专利名称：用于限制pem燃料电池系统的输出电压的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于限制工作在零负载条件下或工作在零负载条件附近的PEM 燃料电池系统的输出电压以使得性能随时间的恶化最小化的方法。更具体地，本发明涉及 这样的方法，其中燃料电池系统是被设计成使用氢为燃料和纯氧为氧化剂的那种类型，其 中该系统包括可控制的氢再循环泵和可控制的氧再循环泵。
背景技术：
上述类型的电化学燃料电池把反应物，即氢流和氧流，变换成电功率和水。质子交 换膜燃料电池(PEMFC)通常包括被放置在两个多孔导电电极层之间的固体聚合物电解质 膜，以便形成膜电极组件(MEA)。为了引起想要的电化学反应，阳极电极和阴极电极分别包 括一种或多种催化剂。这些催化剂典型地被放置在膜/电极层的界面处。在阳极上，氢移动穿过多孔电极层，并通过催化剂被氧化，产生质子和电子。质子 穿过固体聚合物电解质向阴极迁移。对于氧来说，移动穿过多孔的阴极，并在阴极电催化剂 处与穿过膜的质子起反应。电子从阳极穿过外部电路行进到阴极，产生电流。图1以分解图显示现有技术质子交换膜燃料电池堆叠10。该堆叠10包括一对末 端板组件15，20和多个燃料电池组件25。在这个特定的例子中，电绝缘连接棒30在末端板 组件15，20之间延伸，以便用固紧螺帽32保持和保护堆叠组件10在它的组装状态。在被 置于固紧螺帽32与末端板20之间的连接棒30上穿过的弹簧34沿纵向施加弹性压缩力到 堆叠10。反应物和冷却剂流体流经由末端板15上的入口和出口端口(未示出)被供应到 堆叠10中的内部支管和通道，并从其中流出。每个燃料电池组件25包括阳极流场板35、阴极流场板40、和置于板35和40之间 的MEA 45。阳极和阴极流场板35和40由导电材料制成，并用作集电器。当一个电池的阳 极流场板与相邻电池的阴极流场板背靠背放置时，电流可以从一个电池流到另一个电池， 从而流过整个堆叠10。其它的现有技术燃料电池堆叠是已知的，其中各个电池被单个双极 性流场板而不是被分开的阳极和阴极流场板分隔开。流场板35和40还在相邻的燃料电池组件之间提供了流体阻碍，使得被提供到一 个电池的阳极的反应物流体不会污染被提供到另一个电池的阴极的反应物流体。在MEA 45 与板35和40之间的界面上，流体流场50把反应物流体引导到电极。流体流场50典型地 包括形成在板35和40的面向MEA 45的主表面上的多个流体流通道。流体流场50的一个 用途是把反应物流体分布在各个电极一即，在氢一侧的阳极和在氧一侧的阴极一的整个 表面上。PEMFC的一个已知的问题是性能随时间而逐渐恶化。实际上，固体聚合物燃料电池 的长期工作已得以证明，但仅仅在相对理想的条件下。相反，当燃料电池必须在各种各样的 条件下工作时，如具体地对于汽车应用的情形，不断变化的条件(常常被建模为负载循环 和启动-停止循环)已表明将大大地减小持续时间和寿命。不同类型的非理性条件已在文献中阐述。这些条件的第一个条件被称为“高的电池电压”；大家知道，把燃料电池暴露在低的或零电流条件下，比起以平均恒定的电流工作， 将导致更高的恶化速率。第二个非理性条件是“低的电池电压”；还知道从燃料电池抽取峰 值电流也导致提高的恶化速率。从以上结果得出，为了保护燃料电池的寿命，优选地避免 “高的电池电压”和“低的电池电压”工作条件二者。换句话说，燃料电池应当仅仅在有限的 电压范围下工作。为了应付在汽车应用中典型的负载的突然改变，通常使得电化学能量贮存单 元一诸如电池或超级电容器一与燃料电池相关联。