本發(fā)明總體上涉及一種用于提供主動(dòng)補(bǔ)救措施的系統(tǒng)和方法，其響應(yīng)于在燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)中陽(yáng)極流場(chǎng)溢流的確定電勢(shì)，更具體地，涉及一種用于執(zhí)行一種或多種主動(dòng)補(bǔ)救措施(例如增加陽(yáng)極壓力偏差、引發(fā)反應(yīng)性排放、增加氫濃度設(shè)定點(diǎn)，脈沖調(diào)制電池堆功率和/或脈沖調(diào)制陽(yáng)極壓力)的系統(tǒng)和方法，其響應(yīng)于在燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)中陽(yáng)極流場(chǎng)溢流的確定電勢(shì)。

背景技術(shù)：

氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其包括陽(yáng)極和陰極以及位于其間的電解質(zhì)。陽(yáng)極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽(yáng)極中解離以產(chǎn)生游離的氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)到陰極。來(lái)自陽(yáng)極的電子不能穿過(guò)電解質(zhì)，并且在被送到陰極之前被引導(dǎo)通過(guò)負(fù)載以做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)是用于車(chē)輛的常見(jiàn)燃料電池類(lèi)型，并且通常包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子導(dǎo)電膜，例如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極通常包括支撐在碳顆粒上并與離聚物混合的細(xì)分催化劑顆粒，通常是鉑(pt)，其中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、陰極劑催化混合物和膜的組合限定了膜電極組件(mea)。膜阻擋燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)之間的氣體輸送，同時(shí)允許質(zhì)子的輸送以完成其各自電極上的陽(yáng)極和陰極反應(yīng)。

通常，幾個(gè)燃料電池組合形成燃料電池堆，以產(chǎn)生期望的功率。燃料電池堆通常包括位于電池堆中的多個(gè)mea之間的一系列流場(chǎng)或雙極板，其中雙極板和mea位于兩個(gè)端板之間。雙極板包括用于電池堆中相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道設(shè)置在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上，允許陽(yáng)極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)的mea。陰極氣體通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，允許陰極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)的mea。一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道，另一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)щ姀?fù)合材料。端板將燃料電池產(chǎn)生的電力導(dǎo)出電池堆。雙極板還包括冷卻流體流動(dòng)通過(guò)的流動(dòng)通道。

燃料電池中的mea是可滲透的，從而允許空氣中的氮從電池堆的陰極側(cè)從其滲透通過(guò)，并聚集在電池堆的陽(yáng)極側(cè)，通常稱(chēng)為氮?dú)鈾M穿。即使陽(yáng)極側(cè)壓力可能略高于陰極側(cè)壓力，陰極側(cè)分壓也會(huì)導(dǎo)致空氣滲透通過(guò)膜。燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)中的氮稀釋氫，使得如果氮濃度增加到超過(guò)一定百分比，例如50％，電池堆中的燃料電池會(huì)變得缺少氫。如果燃料電池變得缺少氫，則燃料電池堆將不能產(chǎn)生足夠的電力，并且因此可能損壞燃料電池堆中的電極。因此，在本領(lǐng)域中已知在燃料電池堆的陽(yáng)極廢氣輸出管線中提供排放閥，以從電池堆的陽(yáng)極側(cè)去除氮。燃料電池系統(tǒng)控制算法將識(shí)別陽(yáng)極中所期望的最小氫氣濃度，并且當(dāng)氣體濃度低于該閾值時(shí)導(dǎo)致排放閥打開(kāi)，其中閾值基于電池堆穩(wěn)定性。

如在本領(lǐng)域所充分理解的，燃料電池膜以一定的相對(duì)濕度(rh)運(yùn)行，使得穿過(guò)膜的離子電阻足夠低，以便有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。通常通過(guò)控制多個(gè)電池堆操作參數(shù)，例如電池堆壓力、溫度、陰極化學(xué)計(jì)量以及進(jìn)入電池堆的陰極空氣的相對(duì)濕度，控制來(lái)自燃料電池堆的陰極出口氣體的相對(duì)濕度，以便控制膜的相對(duì)濕度。目前，燃料電池堆常常是“潮濕”運(yùn)行，其中根據(jù)電池堆的特定操作條件，燃料電池堆的陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)的相對(duì)濕度都在100％以上。

