专利名称：用于燃料电池系统的氢浓度控制装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于燃料电池系统的氢浓度控制装置和方法。更具体地，本发明涉及这样一种用于燃料电池系统的氢浓度控制装置和方法，其适于根据供应至燃料电池系统的燃料电池的氢浓度将燃料电池系统中的阳极的氢浓度保持在适当水平。
背景技术：
燃料电池系统通常包括用于供应反应气体(空气中的氢和氧)的氢供应系统和氧供应系统；用于将源自反应气体的氧化和还原反应的化学能电化学地转化为电能以产生作为反应产物的热和电能的燃料电池组；以及用于冷却燃料电池组的水和热管理系统。在燃料电池系统的这些部件中，用于实际产生电的燃料电池组具有数十至数百个单元电池的堆叠结构，各个单元电池由膜电极组件(MEA)(其也可被称作电极-膜组件或电极-膜接合体)、和隔板组成，其中一对端板安装在燃料电池组的两端，以便与预定的端面压力一起固定各个堆叠组件，并且传导电采集。MEA包括聚合物电解质膜、阳极和阴极，聚合物电解质膜布置在阳极与阴极之间，其中通过将含有纳米催化剂颗粒的催化层吸附到背衬层上来制造阳极(其也可被称作氢电极、燃料电极、负极电极、或氧化电极)和阴极(其也可被称作空气电极、氧电极、正极电极、或还原电极)。现在将简略地描述这种燃料电池系统的电产生原理。由于氢被供应至燃料电池组的阳极，在阳极上开始氢的氧化反应，从而产生氢离子(质子)和电子。由此产生的氢离子和电子通过电解质膜和隔板移动到阴极。然后，通过从阳极移动而来的氢离子和电子与空气中的氧之间的电化学反应在阴极上产生水，并且通过端板的集电器，将由这些电子的电流最终产生的电能供应至需要电能的负载(例如，用于驱动燃料电池车的发动机)。同时，通过测量供应至阳极的氢的浓度来将燃料电池组的阳极的氢浓度保持在适当水平的常规氢浓度控制技术，已用于各种使用调节器供应氢的常规氢供应系统中。例如，常规控制技术确定并控制通过该调节器产生的氢的浓度和氢中的杂质的含量，使得被提供的氢具有等于或高于参考浓度的浓度。如果对催化层有害的杂质包含在氢中，则停止氢供应系统的驱动。此外，另一种常规氢浓度控制技术已应用于氢供应系统。该常规氢浓度控制技术测量燃料电池组的阻抗，以基于所测量的阻抗确定燃料电池的阳极流道中的氢浓度。当氢浓度低于参考值时，常规氢控制技术通过阳极的净化控制来保持氢浓度。然而，难以通过测量来自燃料电池车的阻抗来精确测量氢浓度，燃料电池的所述阻抗实际上在电流负载中经受连续的变化。具体地，存在如下问题，即燃料电池应该必要地装备有昂贵的阻抗测量装置。还有另外一种常规技术已得到应用，该常规技术在氢再循环管中或燃料电池组的阳极的出口端处设置氢浓度测量传感器，以确定阳极的氢和杂质的浓度。该技术确定燃料电池组的各个单元电池的动力状态。当动力因相应单元电池中过量的杂质而低于参考值时，该常规技术进行氢净化以去除杂质。然而，在该实施例中，当在再循环管侧确定氢浓度时，因为根据燃料电池的运行条件氢的再循环量不均匀，因此难以在实际中应用该常规技术，并且难以在冷凝水的影响下精确测量氢浓度。此外，在该技术中，因为氢净化处理经常是在已出现问题之后执行，因此阳极出现损坏和耐久性降低的可能性仍然十分高。此外，因为在燃料电池阳极的出口端实际上存在大量的冷凝水，这使得氢浓度测量传感器难以正常地在出口端运行，并且因为测量误差和因水引起的传感器故障的可能性非常高，因此难以将该常规技术应用于实际产品。还有另一常规技术已得到应用，该常规技术在氢再循环管中设置氢浓度测量传感器以确定阳极流道中的杂质的浓度，然后在该确定的基础上进行氢净化控制。然而，由于大量的冷凝水存在于再循环管中，因此在大多数情况下难以测量氢浓度。此外，同样很可能的，将在燃料电池的电极已经因阳极中的杂质被损坏后进行上述过程，因此结果是阳极的耐久性又大大地受到影响。
发明内容
