CN108370052A - 控制燃料电池的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制具有聚合物电解质膜的燃料电池的方法，该燃料电池安装在系统中，所述系统包括燃料气体供应回路和氧化气体供应回路，所述燃料气体供应回路将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极，所述氧化气体供应回路连接氧化气体储存器或大气，所述方法包括以下步骤：向燃料电池供应氧化气体，检测由电池产生的电流大于基于安装有燃料电池的系统所确定的第一阈值，以及减少向燃料电池供应氧化气体，以减少产生的电流。本发明还涉及一种燃料电池系统以及在车上包含这种系统的车辆。

Description

控制燃料电池的方法

技术领域

本发明涉及燃料电池，并且特别地(但不仅仅)涉及这样的燃料电池：其中，电解质采取聚合物膜的形式(即，具有PEFC(聚合物电解质燃料电池)的类型)。

更确切地说，本发明涉及当燃料电池与另一电源相组合而用在车辆中时的燃料电池的工作。

背景技术

众所周知，燃料电池可以直接通过电化学氧化还原反应从燃料气体和氧化剂气体产生电力，而不需要中间转化为机械能。这项技术看起来对于汽车应用而言尤其具有潜力。

就输送的电力而言，燃料电池的工作点通常由施加于其上的负载来定义。因此，为了配备有燃料电池的车辆的正确运转，当电池安装在整体供电系统中时，将该电池与电子转换器连接是有用的，该电子转换器可以改变燃料电池所遇到的阻抗，因此也改变其工作点。具体而言，为了满足通过车辆的加速踏板表示出的来自驾驶员的动力需求，需要能够通过修改电池的工作点来调整由电池供应的电力。在此规定，当提到“工作点的变化”时，意指离开燃料电池的电流的大小的变化：I PAC。

因此所谓的“全H2”车辆架构(也就是说，没有电池存储的架构)是已知的，图1中示出了其一个示例。在该示例中，发动机逆变器11安装在燃料电池10与发动机12之间。在这种情况下，正是逆变器使得可以调节燃料电池所遇到的阻抗，从而调节工作点I PAC。

配备有增程器(prolongateur d'autonomie)的具有电池的电动车辆架构也是已知的。图2示出了这种架构的示例，其中，发动机22主要由电池23供电。逆变器21位于电池23与发动机21之间。该车辆配备有燃料电池20的形式的增程器，燃料电池20可以在电池24放电时对电池24进行再充电。为了定义工作点I PAC，使用安装在燃料电池20与电池24之间的电子DC-DC电压转换器23。

然而，由于转换器23是一种昂贵、沉重和庞大的部件，所以该架构表现出几个主要缺点。此外，由于转换器的通常效率约为90％至95％，所以使用这种转换器会导致效率损失。

因此，已经考虑移除该转换器23，由此得到电池20和电池24的并联的直接联接。因为燃料电池和电池必须具有大致相同的电压范围以便能够直接并联连接，所以这种联接对两个电压发生器的电压的匹配施加了约束。考虑到电池具有几乎恒定的电压，因此该电压事实上将被施加在燃料电池上。

这种约束表现出两个显著缺点。首先，电池的电压变化范围(该范围相对较小)不能利用燃料电池的工作点的宽变化范围。具体而言，电池具有基本恒定的电压，并且，考虑到直接联接，电池将其电压施加在燃料电池上。这样的结果是由燃料电池根据其特征偏置曲线而输送的电流。在图4所示的示例中，电池的电压为62V。根据作为示例的偏置曲线，由燃料电池提供的电流将为220A。实际上，根据驾驶员的需求，电池的电压变化，由此也导致燃料电池的电流的变化。然而，该电压变化保持为相对较小，因此不能利用燃料电池的工作点的宽变化范围。

其次，当来自发动机的功率需求较低时，或者电池的充电状态不允许电流被吸收时，已证明不可能减少由燃料电池输送的电流。

因此，本发明旨在提出一种可以纠正这两个缺点的解决方案。

发明内容

燃料电池是单一元件的堆叠，每个单一元件主要由阳极和阴极形成，所述阳极和阴极由聚合物膜隔开，所述聚合物膜允许质子从阳极传递向阴极。

该堆叠安装在系统中，所述系统包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路，所述燃料气体供应回路将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路连接氧化剂气体储存器或大气。

氧化半反应发生在供应有燃料(例如，氢气)的阳极。同时，还原半反应发生在供应有氧化剂(例如，纯氧或空气中含有的氧气)的阴极。正是这两种半反应导致了水和电流的产生。

如上所述，本发明旨在提出一种解决方案，以用于当发动机需求较小时，或者当与燃料电池相连的电池的充电状态不允许电流被吸收时，减少由燃料电池产生的电流。

为此，本发明涉及一种用于控制聚合物电解质膜燃料电池的方法，该燃料电池安装在系统中，所述系统包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路，所述燃料气体供应回路将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路连接氧化剂气体储存器或大气。该方法包括以下步骤：