在燃料電池堆的操作期間，來(lái)自mea的濕氣和外部加濕會(huì)進(jìn)入陽(yáng)極和陰極流動(dòng)通道。在低電池功率需求下，通常低于0.2a/cm²，因?yàn)榉磻?yīng)氣體的流速太低而不能迫使水流出通道，因此水可能積聚在流動(dòng)通道內(nèi)。例如，在低功率水平下，例如在車(chē)輛怠速期間，電池堆電流密度低，并且由于注射器處于非常高的占空比則氫未被泵入陽(yáng)極側(cè)。因此，較少的氫可用于將水推出流動(dòng)通道，這常常導(dǎo)致一些電池缺少氫。潮濕電池堆操作會(huì)由于水積聚而導(dǎo)致燃料電池的穩(wěn)定性問(wèn)題，并且還會(huì)使陽(yáng)極缺少氫，導(dǎo)致碳腐蝕。此外，由于在燃料電池堆中的各個(gè)位置處的液態(tài)水凍結(jié)，在冷凍條件下潮濕電池堆操作可能是有問(wèn)題的。

隨著水在電池堆中積聚，在流動(dòng)通道中形成液滴。隨著液滴的大小增加，流動(dòng)通道被關(guān)閉，并且因?yàn)橥ǖ涝诠餐娜肟诤统隹谄绻苤g是平行的，所以反應(yīng)氣體被轉(zhuǎn)移到其他流動(dòng)通道。隨著液滴的大小增加，液滴的表面張力可能會(huì)比試圖將液滴推到排氣歧管的△壓力更強(qiáng)，因此反應(yīng)氣體不會(huì)流經(jīng)被水堵塞的通道，反應(yīng)氣體不能迫使水流出通道。作為通道阻塞的結(jié)果，不接收反應(yīng)氣體的膜的那些區(qū)域?qū)⒉粫?huì)發(fā)電，從而導(dǎo)致不均勻的電流分布并降低燃料電池的整體效率。隨著越來(lái)越多的流動(dòng)通道被水堵塞，燃料電池產(chǎn)生的電力降低，其中小于200mv的電池電壓被認(rèn)為是電池故障。因?yàn)槿剂想姵厥请娦源?lián)的，如果一個(gè)燃料電池停止工作，則整個(gè)燃料電池堆會(huì)停止工作。

燃料電池堆中的燃料電池的最小電池電壓是非常重要的參數(shù)，其用于監(jiān)測(cè)電池堆的健康并保護(hù)電池堆免受反向電壓損壞。此外，最小電池電壓用于控制燃料電池堆的許多目的，例如功率限制算法、陽(yáng)極氮排放、診斷功能等。

通常，監(jiān)測(cè)燃料電池堆中的每個(gè)燃料電池的電壓輸出，使得燃料電池系統(tǒng)知道如果燃料電池電壓太低，則表明可能有故障。如本領(lǐng)域所充分理解的，因?yàn)樗腥剂想姵厥请娦源?lián)的，如果電池堆中的一個(gè)燃料電池故障，則整個(gè)電池堆故障。對(duì)于故障的燃料電池可以采取某些補(bǔ)救措施作為臨時(shí)解決方案，例如增加氫的流量和/或增加陰極化學(xué)計(jì)量，直到可以維修燃料電池車(chē)輛。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)描述了一種用于執(zhí)行一種或多種主動(dòng)補(bǔ)救措施的系統(tǒng)和方法，以防止在低電池堆電流密度下在燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)中的陽(yáng)極流場(chǎng)溢流。該方法包括識(shí)別會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極流場(chǎng)充滿(mǎn)水的一個(gè)或多個(gè)觸發(fā)條件，并響應(yīng)于所識(shí)別的觸發(fā)條件，執(zhí)行一種或多種主動(dòng)補(bǔ)救措施，從而在發(fā)生陽(yáng)極溢流之前從陽(yáng)極側(cè)流場(chǎng)去除水。