本发明提供一种用于燃料电池系统的氢浓度控制装置和方法，其中氢浓度测量传感器直接设置在氢储存装置(例如，氢罐)中，在测量的氢浓度的基础上估算燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度和杂质浓度，并且当确定出阳极流道中的氢浓度落在燃料电池系统可以稳定运行的参考值以下时，执行净化控制以将阳极流道中的气体(氢和杂质)排出到外部，使得燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度可被保持在不低于参考值。一方面，本发明提供一种用于燃料电池系统的氢浓度控制装置，该燃料电池系统具有用于将氢供应至燃料电池的阳极的氢供应系统。示例性的氢浓度控制装置包括:氢浓度测量传感器，直接安装在氢储存装置(例如，氢供应系统的氢罐或连接在氢罐与阳极之间的氢供应管)中；和控制器。控制器被配置成基于由氢浓度测量传感器测量的氢浓度估算阳极流道中的氢浓度，并且在确定出所估算的氢浓度降低至参考值以下时通过打开氢净化阀而对阳极流道中的气体执行净化控制。另一方面，本发明提供一种控制燃料电池系统的氢浓度的方法，包括:测量氢罐或氢供应管中的氢浓度；在测量的氢浓度的基础上估算阳极流道中的氢浓度和杂质浓度的变化；并且在确定出阳极流道中的杂质浓度不低于参考值(P )的上限时，通过打开氢净化阀预定长时间来执行氢净化，使得氢和杂质可被排出到外部。通过以上特征，本发明提供以下效果:根据本发明，氢浓度测量传感器直接设置在氢罐或氢供应管中的特定位置，在测量的氢浓度的基础上估算燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度和杂质浓度，并且在确定出阳极流道中的氢浓度落在燃料电池系统可以稳定运行的氢的参考值以下时，换句话说，当确定出杂质浓度已增加至预定参考值以上时，执行净化控制以将阳极流道中的气体(氢和杂质)排出到外部。因此，燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度可保持在参考值或高于该参考值。此外，不管装在氢罐中的氢的浓度如何，都可以执行净化控制，以基于由设置在氢罐中的氢浓度测量传感器测量的氢浓度估算阳极流道中的氢浓度和杂质浓度而将阳极流道中的氢浓度保持在适当水平。也就是说，即使在填充来自区域氢站而具有不同浓度的氢时，也执行净化控制。从而，可以保证燃料电池系统的稳定运行并防止损坏阳极以及降低耐久性。
现在将参考附图示出的本发明某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例性地说明，因此不构成对本发明的限制，其中:图1和图2是示意图，每个示意图示出本发明的示例性实施方式的用于燃料电池系统的氢浓度控制装置的配置；图3是用于描述物质如何相对于本发明示例性实施方式的燃料电池的阳极流道实施流动的示意图；并且图4是用于描述本发明示例性实施方式的用于燃料电池系统的本发明的氢浓度控制方法的流程图；并且图5是示出根据本发明示例性实施方式的阳极流道中执行的氢净化循环的图。
具体实施例方式下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、燃烧、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。应该理解的是，聚合物电解质燃料电池系统的性能直接受到供应至燃料电池系统的阳极的氢的浓度的影响，其中当供应的氢的纯度低时，在电压-电流特性曲线上在相同电流处获得的电压也低。此外，当浓度减小至预定水平以下时，在阳极的流道出口端处氢变得稀少，从而导致燃料电池的电压因氢浓度的减少而迅速下降。具体地，因为所有区域氢站的氢浓度不可能彼此相同，因此绝对需要开发一种能够根据供应至燃料电池组的阳极的氢的浓度来稳定地保持燃料电池的性能的控制技术。