專利名稱：基于燃料電池堆參數(shù)估計(jì)自動(dòng)地啟用/停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于確定何時(shí)再調(diào)節(jié)燃料電池堆以及何時(shí)禁止再調(diào)節(jié)燃料電池堆的系統(tǒng)和方法，且更具體地涉及用于確定何時(shí)再調(diào)節(jié)燃料電池堆以及何時(shí)停用燃料電池堆的再調(diào)節(jié)的系統(tǒng)和方法，包括在燃料電池堆最大功率估計(jì)值下降低于第一預(yù)定功率閾值時(shí)觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程；如果燃料電池堆再調(diào)節(jié)并未將最大燃料電池堆功率估計(jì)值升高高于第二預(yù)定功率閾值，則停用燃料電池堆的再調(diào)節(jié)；以及/或如果自上一次再調(diào)節(jié)過(guò)程以來(lái)的再調(diào)節(jié)觸發(fā)時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間閾值，則停用燃料電池堆的再調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
氫是非常有吸引力的燃料，因?yàn)闅涫乔鍧嵉那夷軌蛴糜谠谌剂想姵刂杏行У禺a(chǎn)生電力。氫燃料電池是電化學(xué)裝置，包括陽(yáng)極和陰極，電解質(zhì)在陽(yáng)極和陰極之間。陽(yáng)極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽(yáng)極催化劑處分解以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子與氧和電子在陰極催化劑處反應(yīng)產(chǎn)生水。來(lái)自于陽(yáng)極的電子不能穿過(guò)電解質(zhì)，且因而被引導(dǎo)通過(guò)負(fù)載，以在輸送至陰極之前做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的普遍燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極通常但不總是包括細(xì)分的催化劑顆粒，通常是諸如鉬(Pt)的高活性催化劑，所述催化劑顆粒通常支承在碳顆粒上且與離聚物混合。 催化劑混合物沉積在膜的相對(duì)側(cè)上。陽(yáng)極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA的制造相對(duì)昂貴且需要某些條件以有效操作。多個(gè)燃料電池通常組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望功率。例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機(jī)強(qiáng)制通過(guò)燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為陰極廢氣輸出，所述陰極廢氣可以包括作為燃料電池堆的副產(chǎn)物的水。燃料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極氫輸入氣體。燃料電池堆包括位于燃料電池堆中多個(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。雙極板包括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。陽(yáng)極氣體流場(chǎng)設(shè)置在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上，且允許陽(yáng)極反應(yīng)物氣體流向相應(yīng)MEA。陰極氣體流場(chǎng)設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，且允許陰極反應(yīng)物氣體流向相應(yīng)MEA。一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道，另一個(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，如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的電傳導(dǎo)到燃料電池堆之外。雙極板也包括冷卻流體流經(jīng)的流動(dòng)通道。燃料電池內(nèi)的膜需要具有足夠的水含量，從而經(jīng)過(guò)膜的離子阻力足夠低以有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。膜濕化可以來(lái)自于燃料電池堆水副產(chǎn)物或外部濕化。通過(guò)燃料電池堆流動(dòng)通道的反應(yīng)物流對(duì)電池膜具有干燥效應(yīng)，最明顯在反應(yīng)物流的入口處。然而，在流動(dòng)通道內(nèi)的水滴積聚將防止反應(yīng)物從中流過(guò)，且由于低的反應(yīng)物氣體流可能導(dǎo)致電池故障，從而影響燃料電池堆穩(wěn)定性。