CN112018412A - 燃料电池恢复控制***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池恢复控制***和方法，燃料电池恢复控制***和方法设置为将氢供应至燃料电池堆的阴极，以去除在阴极的铂表面上形成的氧化膜。根据氧化膜去除来恢复燃料电池堆的性能。此外，在燃料电池堆的性能恢复期间产生的电力在逆变器中消耗，由此，防止电池的过充电。

Description

燃料电池恢复控制***和方法
技术领域
本发明涉及利用逆变器通过去除氧化膜来控制燃料电池恢复的***和方法。
背景技术
通常，燃料电池包括具有催化剂层的膜电极组件(MEA)和分隔板，所述催化剂层引起氢和氧之间的反应；所述分隔板设置在MEA的相对侧以将氢和空气供应至MEA的内部，同时允许从MEA中排出水。层叠多个燃料电池以形成燃料电池堆，每个燃料电池均包括MEA和分别将氢或氧选择性地供应至MEA的相对表面的一对隔板。
形成这种燃料电池堆的内部电极的阳极和阴极包括碳和铂。众所周知，由于如上所述的碳和铂的降解，燃料电池堆在工作特定时段之后表现出性能下降。换言之，在燃料电池的工作期间，由于具有数纳米大小的铂纳米颗粒的聚集或铂本身的溶解，铂催化剂可表现出电化学表面积的减小。因此，阴极的氧还原反应(ORR)速率可能降低，从而导致燃料电池堆的整体性能下降。
特别地，在燃料电池堆中，在阳极处产生的氢离子在穿过电解质膜之后迁移至阴极。迁移至阴极的氢离子与供应至阴极的氧化气体中所含的氧发生电化学反应，由此发生氧还原反应。因此，氧化膜覆盖在催化剂层的铂催化剂的表面上，由此，反应阻力可能增加并且发电效率可能降低。
公开于该部分的上述内容仅仅旨在增加对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该内容构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
因此，本发明提供了用于控制燃料电池恢复的***和方法，所述***和方法基于通过向燃料电池堆的阴极供应氢来去除在包括燃料电池的燃料电池堆中的铂表面上形成的氧化膜。
根据本发明的一方面，一种燃料电池恢复控制***可以包括：阀模块，所述阀模块配置为选择性地调节与燃料电池相关的氢燃料或氧燃料的供应和排出，所述燃料电池配置为利用氢燃料或氧燃料来产生电力；逆变器，所述逆变器配置为转换从燃料电池产生的电力；***单元，所述***单元配置为将由逆变器转换的电力选择性地供应至外部供应场所；以及控制器，所述控制器配置为基于从燃料电池产生的电力来确定是否应当执行燃料电池的氧化膜去除，响应于确定执行氧化膜去除而操作阀模块，以阻止与燃料电池相关的氧燃料的供应和排出，操作逆变器以进行电力转换，以及操作***单元以阻止将由逆变器转换的电力供应至外部供应场所。控制器可以配置为确定从燃料电池产生之后供应到逆变器的电力由逆变器通过转换而转换的输出是否等于或小于预定值，并且当逆变器通过电力转换的输出等于或小于预定值时，确定执行氧化膜去除。当基于由控制器确定的氧化膜去除的执行由控制器执行逆变器的电力转换时，逆变器可以配置为通过燃料电池供应的电力的转换来进行电力消耗。
控制器可以配置为在执行氧化膜去除之后，从电压传感器接收与从燃料电池产生的电力的电压有关的信息作为其输入，并且当产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时停止执行氧化膜去除，并且可以配置为进行控制以使燃料电池正常工作。当从燃料电池产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时，控制器可以配置为操作逆变器以使正常工作，并且操作阀模块以将其打开用于供应和排出与燃料电池相关的氧燃料。
当逆变器由控制器操作以使正常工作时，逆变器可以配置为将从燃料电池供应的电力转换成作为要供应至外部供应场所的电力的输出值。控制器可以配置为以预定时段的间隔周期性地进行是否应当执行氧化膜去除的确定。