为了该目的，本发明将重点放在，通过基于在能够测量氢浓度的装置置于可再填充的氢储存罐或氢供应管中时测量的氢浓度，根据燃料电池的运行条件，估算阳极流道中的氢浓度，并且在阳极流道中的氢浓度被确定为降低至参考值以下时通过执行用于将阳极内的气体(氢和杂质)排出到外部的净化控制，使燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度保持在等于或高于用于稳定运行燃料电池系统所需的参考值的水平。图1是示出本发明示例性实施方式的用于燃料电池系统的氢浓度控制装置的构造的示意图，示出了用于将氢供应至燃料电池组的阳极的氢供应系统、和用于将氢再循环至阳极的氢再循环系统。更具体地，电流传感器2和电压传感器3被配置为分别测量由燃料电池组产生的电的电流和电压。逐步参考氢供应装置的结构和操作；通过以下步骤来控制浓度:(1)排出氢罐5中的氢，同时由高压调节器6将氢调节至预定压力，(2)在运行燃料电池系统的同时，使排出的氢流动通过处于打开状态的电磁阀7 ; (3)利用低压调节器8将已通过电磁阀7的氢再次调节至预定压力，并且(4)将已通过低压调节器8的氢供应至燃料电池组I的阳极，供应至阳极的氢的流量通过流量计9来测量。以该方式被供应至燃料电池组的阳极的氢与空气中的氧反应以产生电，然后通过驱动氢再循环系统的氢循环鼓风机11将部分未反应的氢经由电磁阀10例如氢再循环阀再循环至阳极的进口侧，并且将未反应的氢的残余经由电磁阀12例如氢净化阀排出到外部。有利的是，本发明在储存于氢储存装置5中的氢通过氢供应管供应至阳极流道时，根据氢储存装置5中的氢浓度可变地控制净化的氢和杂质的量，使得燃料电池系统能够不管从氢罐5中供应的氢的浓度的变化而稳定地运行。每当填充氢时，因为区域氢站具有不同的氢浓度，因此填充在氢储存装置5中的氢的浓度发生变化。除非考虑了填充到氢储存装置5的氢的浓度的变化，从氢罐供应至电池组I的阳极的氢的浓度也变化，其导致燃料电池的性能改变，有时不利地改变。也就是说，当氢罐5中的氢浓度过低时，燃料电池的电压突然下降，其可能导致阳极电极由于反向电压而损坏。对电极的损坏可能使燃料电池的性能劣化并且可能在耐久性和寿命方面带来问题。为了解决上述问题，本发明将氢浓度测量传感器13直接安装在氢储存装置5 (例如，氢罐或氢供应管)中的特定位置上，基于由氢浓度测量传感器13测量的氢罐5中的氢浓度，估算阳极流道中的氢浓度，并且在阳极流道中的氢浓度被确定为降低至燃料电池系统能够稳定地运行的氢的参考值以下时，将阳极中的气体(例如，氢和杂质)通过净化控制排出到外部。因而，当确定出杂质的浓度高于杂质的参考值时，阳极流道中的气体被净化，使得阳极流道中的氢浓度可保持等于或高于氢的参考值，并且杂质浓度可保持在杂质的参考值以下。`根据本发明的另一个实施方式，氢储存装置中未设置氢浓度测量传感器。在此情况下，只要不再填充新的氢，填充在氢储存装置中的氢的浓度就不再发生改变。因此，当从氢站填充新的氢时，控制器4可以通过有线或无线通信装置直接从氢站接收关于新的氢的浓度和填充量的信息，并且结合在新的氢被填充到系统中之前剩余在氢储存装置中的氢的量和浓度的信息，计算氢储存装置中的当前氢浓度。在通过设置在氢储存装置(例如，氢罐或氢供应管)中的氢浓度测量传感器测量氢浓度，或者利用直接从氢站获得的关于氢的浓度和填充量的信息测量氢储存装置中的当前氢浓度之后，基于所测量的氢浓度，估算燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度和杂质浓度的变化。现在将更详细地描述燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度以及其中的杂质浓度的变化的估算。为了估算在燃料电池系统的运行过程中的阳极流道中的氢浓度以及其中的杂质浓度的变化，优选地，应该将阳极流道的整体设定为单个控制体积。图3示出在被设定为单个控制体积的阳极流道的内部与外部之间流动的各个物质的传输路线。如图3所示，在阳极中，通过电化学反应消耗氢，其中通过氢的消耗量(/^7^)将氢(_/^/^力)和杂质(_ 从氢储存装置5供应至阳极。
