导线55可以设置在各个氧传感器51和52的一侧。另外，在插入各个通道之后，氧传感器51和52可以通过在氧传感器51和52的两端处的端板121和122中形成的销槽122b锁紧连接销53和54而连接到端板121和122，并且导线55可以通过端板121和122中的一个的孔122a连接到外部。
燃料电池堆10中的两个端板121和122的第一端板121可包括：电池堆体110的阳极入口歧管和阳极出口歧管111；阴极入口歧管和阴极出口歧管；氢入口孔124a和氢出口孔123a，其分别与冷却水入口歧管和冷却水出口歧管连通；空气入口孔123c和空气出口孔124c；以及冷却水入口孔123b和冷却水出口孔124b，而第二端板122没有设置这样的入口和出口孔。
此时，端板121中的氢入口孔124a和氢出口孔123a具有这样的结构，其中方孔区域的一部分被阻挡，与空气入口孔123c和空气出口孔124c不同，销槽122b可以形成在阻挡部分中。另外，端板122可包括销槽122b和孔122a，以允许氧传感器51和52的连接销53和54插入端板122和122的销槽122b中并与之接合，从而允许氧传感器51和52设置和支撑在各个通道中的预定的位置。氧传感器51和52的导线55可以通过形成在端板122中的孔122a插入并通过孔122a暴露到外部，并通过导线连接到控制器60。
在示例性实施方式中，密封构件可以设置在端板122的孔122a中，氧传感器51,52的导线55穿过该孔，以提供导线55和孔之间的气密性。通过由密封构件122c提供气密性，氧传感器51和52以及控制器60可以彼此电连接，而排除对于在燃料电池堆内部潮湿环境中的电连接和氧传感器51和52的导线55的影响。
图3和图4是示出以下结构的视图，其中当电池堆体110被移除时，氧传感器51和52在堆叠的两端处连接到端板121和122。形成在氧传感器51和52的两端的连接销53和54可以分别插入两个端板121和122的销槽122b中。形成在氧传感器51和52的一侧上的导线55可以通过端板122的孔122a电连接到控制器60。
图5,6A和6B是示出根据示例性实施方式的燃料电池系统中的氧传感器安装在燃料电池堆上的状态的视图，其中，图6A和6B是沿图5的线A-A截取的剖视图。附图标记111表示阳极出口歧管，其是阳极出口通道，附图标记112表示冷却水入口歧管，附图标记113表示阴极入口歧管。
参照图5，氧传感器(即，第一氧传感器)52可以插入并安装在燃料电池堆10中的电池堆体110的氢出口上，即作为阳极出口侧通道的阳极出口歧管111，氧传感器(即，第二氧传感器)51可以插入并安装在作为阳极入口通道的阳极入口歧管上。图6A示出了使用具有整体长的感测部52a的氧传感器52的示例性实施方式。图6B示出了使用氧传感器52的示例性实施方式，氧传感器52具有多个感测部52a，多个感测部52a以单独的传感器元件的形式配置。
在本发明中，氧传感器51和52可以安装在邻接每个电池的阳极侧的位置，以允许实时快速的氧测量。这种配置有助于对车辆停放期间快速响应反向电压和碳腐蚀的发生。如上所述，氧传感器51和52可以插入并安装在电池堆中的阳极入口侧通道(阳极入口歧管)和阳极出口侧通道(阳极出口歧管)111上。如图6A所示，可以将具有长的感测部52a的氧传感器52插入通道111中。
如图6B所示，可以使用氧传感器52，其中多个感测部52a可以沿着传感器主体的纵向配置，每个感测部52a具有长杆状传感器主体并且以单独的传感器元件的形式设置。在图6B的示例性实施方式中，传感器主体中以单独的传感器元件的形式配置的感测部52a可以通过设置在传感器主体中的内部导体并联连接，并且通过氧传感器52的导线55和外部引线以及内部导体，各个感测部52a可以与控制器60并联连接。
感测部52a可以沿着纵向方向配置在传感器主体中，从而为每个电池配置一个感测部52a。为了确保感测部52a之间的间隙和测量间隔，如图6B所示，感测部52a可以以Z字形方式配置。在图6B的示例性实施方式中，可以通过在氧传感器51和52中并联连接的感测部52a测量每个电池的阳极侧氧浓度，并且可以在对应于每个电池的位置处测量氧浓度。
