專利名稱：用于在燃料電池系統(tǒng)中觸發(fā)陽極排氣事件的綜合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種用于在燃料電池堆中觸發(fā)陽l翻Pt的方法，以及更具 體的是涉及一種從分離燃料電池堆中觸發(fā)陽極排氣的方法，其包括如果陽極 中的氮?dú)獾墓烙?jì)濃度大于預(yù)定閾值濃度，貝悄蟲發(fā)排氣；如果平均的分離堆電池 電壓之間差的鄉(xiāng)艦值大于預(yù)定的閾值電壓，貝憤蟲發(fā)排氣；或者如果在任何一個(gè) 分離燃料電池堆中的燃料電池電壓的最大和最小電壓差大于預(yù)定閾值電壓，則 觸發(fā)排氣。
背景技術(shù)：
氫是一禾中非常有吸弓l力的燃料，因?yàn)樗乔鍧嵉牟⑶以谌剂想姵刂杏?有 效地發(fā)電。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其包括陽極、陰極以及位于其間的 電解質(zhì)。陽極接收氫氣并且陰極接收氧氣或空氣。在陽極中氫氣被分解以產(chǎn)生 自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰極中與氧和電子發(fā)生 反應(yīng)產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能穿過電解質(zhì)，因此在到達(dá)陰極之前被弓i導(dǎo)通 過負(fù)載而做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的常用的燃料電池。PEMFC 通常包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)薄膜，例如全氟磺酸薄膜。陽極和陰極通 常包括承載在碳顆粒上并且與離聚物混合的精細(xì)粉碎的催化齊噘粒，通常是鉑 (Pt)。催化齊嗨合物沉積在薄膜的相對(duì)兩側(cè)。陽極催化劑混合物、陰極催化齊幌 合物和薄膜的結(jié)合體限定出膜電極組件(MEA)。通常多個(gè)燃料電池結(jié)合在燃料電池堆中以產(chǎn)生期望的功率。對(duì)于上述的汽 車燃料電池堆，電池堆可以包括兩百或更多的燃料電池。燃料電池堆接收陰極 反應(yīng)氣體，典型的是m壓縮機(jī)強(qiáng)制穿過電池堆的空氣流。電池堆并沒有消耗 掉全部的氧氣， 一些空氣作為陰極廢氣輸出，該陰極廢氣可能包括作為電池堆 副產(chǎn)品的7jC。該燃料電池堆還接收流入電池堆陽極側(cè)的陽極氫氣反應(yīng)氣體。燃料電池堆包括設(shè)置在電池堆中多個(gè)MEA之間的一系列雙極板，其中雙 極板和MEA設(shè)置在兩個(gè)端板之間。雙極板包括用于電池堆中相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。在雙極板的陽極側(cè)提供陽極氣體流動(dòng)通道，其允許陽極反應(yīng)氣 ^^動(dòng)到各自的MEA。在雙極板的陰極側(cè)提供陰極氣#^動(dòng)通道，其允許陰極反應(yīng)氣體流動(dòng)到各自的MEA。 一個(gè)端板包括陽極氣術(shù)荒動(dòng)通道，以及另外一個(gè)端板包括陰極氣體流動(dòng)通道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料制成，例如不銹鋼或?qū)?電復(fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的電力傳導(dǎo)到電池堆外部。雙極板還包括冷卻流體3131其而流動(dòng)的流動(dòng)通道。MEA是可滲透的，因此允許來自電池堆陰極側(cè)的空氣中的氮?dú)鉂B透并且在 電池堆的陽極側(cè)聚集，在工業(yè)中被稱為氮?dú)獯┰健＜词龟枠O側(cè)的壓力可能稍微 高于陰極側(cè)壓力，陰極側(cè)的分壓將促使空氣滲透過薄膜。燃料電池堆陽極側(cè)中 的氮?dú)庀♂屃藲錃?，從而如果氮?dú)鉂舛仍黾用笠欢ò俜直龋?0%，燃料 電池堆變得不穩(wěn)定并且可能失效。本領(lǐng)域公知的，為了從電池堆的陽極側(cè)去除 氮?dú)?，在燃料電池堆的陽極廢氣輸出處設(shè)置排氣閥。本領(lǐng)域已經(jīng)提出在采用分離電池堆的燃料電池系統(tǒng)中，4OT電池堆Jl,開 關(guān)或陽極流動(dòng)切換。特別是，在系統(tǒng)中提供閥和泵，從而以循環(huán)的方式使得離 開第一子電池堆的陽極廢氣送到第二子電池堆的陽極，離開第二子電池堆的陽 豐膽氣送至悌一子電池堆的陽極。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種用于在采用陽極流動(dòng)切換的燃料電池系統(tǒng) 中從分離燃料電池堆中觸發(fā)陽極排氣的方法。