此外，由于因燃料电池系统运行过程中供应至阳极与阴极的气体之间的浓度的不同，贯穿膜电极组件(MEA)出现交叉，所以氧(/ -)和氮a )从阴极传输到阳极，并且氢(Hln2,CO )从阳极传输到阴极。基于在被设定为单个控制体积的阳极流道的内部与外部之间流动的各个物质的这些供应量和交叉量，随时间变化的阳极流道中的杂质浓度(Cim)可以表示为以下等式1:等式
权利要求
1.一种用于燃料电池系统的氢浓度控制装置，所述燃料电池系统具有用于将氢供应至燃料电池的阳极的氢供应系统，所述装置包括: 氢浓度测量传感器，直接布置在所述氢供应系统的氢罐中或者直接布置在连接于所述氢罐与所述阳极之间的氢供应管中；和 控制器，被配置成基于由所述氢浓度测量传感器测量的氢浓度估算所述阳极流道中的氢浓度，并且在所述控制器确定所估算的氢浓度落在参考值以下时，通过打开氢净化阀执行所述阳极流道中的气体的净化控制。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器包括有线或无线通信装置，所述有线或无线通信装置被配置成接收与装在氢站中的氢的浓度和量有关的信息。
3.一种用于燃料电池系统的氢浓度控制方法，所述方法包括: 通过传感器测量氢罐或氢供应管中的氢浓度； 通过控制器，基于所测量的氢浓度估算阳极流道中的氢浓度和杂质浓度的变化；并且 通过所述控制器确定所估算的氢浓度是否落在预定参考值以下； 响应于确定所述氢浓度落在预定参考值以下，通过打开阀预定长时间来执行氢净化，使得氢和杂质被排出到外部。
4.如权利要求3所述的方法，其中估算所述阳极流道中的氢浓度和杂质浓度的变化，还包括根据杂质浓度(a )利用以下等式来计算杂质浓度(Cim)，
5.如权利要求3所述的方法，还包括直接从氢站经由有线或无线通信装置接收有关氢浓度的信息。
6.如权利要求3所述的方法，其中进行所述氢净化直到所述阳极流道中的杂质浓度减小至参考值(e )的下限以下，并且当所述阳极流道中的杂质浓度减小至参考值的下限以下时，关闭氢净化阀以停止所述氢净化。
7.如权利要求3所述的方法，其中当所述氢罐或所述氢管中的杂质浓度高时，与所述氢罐或所述氢供应管中的杂质浓度成比例地增加氢净化循环。
8.一种氢浓度控制装置，所述装置包括: 传感器，直接布置在混合动力车的氢储存装置中并且被配置成测量氢储存装置中的氢的浓度；和 控制器，被配置成基于由所述传感器测量的氢浓度估算燃料电池的阳极流道中的氢浓度，并且在所述控制器估算氢浓度落在参考值以下时，通过打开阀而对所述阳极流道中的气体执行净化控制。
9.如权利要求1所述的氢浓度控制装置，其中所述氢浓度控制装置安装在车辆中。
全文摘要
本发明公开一种用于燃料电池系统的氢浓度控制装置和方法，用于根据提供至燃料电池的浓度将阳极的氢的浓度保持在适当水平。更具体地，氢浓度测量传感器直接设置在氢储存装置中，基于所测量的氢浓度，估算燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度和杂质浓度，并且当确定出阳极流道中的氢浓度落在燃料电池系统可以稳定运行的参考值以下时，执行用于将阳极流道中的气体(氢和杂质)排出至外部的净化控制，以便可以将燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度保持在等于或高于参考值。
文档编号H01M8/04GK103137987SQ20121019931
公开日2013年6月5日 申请日期2012年6月14日 优先权日2011年11月30日
发明者李东勋, 崔瑞浩 申请人:现代自动车株式会社