在反應(yīng)物氣體流動(dòng)通道內(nèi)以及在氣體擴(kuò)散層(GDL)內(nèi)的水積聚在低燃料電池堆輸出負(fù)載時(shí)特別易出故障。如上所述，水作為燃料電池堆操作的副產(chǎn)物產(chǎn)生。因而，來(lái)自于燃料電池堆的陰極廢氣通常包括水蒸汽和液體水。本領(lǐng)域已知使用水蒸汽傳輸(WVT)單元來(lái)捕獲陰極廢氣中的一些水，且使用所述水來(lái)濕化陰極輸入空氣流。在水傳輸元件(如膜)的一側(cè)處的陰極廢氣由水傳輸元件吸收且傳輸給水傳輸元件的另一側(cè)處的陰極空氣流。在燃料電池系統(tǒng)中，存在引起燃料電池堆性能的永久喪失(如，催化劑活性的喪失、電池膜中的催化劑支承件腐蝕和形成針孔)的多個(gè)機(jī)制。然而，存在可能引起大致可逆的燃料電池堆電壓損失(如，電池膜干燥、催化劑氧化物形成以及污染物積聚在燃料電池堆的陽(yáng)極和陰極兩側(cè))的其它機(jī)制。因而，本領(lǐng)域需要去除氧化物形成和污染物積聚以及再次水化電池膜以恢復(fù)燃料電池堆中的電池電壓損失。對(duì)于系統(tǒng)濕化、性能和污染物去除來(lái)說(shuō)期望潮濕燃料電池堆操作，即在高的水分量的情況下操作。然而，存在在較低水分量的情況(也稱為干燥狀況)下操作燃料電池堆的各個(gè)理由。例如，由于水積聚，潮濕燃料電池堆操作可能導(dǎo)致燃料電池穩(wěn)定性問(wèn)題，且還可能導(dǎo)致引起碳腐蝕的陽(yáng)極隔絕氧氣(anode starvation).此外，由于在燃料電池堆的各個(gè)位置處的液體水凍結(jié)，潮濕燃料電池堆操作在冷凍狀況下可能是有問(wèn)題的。因而，本領(lǐng)域需要針對(duì)非潮濕操作狀況優(yōu)化的系統(tǒng)。于 2009 年 10 月 16 日提交的、題為"Automated procedure for executing in-situ fuel cell stack reconditioning”、轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓者且作為參考并入本文的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/580,912公開了用于再調(diào)節(jié)燃料電池堆的系統(tǒng)和方法，包括增加燃料電池堆的陰極側(cè)的濕化水平以水化電池膜且在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)將氫提供給燃料電池堆的陰極側(cè)，其中，所述系統(tǒng)監(jiān)測(cè)再調(diào)節(jié)事件觸發(fā)、再調(diào)節(jié)閾值和再調(diào)節(jié)系統(tǒng)檢查，從而可以在車輛操作期間提供再調(diào)節(jié)過(guò)程。通常，燃料電池堆再調(diào)節(jié)包括在相對(duì)高濕度的情況下運(yùn)行燃料電池堆以從燃料電池堆去除污染物以從燃料電池堆降級(jí)恢復(fù)。然而，再調(diào)節(jié)是異常操作且將燃料電池堆暴露于潮濕操作，如果液體水終止在陽(yáng)極流場(chǎng)且低陽(yáng)極流率不能將它們吹掃出，可能引起可靠性問(wèn)題。因而，應(yīng)當(dāng)僅在絕對(duì)必要時(shí)執(zhí)行再調(diào)節(jié)。先前燃料電池堆再調(diào)節(jié)觸發(fā)包括通過(guò)監(jiān)測(cè)車輛行程(trip)或關(guān)鍵循環(huán)的數(shù)量來(lái)觸發(fā)再調(diào)節(jié)。如果行程數(shù)量超過(guò)閾值，這被認(rèn)為表示之后燃料電池堆電壓會(huì)降級(jí)的時(shí)間，則觸發(fā)再調(diào)節(jié)過(guò)程。然而，可以進(jìn)行觸發(fā)再調(diào)節(jié)過(guò)程的改進(jìn)，從而再調(diào)節(jié)僅在必要時(shí)執(zhí)行以減少異常操作狀況。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了用于確定何時(shí)觸發(fā)燃料電池堆的再調(diào)節(jié)以及何時(shí)停用燃料電池堆的再調(diào)節(jié)的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，在最大燃料電池堆功率估計(jì)值下降低于第一預(yù)定功率閾值時(shí)觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)。如果再調(diào)節(jié)過(guò)程并未將最大功率估計(jì)值升高高于第二預(yù)定功率閾值或從一個(gè)再調(diào)節(jié)觸發(fā)到下一個(gè)再調(diào)節(jié)觸發(fā)的時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間閾值或兩者兼而有之，則燃料電池堆的再調(diào)節(jié)能夠被停用，從而在發(fā)生觸發(fā)時(shí)不被執(zhí)行。方案1. 一種用于觸發(fā)和停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的方法，所述方法包括 確定燃料電池堆中的燃料電池的電壓和電流；基于所確定的電壓和電流生成燃料電池堆的極化曲線； 基于所述極化曲線估計(jì)極化曲線參數(shù)；