如果滿足三個(gè)不同條件中的任何一個(gè)，該方f絲令排氣。這些劍牛包括分離電池堆的陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛瘸^預(yù)定百分比，在任何一個(gè)分離電池堆中的兩個(gè)燃料電池的最大電池電壓和最 小電池電壓間的最大和最小電壓差大于預(yù)定最大與最小電壓差，以及分離電池 堆的平均電池電壓間電壓差的絕對(duì)值大于預(yù)定電壓。陽極中的氮?dú)鉂舛瓤梢酝ㄟ^樹可合適的方式確定，例如ilil氮?dú)獯┰侥Ｐ突騻鼢?。結(jié)合附圖從以下描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的附加特點(diǎn)將變得明顯。


圖1是采用陽極流動(dòng)切換的燃料電池系統(tǒng)的示意結(jié)構(gòu)圖；以及 圖2是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式從圖1所示的分離電池堆觸發(fā)陽極排氣的 過程的流禾呈圖。
具體實(shí)施方式
旨在用于從燃料電池系統(tǒng)中的分離電池堆觸發(fā)陽極排氣的方法的本發(fā)明實(shí) 施方式的下歹鵬述實(shí)質(zhì)上僅僅是示范性地，并不意味著限制本發(fā)明或其應(yīng)用或 艦。圖1是包括第一分離燃料電池堆12和第二分離燃料電池堆14的燃料電池 系統(tǒng)10的示意性結(jié)構(gòu)圖。壓縮機(jī)16提供陰極輸入管線18上的陰極輸入空氣通過常閉的陰極輸入閥20到達(dá)分離電池堆12和14。陰極jtn通過管線24從分離 電池堆12輸出，以及陰極戯M管線26從分離電池堆14輸出，這些陰極廢 氣混^ia入與蟲的陰極輸出管線28。常閉的陰極背壓閥30控制M管線28的 陰極戯的流動(dòng)。位于輸入管線18和輸出管線28之間的陰極旁通管線32允許 陰極輸入空氣旁M:電池堆12和14。常閉的旁通閥34控制是否陰極空氣旁通 過電池堆12和14。如果閥門20和30關(guān)閉而閥門34開啟，那么來自壓縮機(jī)16 的空氣將旁S31電池堆12和14。代表性地，陰極增濕單元(未示出)可以設(shè)置 在陰極輸入管線18的合適位置。在此非限制實(shí)施方式中，分離電池堆12和14采用陽極流動(dòng)切換，其中陽 極反應(yīng)氣體以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式以預(yù)定循環(huán)il31分離電池堆12和14 來回流動(dòng)。以交替的順序，噴射器38M31陽極管線42把來自氫氣源40的氫氣 噴射到分離電池堆12，噴射器44通過陽極管線48把來自氫氣源46的氫氣噴射 到分離電池堆14。ZK分分離器60連接到連接管線54，收集在分離電池堆12和14間的陽極 氣#^中的水。常閉的排水閥門62能周期性地開啟以便把7JCM31管線64排放 到陰極廢氣管線28。此外，也可以設(shè)置陽極jtn凈化閥66。如上所述，為了去除電池堆12和14陽極側(cè)的氮?dú)?，希望周期性地給分離 電池堆12和14的陽極側(cè)排氣，否貝i嵐氣可能稀釋氫氣而影響電池性能?；?這個(gè)目的設(shè)置有常閉的排氣閥50和52。當(dāng)命令陽極排氣時(shí)，就開啟排氣閥50 或52，根據(jù)陽極氣體當(dāng)前的流動(dòng)方向，排出的陽極廢氣被輸送至,極廢氣管線 28。具體地，當(dāng)排氣觸發(fā)時(shí)，如果氫氣正從源40噴射到分離電池堆12，那么排 氣閥52開啟。同樣地，當(dāng)排氣觸發(fā)時(shí)，如果氫氣是從源46噴射到分離電池堆 14，那么排氣閥50開啟。典型地，流動(dòng)切換在正常排氣期間發(fā)生幾次，從而使 排氣閥50和52隨著流動(dòng)切換不得不及時(shí)開啟和關(guān)閉幾次。本發(fā)明提出了一種用于控制排氣閥50和52的方法，該方法使氮?dú)庥行У貜姆蛛x電池堆12和14的陽極側(cè)去除，以及維持了氫氣的有效利用。如以下將 要i姊的，當(dāng)三個(gè)3拉斜牛中的任何一個(gè)滿足時(shí)，命令陽極排氣。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于命令陽極排氣過程的流程圖70。在框72 處提供驅(qū)動(dòng)器功率請(qǐng)求，該請(qǐng)求是指示分離電池堆12和14戶萬產(chǎn)生的電流密度 的信號(hào)。分離電池堆12和14的陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛然虬俜直仍诳?4處以主動(dòng) 的方式確定。可以采用氮?dú)獯┰侥Ｐ蛠泶_定分離電池堆12和14陽極側(cè)中的氮 氣濃度。