結(jié)合附圖從下面的說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求中，本發(fā)明的附加特征將變得顯而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1是包括燃料電池系統(tǒng)的車(chē)輛的圖示；和

圖2是燃料電池系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意框圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施例的以下討論涉及一種用于采取主動(dòng)補(bǔ)救措施的系統(tǒng)和方法，以防止燃料電池堆中的陽(yáng)極流場(chǎng)溢流，其本質(zhì)上僅僅是示例性的，并且絕不旨在限制發(fā)明或其應(yīng)用或用途。例如，本文討論的燃料電池系統(tǒng)具有用于車(chē)輛的特定應(yīng)用。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所充分意識(shí)到的，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以具有其他應(yīng)用。

圖1示出了混合燃料電池車(chē)輛10的簡(jiǎn)化視圖，其包括高壓電池12、燃料電池堆14、推進(jìn)單元16以及控制器18?？刂破?8表示所有控制模塊、處理器、電子控制單元、存儲(chǔ)器以及用于采取主動(dòng)補(bǔ)救措施的操作和計(jì)算所需的裝置，用于防止如本文所討論的陽(yáng)極流場(chǎng)溢流。

圖2是包括燃料電池堆22的燃料電池系統(tǒng)20的示意性框圖，其中燃料電池系統(tǒng)20具有用于車(chē)輛10的特定應(yīng)用。電池堆22包括上述討論類(lèi)型的一系列燃料電池，其通常由表燃料電池24表示，燃料電池24包括在其間具有mea28的相對(duì)的雙極板26。壓縮機(jī)34通過(guò)蒸汽轉(zhuǎn)移(wvt)單元38在陰極輸入管線36上向燃料電池堆22的陰極側(cè)提供氣流，從而為陰極輸入空氣加濕。在陰極排氣管線40上從電池堆22輸出陰極廢氣，其將陰極廢氣引導(dǎo)到wvt單元38，從而提供濕氣以加濕陰極輸入空氣。在膜的一側(cè)陰極廢氣中的水被膜吸收并轉(zhuǎn)移到膜的另一側(cè)的陰極氣流中。燃料電池系統(tǒng)20還包括氫燃料源44，通常為高壓罐，其向注射器46提供氫氣，注射器46將可控量的氫氣在陽(yáng)極側(cè)輸入線路48上噴射到燃料電池堆22的陽(yáng)極側(cè)。雖然沒(méi)有具體示出，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，將提供各種壓力調(diào)節(jié)器、控制閥、截止閥等，以便以合適的壓力從源44向注射器46提供高壓氫氣。注射器46可以是適合于本文討論的目的的任何噴射器。

陽(yáng)極流出氣體在極輸出管線50上從燃料電池堆22的陽(yáng)極側(cè)輸出，陽(yáng)極輸出管線50設(shè)置到排放閥52。如上所述，來(lái)自燃料電池22的陰極側(cè)的氮?dú)鈾M穿稀釋電池堆22的陽(yáng)極側(cè)中的氫氣，從而影響燃料電池堆的性能。因此，有必要從陽(yáng)極子系統(tǒng)周期性地排放陽(yáng)極流出氣體以減少其中的氮的量。當(dāng)系統(tǒng)20以正常非排放模式操作時(shí)，排放閥52處于將陽(yáng)極流出氣體提供給再循環(huán)管線56的位置，再循環(huán)管線56將陽(yáng)極氣體再循環(huán)到注射器46，將其作為噴射器或泵以將再循環(huán)的氫氣返回到電池堆22的陽(yáng)極輸入。水分離器62設(shè)置在管線56中，以本領(lǐng)域技術(shù)人員所充分理解的方式從再循環(huán)陽(yáng)極支流中除去水。當(dāng)命令排放以減少電池堆22的陽(yáng)極側(cè)中的氮時(shí)，排放閥52定位成將陽(yáng)極流出氣體引導(dǎo)到旁路管線54，其將陽(yáng)極流出氣體與管線40上的陰極廢氣組合，其中氫氣被稀釋以適合于環(huán)境。