因此，类似于监测电池电压，控制器60可以配置成监测每个电池的阳极侧氧浓度。结果，根据图6B的示例性实施方式，可以更准确地确定在所有电池中产生具有一定水平或更高氧浓度的电池单元，并且执行用于防止停车期间的反向电压和碳腐蚀的控制操作。当电池的氧浓度在所有电池中具有最高值，即，当最大氧浓度大于特定水平时，用于在车辆行驶期间防止反向电压以及在车辆停车期间的防止碳腐蚀的控制操作可以被执行。另外，根据图6B的示例性实施方式，在售后服务方面，可以针对每个电池单元有效地执行反向电压履历的管理和处理。同时，在本发明中，氧传感器51和52可以配置成输出对应于阳极侧气体中的氧浓度的电信号。可以采用已知的氧传感器51和52中的一个，只要它是能够检测气体中的氧并产生与检测到的氧浓度相对应的电信号的类型。
图7是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池系统中的每个氧传感器52的示例性感测部52a的构造的截面图。如图所示，氧传感器51和52的感测部52a可包括基板56、形成在基板56的表面上的催化剂层57、设置在催化剂层57上方的氧渗透膜58、以及分隔结构59，其中分隔结构59将感测空间密封或在密封时分割成子空间，感测空间是氧渗透膜58和基板56之间的空间，催化剂层57位于该空间中。
特别地，基板56可以纵向安装在氧传感器51和52的主体上，催化剂层57和分隔结构59可以层叠在其上表面上。分隔结构59是可以堆叠在基板56的上表面上以固定和支撑氧渗透膜58的结构。即使如图6A的示例性实施方式所示，氧传感器51和52具有单个细长的感测部52a的情况下，感测部52a也可以具有与整个感测部52a集成的一个催化剂层57，或者可以针对整个感测部的每个部分具有在多个燃料电池单元上集成的催化剂层57。在分隔结构59的情况下，感测部52a可以形成为被划分为预定的区域的预定的形状(例如，矩形形状)。
如图6B的示例性实施方式中那样，在氧传感器51和52具有多个感测部52a的情况下，图7所示的感测部52a可以成为一个传感器元件，并且多个感测部52a可以配置在传感器主体中，以针对每个电池单元一对一地定位。考虑到潮湿环境的防水性和温度，氧传感器51和52的感测部52a中的氧渗透膜58可以是具有孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜。另外，对于半导体氧传感器，催化剂层57可以由二氧化钛(TiO2)、氧化锶钛(SrTiO3)、氧化镓(III)(Ga2O3)、氧化铈(CeO2)等中的一种或多种形成。
上述氧化物可以单独用作催化剂层57，或者可以以如下形式构成：一种或多种这样的氧化物添加到支承体如二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)或氧化锆(二氧化锆，ZrO2)。另外，催化剂层57可以具有膜或线形状。在氧传感器51和52的感测部52a中，当氧气通过氧渗透膜58并在催化剂层57中反应时产生的电压信号可以作为指示氧浓度的电信号输出。
如图7所示，测量单元61可以是控制器60中的测量元件，其被配置为接收指示氧浓度的电信号并获取与其对应的氧浓度信息。计算氧浓度的方法可以包括计算在氧吸附/解吸期间改变的电阻(例如，半导体型氧传感器)或由于氧的流入而催化剂层57的反应性(例如，燃烧型氧传感器)。然而，本发明不限制其感测方法。由于具有图7所示的感测部52a的配置的氧传感器51,52的配置、感测方法和氧浓度计算方法、半导体型氧传感器、燃烧型氧传感器在本领域中是已知的，这里将省略其详细描述。
图8是表示根据本发明的燃料电池系统的控制过程的流程图。在控制过程中，可以在车辆运行时使用氧传感器51和52测量燃料电池堆10中的氧浓度，并且基于测量的氧浓度，可以抑制由于燃料电池的反向电压导致的不可逆的劣化。另外，图8的流程图还示出了当电池电压由于溢流等而降低时用于恢复燃料电池的性能的控制过程。如上所述，根据本发明的劣化防止控制处理可以与当电池电压降低时用于恢复性能的控制处理同时执行。
首先，当驾驶员通过打开用于驱动车辆的点火键(键启动)来启动车辆时(S1)，可以开始燃料电池系统的工作，并且控制器60可以被配置为在车辆运行期间操作燃料电池系统。当通过如上所述启动车辆开始燃料电池系统的工作时，为了防止在燃料电池系统的工作开始时由于阳极入口侧和出口侧上的剩余氧气引起的浓度测量误差，控制器60可以被配置为确定由传感器检测到的燃料电池堆10的冷却水温度(电池堆的工作温度)Tc是否达到设定温度Ts并且稳定(S2)，并且当冷却水温度Tc达到设定温度Ts或更大(Tc≥Ts)时，可以被配置为使用来自氧传感器的信号执行下一过程。
