CN111916794B - 使用阻抗的燃料电池车辆除水***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用阻抗的燃料电池车辆的除水***和方法。当燃料电池***在低温条件下停止时，该***测量燃料电池堆的低频阻抗，并且使用测量的低频阻抗调节增压到燃料电池堆中的用于去除水的空气供应量和供应时间。因此，防止空气被不必要地增压到燃料电池堆中，同时去除残留在燃料电池堆中的水。

Description

使用阻抗的燃料电池车辆除水***和方法
技术领域
本发明涉及一种使用阻抗的燃料电池车辆的除水***和方法，更具体地，涉及一种使用阻抗的燃料电池车辆的除水***和方法，其在燃料电池***停止时测量燃料电池堆的低频阻抗，并且适当地去除燃料电池堆中残留的水。
背景技术
一般而言，安装在氢燃料电池车辆中的燃料电池***包括：从反应气体的电化学反应产生电能的燃料电池堆；向燃料电池堆供应氢作为燃料的氢供应装置；提供含有氧气的空气的空气供应装置，该氧气是燃料电池堆的电化学反应所需的氧化剂；通过将作为燃料电池堆的电化学反应的副产物的热量排放到外部来优化调节燃料电池堆的工作温度，并执行水管理功能等的热和水管理***。
燃料电池堆设置为堆叠数十至数百个单元电池的结构，单元电池包括：聚合物电解质膜；阴极和阳极，它们是施加到电解质膜的两个表面的催化剂层，以使氢和氧可相互反应；堆叠在阴极和阳极外侧的气体扩散层；以及堆叠在气体扩散层外侧的隔板(separator)等。隔板设置为如下结构，其中形成有歧管和通道,作为氢气和空气的流动路径以及由电化学反应产生的水的排放路径。
同时，当燃料电池***由于燃料电池车辆的行进终止而停止时，作为电化学反应的副产物的水残留在燃料电池堆中，特别是，水残留在隔板的通道中等。如上所述，当水残留在燃料电池堆中时且外部空气温度较低时，残留剩余的水可能被冻结，从而阻止燃料电池车辆启动或引起燃料电池堆的变形。因此，当燃料电池***停止时，需要适当地除去残留在燃料电池堆中的水。
已经研发有一种传统的除水方法，即，在燃料电池***停止时，当空气温度或电池堆冷却剂温度低于阈值温度时，通过操作将空气供应到燃料电池堆的空气压缩机，将空气增压到燃料电池堆中。更具体地，根据传统的除水方法，空气压缩机采用通过先前实验的定性方法，在预先设定增压到燃料电池堆中的空气的流速和供应时间的状态下运行，从而将恒定量的空气增压到燃料电池堆中。
因此，由于被增压到燃料电池堆中的空气的流动力，残留在燃料电池堆中的水可与气流一起被排放到燃料电池堆的外部并被去除。然而，尽管当燃料电池***停止时燃料电池堆中残留的水量基于燃料电池***的规格和操作方法而改变，但是，传统的除水方法总是将恒定量的空气增压到燃料电池堆中，因而不能充分除去水。因此，水残留在隔板的通道中，或者可能发生导致电解质膜干燥的过度干燥现象等。
同时，作为现有技术的另一示例，已经开发了一种燃料电池***，其可在去除燃料电池内的水时测量阻抗，以执行除水过程(吹扫过程)，直到燃料电池的内部水分量达到最佳水分量。换句话说，公开了一种燃料电池***，其作为水分量与燃料电池内部的阻抗之间的相互关系，测量作为燃料电池的湿区和干区之间的边界位置的局部部分的阻抗，并当阻抗测量值达到参考阈值或更高(当阻抗增加)时，停止用于去除水的气体供应，以终止除水过程，其使用了以下原理，即，当燃料电池中的水分量减少时，电解质膜被干燥，电解质膜的电导率降低，同时电解质膜的电阻增加，并且测量的燃料电池的每个电池的阻抗增加。
然而，在现有技术中，除水过程终止时，由于过度去除除了存在于隔板的通道中的水之外的电解质膜等的水分，引起电解质膜的电阻增加从而导致阻抗增加，从而引起电解质膜干燥等过度干燥现象。
在背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此它可能包含不构成本国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供了一种使用阻抗的燃料电池车辆的除水***和方法，其可测量燃料电池***在低温条件下停止时燃料电池堆的低频阻抗，并且使用所测量的低频阻抗来调节增压到燃料电池堆中的用于去除水的空气供应量和供应时间，从而防止空气不必要地增压到燃料电池堆中，同时除去残留在燃料电池堆的隔板的通道中的水。