系統(tǒng)20還包括用于測(cè)量陽(yáng)極子系統(tǒng)中的壓力的壓力傳感器58。系統(tǒng)20還包括電池電壓監(jiān)測(cè)單元64，其用于監(jiān)測(cè)電池堆22中的每個(gè)燃料電池24的電壓并提供最小電池電壓指示。系統(tǒng)20還包括電池60，其為包括那些本文所討論的各種目的向系統(tǒng)20提供補(bǔ)充功率，其中電池60可以是車(chē)輛10上的12伏附加電池或與系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的其他電池，這將是本領(lǐng)域技術(shù)人員所充分理解的。在系統(tǒng)20的操作期間，電池堆22發(fā)電，但是該電力不需要來(lái)推動(dòng)車(chē)輛10。在這些情況下，本領(lǐng)域中已知的是為電池60充電供以后使用。

如下面將要詳細(xì)討論的，本發(fā)明提出了一種響應(yīng)于檢測(cè)某些觸發(fā)條件而采取一種或多種主動(dòng)補(bǔ)救措施的系統(tǒng)和方法，以防止燃料電池堆22的陽(yáng)極側(cè)中的陽(yáng)極流動(dòng)通道的溢流，這些觸發(fā)條件指示在不久的將來(lái)至少一些燃料電池的陽(yáng)極流場(chǎng)會(huì)發(fā)生溢流。

第一觸發(fā)條件可以包括識(shí)別在預(yù)定時(shí)間段(例如10分鐘)內(nèi)電池堆電流密度低于預(yù)定值，例如0.05a/cm²，該時(shí)間段可以是車(chē)輛長(zhǎng)期怠速期間。在低電池堆電流密度下，氫氣流量可能不足以將水推出陽(yáng)極流動(dòng)通道。

第二觸發(fā)條件可以包括電池堆溫度低于某一值，例如30℃，當(dāng)識(shí)別出可能在冷啟動(dòng)或凍結(jié)啟動(dòng)期間發(fā)生的條件下的鍵時(shí)，其可以是指示水會(huì)進(jìn)入陽(yáng)極流動(dòng)通道。

第三觸發(fā)條件可以包括電池堆22在比正常情況更高的rh下操作，例如150％rh，這可以在各種燃料電池堆操作條件期間發(fā)生，例如在電池堆電壓恢復(fù)操作期間，其中在本領(lǐng)域中已知的是在電池堆22中提供過(guò)量的水以從燃料電池電極去除污染物。典型的燃料電池系統(tǒng)將包括rh模塊，其監(jiān)測(cè)燃料電池堆22的rh以識(shí)別何時(shí)rh超過(guò)預(yù)定值。

第四觸發(fā)條件可以包括監(jiān)測(cè)陽(yáng)極水積累模型，此模型預(yù)測(cè)陽(yáng)極流動(dòng)通道的陽(yáng)極溢流。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所充分理解的，陽(yáng)極水積累模型已知可以預(yù)測(cè)陽(yáng)極流場(chǎng)溢流并且在來(lái)自陰極側(cè)的陽(yáng)極水橫穿中以及基于噴射器操作去除的一些基于探索式的水中采用因子。

第五觸發(fā)條件可以包括通過(guò)例如電池電壓監(jiān)測(cè)單元64監(jiān)測(cè)燃料電池堆22中的燃料電池的最小電池電壓，并且提供如下所述需要采取補(bǔ)救措施的標(biāo)志：如果最小電池電壓降低到低于某一預(yù)定值。