电池可以起到缓冲器的作用当负载 有峰值时，提供电功率，以及相反地，在低或零负载条件下存储过量的电功率。在原理上，这 样的装置允许燃料电池工作在想要的有限的电压范围内。然而，一旦电池被完全充电，它显 然不再是可供使用来存储由燃料电池供给的过量的电功率。这最后一个问题的已知的解决 方案是简单地关断燃料电池，直至电池的充电水平达到较低的阈值为止。然而，启动-停止 循环也造成性能随时间恶化。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种用于使得与电化学能量贮存单元相关联的燃料电 池工作在想要的有限的电压范围内，而无论何时电化学能量贮存单元充满时都不必关断和 重新启动燃料电池的方法。本发明的方法由所附权利要求1限定。按照本发明，在驱动氢和氧再循环泵的同时限制供应到燃料电池的氢和氧流，使 得有可能保持输出电压低于预定的最大极限值。按照本发明，最大极限值是0. 90伏或更 小。而且，将会理解，通过保持氢压力在氧压力的70%与130%之间，本发明的方法避免在 燃料电池的膜上的大的压力差，并且在较高的氢压力的特定情形下，避免在阳极处燃料不 足。本发明的一个优点在于，通过控制压力而调整输出功率，允许燃料电池堆叠直接 连接到电化学能力贮存单元，而不需要某种功率管理单元来调整电压。优选地，本发明的方法保持燃料电池的输出电压在0. 70和0. 85伏之间。按照本发明的方法的具体的实施方案，供应到燃料电池的氧的压力保持在0. 2与 1. Obarabsolute (巴绝对 )之间的范围内。优选地在0.5与lbarabs。lute之间。当能量贮存单元与燃料电池相关联地被使用时，本发明的方法允许在保持燃料电 池的输出电压在想要的范围内的同时避免完全充电能量贮存单元。按照本发明的方法的特别有利的实施方案，燃料电池系统可以工作在零负载条件 下，也就是说，在零的净输出功率时，在空闲状态下，而同时通过把至少一种反应物的压力 减小到低于0. 7barabsolute,而使得平均电池电压保持在0. 65与0. 90伏之间。
在参照附图阅读仅仅作为非限制性例子给出的以下的说明后，将明白本发明的其 它特性和优点，其中-图1是传统的燃料电池堆叠(现有技术)的分解图；-图2是汽车的动力传动系的示意图，该动力传动系包括电能产生系统，该电能产生系统包括被供以纯氢和氧的燃料电池堆叠；-图3A和:3B分别是显示对于聚合物电解质燃料电池在不同的压力下的电流/电 压曲线和电压/功率曲线的图。
具体实施例方式图2所示的燃料电池堆叠1是被设计来使用氢作为燃料和纯氧作为氧化剂的类 型。它包括末端板130，140 ；在末端板130上的氢入口端口 150 ；和在末端板140上的氧入 口端口 155。堆叠1还包括氢供应支管160和氧供应支管165，分别用于把氢流和氧流供应 到多个单独的燃料电池。与每个燃料电池相关联的氢和氧流场用线170和175代表。氢排出支管180和氧 排出支管185通过氢出口端口 190和氧出口端口 195从堆叠中除去耗尽的反应物和反应产品。如图所示，燃料电池系统包括加压力的氢贮存容器60，该氢贮存容器60借助于配 备有氢供应阀门Iio和喷射泵113的供应线连接到堆叠的氢入口 150。氢压力传感器111 被安排在靠近氢入口 150的供应线上，以便测量供应到燃料电池堆叠1的氢的压力。第一 氢再循环线IlR把堆叠的出口端口 190连接到氢供应线，即供应阀门110的下游。喷射泵 113用于再循环剩余的氢和把它与新鲜氢混合。类似地，燃料电池系统包括加压力的氧贮存容器65，该氧贮存容器65借助于配备 有氧供应阀门120和真空喷射泵123的氧供应线而连接到堆叠的氧入口 155。