根据本发明的另一方面，一种燃料电池恢复控制方法可以包括：基于从燃料电池产生的电力，确定是否应当执行燃料电池的氧化膜去除，响应于确定执行氧化膜去除而阻止基于燃料电池的氧燃料的供应和排出，以及通过逆变器转换从燃料电池产生的电力，同时阻止通过逆变器转换的电力供应至外部供应场所。
所述方法可以进一步包括：确定从燃料电池产生之后供应到逆变器的电力由逆变器通过转换而转换的输出是否等于或小于预定值，并且当逆变器通过电力转换而转换的输出等于或小于预定值时，确定执行氧化膜去除。
燃料电池恢复控制方法可以进一步包括：在恢复中执行氧化膜去除之后，检测与从燃料电池产生的电力的电压有关的接收信息，当从燃料电池产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时，用于停止执行氧化膜去除的正常驱动，然后驱动燃料电池正常工作。当从燃料电池产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时，逆变器可以正常工作，并且可以执行与燃料电池相关的氧燃料的供应和排出。
根据如上所述配置的燃料电池恢复控制***和方法，可以将氢供应至燃料电池堆的阴极以去除在阴极的铂表面上形成的氧化膜。因此，可以根据氧化膜去除来恢复燃料电池堆的性能。
附图说明
通过随后结合附图所呈现的详细描述将会更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征以及其它优点，在这些附图中：
图1是示出根据本发明示例性实施方案的用于控制燃料电池恢复的***的构造图；以及
图2和图3是示出根据本发明示例性实施方案的用于控制燃料电池恢复的方法的流程图。
具体实施方式
应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、大货车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇和船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如，源于非化石能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
现在将详细参考与用于控制燃料电池恢复的***相关的本发明的示例性实施方案，其示例在附图中示出。可能的是，在整个附图中相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图1是示出根据本发明的用于控制燃料电池恢复的***的构造图。图2和图3是示出根据本发明的用于控制燃料电池恢复的方法的流程图。
如图1所示，根据本发明的燃料电池恢复控制***可以包括：阀模块20，所述阀模块20配置为选择性地调节与燃料电池10相关的氢燃料或氧燃料的供应和排出，所述燃料电池10配置为利用氢燃料或氧燃料来产生电力；逆变器30，所述逆变器30配置为转换燃料电池10产生的电力；***单元40，所述***单元40配置为将由逆变器30转换的电力选择性地供应至外部供应场所；以及控制器50，所述控制器50配置为基于燃料电池10产生的电力来确定是否应当执行燃料电池10的氧化膜去除，响应于确定执行氧化膜去除而操作阀模块20，以阻止与燃料电池10相关的氧燃料的供应和排出，所述控制器50配置为操作逆变器30以进行电力转换，并且操作***单元40以阻止将由逆变器30转换的电力供应至外部供应场所。
特别地，燃料电池10可以包括多个层叠的电池，并且通过氢极和氧极之间的化学反应产生电力。此外，外部供应场所可以是建筑或相似类型的结构。可以设置多个燃料电池10，并且也可以设置多个外部供应场所。特别地，多个燃料电池10和多个外部供应场所可以根据电力的工作范围，结合电力的产生和供应而联接。