監(jiān)測(cè)一個(gè)、一些或全部這些觸發(fā)條件，使得該算法可以在不久的將來(lái)響應(yīng)于潛在的陽(yáng)極流場(chǎng)溢流的情況執(zhí)行某種主動(dòng)補(bǔ)救措施。這些主動(dòng)補(bǔ)救措施可以包括以下一種或多種。

第一補(bǔ)救措施可以包括增加陽(yáng)極壓力偏差，即將更多的氫氣注入到燃料電池堆22的陽(yáng)極側(cè)中，使得陽(yáng)極側(cè)中的壓力高于陰極側(cè)。例如，陽(yáng)極壓力可以增加到高于陰極側(cè)壓力60-80kpa，這有助于瞬間增加噴射器流量，這導(dǎo)致更高的再循環(huán)并且可以幫助從流場(chǎng)清除水。此外，較高的陽(yáng)極側(cè)壓力允許在陽(yáng)極排放情況期間去除更多的水。

第二補(bǔ)救措施可以包括觸發(fā)主動(dòng)排放，特別是在較高的陽(yáng)極壓力情況期間，使得更多的水被推出陽(yáng)極流場(chǎng)通道。

第三補(bǔ)救措施可以包括增加氫氣濃度設(shè)定點(diǎn)，這樣也引起排放頻率的增加，其中增加的主動(dòng)排放允許從燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)移除更多的水。

第四補(bǔ)救措施可以包括通過(guò)周期性地向其提供更多的反應(yīng)氣體來(lái)脈沖調(diào)制燃料電池堆22的功率，這可能在沒(méi)有命令更多功率的時(shí)候?qū)?huì)增加燃料電池堆22的功率輸出。如上所述，通過(guò)脈沖調(diào)制功率，更多的氫被輸送到陽(yáng)極側(cè)流動(dòng)通道，其用于將水推出流動(dòng)通道。電池堆22產(chǎn)生的多余功率可以用于對(duì)電池60進(jìn)行再充電，或者可以將其吸入其他元件，例如泵，壓縮機(jī)34等?？梢詾樘囟ㄏ到y(tǒng)校準(zhǔn)pwm功率脈沖調(diào)制。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，功率可以每360秒脈沖調(diào)制到30秒0.07a/cm²，這是約1/12的占空比。此外，如果壓縮機(jī)34在脈沖功率期間提供過(guò)量的空氣，那么空氣可以繞過(guò)燃料電池堆22并被送到廢氣管線。在一個(gè)實(shí)施例中，壓縮機(jī)34運(yùn)行某個(gè)最低速度，該速度高于怠速狀態(tài)所需的速度，其中脈沖功率可以使用可用的陰極空氣流，而壓縮機(jī)34的速度不會(huì)上升。

第五補(bǔ)救措施可以包括通過(guò)增加注射器46的占空比來(lái)脈沖調(diào)制陽(yáng)極壓力從而增加壓力偏差，而不打開(kāi)排放閥52，使得氫氣不被浪費(fèi)，例如將偏差從20kpa增加至80kpa，其中陽(yáng)極廢氣可以再循環(huán)回到注射器。這可能迫使水離開(kāi)燃料電池堆22被水分離器收集，這將從燃料電池堆22的陽(yáng)極側(cè)的流場(chǎng)中除去水分。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將充分理解的，本文討論的用于描述本發(fā)明的幾個(gè)和各種步驟和過(guò)程可以是由計(jì)算機(jī)、處理器或其他電子計(jì)算裝置使用電現(xiàn)象操縱和/或轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行的操作。這些計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備可以使用各種易失性和/或非易失性存儲(chǔ)器，包括具有存儲(chǔ)在其上的可執(zhí)行程序的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中包括可由計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行的各種代碼或可執(zhí)行指令，其中存儲(chǔ)器和/或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括所有形式和類(lèi)型的存儲(chǔ)器和其他計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

前面的討論僅公開(kāi)并描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將從這樣的討論并從附圖和權(quán)利要求中容易地認(rèn)識(shí)到，在不脫離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在其中進(jìn)行各種改變、修改和變化。