燃料电池系统及控制该燃料电池系统的方法与流程

[0001]
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统及控制该燃料电池系统的方法。


背景技术：

[0002]
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells，pemfc)由两个不同极性的电极(阳极和阴极，以下称为电极层)以及电极之间的质子传导电解质膜组成。气态或液态燃料(以下均以燃料气体为例)在阳极处被氧化并产生氢离子，然后这些氢离子通过电解质膜输送到阴极，并在阴极处经由外部电路与来自空气的氧气和来自阳极的电子结合进行电化学反应，产生电和水。
[0003]
电极层、电极层之间的质子传导电解质膜以及电极微结构构成pemfc的膜电极组件(membrane electrode assembly，mea)，而该mea是pemfc的核心部件。其中，电极微结构本质上是多孔的，并且可以在电极层内输送燃料和在电化学反应中产生水，且可被称为微孔层。将两个附加的微孔层放置在每个电极附近，则形成了气体扩散层(gas diffusion layer，gdl)，而导电的gdl也有助于重新分配在电极层中使用的燃料气体。
[0004]
mea可以通过在电解质膜的两侧施加电极层且然后将两个gdl放置在电极层的两侧来构建。另外，也可以首先将电极层施加到gdl上，然后将电解质膜夹在两个gdl之间以获得五层mea。进一步地，将若干个mea串联放置在两个双极流场之间以组装出燃料电池电堆。其中，双极流场通常有助于通过gdl将燃料气体输送到电极层并取出在电化学反应中产生的水。
[0005]
其中，将若干个mea串联放置在两个双极流场之间以组装出燃料电池电堆，相当于是将多个燃料电池堆叠在一起形成了燃料电池电堆。也即是，通过堆叠夹在一对端板之间的多个独立的燃料电池形成了电堆体。
[0006]
进一步地，燃料电池系统可至少包括燃料电池电堆与其他组件(如氢模块、空气模块和所有其他相关的附属子系统等)，而燃料电池电堆通常使用的燃料电池仅包括一种类型的mea，并且这些单一类型的mea经受车辆的不同负载条件。
[0007]
另外，mea是燃料电池系统中最昂贵的组件之一，其对铂催化剂和多种类型的gdl的应用、对能够经受在燃料电池电堆的不同负载条件下的操作的设计要求、以及影响电解质膜性能的应力、温度和相对湿度(relativehumidity，rh)的考虑，都会增加燃料电池系统的成本。
[0008]
其中，对于电解质膜，其疲劳程度和寿命会随着应力的减小而呈指数增加，可以确定的是，断裂时的最大膜应力会随着膜寿命的增加呈指数下降。另外，高温也会影响电解质膜的疲劳程度和寿命。因此，在燃料电池车辆(特别是卡车、公共汽车等
……
)中，燃料电池电堆取决于驾驶情况而会经历不同的负载条件，且在负载条件的每次变化中，mea都经历不同的应力和应变。由于应力和应变的变化，mea的寿命和性能会急剧下降，而现有技术中对此并没有很好的解决方案。