氧压力传感 器121被安排在靠近氧入口 155的供应线上，以便测量供应到燃料电池堆叠1的氧的压力。 氧再循环线12R把堆叠的出口端口 195连接到氧供应线，即供应阀门120的下游。喷射泵 123(或任何适当类型的真空泵)用于再循环和混合用过的氧与新鲜氧。图2所示的燃料电池系统的堆叠还包括通过第二氢再循环线211R互相连接的辅 助氢入口 200和辅助氢出口 210。线211R配备有辅助氢泵213，被提供来用于补充喷射泵 113。堆叠1还包括被安排在第二氧再循环线212R上的辅助氧入口 205、辅助氧出口 215、 和辅助氧泵223。辅助泵223被提供来用于补充喷射泵123。如图2所示，氢贮存容器60 和辅助泵213被安排来通过氢供应支管160的相对的两个末端，馈送氢到燃料电池，以及类 似地，氧贮存容器65和辅助泵223被安排来把氧通过氧供应支管165的相对的两个末端馈 送到燃料电池。这个装置具有允许在再循环线IlR和12R上取消阀门的优点。燃料电池系统还包括水分测量装置(未示出)。因为通过组合氢和氧离子，在燃料 电池的阴极侧上形成产品水，该产品水必须从燃料电池的阴极侧抽走。具体地，为了避免发 生溢出，水分管理装置通常包括被安排在氧再循环线12R上的气体-液体分离器。第二气 体-液体分离器优选地也被安排在氢再循环线IlR上。同时，必须以防止膜变干的量提供 水分到电池的阳极和阴极两侧。堆叠1被连接到电源线10，堆叠1把它产生的电传递到该电源线。电负载IOB被 连接到电源线10。来自堆叠的电流被传递到功率管理单元14。单元14 一方面被连接到用 于汽车的电牵引模块，它主要由DC/AC转换器18和被机械耦合到汽车的一个或多个驱动轮 (未示出)的电机19组成。电功率管理单元14还被连接到电能贮存装置，优选地是锂离子 电池块或超级电容器块17。在所显示的例子中，功率管理单元14被安排在堆叠1与电能贮存装置17之间。然而，将会理解，替换地，堆叠可以直接连接到该电能贮存装置。实际上， 本发明通过简单地调节反应物气体的压力而使得有可能控制来自堆叠的输出电压。这样， 供应电压可被调节到电能贮存装置的需要，而不需要DC/DC变换器的形式。因此，堆叠1可以把电供给到电牵引模块18，19，或电池块17，或二者。该电池块 可以接收电能并存储电能，或该电池块可以把电能传递到电牵引模块18，19。关于后者，因 为电机19是可逆的，它可以在驱动汽车的时候消耗电能，而在处在汽车的电制动状态时进 行发电，用于给电池块17充电。电功率管理单元14依据汽车的加速器踏板(未示出)的 位置和依据在电供应系统中流行的条件来调整功率的循环。燃料电池堆叠1由控制单元15进行控制。单元15接收来自氢压力传感器111和 氧压力传感器121的信息，以及经由功率管理单元14接收来自电压测量装置13的信息。按 照所显示的例子，电压测量装置13在总体上测量来自燃料电池堆叠1的输出电压。因此， 所测量的输出电压等于来自堆叠中所有的各个燃料电池的贡献的总和。因为燃料电池全都 受到基本上相同的工作条件，它们都产生近似相同的输出电压。所以，所测量的、堆叠的输 出电压可被使用来计算对于各个燃料电池的估计的电压。然而，也有可能分开地测量各个 电池的输出电压，或把堆叠的各个电池划分成若干组，每组具有一个输出电压。控制单元15通过调节氢和氧供应阀门110，120，以及如有必要，通过直接控制辅 助再循环泵213，223的工作而控制被供应给燃料电池堆叠的氢和氧的压力。现在详细地说 明允许控制单元15控制燃料电池中的反应物压力的过程。反应物在燃料电池中以对应于 由堆叠1提供给所连接的负载的电功率量的速率被消耗。