用于控制燃料电池系统的劣化规避操作的方法和装置与流程

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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、特别地，在进气侧的阳极，由于氢气和空气之间界面的形成而产生反向电流，这可能导致燃料电池的局部劣化。关于电池中产生反向电流而导致的电池的局部劣化，在氢气和氧气共存于阴极的状态下，即使产生反向电流也不会导致高电势阴极，因此碳的腐蚀无关紧要。另一方面，在氢气和氧气共存于阳极的状态下，当产生反向电流时会导致高电势阴极，从而导致碳的腐蚀并且增加局部电池劣化的风险。

8、专利文献1(kr 10-2014-0029791 a)、专利文献2(us 2009-0140066 a1)等等公开了通过防止燃料电池堆冷启动期间在电池堆中过度产生冷凝水并从阴极去除残余氧气来防止电池堆劣化的技术。

9、然而，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，专利文献1和专利文献2中公开的技术不能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导致的电池劣化。

10、公开于本发明背景技术部分中的信息仅仅旨在增强对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、因此，在某些方面，本发明的实施方案鉴于上述问题而提出，并且本发明的实施方案的目的在于诊断燃料电池中产生混合电势和反向电流的风险并诊断燃料电池运行期间是否由风险引起电池堆的劣化，以基于诊断结果执行规避劣化的操作，从而有效地防止燃料电池的劣化。

2、在另一方面，本发明的实施方案提供这样一种控制燃料电池系统的劣化规避操作的方法，该方法提出了一种考虑到在执行操作时燃料电池和系统的周围条件的最佳规避策略，以避免由于在燃料电池中产生混合电势和反向电流而导致的劣化，从而提高燃料电池系统的运行稳定性和耐久性。

3、在又一方面，本发明的实施方案提供一种控制劣化规避操作的方法，该方法能够防止燃料电池的运行暂时停止时可能发生的劣化的风险，例如在仅由蓄电池供电的电动车辆(ev)模式中，以及在燃料电池系统的电池堆重启时。

4、根据本发明的实施方案，提供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，所述方法包括：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的氢气压力，所述条件指示需要增加阳极的氢气压力；确定氢气再循环并供应氢气包括执行为使得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包括执行为使得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。

5、在某些方面，开始劣化规避操作的步骤可以包括：控制冷却水设置，其执行为使得基于燃料电池的劣化率和外部温度来可变地控制燃料电池中的冷却水的温度。

6、在某些方面，可以执行控制冷却水设置的步骤使得：在燃料电池的劣化率低于标准水平并且外部温度处于或高于参考温度的情况下，将冷却水的温度控制为仅当开路电压(ocv)低于第一设定电压时，燃料电池的目标温度才保持低于第一参考温度；而在燃料电池的劣化率大于或等于标准水平并且外部温度低于参考温度的情况下，将冷却水的温度控制为通过加热器升高，从而仅当开路电压(ocv)低于第一设定电压时，燃料电池的目标温度才大于或等于第二参考温度。

7、在某些方面，可以执行控制氢气压力的步骤使得：基于开路衰减时间(odt)诊断是否增加阳极的氢气压力，并且基于诊断结果将阳极的氢气压力增加到超过预定的阳极参考压力，从而选择性地控制阳极压力以保持大于阴极压力。

8、在某些方面，可以执行确定氢气再循环并供应氢气的步骤使得：基于开路电压(ocv)和燃料电池内的电流分布的偏差来诊断是否再循环氢气，以基于诊断结果选择性地再循环氢气，然后供应纯氢。

9、在某些方面，可以执行确定空气再循环并供应空气的步骤使得：在燃料电池运行停止时，基于电池之间的开路电压(ocv)的偏差来诊断是否再循环空气，以基于诊断结果选择性地再循环空气，然后供应空气。

10、根据本发明的另一实施方案，提供一种控制燃料电池系统的劣化规避操作的方法，所述方法包括：当在燃料电池系统关闭之后重启燃料电池时，开始劣化规避操作；基于预定条件控制阳极的氢气压力，所述条件指示需要增加阳极的氢气压力；确定氢气再循环并供应氢气包括执行为使得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；执行再循环空气并供应空气使得空气再循环，然后将空气供应到阴极；终止劣化规避操作并开始燃料电池的运行。