换句话说，在燃料电池系统的工作开始之后当冷却水温度Tc增加并且变得等于或大于设定温度Ts时，控制器60可以被配置为使用氧传感器51和52的信号来确定氧浓度参考值(S3-1)，以及从氧传感器51和52的信号获取实时氧浓度值(S3-2)。尽管如图8所示描述了控制器60可以被配置成在燃料电池运行之后确定冷却水温度Tc已经增加并达到设定温度Ts，但是控制器60也可配置为：代替确定冷却水已经达到设定温度，而确定通过启动车辆而燃料电池系统的工作开始之后是否已经过设定时间，并且仅在燃料电池系统运行开始后经过了设定时间，才使用传感器的信号进行下一过程。
在示例性实施方式中，设定温度Ts可以设定为约50℃，设定时间可以设定为约2分钟。当作为燃料电池堆10的工作温度的冷却水温度Tc等于或大于约50℃(即设定温度Ts)时，或者自燃料电池堆10启动以来已经过去约2分钟时，控制器60可以进行后续过程。
控制器60可以被配置为在车辆启动之后接收设置在燃料电池堆10的阳极入口侧通道和阳极出口侧通道中的氧传感器51和52的信号，并且当冷却水温度Tc增加并达到设定温度Ts时(或者当从燃料电池系统的工作开始起经过设定时间时)，如上所述，控制器可以被配置为执行后续处理以使用氧传感器51和52的信号来确定对于每个电流范围的氧浓度参考值Cs(S3-1)。另外，如上所述，控制器60可以被配置为执行从氧传感器51和52的信号获得实时氧浓度值(CO2)的氧浓度测量步骤(S3-2)。
在根据本发明的控制过程中，可以使用在启动之后从阴极移动到阳极的氧的参考浓度值(Cs)(下文中称为“氧浓度参考值”)来减少反向电压劣化。氧浓度参考值Cs可以基于每个堆工作电流范围中的氧浓度，其在相同的燃料电池系统中从阴极移动到阳极。车辆键启动后，当冷却水温度Tc变得等于或大于设定温度Ts时，氧浓度参考值Cs可以被确定为对于每个燃料电池堆工作电流范围从氧传感器51和52的信号获得的预定的时间内的平均氧浓度值。
特别地，工作电流范围是指基于电池堆工作电流的预定的范围的电流范围。例如，工作电流范围可以分为三个区域，低电流区域、中电流区域和高电流区域，每个区域具有预定的电流范围。换句话说，工作电流范围基于电池堆工作电流I可以包括具有大约0A<I<100A的低电流区域，具有大约100A<I<200A的中电流区域，以及具有大约200A<I的高电流区域。
当燃料电池系统开始运行并且冷却水温度Tc变得等于或大于设定温度Ts(或者在燃料电池系统运行开始之后经过设定时间)时，电池堆工作电流范围在控制器60中设定，可以从燃料电池堆的工作电流进入相应区域的时间计算预定的时间内的氧浓度的平均值，然后可以将计算的平均值确定为相应电流区域的氧浓度参考值Cs。例如，当冷却水温度Tc等于或大于设定温度Ts时，在燃料电池堆的工作电流进入低电流区域之后的预定的时间内的平均氧浓度值，即，由氧传感器测量的氧浓度的平均值可以被计算，并且可以将计算的平均值确定为相应的电流区域(例如，低电流区域)的氧浓度参考值Cs。
进一步，当冷却水温度Tc等于或大于设定温度Ts时，可以计算在燃料电池堆的工作电流进入中电流区域之后的预定的时间内的平均氧浓度值，并且计算的平均值可以确定为相应电流区域(例如，中间电流区域)的氧浓度参考值Cs。进一步，当冷却水温度Tc等于或大于设定温度Ts时，可以计算在燃料电池堆的工作电流进入高电流区域之后的预定的时间内的平均氧浓度值，并且计算的平均值可以确定为相应的电流区域(例如，高电流区域)的氧浓度参考值Cs。
当冷却水温度Tc等于或大于设定温度Ts时的氧浓度参考值Cs的判定，以及，实时氧浓度值CO2的判定是为了在如上所述的燃料电池系统的稳定状态下允许测量氧浓度，从而减小了测量值的偏差。测量每个电流区域的氧浓度可以使测量变化最小化，因为从阴极移动到阳极的氧气量可以根据供应的空气的流速和压力而变化。