技术实现要素：

[0009]
有鉴于此，本发明旨在提出一种燃料电池系统，以解决现有燃料电池电堆不适于应对应力和应变的变化的问题。
[0010]
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0011]
一种燃料电池系统，置于设备中，所述燃料电池系统包括至少两个燃料电池电堆，且各个所述燃料电池电堆被配置成与关于设备的各个预设负载条件一一对应，其中每一所述燃料电池电堆对应的预设负载条件被配置为能保证该燃料电池电堆的mea在运行中经受最小的应力或应变，且所述每一所述燃料电池电堆在其对应的所述预设负载条件下运行。
[0012]
进一步的，所述各个所述燃料电池电堆被配置成与关于设备的各个预设负载条件一一对应包括：各个所述燃料电池电堆被配置成使用不同配置的mea，其中所述mea的各种配置与所述各个预设负载条件一一对应。
[0013]
进一步的，所述mea的各种配置包括与不同预设负载条件相匹配的不同mea参数。
[0014]
进一步的，所述mea参数选自包括以下任意一者或多者的列表：离聚物相对于碳的比率i/c、膜参数、催化剂负载以及gdl参数。
[0015]
进一步的，所述膜参数包括膜厚度和/或膜类型，所述催化剂负载包括催化剂加载的电极，和/或所述gdl参数包括gdl厚度、gdl材料类型、gdl的疏水性、gdl的亲水性和接触角中的一者或多者。
[0016]
进一步的，所述预设负载条件选自包括以下任意一者或多者的列表：设备的高负载状况、设备的低负载状况以及设备的中等负载状况；其中，设备负载状况的的高、低和中等被预先设置。
[0017]
进一步的，所述预设负载条件选自包括以下任意一者或多者的列表：牵引负载、制冷负载、空气压缩机负载、充电负载。
[0018]
进一步的，每一所述燃料电池电堆还被配置为在所述燃料电池电堆的预设温度运行条件和/或预设相对湿度运行条件下运行；其中，每一所述燃料电池电堆对应的预设温度运行条件被配置为能保证该燃料电池电堆的mea在运行中经受最小的温度影响；其中，每一所述燃料电池电堆对应的预设温度运行条件被配置为能保证该燃料电池电堆的mea在运行中经受最小的相对湿度影响。
[0019]
相对于现有技术，本发明所述的燃料电池系统具有以下优势：
[0020]
(1)本发明的燃料电池系统配置了至少两个燃料电池电堆，且使每个燃料电池电堆在其mea经受最小应力或应变的预设负载条件下运行，从而改善了整个燃料电池系统的性能，有助于提高燃料电池的寿命。
[0021]
(2)本发明的燃料电池系统的每一mea都仅经受最小应力或应变，可以消除堆叠的电堆中的应力和负载波动，以避免铂溶解而进一步提升燃料电池的寿命。
[0022]
本发明的另一目的在于提出一种控制燃料电池系统的方法，以解决现有燃料电池电堆不适于应对应力和应变的变化的问题。
[0023]
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0024]
一种控制燃料电池系统的方法，所述方法包括：检测所述设备的负载状况；确定与所述负载状况相匹配的预设负载条件；以及选择并运行与所确定的预设负载条件相对应的燃料电池电堆。
[0025]
所述控制燃料电池系统的方法与上述燃料电池系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
[0026]
本发明的另一目的在于提出一种机器可读存储介质，以解决现有燃料电池电堆不适于应对应力和应变的变化的问题。
[0027]
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0028]
一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述的方法。
[0029]
所述机器可读存储介质与上述燃料电池系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
[0030]
本发明的另一目的在于提出一种计算机设备，以解决现有燃料电池电堆不适于应对应力和应变的变化的问题。
[0031]
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0032]
一种计算机设备，该计算机设备包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的方法。
[0033]
所述计算机设备与上述燃料电池系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
[0034]
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0035]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0036]
图1是示出变化的负载条件对电位的影响的示意图；
[0037]
图2是本发明实施例一的燃料电池系统的结构示意图；
[0038]
图3(a)-图3(d)是示出了车辆无负载和有负载的情况的示意图，其中图3(a)和图3(b)分别是车辆在水平线路上行驶的无负载情况和有负载情况，图3(c)和图3(d)分别是车辆在坡路上行驶的无负载情况和有负载情况；以及
[0039]
图4是本发明实施例的一种控制燃料电池系统的方法的流程示意图。
具体实施方式
[0040]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
[0041]