任何合適的氮?dú)獯┰侥Ｐ湍苡糜谠诖嗣枋龅哪康模渲性S多已經(jīng)是公 知的。可選擇地，只要傳感器對(duì)濕燃料電池環(huán)境足夠牢靠，傳感器可以設(shè)置在 陽極輸入流動(dòng)管線內(nèi)以提供分離電池堆12和14的陽極側(cè)中氮?dú)鉂舛鹊臏y(cè)量。 因?yàn)橹敝翋鳉鉂舛茸兊米銐蚋卟艌?zhí)行排氣，所以氮?dú)馀艢饷钍且源朔绞街鲃?dòng) 地確定。只要電池堆性能穩(wěn)定，即電池堆電壓保持穩(wěn)定和一致，這個(gè)方法就是 觸發(fā)陽極排氣的主要方法。驅(qū)動(dòng)器功率請(qǐng)求信號(hào)和來自氮?dú)饽Ｐ突騻鞲衅鳒y(cè)量的氮?dú)鉂舛人偷脚卸?形塊76來確定分離電池堆12和14的陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛仁欠翊笥?頁定閾值。 對(duì)于特定的電池堆電流密度，如果氮?dú)鉂舛萰liil預(yù)定閾值，那么算法在框78處 開始排氣請(qǐng)求。另外兩個(gè)排氣觸發(fā)，有時(shí)被稱為跳動(dòng)和最大和最小電壓差，具有反應(yīng)性的 特征，因?yàn)橐坏╇姵囟?2和14變得不穩(wěn)定，它們起安全裝置的作用。這些方 法直接著眼于電池電壓以便表征電池堆的性能和穩(wěn)定性。分離電池堆12和14的陽極側(cè)中氮?dú)鉂舛缺淮_定的同時(shí)，在分離電池堆12 和14 一個(gè)中燃料電池的最大電壓和在同一個(gè)分離電池堆12或14中燃料電池最 小電壓在框80 M過算法由電池電壓的測(cè)量確定。最大和最小電池電壓以及驅(qū) 動(dòng)器功率請(qǐng)求信號(hào)送到判定菱形塊82以便確定最大電池電壓減去最小電池電壓 的值是否大于預(yù)定最大和最小電壓差閾值。如果最大電池電壓減去最小電池電 壓的{駄于預(yù)定最大和最小電壓差閾值，那么可以確定電池堆是不穩(wěn)定的。該 算法決定需要氮?dú)馀艢鈦碇辽俪リ枠O流場的水，并且在框78處提供排氣請(qǐng)求。 在最大電池電壓和最小電池電壓之間大的最大和最小電壓差表明電池不穩(wěn)定， 其可能表明分離電池堆12和14的陽極側(cè)中有太多水。觸發(fā)陽極排氣的方法在 本領(lǐng):1^爾為跳動(dòng)方法，該方法是確定何時(shí)需要陽極排氣的反應(yīng)技術(shù)?？梢杂闷?均電池電壓來代替最大電池電壓。該算法在框84處確定分離電池堆12和分離電池堆14 二者中燃料電池的平均電壓。第一和第二分離電池堆12和14的平均電池電壓以及驅(qū)動(dòng)器功率請(qǐng)求 信號(hào)送到判定菱形i央86以便確定第一分離電池堆的平均電壓和第二分離電池堆 的平均電壓之間電壓差的絕對(duì)值是否大于預(yù)定閾值。如果分離電池堆12的平均 電池電壓減去分離電池堆14的平均電池電壓的電壓差的絕對(duì)值大于預(yù)定限制閾 值，那么該算法也得出電池不穩(wěn)定的結(jié)論，可能在陽極流動(dòng)區(qū)有太多水，并且 在框78處請(qǐng)求S^t。這^H1程是分離電池堆12和14的陽極側(cè)中氮?dú)獾妮o助指 示器，以及是流動(dòng)切換系統(tǒng)的第二電池堆中水積聚的優(yōu)秀指示器。這是由于系 統(tǒng)中的第二電池堆接收最低陽極化學(xué)計(jì)量直到流動(dòng)反轉(zhuǎn)。由于水積聚，電池堆 變得特另樹陽極化學(xué)計(jì)量敏感。因此，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)確定陽極側(cè)氮?dú)獾臐舛仍黾恿?附加尺度。因此，如果以上論述的用于確定氮?dú)馀艢獾娜齻€(gè)技術(shù)中任何一個(gè)是必需的 或期望發(fā)生，那么該算法在框78處命令陽極戯排氣。因此，陽極排氣能夠比 僅使用這些技術(shù)中的單個(gè)更加可靠。如本領(lǐng)域所熟知的，排氣長度是由許多因 素確定，包括分離電池堆12和14輸出的電流密度。根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施方式，也可希望執(zhí)行另外一個(gè)排氣觸發(fā)。該算 法在框88處計(jì)算分離電池堆12和14的單個(gè)燃料電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差。該標(biāo)準(zhǔn) 偏差和驅(qū)動(dòng)器功率請(qǐng)求信號(hào)提供至lj判定菱形塊90，以便確定如果單個(gè)燃料電池 電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差大于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)偏差閾值，那么算法將在框78處觸發(fā)排氣。