本发明的示例性实施例提供一种使用阻抗的燃料电池车辆的除水***，其可包括：燃料电池堆；空气供应单元，其配置为向燃料电池堆供应空气；阻抗测量单元，其配置为测量燃料电池堆的低频阻抗；以及控制器，其配置为基于在阻抗测量单元中测量的燃料电池堆的低频阻抗来操作空气供应单元。控制器可配置为当阻抗测量单元测量燃料电池堆的低频阻抗时操作空气供应单元，并且当燃料电池堆的低频阻抗达到最小参考值时降低空气供应单元的驱动速度或停止其驱动。
本发明的示例性另一实施例提供一种使用阻抗的燃料电池车辆的除水方法，其可包括：当接收到启动停止信号时，通过控制器确认外部空气温度或冷却剂温度是否等于或小于参考值；当燃料电池堆处于低温状态时，通过阻抗测量单元测量燃料电池堆的低频阻抗；通过控制器驱动空气供应单元将空气供应到燃料电池堆中；当空气被供应到燃料电池堆中时，通过阻抗测量单元反复测量燃料电池堆的低频阻抗；以及当燃料电池堆的低频阻抗达到最小参考值时，通过控制器降低气体供应单元的驱动速度或停止其驱动。
本发明通过上述配置提供以下效果。首先，当燃料电池***在外部空气温度低的状态下停止时，可测量燃料电池堆的低频阻抗，并使用测量的低频阻抗调节增压到燃料电池堆中的用于去除水的空气供应量和供应时间，从而防止空气不必要地增压到燃料电池堆中，同时去除残留在燃料电池堆中的水(特别地，在隔板的通道中)。
换句话说，当燃料电池***在外部空气温度为低温的状态下停止时，可周期性地测量燃料电池堆的低频阻抗，并且将用于去除水的空气供应到燃料电池堆直到测量的低频阻抗减小到最小参考值，从而最大程度地去除残留在燃料电池堆中的水(特别地，在隔板的通道中)，而不会不必要地增压空气。
其次，即使燃料电池堆中残留的水量根据燃料电池***的规格和操作方法而改变，只需将用于去除水的空气供应到燃料电池堆，直到低频阻抗降低到最小参考值，使得即使燃料电池***的规格和操作方法不同，也可获得恒定的除水效果。
第三，在传统的除水方法中存在的问题是，水不能从隔板的通道中充分地除去，因此，存在导致电解质膜干燥的过度干燥现象等。然而，在使用本发明的低频阻抗的除水方法中，当低频阻抗减小到最小参考值时，可确定已经去除了隔板的通道中残留的水的状态，从而充分地去除残留在隔板的通道中的水，并因此，防止导致电解质膜干燥的过度干燥现象等。
附图说明
现在将参考通过附图示出的示例性实施例来详细描述本发明的上述和其他特征，其中附图在下文中仅通过说明的方式给出，并且因此并非对本发明进行限制，其中：
图1是示出根据本发明示例性实施例的使用阻抗的燃料电池车辆的除水***的框图；
图2是示出根据本发明示例性实施例的使用阻抗的燃料电池车辆的除水方法的流程图；以及
图3A和图3B是示出根据本发明示例性实施例的燃料电池车辆的除水***和方法中，低频阻抗根据燃料电池堆中剩余的水量而变化的曲线图。
应当理解的是，附图不一定按比例绘制，而是呈现出说明本发明的基本原理的各种优选特征的有所简化的表示。如本文所公开的包括例如具体尺寸、方向、位置和形状的本发明的具体设计特征，将部分地由特定预期的应用和使用环境来确定。在附图中，贯穿附图的多幅图形，附图标记表示本发明的相同或等效的部件。
具体实施方式
可以理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其它相似术语包括一般的机动车辆，例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乘用车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，以及航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆和其它替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如兼备汽油动力和电动力的车辆。