由于氧浓度可以基于燃料电池工作系统或燃料电池系统而变化，因此可以在每个电流区域中单独测量氧浓度。在控制器60中设定每个电流区域的氧浓度参考值Cs之后，控制器60可以被配置为从氧传感器的信号获取车辆的每个电流区域的实时氧浓度值(CO2)，并将实时氧浓度值(CO2)与相同电流区域的氧浓度参考值Cs进行比较，以确定当前阳极侧氧浓度是否满足可产生反向电压的预定条件(S4)。
在该过程中，控制器可以被配置为将实时测量的氧浓度值(CO2)与通过将相同电流区域的氧浓度参考值Cs和灵敏度系数S(Cs×S)相乘所获得的值进行比较，如图8所示。灵敏度系数S可以在控制器60中预先设定。灵敏度系数S可以用在本发明中以防止以下情况，即将燃料电池堆处于动态状态下氧浓度值暂时性高的情况判定为反向电压的发生。
下表1总结了氧浓度参考值和实时氧浓度值。为了减小氧浓度的偏差，可以将电流区域分成三个或更多个区域。
表1
Figure BDA0001897292330000181
Figure BDA0001897292330000191
在步骤S4中，控制器60可以被配置为将实时氧浓度值(CO2)与氧浓度参考值(Cs)和灵敏度系数(S)的乘积(Cs×S)进行比较。当(CO2)≥Cs×S时，可以确定当前氧浓度满足可能发生反向电压的条件(例如，控制器可以被配置为预测反向电压的发生)，可以配置控制器执行氧浓度降低控制以避免反向电压产生(S6)。当实时氧浓度值(CO2)小于氧浓度参考值(Cs)和灵敏度系数(S)的乘积(Cs×S)时，控制器60可以配置为执行现有的燃料电池系统的正常工作控制和车辆的正常驱动控制(S5)。
在本发明中，当如图6A所示的氧传感器51或52安装在燃料电池堆100中的阳极出口侧通道(阳极出口歧管)和阳极入口侧通道(阳极入口歧管)时，控制器60可以配置成判定氧浓度参考值(Cs)和使用由两个氧传感器(51,52)检测到的氧浓度中的最高氧浓度的实时氧浓度值(CO2)。此外，当如图6B所示的氧传感器51和52配置在燃料电池堆100中的阳极出口侧通道(阳极出口歧管)中，或者在阳极出口侧通道和阳极入口侧通道(阳极入口歧管)中，控制器60可以被配置为判定氧浓度参考值(Cs)和使用由两个氧传感器51和52的各个感测部检测的氧浓度中的最大氧浓度的实时氧浓度值(CO2)。
换句话说，当氧传感器51和52被配置为如图6B的示例性实施方式中那样测量每个电池单元的氧浓度时，实时氧浓度值可以确定为具有最高氧浓度的电池单元的氧浓度，即所有电池单元的浓度中的最大氧浓度。这同样适用于参考图10描述的阴极碳腐蚀防止控制过程。
在氧浓度降低控制过程中，可以执行每个预定的周期的设定期间内打开设置在阳极出口侧排气管线L2上的吹扫阀26来排出阳极侧气体的一个或多个阳极吹扫操作控制、用于操作氢气供应装置20以将氢气供应增加到设定量的操作控制、用于操作氢气供应装置20以将氢气压力增加到设定压力的控制操作(S6)。因此，可以降低氧浓度并且可以避免阴极碳腐蚀条件。当车辆停止和停放时，可以基于如上所述的唤醒时段执行氧浓度降低控制，并且当实时氧浓度(CO2)变得小于氧浓度参考值(Cs)和灵敏度系数的乘积时，该过程可以返回到步骤S3-2。
在本发明中，可以将使用氧传感器51和52测量的实时氧浓度值(CO2)与对应于当前电池堆电流的氧浓度参考值(Cs)进行比较。当实时氧浓度值(CO2)大于灵敏度系数(S)和氧浓度参考值(Cs)的乘积时，控制器60可以配置成将该状态识别为反向电压过程期间的水电解过程，并执行一次或多次阳极吹扫，增加氢气供应，并增加氢气压力，从而防止燃料电池的反向电压现象和阴极碳腐蚀现象，从而防止不可逆转的劣化发生。
然而，在车辆被驱动时当实时氧浓度值(CO2)等于或大于氧浓度参考值(Cs)和灵敏度系数(S)的乘积时，即使反向电压避免控制(氧浓度降低控制)被执行预定的时间或更长时间，控制器可被配置为确定不可能避免反向电压，并且操作可进入车辆停止模式(S7，S8，S9)，从而防止燃料电池堆10的不可逆转的劣化的发生。同时，除了上述劣化防止控制处理之外，可以并行执行用于电池电压降低时的性能恢复的控制处理(S10至S17)。用于电池电压降低时的性能恢复的控制过程可以包括用于将燃料电池堆10的输出电流限制为基于电池电压降低程度确定的电流值的电流限制过程。