如图1所示，阀模块20可以包括氧供应***2a和氢供应***2b。氧供应***2a可以包括氧燃料管线2a-1，氧燃料可以通过氧燃料管线2a-1供应至燃料电池10的阴极。可以在氧燃料管线2a-1处设置过滤器2a-2、空气压缩机2a-3、加湿器2a-4和氧阀2a-5。在本发明中，氧化膜去除可以通过氧燃料的供应和排出来实现。因此，可以进行用于开启和关断包括在阀模块20中的氧阀2a-5的控制操作。此外，氢供应***2b可以包括设置在氢供应***2b中包括的氢燃料管线2b-1处的氢罐2b-2、循环泵2b-3、氢阀2b-4等。
此外，逆变器30可以合并在电表3中。特别地，除了逆变器30之外，电表3还可以包括直流/直流(DC/DC)转换器3-1、电池3-2、辅助机械3-3、电流传感器3-4和电压传感器3-5。***单元40可以合并在逆变器30中。特别地，逆变器30可以配置为通过转换从燃料电池10供应的电力来进行电力消耗。根据本发明，电力消耗利用无源元件(例如，电阻器)无法实现，而是通过逆变器30的电力转换来实现。逆变器30可以配置为根据氧化膜去除将从燃料电池10供应的电力转换为输出值。
本发明适用于通过如上所述的燃料电池***来恢复燃料电池10的性能。因此，控制器50可以配置为基于从燃料电池10产生的电力来确定是否应当执行燃料电池10的氧化膜去除。特别地，当从燃料电池10产生的电力低时，控制器50可以配置为确定出燃料电池10的性能已经变差，并由此进行用于氧化膜去除的控制。控制器还可以配置为确定从燃料电池10产生之后供应到逆变器30的电力由逆变器30通过转换而转换的输出是否等于或小于预定值，以确定是否应执行氧化膜去除。
换言之，当在燃料电池10的铂表面上形成氧化膜时，燃料电池10的活化面积减小，因此，反应电阻增大，从而降低了发电效率。特别地，减少了燃料电池10产生的电力，因此，减少了由逆变器30通过电力转换而转换的输出。因此，控制器可以配置为确定由逆变器30通过电力转换而转换的输出是否等于或小于预定值，由此，可以配置为确定是否应当执行氧化膜去除。特别地，预定值可以是通过实验导出的实验值，作为表示由于在铂表面上形成氧化膜而引起的燃料电池10的发电效率降低的值。
响应于如上所述的确定执行氧化膜去除，控制器50可以配置为操作阀模块20以阻止与燃料电池10相关的氧燃料的供应和排出，由此，可以将氢供应至燃料电池10的阴极，从而去除在铂表面上形成的氧化膜。换言之，氧化膜去除是产生电子的还原反应。当在降低的电压下进行还原反应时，可能具有与氧化膜去除相关的优点。因此，在燃料电池10产生的电力的电压降低的条件下，在催化剂层处的电化学反应从氧化反应区过渡到还原反应区，由此，催化剂的活性可以通过氧化膜去除而恢复。
此外，与通过逆变器30的电力转换同时地，控制器50可以配置为操作***单元40，以阻止由逆变器30转换的电力供应至外部供应场所。换言之，在根据氧化膜去除的催化剂活性恢复期间，可以操作逆变器30以将从燃料电池10产生的电力转换成用于氧化膜去除的预定输出值。因此，可以通过逆变器30有效地消耗在氧化膜去除期间产生的电力。
当在阻止向燃料电池10供应氧燃料的状态下单独供应氢燃料时，可以通过逆变器30降低燃料电池10的电压，并且从燃料电池10产生的电力可以在逆变器30中通过电力转换而消耗。换言之，燃料电池10产生的电力的消耗通过利用无源元件(例如，电阻器)无法实现，而是通过逆变器30的电力转换来实现。此时，可以操作***单元40以阻止将电力供应至外部供应场所。由于多个燃料电池10和外部供应场所可以设置为结合电力的产生和供应而联接，因此连接至执行恢复过程的燃料电池10的外部供应场所可以配置为从剩余的燃料电池10中的一个临时接收电力。在完成氧化膜去除之后，可以进行正常的发电和供电。
此外，控制器50可以配置为在执行氧化膜去除之后，从电压传感器接收与燃料电池10产生的电力的电压有关的信息作为其输入。当所产生的电力的电压大于预定参考电压值时，控制器50可以配置为停止执行氧化膜去除，并正常地操作燃料电池10。特别地，由控制器50预定的参考电压值可以是在完成氧化膜去除时通过实验确定的电压值。否则，可以将开路电压(OCV)设置为参考电压值。