以上涉及的閾值可以隨分離電池堆12和14的壽命而調(diào)節(jié)。由于電池堆老 化，電池電壓可以在給定電池堆電流密度下變得更加分散。如果閾值保持相同， 排氣命令可能在所有時(shí)間觸發(fā)。因此，閾值能作為電池堆時(shí)間的函數(shù)增加。作 為附加的特征，這個(gè)觸發(fā)的結(jié)合能起量化電池堆穩(wěn)定性 的作用。換句話說， 只要既不超出跳動(dòng)閾值也不超出最大和最小電壓差的閾值，認(rèn)為電池堆是穩(wěn)定 的。這個(gè)能輔助后續(xù)處理和評(píng)估整體電池堆的穩(wěn)定性。以上討論僅僅公開和描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本領(lǐng)域技術(shù)人員在不 脫離隨后權(quán)利要求確定的本發(fā)明范圍和精祌的情況下，會(huì)巨夠從這種討論和附圖 以及豐又利要求中做出各種變化、改進(jìn)和變動(dòng)。9
權(quán)利要求
1、一種用于命令從燃料電池堆的陽極側(cè)進(jìn)行陽極排氣的方法，所述方法包括確定燃料電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛?；確定燃料電池堆中燃料電池的最大電池電壓；確定燃料電池堆中燃料電池的最小電池電壓；以及如果燃料電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛却笥陬A(yù)定閾值濃度或者最大電池電壓和最小電池電壓之間的差大于預(yù)定最大和最小電壓差，那么命令陽極排氣。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定燃料電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛?包括鵬氮?dú)獯┰侥Ｐ鸵员愎纈愼氣濃度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定燃料電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛劝ㄓ脗鱥i^測(cè)m氣濃度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定燃料電池堆中燃料電池電壓 的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及其中命令陽極排氣包括如果標(biāo)準(zhǔn)偏差大于預(yù)定閾值標(biāo)準(zhǔn)偏差 則命令排氣。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中燃料電池堆包括在陽極流動(dòng)切換下操 作的第一分離電池堆和第二分離電池堆。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括確定第一分離電池堆中燃料電池 的平均電壓和第二分離電池堆中燃料電池的平均電壓之間的差的絕對(duì)值，以及 其中命令陽極排氣包括如果該鄉(xiāng)樹值大于預(yù)定瑕慟閾值貝lj命令排氣。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中預(yù)定最大和最小電壓差隨著燃料電池 堆的壽命而增大。
8、 一種用于命令A(yù)Affi過陽極流動(dòng)切換操作的第一分離電池堆和第二分離電 池堆的陽極側(cè)進(jìn)行陽極排氣的方法，所述方 跑括-確定第一和第二分離電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛龋?確定第一和第二分離電池堆的一個(gè)中的燃料電池的最大電池電壓； 確定第一或第二分離電池堆的所述一個(gè)中的燃料電池的最小電池電壓； 確定第一分離電池堆中燃料電池的平均電池電壓； 確定第二分離電池堆中燃料電池的平均電池電壓；以及如果第一和第二分離電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛却笥陬A(yù)定閾值濃度，最大 電池電壓和最小電池電壓之間的差大于預(yù)定最大和最小電壓差，或者第一分離 電池堆中燃料電池的平均電池電壓和第二分離電池堆中燃料電池的平均電池電 壓之間的差的絕對(duì)值大于預(yù)定跳動(dòng)電壓，貝IJ命令陽極排氣。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中確定分離電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛?包括艦氮?dú)獯┰侥Ｐ鸵员愎纈愼氣濃度。