图9是示出根据表示电池电压下降的程度的R值的可用最大电流I1，I2和I3的图。首先，当驾驶员通过打开点火键(键打开)启动车辆并且车辆正在被驾驶而时(S1)，控制器60可以被配置为从使用检测到的传感器信号获得的平均电池电压(Vavg)和最小电池电压(Vmin)计算R值。(S10)。R值表示电池电压的降低程度，其用作确定燃料电池车辆中的电流限制的基础，并且可以通过以下等式计算：
R＝Vmin/Vavg
其中，Vmin表示最小电池电压，Vavg表示平均电池电压，R值越小，最小电池电压Vmin与平均电池电压Vavg之间的偏差越大。
当将计算出的R值与第一设定值(R3)(S11)进行比较并且确定为等于或大于第一设定值(R3≤R≤1)时，可以在系统允许的正常电流范围(例如，等于或小于图9中的可用最大电流I3的电流范围)操作燃料电池系统，车辆可以被正常驱动(S5)(图9中的区域A)。当R值小于第一设定值R3(R2<R<R3，R2<R3)时，可以激活电流限制模式以将可用的最大电流从I3减小到I2(S12)(图9中的B区域)。
同时，可以执行阳极吹扫，氢气供应增加，氢气压力增加，空气供应增加和空气压力增加中的一个或多个(S13)。换句话说，可以执行阳极吹扫操作控制，用于通过在每个预定的时段打开设置在阳极侧排气管线L2上的吹扫阀26来排出阳极侧气体；操作氢气供应装置20将氢气供应增加到设定量的控制操作；操作氢气供应装置20以将氢气压力增加到设定压力的控制操作；操作氧气供应装置30以将氧气供应增加到设定量的控制操作；操作氧气供应装置30以将氧气压力增加到设定量的控制操作中的一个或多个(S13)。
此后，当R值再次等于或大于第一设定值(R3)(R3≤R≤1)时，燃料电池系统可以在系统允许的正常电流范围内工作(例如，电流范围等于或小于图9中的可用最大电流I3)并且车辆可以被正常驱动(S14，S15，S5)(图9中的区域A)。当电池漂移相对于区域“B”进一步增加时，即当R值变得小于第二设定值(R2)(R1<R≤R2，R1<R2)时，用于电池电压恢复的可用最大电流可以从I2进一步减小到I1(S14，S15，S16)(图9中的区域“C”)。特别地，随着R值减小，可用最大电流(I1)被设定为以恒定斜率减小。
此外，当R值变得小于第三设定值(R1)(R≤R1)时，电池电压偏差变得极端，导致车辆停止(图9中的区域“D”)。在进入电流限制模式之后，可以执行电流限制以防止来自燃料电池堆10的电流输出超过可用最大电流，同时根据指示电池电压偏差程度的R值改变可用最大电流。另外，当驾驶员在车辆正常行驶或电流限制模式下在步骤S17中关闭点火键时，可以在燃料电池系统关闭之后停止车辆操作。
此外，下面将描述在如上所述的车辆停止和停放的状态下用于防止当外部空气被引入燃料电池堆10时，特别是通过截止阀33,34的间隙进入燃料电池堆10的阳极时发生的阴极腐蚀的控制过程。图10是用于执行控制过程的系统的配置图，该控制过程用于在将空气引入根据本发明的燃料电池堆10中时防止阴极腐蚀。即使燃料电池车辆停放，控制器60也可以配置为周期性地唤醒。此时，可以向控制器60和氧传感器51和52提供操作电力，使得氧传感器51和52测量电池堆10的阳极侧上的气体中的氧浓度(C)并传输对应于测量的氧浓度(C)的电信号到控制器60。
然后，控制器60可以配置成接收对应于氧浓度的电信号。当由氧传感器51和52测量的氧浓度(C)等于或大于预定的氧浓度参考值(L)(即，第二氧浓度参考值)时，控制器可以被配置为判定外部空气已经被引入到电池堆10的阳极中。具体地，氧浓度参考值(L)(例如，第二氧浓度参考值)可以是与图8所示的基于车辆行驶期间的电池堆电流确定的氧浓度参考值(例如，第一氧浓度参考值)不同的值。
当判定引入外部空气时，控制器60可以配置成操作氢气供应装置20以将氢气供应到燃料电池堆10的阳极入口侧。换句话说，控制器60可以配置为打开氢气供应阀23以允许氢气(其是存储在氢罐21中的燃料气体)供应到燃料电池堆10的阳极，或者另外激活再循环鼓风机25以将氢气供应到燃料电池堆10的阳极入口侧。控制器60可以配置成输出用于执行吹扫操作的控制信号，由此可以根据控制器60输出的控制信号打开吹扫阀26，以将氧气排放到阳极中以将氧浓度降低到小于参考值。