因此，当燃料电池10产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时，控制器50可以配置为确定出已经从铂表面去除了氧化膜。在这种状态下，控制器50可以配置为停止用于去除氧化膜的操作，并且进行用于燃料电池10的正常工作的控制。因此，逆变器30可以从用于氧化膜去除的驱动状态切换到用于向外部供应场所供应电力的正常驱动状态。
特别地，当燃料电池10产生的电力的电压大于预定参考电压值时，控制器50可以配置为操作逆变器30以使正常工作，并且操作阀模块20以将其开启用于供应和排出与燃料电池10相关的氧燃料。当逆变器30正常工作时，逆变器30可以配置为将从燃料电池10供应的电力转换成作为要供应至外部供应场所的电力的输出值。
此外，由于允许与燃料电池10相关的氧燃料的供应和排出，所以可以进行根据氧燃料和氢燃料之间的化学反应的正常发电。控制器50可以配置为操作***单元40以将由逆变器30转换的电力供应至外部供应场所，由此，由燃料电池10产生的电力可以正常地供应至外部供应场所。
此外，控制器50可以配置为以预定时段的间隔周期性地进行确定是否应当执行氧化膜去除。特别地，可以基于燃料电池10的使用时间或使用量，通过实验推导在铂表面上形成氧化膜的时间来设置预定时段。由于如上所述以预定时段的间隔周期性地执行氧化膜去除，因此基于燃料电池10的性能恢复，可以连续地执行燃料电池10的正常工作。
此外，如图2和图3所示，根据本发明的燃料电池恢复控制方法可以包括：确定步骤S10，其用于基于从燃料电池产生的电力，确定是否应当执行燃料电池的氧化膜去除；恢复步骤S20，其用于在确定执行氧化膜去除时阻止与燃料电池相关的氧燃料的供给和排出，并通过逆变器转换从燃料电池产生的电力，同时阻止通过逆变器转换的电力供应至外部供应场所。
确定步骤S10可以包括：确定从燃料电池产生之后供应到逆变器的电力由逆变器通过转换而转换的输出是否等于或小于预定值。当逆变器通过电力转换而转换的输出等于或小于预定值时，可以确定执行氧化膜去除。
当如上所述的从燃料电池产生的电力低时，可以执行根据氧化膜去除的控制。特别地，可以将从燃料电池产生的电力供应至逆变器，并且可以确定从燃料电池产生之后供应到逆变器的电力由逆变器通过转换而转换的输出是否等于或小于预定值，从而确定是否应执行氧化膜去除。
当在燃料电池的铂表面上形成氧化膜时，铂表面的活化面积减小，从而导致反应电阻增大。特别地，燃料电池的发电效率降低。当燃料电池的发电效率降低时，从燃料电池产生的电力减少，从而导致由逆变器通过电力转换而转换的输出减小。因此，可以确定由逆变器通过电力转换而转换的输出是否等于或小于预定值，并由此可以确定是否应当执行氧化膜去除。
此外，燃料电池恢复控制方法可以进一步包括：检查步骤S30，其用于在恢复步骤S20执行氧化膜去除之后，从电压传感器接收与从燃料电池产生的电力的电压有关的信息；以及正常驱动步骤S40，其用于当从燃料电池产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时停止执行氧化膜去除，然后驱动燃料电池正常工作。
当从燃料电池产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时，正常驱动步骤S40使逆变器正常工作，并允许与燃料电池相关的氧燃料的供应和排出。
当如上所述的从燃料电池产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时，可以确定出已经从铂表面去除了氧化膜。特别地，停止用于氧化膜去除的控制，然后使燃料电池正常工作。因此，逆变器可以从根据氧化膜去除的驱动切换到用于向外部供应场所供电的正常驱动状态。