基于所述極化曲線參數(shù)確定燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值； 如果最大功率估計(jì)值在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)下降低于第一預(yù)定最大功率閾值，那么觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程；以及
在最大燃料電池堆功率估計(jì)值從先前燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程增加之后，每當(dāng)最大燃料電池堆功率估計(jì)值下降低于第一預(yù)定最大功率閾值時(shí)，觸發(fā)再調(diào)節(jié)過(guò)程。方案2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述第一預(yù)定最大功率閾值在60和70 kff 之間。方案3.根據(jù)方案1所述的方法，還包括在完成再調(diào)節(jié)過(guò)程之后，如果燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值未增加高于第二預(yù)定最大功率閾值，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。方案4.根據(jù)方案3所述的方法，其中，所述第二預(yù)定最大功率閾值在72和75 kff 之間。方案5.根據(jù)方案1所述的方法，還包括如果從先前燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束到下一次再調(diào)節(jié)過(guò)程觸發(fā)的時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間段，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。方案6.根據(jù)方案1所述的方法，還包括如果最大燃料電池堆功率估計(jì)值的估計(jì)燃料電池堆降級(jí)速率指示到下一次再調(diào)節(jié)過(guò)程的時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間段，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。方案7.根據(jù)方案1所述的方法，其中，執(zhí)行再調(diào)節(jié)過(guò)程包括在燃料電池堆關(guān)閉期間提供燃料電池堆陰極側(cè)的氫接管；以及等待污染物由于增加的濕化水平和氫接管而去除。方案8. —種用于觸發(fā)和停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的方法，所述方法包括 確定燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值；
如果最大功率估計(jì)值在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)下降低于第一預(yù)定最大功率閾值，那么觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程；
在最大燃料電池堆功率估計(jì)值從先前燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程增加之后，每當(dāng)最大燃料電池堆功率估計(jì)值下降低于第一預(yù)定最大功率閾值時(shí)，觸發(fā)再調(diào)節(jié)過(guò)程；以及
在完成再調(diào)節(jié)過(guò)程之后，如果燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值未增加高于第二預(yù)定最大功率閾值，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。方案9.根據(jù)方案8所述的方法，其中，所述第一預(yù)定最大功率閾值是70 kW。方案10.根據(jù)方案8所述的方法，其中，所述第二預(yù)定最大功率閾值是72 kW。方案11.根據(jù)方案8所述的方法，其中，執(zhí)行再調(diào)節(jié)過(guò)程包括在燃料電池堆關(guān)閉期間提供燃料電池堆陰極側(cè)的氫接管；以及等待污染物由于增加的濕化水平和氫接管而去除。方案12. —種用于觸發(fā)和停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的方法，所述方法包括 確定燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值；