虽然示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是应理解，示例性过程也可以由一个或多个模块执行。另外，应理解术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器配置为存储模块，并且处理器具体配置为执行所述模块，以执行下面进一步说明的一个或多个过程。
本文所使用的术语仅用于说明特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在同样包括复数形式，除非上下文另外明确指明。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、和/或组件和/或其群组的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。
除非特别说明或从上下文明显可见，如本文所使用的，词语“约”应理解为在本领域的正常容差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文另外明确，否则本文提供的所有数值均由词语“约”修饰。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。
图1是示出根据本发明的使用阻抗的燃料电池车辆的除水***的图，并且附图标记10表示燃料电池堆。当燃料电池***由于燃料电池车辆的行进终止而停止时，作为电化学反应的副产物的水残留在燃料电池堆10中，特别是，水残留在隔板的通道等中。为了去除残留在燃料电池堆10中的水，作为空气供应单元的空气压缩机12可由控制器30打开，以将空气增压到燃料电池堆中，其中控制器30是用于燃料电池***的整体操作的控制器。
根据本发明，阻抗测量装置20可连接到燃料电池堆10，该阻抗测量装置是用于测量低频阻抗的阻抗测量单元。阻抗测量装置20可配置为在驱动空气压缩机12之前(OFF状态)基于来自控制器30的控制指令或信号开始测量燃料电池堆的低频阻抗。此外，阻抗测量装置20可配置为根据控制器的控制指令多次重复测量燃料电池堆的低频阻抗，同时根据空气压缩机12的ON驱动将空气增压到电池堆，换言之，即使根据空气压缩机的ON驱动而通过增压的空气去除电池堆中的水时也是如此。
此外，高压电池22和高压电力转换器24可经由开关26连接到燃料电池堆10，作为提供用于阻抗测量的电流的配置。本发明的除水***可包括用于阻抗测量程序和空气压缩机驱动控制的控制器30。具体地，控制器30可配置为当在燃料电池***停止的状态下，外部空气温度或冷却剂温度等于或小于参考值时，将用于测量燃料电池堆的低频阻抗的控制指令发送到阻抗测量装置20。
此外，当阻抗测量装置20开始测量燃料电池堆的低频阻抗时，控制器30可配置为打开空气压缩机12以将空气增压到燃料电池堆中，然后基于在阻抗测量装置20中测量的燃料电池堆的低频阻抗执行控制以维持ON状态或关闭空气压缩机12，并且当燃料电池堆的低频阻抗达到最小参考值时关闭空气压缩机。
这里，将描述具有上述配置的本发明的使用阻抗的除水方法。图2是示出根据本发明的使用阻抗的燃料电池车辆的除水方法的流程图。
首先，当燃料电池***由于燃料电池车辆的行进终止而停止时(S101)，可判断燃料电池堆是否处于低温状态(S102)。换句话说，当燃料电池***停止时，控制器30可配置为基于来自外部空气温度传感器的温度信号和来自冷却剂温度传感器的温度信号来确认外部空气温度或冷却剂温度是否处于参考值或参考值以下的低温状态。优选地，低温范围为从0℃或更高到10℃或更低，以将电池堆中残留的水排放到外部。
作为S102中的确认结果，响应于确定外部空气温度或冷却剂温度等于或小于参考值，可测量燃料电池堆的低频阻抗ZRe(1)(S103)。为此，来自高压电池22的电流可通过高压电力转换器24供应到燃料电池堆10，而开关26根据控制器30的控制指令(电流指令)接通或断开。另外，阻抗测量装置20可配置为通过控制器30的控制信号测量燃料电池堆的低频阻抗ZRe(1)，以将测量结果发送到控制器30。