当在不存在负载改变的条件下， 控制单元15朝打开位置的方向调节供应阀门110，120中的一个阀门时，供应的氢流或氧流 增加，并超过在燃料电池中消耗的氢或氧的量。这使得在燃料电池的阳极或阴极处的压力 也增力Π。相反，当控制单元15朝关闭位置的方向调节供应阀门110，120中的一个阀门时，供 应的氢流或氧流减小，并且不再足以补偿在燃料电池中消耗的氢或氧的量。这使得在燃料 电池的阳极或阴极处的压力减小。如前所述，按照本发明，被提供给燃料电池的氢和氧分别 是基本上纯氢和基本上纯氧。这个特性允许在燃料电池中存在的氢和氧几乎被全部消耗。 因此有可能在燃料电池的阴极和阳极处的压力减小到远低于外部大气压力。该压力甚至会 低到 0. 2barabs0luteO应当注意，氢压力至少是氧压力的70%，优选地至少是氧压力的100%，以免在燃 料电池中引起被称为“燃料不足”的情形。燃料不足，如果不是瞬时的，公知将恶化燃料电 池。然而，其中氢压力小于氧压力的100%的其它工作条件也可能是有利的，特别是当希望 增加膜的水含量时。而且，为了避免在燃料电池的阳极与阴极之间出现大的压力差，氢压力 优选地被调节成跟随氧压力。无论如何，氢压力限于在氧压力的+/-30%之间的范围。图3A是显示对于聚合物电解质燃料电池工作在六个不同的压力(2. 5barabs (巴 abs)，1. 5barabs，Ibarabs, 0. 62barabs，0. 4barabs,0. 22barabs)下的电流 / 电压曲线(标号为 251 到256)的图。将会看到，不惊奇地，对于任何给定的压力，当电流增加时电压减小，以及反 之亦然。具体地，曲线251表明，当反应物气体的压力是2. 5barabs时，为了电池电压保持在 低于0.85伏的想要的范围内，燃料电池需要供应约60安培的电流。如果由于某个原因，负 载电流降低到例如20安培，则电池电压上升到大于0. 90伏。这样高的电池电压超过极限 值，在该极限值以外，开始观察到较高的恶化速率。然而，曲线255表明，在这样的情形下，如果在燃料电池内的压力例如从2. ^arabs减小到0. 4barabs，则电池电压回到约0. 8伏的想 要的电平。图3B显示类似的电压/功率曲线。可以观察到，当堆叠工作在0.4bar的压力 而不是2. 5bar时，在0. 85伏时的输出功率减小约10倍。控制单元15被安排成通过部分地或完全地关闭氢和氧供应阀门110，120而减小 被提供给燃料电池堆叠的反应物气体的压力。然而，如果供应阀门110或120的任一个阀 门被完全或接近关闭，则对应的喷射泵113或123变为无用的，以及通过再循环线IlR或 12R的用过的气体的流动变为停顿。在这样的情形下，在供应支管(160或16 和排出支管 (180或185)中的压力趋于均衡，以及对于沿流场170或175驱动反应物气体所需要的压降 消失。为了允许燃料电池堆叠即使在供应阀门110或120关闭时仍继续工作，控制单元15 接通对应的辅助泵213或223。当任一个泵213或223工作时，它把在排出支管180或185 中的剩余的反应物气体重新注入到对应的供应支管160和165中。辅助泵213和223的使 用使得可以保持在供应支管与排出支管之间的必需的压力差。正如已提到的，氢供应阀门 110和辅助泵213被安排来控制通过供应支管160的相对的两个末端流入到供应支管160 的氢流，一级类似地，氧供应阀门120和辅助泵223被安排来控制通过供应支管165的相对 的两个末端流入到氧供应支管165的氧流。如上所述，其中实施本发明的方法的燃料电池系统包括电子控制装置、由控制单 元15控制的供应阀门110，120、泵213，223、和气体-液体分离器。