[发明专利]用于控制燃料电池系统的劣化规避操作的方法和装置

说明书

公开了用于控制燃料电池系统的劣化规避操作的方法和装置。在一个方面，所述方法可以包括：当在能量存储装置运行且燃料电池停止的状态下重启燃料电池的运行时，开始劣化规避操作；基于预定条件控制阳极氢气压力，所述条件指示需要增加阳极氢气压力；确定氢气再循环并供应氢气，其包括基于指示需要再循环氢气的预定条件来确定在供应氢气之前是否再循环氢气的过程；确定空气再循环并供应空气，其包括基于指示需要再循环空气的预定条件来确定在供应空气之前是否再循环空气的过程；终止劣化规避操作并开始燃料电池的运行。

技术领域

本发明的实施方案涉及一种用于控制燃料电池系统的劣化规避操作的方法和装置，并且更具体地，涉及这样一种用于控制燃料电池系统的劣化规避操作的方法和装置，其配置为在实际运行期间检测燃料电池堆内是否产生混合电势或反向电流并且当确定产生了混合电势或反向电流时，诊断所产生的混合电势或反向电流的类型，从而基于实时诊断结果选择性地应用防止劣化的策略，所述策略适合于相应的情况。

背景技术

燃料电池是一种利用氢气和氧气之间的电化学反应来产生电能或电力的电化学装置。特别地，在广泛应用于车辆的质子交换膜燃料电池(proton-exchange membranefuel cell，PEMFC)系统中，水充当介质向阴极和阳极之间电介质膜转移氢离子(H+)。因此，保持电解质膜的水含量大于或等于预定水平与燃料电池的性能直接相关。

例如，在水量不足的干燥条件下，电解质膜的水分含量降低，导致电极的电阻增加并且降低燃料电池的性能。然而，在水分过多的浸没条件下，水在阴极和阳极的通道(通过该通道供应空气和氢气)中冷凝，从而阻止向电极供应反应气体，这导致燃料电池电压突然下降。当燃料电池在上述干燥条件或浸没条件下持续运行时，燃料电池的劣化会加速。

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，聚合物电解质膜转移氢离子，充当阻止氢气和氧气彼此相遇的屏障，并且充当两个电极(阳极和阴极)之间的电绝缘体。这里，由于聚合物电解质膜不能完全起到屏障的作用，因此气体会渗透聚合物电解质膜，并且渗透气体的量会影响PEMFC的性能和耐久性。当渗透气体的量增加时，开路电压(open-circuit voltage，OCV)降低，并且由于未参与电化学反应消耗的燃料量而导致燃料效率降低。通过聚合物膜渗透的阳极的氢气在阴极与氧气相遇，通过铂催化剂的作用变成H₂O、H₂O₂、HO₂等等，或者排出而不发生反应。随着这些反应进行，混合电势与氧还原反应(这是阴极的原始反应)一起形成，从而降低OCV。

当通过膜渗透的氢气与氧气相遇时，通过铂催化剂的作用产生H₂O₂或氧自由基。过氧化氢或自由基攻击电解质膜的聚合物，使膜劣化，并形成针孔，由于产生的针孔而导致气体渗透性增加。结果，过氧化氢和自由基的产生速度变得更快，并且膜迅速劣化。

在这方面，将使用继电器电阻连接的阴极耗氧(cathode oxygen depletion，COD)加热器的方法用作快速提高电池堆温度的方法，以解决燃料电池车辆冷启动期间电池堆内结冰的问题。在这一示例中，COD加热器可以在停机期间运行，以去除阴极中的残余氧气，并且可以在冷启动期间同时加热氢气和冷却水。此外，在冷启动期间，供应加热的氢气以防止电池堆中产生冷凝水。

同时，在应用COD加热器方法的燃料电池系统的情况下，可以防止冷启动期间在电池堆中过度产生冷凝水。然而，COD加热器方法仅仅可以通过从阴极去除残余氧气来防止电池堆的劣化。因此，在除了冷启动条件之外的实际车辆和系统的各种运行条件下，很难防止由于过度的空气流入阳极和过度的氢气流入阴极引起局部反向电流或混合电势的产生而导致的电池劣化。