-向燃料电池供应氧化剂气体(也称为氧化剂)，

-检测由电池产生的电流大于第一阈值，所述第一阈值基于安装有所述燃料电池的系统而确定，

-减少向燃料电池供应氧化剂气体，以减少产生的电流。

更准确地说，引入的氧气量减少，以便根据将所产生的电流和给定的燃料电池所消耗的氧气量线性关联的化学计量关系而将电流限制到期望值。例如，对于由50个单元电池形成的燃料电池，在100A消耗的氧气为17.5标准升每分钟(SLPM)。因此，理论上，如果希望将电流限制在100A，则引入的空气量将减少到83SLPM(17.5SLPM/21％)。实际上，一些氧气能够从电池中逸出而不发生反应，因此需要相对于所期望电流而提供轻微的过量供应。有利地，在本发明的一个实施方案中，使用负责控制空气流量的控制器以便满足电流设定值。

本发明在燃料电池直接联接到另一电压发生器(特别是电池)的系统中特别有利。

更具体地说，在燃料电池联接到电压控制而不是电流控制的负载时，本发明特别有利。具体而言，如果联接到燃料电池的负载是电流控制的，则其会具有调整其阻抗以便维持恒定电流的趋势，而由于没有足够的空气来维持这种电流，这将导致单元电池中的电压崩溃。因此，在这种工作模式中，负载优选为在低电压限制模式下工作，从而不会导致燃料电池中的电压崩溃。

因此，当燃料电池联接到另一个电压发生器时，尤其推荐本发明。从而，这自然地避免了在空气供应不足时发生电压崩溃的风险。

已知燃料电池消耗的氧气严格正比于所产生的电流，并且其由以下关系定义：

氧气消耗量[g/s]

n_e-：电子数量＝2

MW_o2：氧气的分子量

Nb_cell：电池中的单元电池的数量

F：法拉第常数[96487库/摩尔]

I_FC：电池中的电流[A]

优选地，在根据本发明的方法中，氧化剂过量供应至燃料电池，也就是说，阴极接收比为了维持由燃料电池输送的电流所需的氧气更多的氧气。在一个示例中，这种过量供应表现为在阴极处的化学计量比设置为大约为2。

这样的值使得可以确保在燃料电池的单元电池的活性表面区域上电流的良好均匀性，同时避免在电池出口处燃料电池产生的水在空气中的饱和。

此外，已经观察到更高的化学计量比是不理想的，因为这可能导致空气供应的寄生消耗和膜电极组件的干燥。

因此，本发明提出当需要减少由电池产生的电流时，对燃料电池供应不足的空气。为此，减少向电池供应的氧化剂。具体而言，当不再有足够的氧化剂来维持电池产生的电流水平时，所述水平下降直到其达到与所供应的氧化剂的量相对应的水平。在此规定，如果进入的气流被完全切断，也可以完全消除由燃料电池产生的电流。

特别是在燃料电池连接到电池的情况下，例如当燃料电池用作由电池供电的系统的增程器时，产生减少由燃料电池所产生的电流的需求。在这种情况下，基于对电池的电量的估计来执行对减少电流的需求的检测。

在另一个示例中，如果由燃料电池直接或间接供电的发动机要求较低的功率，则可能需要减小电流。在这种情况下，基于对总线电流的测量来执行检测。

此外，已经观察到，当实施根据本发明的控制方法时，由于空气的量不再足以避免产生的水的凝结，空气至燃料电池的供应不足导致离开电池的空气的湿度过饱和。这有可能导致燃料电池的水淹，并因此导致电池故障或损坏。此外，氧化剂供应不足可能导致活性表面区域分化成两个区域：靠近进气口的产生电流的一个区域，以及不再产生电流的被夺去氧气的区域，参见将进一步描述的图5。在这种情况下，在阴极处被夺去氧气但仍在阳极处供应有氢气的区域可以起到质子泵的作用，也就是说，它将转变成对于仍然为活性的区域的电流消耗装置，该电流将会用于通过质子交换膜将氢从阳极泵送到阴极。该过程也被称为氢的电化学压缩。对我们而言，这将涉及会导致电流还有氢气的寄生消耗的反应。此外，从阳极泵送到阴极的氢气易于与残余的氧气反应，并且通过燃烧产生加热，从而导致损坏燃料电池的单元电池的风险。然而，因为这个区域适当地高度缺氧，后一反应并不太可能发生的。

因此，在一个优选的实施方案中，将供应不足限制在特定的时间段似乎是有用的。

为此，在一个示例中，根据本发明的方法包括这样的步骤：当能够被电池或其他连接到燃料电池的终端的耗电装置吸收的电流变得大于第二阈值时，在正常的化学计量条件下重新对燃料电池进行供应。该第二阈值优选地至少等于在正常化学计量条件下由电池产生的电流，以避免在正常操作和电流受限操作之间重复或不稳定的切换。