燃料电池系统还可包括 使用水泵的冷却装置，以及电加热装置。所有的这些元件和其它元件形成所谓的辅助装置。 燃料电池系统的辅助装置需要电来工作。所以，当燃料电池系统工作时，功率要求决不是 零，即使处在空闲状态时(零连接负载工作条件)。通过控制在燃料电池中的反应物压力，有可能应付低输出负载条件而同时避免高 的电池电压，即使在没有电化学能量贮存单元可供使用来吸收过量的能量时。而且，通过把 燃料电池中的反应物压力降低到基本上低于0. 7barabs。lute，甚至有可能减小所供应的功率 量到不大于对于给辅助装置供电所需要的量。所以，本发明使得有可能在零输出负载工作 条件下也不需要关断燃料电池系统，即使没有可供使用的能量贮存容量。将会理解，可以对于形成本说明书的主题的实施例作出对于本领域技术人员显而 易见的各种改变和或改进，而不背离由所附权利要求限定的、本发明的范围。具体地，代替 在堆叠的相对的两侧具有氢的主入口 150和氧的主入口 155，这两个主入口可以在堆叠的 第一侧上。在这种情形下，辅助氢泵213和辅助氧泵223 —起被安排在堆叠的第二侧上。这 种安排的优点在于，两个辅助泵可以由同一个电动机驱动。
权利要求
1.一种用于限制工作在零负载条件下或工作在零负载条件附近的PEM燃料电池系统 的输出电压以使得性能随时间的恶化最小化的方法，该PEM燃料电池系统包括可控制的氢 再循环泵和可控制的氧再循环泵，该方法包括-把基本上纯的氢流供应到所述燃料电池的阳极； -把基本上纯的氧流供应到所述燃料电池的阴极； -监视燃料电池的输出电压； -监视在燃料电池中的氢压力； -监视在燃料电池中的氧压力；-限制氢流和氧流，以及驱动氢再循环泵和氧再循环泵，以使得和保持氢压力和氧压力 低于lbarabs。lute，而同时保持所述氢压力在所述氧压力的70%与130%之间，从而使输出电 压保持低于0. 90伏。
2.权利要求1的方法，其中所述方法包括调节所述氢流和所述氧流，以使得所述输出 电压保持在0. 70伏与0. 85伏之间。
3.权利要求1或2的方法，其中所述方法还包括保持所述氢压力和所述氧压力在0.2与 lbarabs。lute 之间。
4.权利要求3的方法，其中所述方法包括保持所述氢压力和所述氧压力在0.5与Ibarabsolute 之间。
5.权利要求1的方法，其中所述燃料电池是燃料电池系统的一部分，以及所述方法包 括减小所述氢压力和所述氧压力到基本上小于o. 7barabsolute,使得当所述燃料电池系统处 在空闲状态(零连接的负载条件)时保持电池电压在0.65与0.90伏之间的范围内。
6.按照前述权利要求的任一项的方法，其中可控制的再循环泵是隔膜泵。
全文摘要
用于限制工作在零负载条件下或工作在零负载条件附近的PEM燃料电池系统的输出电压以使得性能随时间的恶化最小化的方法，包括把氢流供应到所述燃料电池的阳极；把氧流供应到所述燃料电池的阴极；监视燃料电池的输出电压；监视在燃料电池中的氢压力；监视在燃料电池中的氧压力；限制氢流和氧流而同时驱动氢和氧的再循环泵，以使得并保持氢压力和氧压力低于1barabsolute，而同时保持所述氢压力在所述氧压力的70％与130％之间，从而使输出电压保持低于0.90伏。
文档编号H01M8/04GK102084528SQ200980116477
公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月5日 优先权日2008年5月9日
发明者F·布奇, M·霍弗 申请人:贝伦诺斯清洁电力控股有限公司