在示例性实施方式中，如图11所示，控制器60可以配置成保持吹扫阀26的打开状态，直到由氧传感器51,52测量的氧浓度小于氧浓度参考值。即使当氧浓度小于氧浓度参考值使得清洗阀26关闭时，当控制器60和氧气传感器51和52在唤醒时段中处于唤醒状态，当氧浓度再次等于或大于氧浓度参考值时，控制器60可以配置成再次打开吹扫阀26以从电池堆的阳极排出氧气。
当打开吹扫阀26是氧浓度大于氧浓度参考值的状态时，控制器60可以配置成在打开吹扫阀26预定的时间段之后关闭吹扫阀26，即在短周期内反复打开和关闭吹扫阀26。因此，即使在车辆停放期间将外部空气引入电池堆中，也可以防止阴极腐蚀。用于防止阴极腐蚀的控制过程中的氧浓度参考值(例如，第二氧浓度参考值)可以与图8中所示的用于防止不可逆劣化的控制过程中使用的氧浓度参考值(例如，第一氧浓度参考值)相同或不同。
如前所述，在本发明中，氧传感器可以安装在燃料电池堆的阳极入口侧和阳极出口侧以测量氧浓度，并且基于测量的氧浓度，可以在燃料电池系统上执行控制操作以降低阳极侧的氧浓度，从而有效地减少由于燃料电池车辆的驱动期间电池的反向电压而可能发生的燃料电池的不可逆的劣化和由于停车时空气的流入导致的电池的阴极碳腐蚀。
结果，可以通过提前响应反向电压劣化来确保燃料电池车辆的性能和稳定性，以及燃料电池的耐久性和安全性。特别地，尽管现有技术可以响应由于溢流(水溢出现象)引起的可逆电池劣化，但该技术不能实质上响应由于反向电压引起的不可逆劣化。然而，在本发明中，可以测量在反向电压时碳腐蚀阶段之前在水的电解步骤中产生的氧浓度，并且当氧浓度大于一定水平时，主动响应的控制可以在发生不可逆的劣化的碳腐蚀之前进行，从而防止碳腐蚀的发生，从而确保燃料电池车辆的性能和稳定性，以及燃料电池的耐久性和安全性。
此外，与在燃料电池车辆停放期间没有氧气传感器的防止碳腐蚀的周期性吹扫操作相比，在本发明中，由于氧气传感器不具有高功耗，所以氢气供应和阳极吹扫操作可以仅当电池堆的阳极侧上的氧浓度等于或大于参考值时才执行，从而在效率和功耗方面是有利的。
尽管出于说明性目的描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中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 (24)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，
包括：
燃料电池堆；
氢气供应装置，被配置为向所述燃料电池堆供应氢气；
空气供应装置，被配置为向所述燃料电池堆供应空气；
控制器，被配置为操作燃料电池操作装置；和
氧传感器，安装在所述燃料电池堆中，用于检测阳极侧气体中的氧浓度，
其中，在所述燃料电池系统运行期间，所述控制器配置为：
基于由所述氧传感器检测的实时氧浓度值和对应于当前燃料电池工作电流的第一氧浓度参考值，判定所述阳极侧上的当前氧浓度是否满足将要产生反向电压的预定条件，以及
当判定所述阳极侧的所述当前氧浓度满足所述预定条件时，操作燃料电池操作装置以降低阳极侧的氧浓度，以防止由于在所述电池堆的电池中产生反向电压而在阳极侧的劣化。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述氧传感器被沿着阳极出口歧管纵向插入并安装，其中，所述阳极出口歧管是所述燃料电池堆中的阳极出口侧通道。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述氧传感器包括：
第一氧传感器，被沿着阳极出口歧管纵向插入并安装，其中，所述阳极出口歧管是所述燃料电池堆中的阳极出口侧通道；和
第二氧传感器，被沿着阳极入口歧管纵向插入并安装，其中，所述阳极入口歧管是所述燃料电池堆中的阳极入口侧通道，
其中，在燃料电池系统工作期间，控制器使用由第一氧传感器检测的氧浓度和由第二氧传感器检测的氧浓度中的最大氧浓度作为实时氧浓度值。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，
所述第一氧传感器和所述第二氧传感器的两端固定于所述燃料电池堆的两端上的端板。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