11、在某些方面，可以执行开始劣化规避操作的步骤使得：在燃料电池的劣化率低于标准水平并且外部温度处于或高于参考温度的情况下，基于外部温度再循环冷却水；而在燃料电池的劣化率大于或等于标准水平并且外部温度低于参考温度的情况下，将冷却水的温度控制为通过加热器升高，以使燃料电池的目标温度高于或等于第二参考温度。

12、在某些方面，可以执行控制氢气压力的步骤使得：基于开路衰减时间(odt)诊断是否增加阳极的氢气压力，并且基于诊断结果将阳极的氢气压力增加到超过预定的阳极参考压力，从而选择性地控制阳极压力以保持大于阴极压力。

13、在某些方面，可以执行确定氢气再循环并供应氢气的步骤使得：基于开路电压(ocv)和燃料电池内的电流分布的偏差来诊断是否再循环氢气，以基于诊断结果选择性地再循环氢气，然后供应纯氢。

14、在某些方面，可以执行开始劣化规避操作的步骤使得：当燃料电池在停止超过预设参考时间后开始运行时，在开始劣化规避操作之前检查劣化规避操作是否可行，并且当检测到的燃料电池外部的氢气量、开路衰减时间(odt)的减小以及冷却水离子电导率的增加率中的任何一个与先前的测量值相比超过了对应项的预设标准时，或者当在燃料电池运行停止时每个电池的odt的最小值小于最小衰减时间时，确定出劣化规避操作不可行，并且将燃料电池切换到无法启动燃料电池的状态。

15、根据本发明的又一实施方案，提供一种操作控制装置，其配置为当燃料电池停止之后重启时避免燃料电池的劣化，所述装置包括：状态信息收集器、冷却水控制器、氢气压力控制器、氢气再循环控制器以及空气再循环控制器，所述状态信息收集器配置为收集包括燃料电池的电压、电流和odt的燃料电池系统的状态信息；所述冷却水控制器配置为控制冷却水的温度和循环；所述氢气压力控制器配置为根据阳极氢气压力增加条件选择性地增加阳极氢气压力，所述条件基于从状态信息收集器提供的odt信息来确定；所述氢气再循环控制器配置为根据基于从状态信息收集器提供的开路电压信息和燃料电池内部的电流分布的偏差而确定的氢气再循环条件，在供应氢气之前选择性地执行氢气再循环；所述空气再循环控制器配置为根据基于从状态信息收集器提供的开路电压信息或重启前的停止条件而确定的空气再循环条件，在供应空气之前选择性地执行空气再循环。

16、状态信息收集器可以配置为进一步收集燃料电池的劣化程度和外部温度，冷却水控制器可以配置为使得(i)当在能量存储装置运行时暂时停止燃料电池的运行之后重启燃料电池时，在燃料电池的劣化率低于标准水平并且外部温度处于或高于参考温度的情况下，将冷却水的温度控制为仅当开路电压(ocv)低于第一设定电压时，燃料电池的目标温度才保持低于第一参考温度；而在燃料电池的劣化率大于或等于标准水平并且外部温度低于参考温度的情况下，将冷却水的温度控制为通过加热器升高，从而仅当开路电压(ocv)低于第一设定电压时，燃料电池的目标温度才大于或等于第二参考温度；以及(ii)当在燃料电池系统关闭之后重启燃料电池时，在燃料电池的劣化率低于标准水平并且外部温度处于或高于参考温度的情况下，基于外部温度再循环冷却水；而在燃料电池的劣化率大于或等于标准水平并且外部温度低于参考温度的情况下，将冷却水的温度控制为通过加热器升高，以使燃料电池的目标温度高于或等于第二参考温度。

17、空气再循环控制器可以配置为使得(i)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，在燃料电池停止运行期间，基于电池之间的开路电压的偏差来诊断是否再循环空气，以基于诊断结果选择性地再循环空气；以及(ii)当燃料电池在燃料电池系统关闭之后重启时，在供应空气之前强制执行空气再循环。

18、如所讨论的，所述方法和系统适当地包括使用控制器或处理器。

19、在另一方面，提供包括如本文所公开的装置的车辆。