此外，为了防止活性区域的分化，在一个优选实施方案中，有利的是使阴极气体再循环，以便在阴极内均匀地稀释残余的氧气，并促进产生的电流在整个活性表面区域上的分布。再循环可以通过抽吸阴极出口处的气体以便在入口处重新引入气体的泵来进行。在这种条件下，可以在长于数分钟的时间段内，甚至连续地延长电流受限的运转。

在另一个示例中，根据本发明的方法包括这样的步骤：如果减少供应的电流的需求延长超过例如60秒则关闭燃料电池的步骤以及通过接触器将燃料电池电隔离的步骤。

应该注意的是，在电池的充电量太高而不能接受由燃料电池产生的电流的增加和源自作为发电机运行的牵引电机的电流的增加的情况下，本发明有利地能够在恢复制动阶段期间在电动车辆中实施。

本发明还涉及一种聚合物电解质膜燃料电池系统，其包括：燃料气体供应回路，其将燃料气体储存器连接到所述燃料电池的阳极；以及，氧化剂气体供应回路，其连接氧化剂气体储存器或大气空气，并具有控制装置，所述控制装置能够实施根据本发明的方法。

本发明还涉及一种车辆，其包括根据本发明的系统，并且，其进一步包括联接到所述燃料电池的电压发生器。

附图说明

在以下对优选但非限制性的实施方案的描述中，本发明的其他目的和优点将变得清楚明显，所述实施方案由以下附图示出，其中：

·已经描述的图1和图2示出了电动车辆的架构，

·已经描述的图3示出了燃料电池的偏置曲线，其示出了作为电压的函数的电池的电流，

·图4显示了当氧气的过量供应为1.8时，由单元电池产生的电流的映射，

·图5显示了当氧气供应不足时，由单元电池产生的电流的映射。

具体实施方式

图4示出了通过专门开发的传感器在200cm²的燃料电池的单元电池活性表面区域上测量的电流的映射。在这种情况下，燃料电池的单元电池产生95A的电流，并且供应有3标准升每分钟(SLPM)的空气流量。根据前面在段落[0021]中描述的关系，这对应于1.8的氧气供应过量。可以看出，即使均匀性不完美，电池的整个活性表面区域都对产生电流做出了贡献。

图5显示了当空气流量降低到1.45SLPM时前一示例的电池产生的电流的映射。该空气流量不能传送用于维持之前建立的95A的电流所需的氧气量。因此，电流自然地下降至80A，根据上述关系，这对应于实际上使得提供的氧气完全消耗所得到的电流。

在电流的映射中可以看到非常大的不均匀性。具体而言，在受测试的单元电池中，空气经由左上角进入，并且通过蜿蜒通道而分布在单元电池的表面区域上，从而通过右下角离开。当空气沿着蜿蜒通道移动时，空气中的氧气减少，从而最终在通道末端接近为零的氧气浓度。正是由于这个原因，单元电池的右侧区域(对应于通道的末端)几乎不产生电流。

然后，通过这两幅图观察到，由燃料电池供应的空气量对所产生的电流具有直接影响，由此允许根据本发明的方法能够有效地控制由燃料电池产生的电流。

Claims (10)

1.一种用于控制聚合物电解质膜燃料电池的方法，该燃料电池安装在系统中，所述系统包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路，所述燃料气体供应回路将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路连接氧化剂气体储存器或大气，所述方法包括以下步骤：

·向燃料电池供应氧化剂气体，

·检测由燃料电池产生的电流大于第一阈值，所述第一阈值基于安装有燃料电池的所述系统而确定，

·减少向燃料电池供应氧化剂气体，以减少产生的电流。

2.根据权利要求1所述的控制方法，所述方法在进一步包括连接到所述燃料电池的电池的系统中实施，并且其中，基于对电池的电量的估计来执行所述检测。

3.根据权利要求1所述的控制方法，所述方法在进一步包括连接到所述燃料电池的电池的系统中实施，并且其中，基于对总线电流的测量来执行所述检测。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤：当能够被电池或其他连接到燃料电池的终端的消耗装置吸收的电流变为大于第二阈值时，在正常的化学计量条件下重新对燃料电池进行供应。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其包括以下步骤：通过在阴极出口处抽吸气体并在入口处重新注入所述气体来再循环阴极气体。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤：在供应不足的预定时间段之后，关闭所述燃料电池。

7.一种聚合物电解质膜燃料电池系统，其包括：燃料气体供应回路，其将燃料气体储存器连接到所述燃料电池的阳极；以及，氧化剂气体供应回路，其连接氧化剂气体储存器或大气空气，并且所述聚合物电解质膜燃料电池系统包括控制装置，所述控制装置能够实施根据权利要求1至5中任一项所述的方法。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其进一步包括控制器，所述控制器安装在所述氧化剂气体供应回路中，从而能够控制氧化剂气体流量。

9.根据权利要求7或8所述的燃料电池系统，其进一步包括再循环泵，所述再循环泵安装在所述氧化剂气体供应回路中。

10.一种车辆，其包括根据权利要求7至9中任一项所述的燃料电池系统，并且，其进一步包括联接到所述燃料电池的电压发生器。