如果最大功率估計(jì)值在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)下降低于預(yù)定最大功率閾值，那么觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程；在最大燃料電池堆功率估計(jì)值從先前再調(diào)節(jié)過(guò)程增加之后，每當(dāng)最大燃料電池堆功率估計(jì)值下降低于預(yù)定最大功率閾值時(shí)，觸發(fā)再調(diào)節(jié)過(guò)程；以及
如果從先前燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束到下一次再調(diào)節(jié)過(guò)程觸發(fā)的時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間段，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。方案13.根據(jù)方案12所述的方法，還包括如果最大燃料電池堆功率估計(jì)值的估計(jì)燃料電池堆降級(jí)速率指示到下一次再調(diào)節(jié)過(guò)程的時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間段，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。方案14.根據(jù)方案12所述的方法，其中，所述預(yù)定最大功率閾值是70 kW。方案15.根據(jù)方案12所述的方法，其中，執(zhí)行再調(diào)節(jié)過(guò)程包括在燃料電池堆關(guān)閉期間提供燃料電池堆陰極側(cè)的氫接管；以及等待污染物由于增加的濕化水平和氫接管而去除。本發(fā)明的附加特征將從以下說(shuō)明和所附權(quán)利要求書結(jié)合附圖顯而易見。


圖1是燃料電池系統(tǒng)的框圖2是流程圖，示出了再調(diào)節(jié)過(guò)程，用于通過(guò)再調(diào)節(jié)過(guò)程去除燃料電池堆中的氧化和污染物積聚；
圖3是示出了用于觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程且停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的提出過(guò)程的框圖4是示出了基于燃料電池堆功率觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)時(shí)以及停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)時(shí)的時(shí)幀的曲線圖，水平軸為時(shí)間，豎直軸為燃料電池堆功率；和
圖5是示出了基于燃料電池堆輸出功率來(lái)觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)以及基于再調(diào)節(jié)觸發(fā)之間的時(shí)間來(lái)停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)的方法的曲線圖，水平軸為時(shí)間，豎直軸為燃料電池堆功率。
具體實(shí)施例方式涉及用于觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程且停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明實(shí)施例的以下闡述本質(zhì)上僅僅是示例性的且不旨在以任何方式限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的示意性框圖。燃料電池堆12在陽(yáng)極輸入管線18上從氫源16接收氫，且在管線20上提供陽(yáng)極廢氣。壓縮機(jī)22通過(guò)水蒸汽傳輸(WVT)單元32將空氣流在陰極輸入管線14上提供給燃料電池堆12的陰極側(cè)，WVT單元32濕化陰極輸入空氣。WVT單元32在該實(shí)施例中用作非限制性示例，其中，其它類型的濕化裝置可應(yīng)用于濕化陰極輸入空氣，如焓輪、蒸發(fā)器等。陰極廢氣在陰極廢氣管線沈上從燃料電池堆12輸出。廢氣管線沈?qū)㈥帢O廢氣引導(dǎo)到WVT單元32，以提供濕度以便濕化陰極輸入空氣。旁通管線30圍繞WVT單元32設(shè)置以將陰極廢氣中的一些或全部引導(dǎo)繞過(guò) WVT單元32，與本文所述一致。在替代實(shí)施例中，旁通管線30可以是入口旁通。旁通閥34 設(shè)置在旁通管線30中且被控制以將陰極廢氣限制性地重新引導(dǎo)通過(guò)或繞過(guò)WVT單元32，以將所需量的濕度提供給陰極輸入空氣。
