专利名称：用于燃料电池系统的起动控制装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于燃料电池系统的起动控制装置和方法。本发明具体涉及这样一种用于燃料电池系统的起动控制装置和方法，其可通过在起动燃料电池系统时控制供应到阳极的氢的供给速率，来减少保留在阳极上的氢和空气之间形成界面所需的时间，并根据界面的形成来防止产生过电压。
背景技术：
在包括燃料电池组的燃料电池系统处于停止状态时，空气通常流入电池组的阴极，然后流入并扩散通过气体扩散层和电解质膜而驻留在阳极。也就是说，当包括燃料电池组的燃料电池系统，即安装有燃料电池系统的燃料电池车停止时，供应到燃料电池的空气和氢气会受到干扰。然而，当停止状态持续较长时间时，保持在阳极中的氢可通过电解质膜流入阴极，阳极的压力可能变得低于阴极的压力。结果是，在阳极中形成负压，入口和出口堵塞，因此由于阳极和阴极之间存在压力差，而使阴极中的氧气扩散到阳极。当典型的燃料电池系统从停止状态起动之后，驱动空气供应单元将空气供应到电池组的阴极，同时，将氢气从氢罐供应到电池组的阳极。另外在典型燃料电池系统起动之后，在氢气被供应到阳极时，所供应的氢气在阳极碰到空气从而形成氢气和空气(氧气)之间的界面，随着氢气和氧气之间的界面形成，在阴极侧上形成过电压。当在阴极中产生过电压时，可导致阴极电极的腐蚀。这将在数十或数百次循环后劣化电池组性能。也就是说，当燃料电池系统起动时，氢气通常被供应到阳极与剩余的氧气形成界面，同时引起化学反应，该化学反应会在阴极产生高电势并引起碳侵蚀(carbon erosion)。因此，阴极中碳催化剂减少，因而减小导致燃料电池性能劣化的活性。该劣化会导致在燃料电池中产生的电压的降低，因而会降低电池的耐用性。防止在起动燃料电池系统之后产生过电压的现有技术，使用通过利用诸如电阻等假负载连接来降低电压的工艺。然而，当不是以一致方式供应燃料时，电池组的电池中可产生反向电压，并可引起电池组性能的致命劣化。因此，改善燃料电池组的耐用性从而防止或最小化由氢气和空气(氧气)之间的界面引起的过电压是非常重要的，该过电压是在燃料电池系统从停止状态起动之后空气 (氧气)流入阳极形成的。在背景技术部分公开的上述信息仅仅是为了增强对本发明背景技术的理解，因此其可能包含对本国本领域普通技术人员来说已知的不构成现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种用于燃料电池系统的起动控制装置和方法，其可在燃料电池系统从停止状态起动时，通过根据存在于阳极的氧浓度来调节供应到阳极的氢供给速率，来减少与阳极上剩余空气形成界面所需的时间，根据界面的形成防止产生过电压，并减少不必要的氢消耗。在一个方面，本发明提供一种用于燃料电池系统的起动控制装置，其包括浓度计，测量存在于燃料电池组的阳极中的氧浓度；氢供给速率控制器，布置在阳极入口处；和控制器，从浓度计接收氧浓度信号值并同时控制氢供给速率控制器从而调节到阳极的氢供给速率。在另一个方面，本发明提供一种用于燃料电池系统的起动控制方法；其包括测量燃料电池系统起动后存在于燃料电池组的阳极中的氧浓度；和根据氧浓度来控制供给到阳极的氢供给速率。在优选实施例中，如果氧浓度等于或大于参考值，则可将氢供给速率调节成增大 (如高的)速率。在另一个优选实施例中，如果氧浓度小于参考值，则可将氢供给速率调节成正常 (或较低的)速率。下面将讨论本发明的其他方面和优选实施例。
下面参考某些示例性实施例详细描述本发明的上面和其他特征，其中所示附图仅例示而非限制本发明，且其中图1是示出根据本发明一个实施例的燃料电池系统的起动控制方法的图；图2a_2c是V-I曲线图，示出使用根据本发明一个实施例的用于燃料电池系统的起动控制方法来控制供应到阳极的氢供给速率来测量的电池电压变化；以及图3a_3d是V-I曲线图，示出根据燃料电池系统起动时阳极中剩余空气量的电池电压变化。附图中给出的附图标记包括下面进一步讨论的元件10:燃料电池组12:阳极14:阴极16:浓度计18 氢供给速率控制器20 控制器22、24、26、和 28 阀应当理解的是，附图不必按比例绘制，而是呈现出说明本发明基本原理的各种优选特征的简化表示。本文中所公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，这些特征将部分地由预期的特定应用和使用环境来确定。在附图中，在全部的几张图中，附图标记始终指代本发明的相同或等同部件。