连接销从所述第一氧传感器和所述第二氧传感器的两端突出，并且所述第一氧传感器和所述第二氧传感器的两端的所述连接销插入并固定于所述端板的销槽。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
所述第一氧传感器和所述第二氧传感器的导线分别通过在所述燃料电池堆的两端处的所述两个端板中的一个中形成的孔连接到所述控制器，其中密封构件被设置于所述孔中以密封所述导线。
7.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，
所述第一氧传感器和所述第二氧传感器各自包括沿着传感器主体的纵向以单独的感测元件的形式配置的多个感测部，其中所述感测部与所述控制器并联连接，并且所述控制器使用通过两个氧传感器的感测部检测到的氧浓度中的最大氧浓度作为实时氧浓度值。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，
在各个氧传感器中，所述感测部沿着所述传感器主体的纵向方向以Z字形配置，以确保所述感测部之间的间隙和测量间隔。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述阳极侧上的氧浓度的降低包括以下操作中的一个或多个：通过打开安装在所述燃料电池堆的阳极出口侧排气管线中的吹扫阀来排出阳极侧气体的阳极吹扫操作控制、操作氢气供应装置以将氢气的供应增加到设定量的控制操作、以及操作所述氢气供应装置以将氢气的压力增加到设定压力的控制操作。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述控制器被配置为将所述实时氧浓度值与第一氧浓度参考值和预定的灵敏度系数的乘积进行比较，并且当所述实时氧浓度值等于或者大于所述第一氧浓度参考值和所述灵敏度系数的乘积时，判定满足将要产生反向电压的所述预定条件。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述控制器被配置为，当在所述燃料电池系统的工作开始之后经过设定时间时，或者当所述燃料电池堆的工作温度已达到预定的设定温度时，通过使用由所述氧传感器检测到的实时氧浓度值来判定所述阳极侧的所述当前氧浓度是否满足将要产生反向电压的所述预定条件，以防止由于在所述燃料电池系统工作的初始阶段在所述电池堆的阳极中残留的氧引起的浓度测量误差。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
针对每个电流区域确定所述第一氧浓度参考值，并且使用与所述当前燃料电池堆工作电流对应的所述电流区域的所述第一氧浓度参考值，来确定所述阳极侧的当前氧浓度是否满足将要产生反向电压的所述预定条件。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中，
所述控制器被配置为，当在所述燃料电池系统的工作开始之后经过设定时间时，或者当所述燃料电池堆的工作温度已经达到所述设定温度时，确定从燃料电池堆的工作电流进入所述电流区域的时间开始的预定时间内由氧传感器检测到的氧浓度的平均值，并使用所确定的平均值作为相应的电流区域的第一氧浓度参考值。
14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
在车辆停放期间，所述控制器被配置为，当由所述氧气传感器检测到的氧浓度等于或大于预定的第二氧浓度参考值时，判定空气已被引入所述燃料电池堆的所述阳极，并且所述控制器被配置成操作氢气供应装置以将氢气供应到所述燃料电池堆的所述阳极，并打开安装在所述燃料电池堆的阳极出口侧排气管线上的吹扫阀而排出所述阳极侧气体，以防止由于空气的引入而在阴极侧劣化。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，
所述氧传感器包括：
第一氧传感器，被沿着阳极出口歧管纵向插入并安装，所述阳极出口歧管是所述燃料电池堆中的阳极出口侧通道；和
第二氧传感器，被沿着阳极入口歧管纵向插入并安装，所述阳极入口歧管是所述燃料电池堆中的阳极入口侧通道，
其中，在车辆停放期间，所述控制器被配置为将由所述第一氧传感器检测到的氧浓度和由第二氧传感器检测到的氧浓度中的最大氧浓度与所述第二氧浓度参考值进行比较，并且当所述最大氧浓度被判定为等于或大于所述第二氧浓度参考值时，判定空气已被引入所述燃料电池堆的所述阳极。