控制器36控制旁通閥34是開啟還是閉合以及旁通閥34開啟多大。通過(guò)控制旁通閥34，控制器36能夠確定多少陰極廢氣被引導(dǎo)通過(guò)WVT單元32，且因而來(lái)自于陰極廢氣的多少水將用于濕化陰極輸入空氣。陰極出口濕度根據(jù)燃料電池堆操作狀況而變，燃料電池堆操作狀況包括陰極和陽(yáng)極入口相對(duì)濕度、陰極和陽(yáng)極化學(xué)計(jì)量比、壓力和溫度。在下文所述的再調(diào)節(jié)期間，期望增加膜的濕化水平。這通常通過(guò)增加陰極出口相對(duì)濕度來(lái)完成。在該實(shí)施例中，旁通閥34在燃料電池堆再調(diào)節(jié)期間被控制以增加陰極入口空氣的濕化水平。然后，燃料電池堆操作狀況設(shè)定點(diǎn)將被管理以將陰極出口相對(duì)濕度進(jìn)一步增加到設(shè)定點(diǎn)，如本領(lǐng)域已知的那樣。示例包括降低燃料電池堆溫度或減少陰極化學(xué)計(jì)量比。燃料電池堆12可相對(duì)干燥地操作，如陰極入口和廢氣相對(duì)濕度小于100%。在延長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)這種干燥燃料電池堆操作可導(dǎo)致燃料電池堆12中的部件(如電池膜和MEA催化劑層)的干燥。當(dāng)燃料電池堆12產(chǎn)生的水量低時(shí)，燃料電池堆12的干燥在低功率操作下更可能發(fā)生，但是在高功率下更顯著。此外，在低功率和高電池電壓下的操作導(dǎo)致催化劑上氧化物形成的更高速率，尤其是在使用貴金屬催化劑時(shí)。如下文所述，提供燃料電池堆再調(diào)節(jié)以從燃料電池堆12內(nèi)去除影響燃料電池堆性能的污染物，例如硫酸鹽和氯化物。在燃料電池堆再調(diào)節(jié)期間，燃料電池堆12以準(zhǔn)規(guī)則間隔在潮濕狀況下操作。通過(guò)使得燃料電池堆相對(duì)潮濕地操作，各種鐵和其它分子將進(jìn)入燃料電池堆12內(nèi)的溶液中且將能夠更好地由通過(guò)反應(yīng)物氣體流動(dòng)通道的水流驅(qū)出。例如， 這種潮濕狀況在高電流密度時(shí)可以超過(guò)110%相對(duì)濕度，但是可以使用其它百分比的相對(duì)濕度。燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉，同時(shí)保持這些潮濕狀況。緊接在燃料電池系統(tǒng)10關(guān)閉之后，陰極側(cè)催化劑用氫以及其它氣體混合物(如，氮和水蒸汽)覆蓋。該過(guò)程在下文更詳細(xì)地描述。圖2是流程圖40，示出了用于再調(diào)節(jié)燃料電池堆12的可能步驟，從而允許恢復(fù)燃料電池堆12的電壓。在框42，系統(tǒng)啟動(dòng)是第一步驟。控制器36在判斷菱形塊44確定是否需要燃料電池堆12的再調(diào)節(jié)。本發(fā)明設(shè)想能夠檢測(cè)會(huì)需要燃料電池堆12再調(diào)節(jié)的燃料電池堆污染物的影響(例如，低電壓、低濕度水平、低燃料電池堆功率等)的任何合適算法或裝置。如果控制器36在判斷菱形塊44確定不需要燃料電池堆12的再調(diào)節(jié)，那么在框46控制器36不啟用再調(diào)節(jié)過(guò)程且燃料電池系統(tǒng)10在正常操作狀況下操作。然而，如果控制器36在判斷菱形塊44確定需要燃料電池堆12的再調(diào)節(jié)，那么觸發(fā)再調(diào)節(jié)燃料電池堆12的過(guò)程。執(zhí)行再調(diào)節(jié)過(guò)程所需的控制和標(biāo)定嵌入在控制器36的軟件中。在框48，控制器36改變操作狀況，使得與正常操作狀況下將發(fā)生的相比，管線沈上的陰極廢氣在更潮濕的狀況下操作。這種潮濕狀況的示例是管線26上的陰極廢氣相對(duì)濕度超過(guò)100%相對(duì)濕度，取決于陽(yáng)極和陰極氣體的速度。如果氣體速度低，可保持管線沈上的正常出口相對(duì)濕度。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，可以使用具有不同的出口相對(duì)濕度和變化氣體速度的潮濕狀況。接下來(lái)，在框50，控制器36等待電池MEA飽和至期望相對(duì)濕度水平。在框50，在飽和期間在陽(yáng)極或陰極側(cè)上燃料電池堆溢流的液體水可以通過(guò)主動(dòng)地控制排泄、排放或其它系統(tǒng)閥來(lái)管理，或者可以通過(guò)增加陰極化學(xué)計(jì)量比來(lái)管理。避免燃料電池堆12溢流的一個(gè)示例是在較高電流密度下操作燃料電池堆，從而使用較高陰極和陽(yáng)極速度。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，存在防止溢流的其它方法。
通過(guò)示例，電池MEA飽和至期望濕度水平所需的時(shí)間量在燃料電池堆電流密度在 0.4-1 A/cm2范圍內(nèi)時(shí)可以是超過(guò)20分鐘的時(shí)間段。較低電流密度也可能是有效的；然而， 它們可能需要比高電流密度更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到，不同時(shí)間段和不同電流密度范圍將實(shí)現(xiàn)期望飽和水平。因而，該示例不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。一旦在框50電池MEA飽和至期望濕度水平，控制器36就在框52在系統(tǒng)關(guān)閉后啟動(dòng)陰極還原。陰極還原需要?dú)溆糜诮庸芎透采w燃料電池堆12的陰極側(cè)。在該過(guò)程期間，不使用系統(tǒng)在關(guān)閉后通常經(jīng)歷的任何干燥吹掃。