具体实施例方式以下将参照附图具体描述本发明的示例性实施方式，这些实施方式的实施例将在附图中示出并在下面进行详细说明。尽管将结合具体实施方式
来描述本发明，然而应该理解的是，本说明并不意图将限制到这些具体实施方式
。相反地，本发明意图不仅覆盖具体实施方式
，并且覆盖由所附权利要求书所限定的本发明的精神和保护范围内的各种变型、修改及其它实施方式。应该理解的是，本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般的机动车辆，诸如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客车，包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车以及其它代用燃料车(例如从除石油以外的资源中取得的燃料)。如本文中所述，混合动力车是具有两个或更多个动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。以下，参考附图详细说明本发明示例性实施例。在燃料电池系统起动后，随着燃料电池组阳极中氧气浓度的增加，可产生较高的过电压。因此，可加速阴极电极的腐蚀，且阴极的活化可因其碳催化剂的损失而减少，从而导致使燃料电池性能降低的劣化。作为详细的例子，如图3a和北所示，当阳极的氧浓度为约0%或约时，即使几千次起动和停止循环之后，电池电压也不降低。然而，如图3c和3d所示，当阳极的氧浓度为约10%或约20%时，电池电压随着起动和停止循环的重复而降低。因此，可减少燃料电池系统的耐用性和整个系统的不稳定性，并可最终引起系统频繁停止。本发明针对减少在燃料电池系统起动之后产生的阴极电极的腐蚀。这可通过以更高速率将氢供给到电池组的阳极来实现，以减少在阳极中形成的氢气和空气(氧气)之间的界面所需的时间。然而，如果只要燃料电池系统起动就增大氢的供给速率，则可能会增加氢消耗的因子(factor)，因而会降低氢燃料效率。因此，为了防止燃料电池系统起动时过多地消耗氢，仅在流入阳极的氧浓度等于或大于特定参考值(例如，在阳极10%的氧气)时，可以以增大(例如高)的速率将氢气供应到阳极。然而，当氧浓度小于特定值(例如在阳极氧气)时，可以以正常(或较低) 的速率供应氢。如在此所用的，“正常的”速率是指对于相似类型的燃料电池系统常规的供应速率，“增大的”速率是指大于常规正常速率的供应速率。请注意，氧浓度的特定值仅是示例性的实施例，而并非意图用于限制本发明的范围。如图1所示，根据本发明一个实施例的燃料电池系统的起动结构可包括浓度计 16，用于测量燃料电池组10的阳极12中的氧浓度；布置在阳极12的入口(如在入口端) 的氢供给速率控制器18 ；和控制器20，用于在燃料电池系统起动时从浓度计16接收氧浓度的信号值从而控制阳极12的氢供给速率并同时控制氢供给速率控制器18的操作。在一个实施例中，氢供给速率控制器18可包括用于将氢的压力转变成高压或改变氢流速的高压泵，或诸如用于改变氢流量的流速控制阀等典型的流速控制器。在此情形下，安装在电池组10的阳极12的入口和出口的阀22和对，和安装在阴极14的入口和出口的阀沈和观可关闭从而在燃料电池系统停止时阻断气体(氢气和空气)被供应到电池组。然而，尽管停止的状态持续较长时间，然而只有非常少量的空气可流入电池组中。也就是说，不能完全防止空气流入。下面详细说明根据本发明一个实施例的用于燃料电池系统的起动控制方法。在燃料电池系统的停止状态中，空气可流入燃料电池组的阴极，然后空气也可通过气体扩散层和电解质膜的扩散过程流入和离开阳极。在此情形下，在燃料电池系统起动时，阳极12中的氧浓度可通过浓度计16来测量，然后可以将所测量的浓度作为信号传递到控制器20。然后，控制器20可根据氧浓度来控制置于阳极12入口端的氢供给速率控制器18的操作，以便控制到阳极12的氢供给速率。例如，当将氢供给速率控制器18用作泵时，控制器20可以控制泵的每分钟转数 (RPM)，从而以高压或高速将氢气供给到阳极12，或者也可控制泵的RPM以便以正常速率供给氢。因此，当氧浓度等于或大于参考值时，可以将氢供给速率调节成增大(例如高的) 速率。因此，在阳极中形成的氢和空气之间的界面的形成时间，因氢的高流速和供给增加而显著缩短，因而防止阴极中过电压的产生，并保持阴极电极的耐用性。