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中確定分離電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂?度包括艦傳感翻識(shí)氣濃度。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括確定第一分離電池堆或第二分 離電池堆的任何一個(gè)中燃料電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及其中^^令陽極排氣包括 如果該標(biāo)準(zhǔn)偏差大于預(yù)定閾值標(biāo)準(zhǔn)偏差貝lj命令排氣。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中預(yù)定最大和最小電壓差和預(yù)^^兆動(dòng) 電壓隨著分離電池堆的壽命而增大。
13、 一種用于命令從燃料電池系統(tǒng)中的第一分離電池堆和第二分離電池堆 的陽極側(cè)進(jìn)行陽極排氣的方法，所述方纟雄括使用主動(dòng)處理來確定是否需要陽極排氣； 4柳第一反應(yīng)性處理來確定是否需要陽極排氣；使用不同于第一反應(yīng)性處理的第二反應(yīng)性處理來確定是否需要陽極排氣-,以及如果主動(dòng)處理或者第一和第二反應(yīng)性處理中的任何一個(gè)指示需要陽極排 氣，則命令陽極排氣。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中使用主動(dòng)處理包括確定分離電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛取?br> 15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中確定分離電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂?度包括使用氮?dú)獯┰侥Ｐ蛠砉纈憤氣濃度。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中確定分離電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂?度包括艦傳感器測(cè)識(shí)氣濃度。
17、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中使用第一反應(yīng)性處理包括確定第 一或第二分離電池堆中燃料電池的最大電池電壓，確定第一，二分離電池堆 中燃料電池的最小電池電壓；以及其中命令陽極排氣包括如果最大電池電壓和最小電池電壓之間的差大于預(yù)定最大和最小電壓差則命令陽極排氣。
18、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中使用第二反應(yīng)性處理包括確定第 一分離電池堆中it料電池的平均電壓和第二分離電池堆中燃料電池的平均電壓 之間的差的鄉(xiāng)頓值，以及其中命令陽極排氣包括如果該鄉(xiāng)頓值大于預(yù)定跳動(dòng)閾 值則命令陽極排氣。
19、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括確定第一，二分離電池堆中 電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及其中命令陽極排氣包括如果該標(biāo)準(zhǔn)偏差大于預(yù)定閾值標(biāo) 準(zhǔn)偏差則命令排氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在燃料電池系統(tǒng)中觸發(fā)陽極排氣事件的綜合方法。一種用于在采用陽極流動(dòng)切換的燃料電池系統(tǒng)中從分離燃料電池堆觸發(fā)陽極排氣的方法。如果三個(gè)不同條件的一個(gè)滿足，該方法請(qǐng)求排氣。這些條件包括分離電池堆陽極側(cè)中的氮?dú)鉂舛瘸鲱A(yù)定百分比，在分離電池堆中兩個(gè)燃料電池的最大電池電壓和最小電池電壓之間的差大于預(yù)定最大和最小電壓差，以及在兩個(gè)分離電池堆的總電壓之間的差的絕對(duì)值大于預(yù)定電壓。陽極中的氮?dú)鉂舛饶芤院线m的方式確定，例如通過氮?dú)獯┰侥Ｐ突騻鞲衅鳌?br> 文檔編號(hào)H01M8/04GK101330154SQ20081014465
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者A·B·阿爾普, D·A·阿瑟, J·R·謝恩科夫斯基, P·加德 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司