通過(guò)在系統(tǒng)關(guān)閉后保持燃料電池堆12的陽(yáng)極側(cè)中的過(guò)量氫，氫能夠通過(guò)滲透經(jīng)過(guò)膜，通過(guò)直接噴射到陰極側(cè)，或者其組合，以消耗可用氧。通過(guò)使用氫消耗燃料電池堆12的陰極側(cè)上的氧，減少了陰極側(cè)中的各種污染物，例如可能粘附到陰極催化劑中的鉬部位的污染物。重要的是，在該過(guò)程步驟期間，防止負(fù)載施加到燃料電池堆12，這將加速氧消耗。因而，至此所述的過(guò)程包括首先通過(guò)將陰極入口空氣濕化高于正常濕度水平而使得燃料電池堆12中的燃料電池中的MEA飽和，然后保持飽和水平至系統(tǒng)關(guān)閉，在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)間，氫在無(wú)負(fù)載狀況下引入燃料電池堆12的陽(yáng)極側(cè)以消耗陰極側(cè)上的氧。當(dāng)然，在某些操作狀況(例如，冷凍狀況)下，存在關(guān)于在系統(tǒng)關(guān)閉之后燃料電池堆12可以多潮濕的限制。在陰極側(cè)在框52用氫充分覆蓋之后，控制器36在框M等待一定時(shí)間段以允許污染物去除。通過(guò)示例，且絕不旨在限制本發(fā)明的范圍，允許污染物去除的時(shí)間量可以是20 分鐘。附加浸泡時(shí)間可能是有益的，因?yàn)樵谙到y(tǒng)冷卻下來(lái)時(shí)更多的水蒸汽將冷凝，這將用于去除更大比例的污染物。如果在框56在系統(tǒng)啟動(dòng)之前未滿足所需時(shí)間量，益處可能不會(huì)完全實(shí)現(xiàn)，且過(guò)程可能需要重復(fù)。在成功再調(diào)節(jié)之后，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)10在框56重新啟動(dòng)時(shí)， 其應(yīng)當(dāng)在其正常操作狀況下工作。在未成功再調(diào)節(jié)的情況下，控制器將采取合適的步驟，如本文所述。上述過(guò)程增強(qiáng)燃料電池MEA使得燃料和氧化物反應(yīng)的能力，因?yàn)?(1)較高比例的液體水允許洗掉任何可溶污染物，(2)較高水平的膜電極飽和度增加了膜和電極的質(zhì)子傳導(dǎo)率，(3)在潮濕狀況下電壓的減少引起硫酸鹽(
ZfS不)狀有害物質(zhì)表面覆蓋的減少，其然后在隨后操作期間被沖掉，以及(4)表面氧化物
(如氧化鉬(PtO)和氫氧化鉬(PtOH))的還原，這將暴露更多的貴金屬部位。因而，燃料電池堆12再調(diào)節(jié)過(guò)程將借助于減少與膜阻力和催化劑層性能有關(guān)的電壓損失而提供電池電壓性能增加。試驗(yàn)表明，該益處可以高達(dá)50 mV每個(gè)電池。該增加可維持?jǐn)?shù)百小時(shí)，且可以重復(fù)類似水平的恢復(fù)。由于該增加，燃料電池堆壽命將增加，導(dǎo)致燃料電池堆12的更長(zhǎng)工作壽命。該過(guò)程的規(guī)則間隔將導(dǎo)致較高水平的最大性能和較大的系統(tǒng)效率。該過(guò)程還可以用于再次濕化任何陰極水再濕化裝置，如WVT單元32。進(jìn)入、退出和確定再調(diào)節(jié)是否成功的更詳細(xì)討論在下文描述，且可應(yīng)用于在車輛操作時(shí)執(zhí)行的再調(diào)節(jié)過(guò)程。更具體地，如下所述，用于操作再調(diào)節(jié)過(guò)程的算法包括觸發(fā)再調(diào)節(jié)過(guò)程的算法、保護(hù)系統(tǒng)和車輛操作者不受再調(diào)節(jié)過(guò)程引起的改變狀況導(dǎo)致的任何不利副作用的算法、確定系統(tǒng)是否成功濕化的算法、確定執(zhí)行哪種類型的關(guān)閉的算法、以及確定再調(diào)節(jié)過(guò)程是否成功的算法。再調(diào)節(jié)過(guò)程使用對(duì)于正常操作來(lái)時(shí)不是最優(yōu)的改變操作狀況。因而，期望僅定期地執(zhí)行再調(diào)節(jié)過(guò)程。這可以基于日歷時(shí)間、帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)間(time on load)、車輛行程、電壓降級(jí)等。上述每種算法具有益處和缺陷，但是重要的是，定期地執(zhí)行再調(diào)節(jié)過(guò)程以使得由于再調(diào)節(jié)可能引起的總體效率、性能和/或耐用性影響最大化。此外，需要保護(hù)系統(tǒng)不受改變狀況引起的不利副作用。在再調(diào)節(jié)過(guò)程期間允許的潮濕操作會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極隔絕氧氣。這通過(guò)積極排泄策略來(lái)消除。然而，如果檢測(cè)到隔絕氧氣，算法可以中止且可以恢復(fù)正常操作。 潮濕操作在冰凍事件時(shí)也將系統(tǒng)置于困難的風(fēng)險(xiǎn)。因而，如果檢測(cè)到冰凍事件的風(fēng)險(xiǎn)，那么不執(zhí)行或中止再調(diào)節(jié)過(guò)程。