16.一种控制燃料电池系统的方法，包括：
由控制器，在所述燃料电池系统工作期间使用安装在所述燃料电池堆中的氧传感器检测阳极侧气体中的氧浓度；
由控制器，基于由所述氧传感器检测的实时氧浓度值和对应于所述当前燃料电池工作电流的第一氧浓度参考值，确定所述阳极侧上的当前氧浓度是否满足将要产生反向电压的预定条件；和
当判定所述阳极侧的所述当前氧浓度满足所述预定条件时，由控制器操作燃料电池操作装置以降低所述阳极侧的所述氧浓度，以防止由于在电池堆的电池中产生反向电压而引起的在阳极侧的劣化。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述控制器被配置为：
将实时氧浓度值与所述第一氧浓度参考值和预定的灵敏度系数的乘积进行比较，并且当所述实时氧浓度值等于或大于所述第一氧浓度参考值与所述灵敏度系数的乘积时，判定满足将要产生反向电压的所述预定条件。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述控制器被配置为：
测量控制操作时间，该控制操作时间是执行用于降低所述阳极侧上的氧浓度的控制的时间，并且当即使在所述控制操作时间已经经过了预定的参考时间之后仍然满足将要产生反向电压的所述预定条件时，促使所述燃料电池系统的关闭和车辆的停止。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述控制器被配置为：
当在所述燃料电池系统的工作开始之后经过设定时间时，或者当所述燃料电池堆的工作温度达到预定的设定温度时，使用由所述氧传感器检测的实时氧浓度值判定所述阳极侧上的当前氧浓度是否满足将要产生反向电压的所述预定条件，以防止由于在所述燃料电池系统的工作的初始阶段残留在所述燃料电池堆的所述阳极中的氧引起的浓度测量误差。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，
降低所述阳极侧上的氧浓度的控制包括以下操作中的一个或多个：通过打开安装在所述燃料电池堆的所述阳极出口侧排气管线中的吹扫阀来排出阳极侧气体的阳极吹扫操作控制、操作氢气供应装置以将氢气供应增加到设定量的控制操作、以及操作氢气供应装置以将氢气的压力增加到设定压力的控制操作。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，
针对各个电流区域确定所述第一氧浓度参考值，并且使用对应于当前燃料电池堆工作电流的所述电流区域的所述第一氧浓度参考值来确定所述阳极侧的当前氧浓度是否满足将要产生反向电压的所述预定条件。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，
所述电流区域包括低电流区域、中电流区域和高电流区域，各个电流区域具有预定的电流范围。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，
所述控制器被配置为：
当在所述燃料电池系统工作开始后经过设定时间时，或者当所述燃料电池堆的工作温度达到设定温度时，确定从所述燃料电池堆的工作电流进入所述电流区域开始预定的时间内由氧传感器检测到的氧浓度的平均值；和
使用确定的平均值作为相应电流区域的第一氧浓度参考值。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，
还包括：
由控制器，在车辆停放期间在每个预定的唤醒期间使用安装在所述燃料电池堆中的所述氧传感器检测所述阳极侧的气体中的所述氧浓度；
由控制器，在唤醒状态下将所述氧传感器检测到的所述氧浓度与预定的第二氧浓度参考值进行比较；和
当所述氧传感器检测到的所述氧浓度等于或大于所述第二氧浓度参考值时，由控制器判定空气已被引入所述燃料电池堆的所述阳极，操作氢气供应装置以供应氢气至所述燃料电池堆的所述阳极，打开安装在燃料电池堆的所述阳极出口侧排气管线上的吹扫阀，从而排出所述阳极侧气体，以防止由于空气的引入而使阴极侧劣化。
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