在实验例子中，在燃料电池系统重复其开始和停止循环时，已经为每个氢供给速率测量了电池电压。也就是说，燃料电池系统的起动和停止重复大约数百或数千次循环。分别在起动时氢供给速率保持在正常速率A或“1A” (参看图加)，在约为正常速率三倍大的速率“3A” (参看图2b)，和在约为正常速率五倍大的速率“5A” (参看图2c)时测量电池电压。结果是，当氢供给速率低时，约在几百个循环中观察到电池电压降。另一方面，当氢供给速率较高时，约在几百个循环中观察到电压降。随着氢供给速率的增加，约在几百个循环中观察到电压降，且性能劣化缓慢发展。而且，当氧浓度小于参考值时，阳极的氢供给速率可调节到较低速率，因而减少不必要的氢消耗。也就是说，当保留在阳极中的空气(氧气)浓度不影响阴极电极的腐蚀时， 氢供给速率可保持在正常速率，而无需以高速率供给氢，因而减少氢消耗。根据本发明实施例的燃料电池系统的起动控制装置和方法，可在燃料电池系统停止之后空气流入电池组阳极时，通过以高速率将氢供给到阳极，使氢和空气之间界面的形成最小化，并根据界面的形成来防止在阴极中形成过电压。由于在阴极中过电压的产生最小化，因此可保持阴极电极的耐用性。特别地，可以通过测量位于阳极中的氧浓度，并根据所测量的氧浓度来控制氢的供给速率，来防止氢被不必要地消耗。上面已参考本发明的优选实施例详细描述本发明。然而，本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明原理和精神的情况下还可以对这些实施例做出修改，本发明的范围由权利要求及其等价物来限定。
权利要求
1.一种用于燃料电池系统的起动控制装置，包括浓度计，被配置成测量存在于燃料电池组的阳极中的氧浓度；氢供给速率控制器，布置在所述阳极的入口处；以及控制器，被配置成从所述浓度计接收氧浓度信号值并控制所述氢供给速率控制器以调节供给到所述阳极的氢供给速率。
2.如权利要求1所述的起动控制装置，其中如果所述氧浓度等于或大于参考值，则将所述氢供给速率调节成大于正常速率的增大速率。
3.如权利要求2所述的起动控制装置，其中所述增大速率为所述正常速率的三倍。
4.如权利要求2所述的起动控制装置，其中所述增大速率为所述正常速率的五倍。
5.如权利要求1所述的起动控制装置，其中如果所述氧浓度小于参考值，则将所述氢供给速率调节成正常速率。
6.一种用于燃料电池系统的起动控制方法，包括测量在所述燃料电池系统起动时存在于燃料电池组的阳极中的氧浓度；和根据所述氧浓度控制供给到所述阳极的氢供给速率。
7.如权利要求6所述的起动控制方法，其中控制所述氢供给速率包括如果所述氧浓度等于或大于参考值，则将所述氢供给速率调节成大于正常速率的增大速率。
8.如权利要求7所述的起动控制方法，其中所述增大速率为所述正常速率的三倍。
9.如权利要求7所述的起动控制方法，其中所述增大速率为所述正常速率的五倍。
10.如权利要求7所述的起动控制方法，其中控制氢供给速率包括如果所述氧浓度小于参考值，则将所述氢供给速率调节成正常速率。
11.一种系统，包括燃料电池组，具有阳极和阴极；浓度计，被配置成测量存在于所述燃料电池组的所述阳极中的氧浓度；氢供给速率控制器，布置在所述阳极的入口处；以及控制器，被配置成从所述浓度计接收氧浓度信号值并控制所述氢供给速率控制器以调节供给到所述阳极的氢供给速率。
12.如权利要求11所述的系统，其中如果所述氧浓度等于或大于参考值，则将所述氢供给速率调节成大于正常速率的增大速率。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述增大速率为所述正常速率的三倍。
14.如权利要求12所述的系统，其中所述增大速率为所述正常速率的五倍。
15.如权利要求11所述的系统，其中如果所述氧浓度小于参考值，则将所述氢供给速率调节成正常速率。
全文摘要
本发明提供一种用于燃料电池系统的起动控制装置和方法。该起动控制装置包括浓度计、氢供给速率控制器、和控制器。浓度计测量位于燃料电池组阳极中的氧浓度。氢供给速率控制器布置在阳极入口处。控制器从浓度计接收氧浓度信号值，同时控制氢供给速率控制器以调节供给到阳极的氢供给速率。
文档编号H01M8/04GK102487144SQ20111024262
公开日2012年6月6日 申请日期2011年8月19日 优先权日2010年12月3日
发明者任世埈, 孙翼齐, 李钟贤, 金永敏, 高载准 申请人:现代自动车株式会社