此外，由于積極負(fù)載曲線的功率限制，潮濕操作將影響車輛性能。如果性能被限制，再調(diào)節(jié)過(guò)程可以中止且返回正常操作狀況和性能。再調(diào)節(jié)過(guò)程的關(guān)鍵部分是充分地濕化燃料電池堆12。為了在顧客使用期間一致地發(fā)生濕化，必須改變操作狀況，使得該濕化在普通負(fù)載曲線(例如EPA城市循環(huán))下發(fā)生。還重要的是，系統(tǒng)知道何時(shí)達(dá)到充分的濕化水平。這可以使用水緩沖模型(WBM)完成，以估計(jì)燃料電池堆12的膜和擴(kuò)散介質(zhì)中存在的水量。如上所述，期望在MEA充分潮濕之后執(zhí)行陰極還原關(guān)閉。當(dāng)駕駛員啟動(dòng)關(guān)閉時(shí)，可以存在使用前述WBM標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定執(zhí)行哪種類型的關(guān)閉的邏輯。如果確定MEA充分濕化，那么可以執(zhí)行陰極還原關(guān)閉。如果先前運(yùn)行未充分濕化MEA，可啟動(dòng)正常關(guān)閉程序。這是重要的， 因?yàn)殛帢O還原關(guān)閉導(dǎo)致一些肯定性能增益，且不執(zhí)行其它期望功能，如用于冰凍的吹掃。最后，需要確定是否滿足關(guān)閉的所有條件。如果系統(tǒng)已經(jīng)充分濕化、執(zhí)行合適的陰極還原關(guān)閉且浸泡充分的時(shí)間量，上述所有標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)滿足且再調(diào)節(jié)過(guò)程成功。如果否，將再次嘗試再調(diào)節(jié)過(guò)程，直到其成功或者超過(guò)預(yù)定嘗試次數(shù)。圖3是用于確定何時(shí)觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)且何時(shí)停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)的系統(tǒng)60的框圖。在框62，電池電壓監(jiān)測(cè)器確定最大電池電壓CVmax、平均電池電壓CVavg和燃料電池堆電流Jst。k，電池電壓監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)燃料電池堆12中的燃料電池的電壓。這些值提供給極化曲線估計(jì)框64，極化曲線估計(jì)框64估計(jì)限定燃料電池堆操作的極化曲線參數(shù)。 極化曲線估計(jì)參數(shù)能夠以任何合適的方式確定。例如，于2007年1月31日提交的、題為 “Algorithm For Online Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Mack”、轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓者且作為參考并入本文的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)11/669,898 公開了一種這樣的技術(shù)且在下文闡述。電池電壓模型用于確定所述參數(shù)，如下
權(quán)利要求
1.一種用于觸發(fā)和停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的方法，所述方法包括 確定燃料電池堆中的燃料電池的電壓和電流；基于所確定的電壓和電流生成燃料電池堆的極化曲線； 基于所述極化曲線估計(jì)極化曲線參數(shù)；基于所述極化曲線參數(shù)確定燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值； 如果最大功率估計(jì)值在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)下降低于第一預(yù)定最大功率閾值，那么觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程；以及在最大燃料電池堆功率估計(jì)值從先前燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程增加之后，每當(dāng)最大燃料電池堆功率估計(jì)值下降低于第一預(yù)定最大功率閾值時(shí)，觸發(fā)再調(diào)節(jié)過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一預(yù)定最大功率閾值在60和70kW之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在完成再調(diào)節(jié)過(guò)程之后，如果燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值未增加高于第二預(yù)定最大功率閾值，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述第二預(yù)定最大功率閾值在72和75kW之