此时，测量燃料电池堆的阻抗时，频率是与电池堆的传质阻力(例如，电池堆中残留的水)相关的频率之一(one of the frequencies related to the mass transferresistance)，并且在实验上优选地约为30Hz或更小，由于频率越低，阻抗测量时间越长，但传质阻力越大，这可以提高阻抗测量的可靠性。接下来，当利用阻抗测量装置开始测量燃料电池堆的低频阻抗ZRe(1)时，可将空气增压到燃料电池堆中以去除残留在燃料电池堆10中的水(S104)。
也就是说，空气压缩机12可由控制器30的操作指令信号驱动(ON)，从而将空气增压到燃料电池堆中。因此，残留在燃料电池堆中的水可通过与增压到燃料电池堆中的空气的流动力引起的气流一起通过燃料电池堆的吹扫部排放到外部并除去。
此外，在驱动空气压缩机12去除水的过程中，可以与步骤S103中的测量方法相同的方式多次重复测量燃料电池堆的低频阻抗ZRe(n)，n＝2,3,……(S105)。此时，通过驱动作为空气供应单元的空气压缩机12向燃料电池堆10供应空气的空气供应时间可基于从先前测量的低频阻抗ZRe(n-1)中减去当前测量的低频阻抗ZRe(n)而获得的ZRe(n-1)-ZRe(n)的阻抗测量周期动态调整。也就是说，阻抗测量周期ZRe(n-1)-ZRe(n)越大，空气供应时间越长，阻抗测量周期ZRe(n-1)-ZRe(n)越小，空气供应时间越短。
同时，参考图3A的上图，在去除燃料电池堆中残留的水之前(例如，在步骤S104之前)，传质阻力(例如，电池堆中残留的水)导致在一个低频处测量的低频阻抗显示为高。另一方面，参考图3A的下图，当开始去除燃料电池堆中残留的水时(例如，在步骤S104之后)，传质阻力(例如，电池堆中残留的水)减少，并且在一个低频处测量的低频阻抗逐渐减小。
当残留在燃料电池堆中的水被过度去除时，例如，除了存在于隔板的通道中的水之外的电解质膜等的水分被过度去除时，如图3B的下图所示，由于电解质膜的电阻和氢离子迁移阻力等的增加，低频带和中频带的阻抗增加。
因此，如图3A的下图和图3B的上图所示，在传质阻力减小并且在一个低频下测量的低频阻抗逐渐减小之后，并且在低频带和中频带的阻抗由于存在于电解质膜和燃料电池堆的电极中的水被去除的过度除水而整体增加之前的点，可设置为低频阻抗的最小参考值。
也就是说，最小参考值可设定为，随着燃料电池堆中的水量渐减少，燃料电池堆中的传质阻力减小，从而使在一个低频下测量的燃料电池堆的低频阻抗逐渐减小到不再减小，和同时，由于存在于电解质膜和燃料电池堆的电极中的水被去除的过度除水导致低频带和中频带的阻抗整体增加(entirely increase)之前的点。
优选地，确定燃料电池堆的低频阻抗是否达到最小参考值的方法如下：当通过下面的式1中的从先前测量的低频阻抗减去最终测量的低频阻抗而获得的绝对值，或者通过下面的等式2中的减法获得的值小于最小参考值时，确定低频阻抗达到最小参考值。
式1
|ZRe(n-1)-ZRe(n)|<最小参考值
式2
ZRe(n-1)-ZRe(n)<最小参考值
因此，当空气被增压到燃料电池堆中以去除水时，当燃料电池堆的低频阻抗收敛到最小参考值，可确定残留在电池堆隔板的通道中的水已被最大程度地去除，从而阻止空气被增压到电池堆中以防止水被过度排出。
因此，控制器30可配置为在步骤S106中，判断步骤S105中所测量的低频阻抗ZRe(n)，n＝2,3，...是否已经达到最小参考值，并且当所测量的低频阻抗达到最小参考值时，在步骤S107中关闭(OFF)空气压缩机12的操作。
如上所述，可使用低频阻抗调节用于去除水的增压到燃料电池堆中的空气供应量和供应时间，并且可在水被过度去除之前调节量和时间，同时最大程度地去除残留在隔板的通道中的水，从而防止空气不必要地增压，同时有效地去除残留在电池堆中的水。
换句话说，在传统的除水方法中存在的问题在于，除了存在于隔板的通道中的水之外，存在于电解质膜中的水分也被去除，由此反而导致过度干燥现象的发生。然而，在使用本发明的低频阻抗的除水方法中，当低频阻抗降低到最小参考值时，可确定已经去除了残留在隔板的通道中的水的状态，因而足以仅去除残留在隔板的通道中的水，并因此，防止过度干燥现象的发生。