从以上描述显而易见的是，根据如上所述配置的燃料电池恢复控制***和方法，可以将氢供应至燃料电池堆的阴极以去除在阴极的铂表面上形成的氧化膜。因此，可以基于氧化膜去除来恢复燃料电池堆的性能。另外，在燃料电池堆的性能恢复期间产生的电力在逆变器中消耗，由此，可以防止电池的过充电。
尽管已出于说明的目的公开了本发明的示例性实施方案，但是本领域技术人员应当理解，各种修改、增加和替换是可能的，并不脱离所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神。

Claims (11)

1.一种燃料电池恢复控制***，其包括：
阀模块，其用于选择性地调节与燃料电池相关的氢燃料或氧燃料的供应和排出，所述燃料电池配置为利用氢燃料或氧燃料来产生电力；
逆变器，其配置为转换从燃料电池产生的电力；
***单元，其配置为将由逆变器转换的电力选择性地供应至外部供应场所；以及
控制器，其配置为基于从燃料电池产生的电力来确定是否执行燃料电池的氧化膜去除，响应于确定执行氧化膜去除而操作阀模块，以阻止与燃料电池相关的氧燃料的供应和排出，操作逆变器以进行电力转换，以及操作***单元以阻止由逆变器转换的电力供应至外部供应场所。
2.根据权利要求1所述的燃料电池恢复控制***，其中，所述控制器配置为确定从燃料电池产生之后供应到逆变器的电力由逆变器通过转换而转换的输出是否等于或小于预定值，并且当由逆变器通过电力转换而转换的输出等于或小于预定值时，确定执行氧化膜去除。
3.根据权利要求1所述的燃料电池恢复控制***，其中，当基于由控制器确定的氧化膜去除的执行而通过控制器调节逆变器的电力转换时，所述逆变器配置为通过燃料电池供应的电力的转换来进行电力消耗。
4.根据权利要求1所述的燃料电池恢复控制***，其中，所述控制器配置为在执行氧化膜去除之后从电压传感器接收与从燃料电池产生的电力的电压有关的信息作为其输入，并且当产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时停止执行氧化膜去除，然后使燃料电池正常工作。
5.根据权利要求4所述的燃料电池恢复控制***，其中，当从燃料电池产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时，所述控制器配置为操作逆变器，并且操作阀模块以将其开启用于供应和排出与燃料电池相关的氧燃料。
6.根据权利要求5所述的燃料电池恢复控制***，其中，当逆变器由控制器操作时，所述逆变器配置为将燃料电池供应的电力转换成作为要供应至外部供应场所的电力的输出值。
7.根据权利要求1所述的燃料电池恢复控制***，其中，所述控制器配置为以预定时段的间隔周期性地确定是否执行氧化膜去除。
8.一种燃料电池恢复控制方法，其包括：
确定步骤，其由控制器基于从燃料电池产生的电力来确定是否执行燃料电池的氧化膜去除；
恢复步骤，其响应于确定执行氧化膜去除，由控制器阻止与燃料电池相关的氧燃料的供应和排出，并且通过逆变器转换从燃料电池产生的电力，同时阻止通过逆变器转换的电力供应至外部供应场所。
9.根据权利要求8所述的燃料电池恢复控制方法，其进一步包括：
由控制器确定从燃料电池产生之后供应到逆变器的电力由逆变器通过转换而转换的输出是否等于或小于预定值；
当逆变器通过电力转换而转换的输出等于或小于预定值时，由控制器确定执行氧化膜去除。
10.根据权利要求8所述的燃料电池恢复控制方法，其进一步包括：
在恢复步骤执行氧化膜去除之后，由控制器检查与从燃料电池产生的电力的电压有关的接收信息；
当从燃料电池产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时，由控制器停止执行氧化膜去除，然后使燃料电池正常工作。
11.根据权利要求10所述的燃料电池恢复控制方法，其中，当从燃料电池产生的电力的电压等于或大于预定参考电压值时，操作逆变器，并且允许与燃料电池相关的氧燃料的供应和排出。
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