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括如果從先前燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束到下一次再調(diào)節(jié)過(guò)程觸發(fā)的時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間段，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括如果最大燃料電池堆功率估計(jì)值的估計(jì)燃料電池堆降級(jí)速率指示到下一次再調(diào)節(jié)過(guò)程的時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間段，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行再調(diào)節(jié)過(guò)程包括在燃料電池堆關(guān)閉期間提供燃料電池堆陰極側(cè)的氫接管；以及等待污染物由于增加的濕化水平和氫接管而去除。
8.一種用于觸發(fā)和停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的方法，所述方法包括 確定燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值；如果最大功率估計(jì)值在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)下降低于第一預(yù)定最大功率閾值，那么觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程；在最大燃料電池堆功率估計(jì)值從先前燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程增加之后，每當(dāng)最大燃料電池堆功率估計(jì)值下降低于第一預(yù)定最大功率閾值時(shí)，觸發(fā)再調(diào)節(jié)過(guò)程；以及在完成再調(diào)節(jié)過(guò)程之后，如果燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值未增加高于第二預(yù)定最大功率閾值，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述第一預(yù)定最大功率閾值是70kW。
10.一種用于觸發(fā)和停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的方法，所述方法包括 確定燃料電池堆的最大燃料電池堆功率估計(jì)值；如果最大功率估計(jì)值在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)下降低于預(yù)定最大功率閾值，那么觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程；在最大燃料電池堆功率估計(jì)值從先前再調(diào)節(jié)過(guò)程增加之后，每當(dāng)最大燃料電池堆功率估計(jì)值下降低于預(yù)定最大功率閾值時(shí)，觸發(fā)再調(diào)節(jié)過(guò)程；以及如果從先前燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束到下一次再調(diào)節(jié)過(guò)程觸發(fā)的時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間段，那么停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于燃料電池堆參數(shù)估計(jì)自動(dòng)地啟用/停用燃料電池堆再調(diào)節(jié)過(guò)程的方法。公開了用于確定何時(shí)觸發(fā)燃料電池堆的再調(diào)節(jié)以及何時(shí)停用燃料電池堆的再調(diào)節(jié)的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，在最大燃料電池堆功率估計(jì)值下降低于第一預(yù)定功率閾值時(shí)觸發(fā)燃料電池堆再調(diào)節(jié)。如果再調(diào)節(jié)過(guò)程并未將最大功率估計(jì)值升高高于第二預(yù)定功率閾值或從一個(gè)再調(diào)節(jié)觸發(fā)到下一個(gè)再調(diào)節(jié)觸發(fā)的時(shí)間小于預(yù)定時(shí)間閾值或兩者兼而有之，則燃料電池堆的再調(diào)節(jié)能夠被停用，從而在發(fā)生觸發(fā)時(shí)不被執(zhí)行。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102163726SQ20111003972
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月18日
發(fā)明者D.A.阿瑟, M.辛哈, S.加納帕蒂, T.蔡 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司