此外，即使燃料电池堆中残留的水量根据燃料电池***的规格和操作方法而改变，也只需向燃料电池堆提供用于去除水的空气，直到低频阻抗降低到最小参考值，使得即使燃料电池***的规格和操作方法不同，也可获得恒定的除水效果。
如上所述，尽管已经详细描述了本发明的示例性实施例，但是本发明的权利要求不限于上述实施例，并且本领域技术人员使用所附权利要求中限定的本发明的基本概念进行的各种修改和改进也可包括在本发明的权利要求中。

Claims (7)

1.一种使用阻抗的燃料电池车辆的除水***，包括：
燃料电池堆；
空气供应单元，其配置为向所述燃料电池堆供应空气；
阻抗测量单元，其配置为测量所述燃料电池堆的低频阻抗；以及
控制器，其配置为基于所述阻抗测量单元测量的所述燃料电池堆的低频阻抗来操作所述空气供应单元，
其中，所述控制器配置为当接收到启动停止信号时，基于来自外部空气温度传感器的温度信号和来自冷却剂温度传感器的温度信号来确认外部空气温度或冷却剂温度是否处于参考值以下的低温状态，并且配置为当外部空气温度或冷却剂温度等于或小于参考值时，操作阻抗测量单元以测量所述燃料电池堆的低频阻抗，并且
其中，所述控制器配置为在所述阻抗测量单元测量所述燃料电池堆的低频阻抗时操作所述空气供应单元，并且当所述燃料电池堆的低频阻抗达到最小参考值时降低所述空气供应单元的驱动速度或停止其驱动。
2.如权利要求1所述的使用阻抗的燃料电池车辆的除水***，其中，所述最小参考值设定为随着燃料电池堆的水量减少，传质阻力降低并且在一个低频下所测量的所述燃料电池堆的低频阻抗降低之后的，以及由于所述燃料电池堆中的水过度去除而导致低频带和中频带的阻抗增加之前的点。
3.一种使用阻抗的燃料电池车辆的除水***，包括：
燃料电池堆；
空气供应单元，其配置为向所述燃料电池堆供应空气；
阻抗测量单元，其配置为测量所述燃料电池堆的低频阻抗；以及
控制器，其配置为基于所述阻抗测量单元测量的所述燃料电池堆的低频阻抗来操作所述空气供应单元，
其中，所述控制器配置为在所述阻抗测量单元测量所述燃料电池堆的低频阻抗时操作所述空气供应单元，并且当所述燃料电池堆的低频阻抗达到最小参考值时降低所述空气供应单元的驱动速度或停止其驱动，并且
其中，所述阻抗测量单元配置为随着所述空气供应单元的ON驱动而去除所述燃料电池堆的水的同时，重复测量所述燃料电池堆的低频阻抗。
4.一种使用阻抗的燃料电池车辆的除水方法，包括以下步骤：
当接收到启动停止的信号时，通过控制器基于来自外部空气温度传感器的温度信号和来自冷却剂温度传感器的温度信号来确认外部空气温度或冷却剂温度是否处于参考值以下的低温状态；
当燃料电池堆处于所述低温状态时，通过阻抗测量单元测量所述燃料电池堆的低频阻抗；
通过所述控制器驱动空气供应单元将空气供应到所述燃料电池堆中；
在空气被供应到所述燃料电池堆中时，通过所述阻抗测量单元重复测量所述燃料电池堆的低频阻抗；以及
当所述燃料电池堆的低频阻抗达到最小参考值时，通过所述控制器降低所述空气供应单元的驱动速度或停止其驱动。
5.如权利要求4所述的使用阻抗的燃料电池车辆的除水方法，其中，所述最小参考值设定为随着燃料电池堆的水量减少，传质阻力降低并且在一个低频下所测量的所述燃料电池堆的低频阻抗降低之后的，以及由于所述燃料电池堆中的水过度去除而导致低频带和中频带的阻抗增加之前的点。
6.如权利要求4所述的使用阻抗的燃料电池车辆的除水方法，其中，通过所述空气供应单元的操作对所述燃料电池堆供应空气的空气供应时间设定为随着先前测量低频阻抗与当前测量低频阻抗之间的阻抗测量周期的大小的增加而增加，并且所述空气供应时间设定为随着所述阻抗测量周期的大小的减小而减小。
7.如权利要求4所述的使用阻抗的燃料电池车辆的除水方法，其中，在所述阻抗测量单元测量所述燃料电池堆的低频阻抗时，频率作为与所述燃料电池堆的传质阻力相关的频率，设定为30Hz或更低。
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