另外，在本发明实施例中，应力是指物体由于外因而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，应变是指由外力使物体尺寸或形状发生相对变化的现象。其中，应变的原因是应力，而应力的结果是应变。另外，在本发明实施例中，可以应用本发明实施例的燃料电池系统的设备是多种多样的，例如车辆、电网等，且为了简化描述，在下文中均以车辆为例。
[0042]
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
[0043]
实施例一
[0044]
图2是本发明实施例一的燃料电池系统的结构示意图，该燃料电池系统置于车辆中。如图2所示，本发明实施例的燃料电池系统包括至少两个燃料电池电堆，且各个所述燃料电池电堆被配置成与关于车辆的各个预设负载条件一一对应，其中每一所述燃料电池电堆对应的预设负载条件被配置为能保证该燃料电池电堆的mea在运行中经受最小的应力或应变，且所述每一所述燃料电池电堆在其对应的所述预设负载条件下运行。
[0045]
其中，所述预设负载条件是指车辆的负载情况。图3(a)-图3(d)示出了车辆无负载和有负载的情况，其中图3(a)和图3(b)分别是车辆在水平线路上行驶的无负载情况和有负载情况，图3(c)和图3(d)分别是车辆在坡路上行驶的无负载情况和有负载情况。需说明的是，在本发明实施例中，既使都无负载或都有负载，但针对水平线路和坡路的负载情况分属于两种负载条件，即图3(a)和图3(c)虽然都没有负载，但两者是不同的预设负载条件，图3(b)和图3(d)虽然都有负载，但两者也是不同的预设负载条件。还需说明的是，除图3(a)-图3(d)示出的在卡车后车装载物品的情况外，车辆装配有空调或没有装配空调等车辆配件的变化也可以反映为车辆负载的变化。
[0046]
举例而言，在燃料电池车辆中，燃料电池电堆经历不同的负载条件取决于驾驶行为，从而可能会出现多种负载条件，而在负载条件的每次变化中，燃料电池电堆的mea都经历不同的应力和应变。本发明实施例中将负载条件的变化预设为若干个负载条件，且基于负载条件使mea在运行中经受最小的应力或应变的原则，将每一预设负载条件分配给不同的燃料电池电堆，使得一个燃料电池电堆能有效地应对一种预设负载条件中的负载变化带来的应力或应变的变化，从而有助力于提高mea的寿命和性能。
[0047]
从上可知，为燃料电池电堆配置不同的预设负载条件的目的在于保证mea的最佳运行。因此，在优选的实施例中，各个所述燃料电池电堆被配置成与关于车辆的各个预设负载条件一一对应可以包括：各个所述燃料电池电堆被配置成使用不同配置的mea，其中所述mea的各种配置与所述各个预设负载条件一一对应。如此，本发明实施例中的配置燃料电池电堆可以理解为配置mea，使各个燃料电池电堆的mea具有对应于不同预设负载条件的不同配置。
[0048]
进一步地，所述mea的各种配置包括与不同预设负载条件相匹配的不同mea参数。其中，结合背景技术部分对mea构成的描述，所述mea参数可以选自包括以下任意一者或多者的列表：离聚物相对于碳的比率(i/c)、膜参数、催化剂负载以及gdl参数。其中，所述膜参数包括膜厚度和/或膜类型，所述催化剂负载包括催化剂加载的电极(例如阳极和阴极)，和/或所述gdl参数包括gdl厚度、gdl材料类型、gdl的疏水性、gdl的亲水性和接触角中的一者或多者。其中，i/c比具体是指催化剂油墨的离聚物与碳的比例，其用于制备电极催化剂层。
[0049]
在本发明的一个优选实施例中，所述预设负载条件可以选自包括以下任意一者或多者的列表：车辆的高负载状况、车辆的低负载状况以及车辆的中等负载状况。其中，“高负载”、“中等负载”和“低负载”是相对的概念，它们反映了负载从高至低的变化，且车辆负载状况的的高、低和中等可以被预先设置。举例而言，对于图3(a)-图3(d)的四种状况，因坡路相对于水平道路需要更多的动力，故四者的负载程度从低到高可以预先设置为图3(a)-图3(c)-图3(b)-图3(d)。在实际中，负载的“高”、“低”、“中等”可人为地进行预先划分，例如将负载高于1吨设定为高负载状况，但更为优选的是按以下方式进行划分：
[0050]
1)低负载状况。
[0051]
对应于表现为车辆在低电流密度下运行，且具体是指车辆处于开启模式但未运动时的怠速状况。
[0052]
2)中等负载状况。
[0053]
对应于表现为车辆在中电流密度下运行，且具体是指车辆处于正常运行状态。
[0054]
3)高负载状况。
[0055]
对应于表现为车辆在高电流密度下运行，也可称为重载状况，且具体是指车辆处于电堆积或高负荷的状况。
[0056]
需说明的是，几乎所有的燃料电池车辆都符合上述的三种划分方式，其也反映了燃料电池电堆内的mea将经历各种严峻的负载条件变化，而单一配置的mea明显不易应对这些变化，故而本发明实施例将负载条件的每个变化分配给不同的燃料电池电堆进行处理。
[0057]
在本发明的另一个优选实施例中，所述预设负载条件可以选自包括以下任意一者或多者的列表：牵引负载、制冷负载、空气压缩机负载、充电负载。对应于上段中基于预先设置的负载的“高”、“低”、“中等”配置预设负载条件的实施例，本优选实施例是基于负载类型来配置预设负载条件。其中，牵引负载示出是否为车辆装配有牵引电机等牵引设备，制冷负载示出是否为车辆装配有空调等制冷设备，空气压缩机负载示出是否为车辆装配有空气压缩机负载，充电负载示出是否为车辆装配有为低压电池充电的充电设备等。
[0058]
进一步针对燃料电池，影响其完整性的运行是与低功率和高功率之间的转换相关的温度和rh的变化。通常，对于以固定化学计量比运行的燃料电池，低电流运行意味着相对冷和湿的电池；更高的电流意味着更热、更干燥的电池。离聚物(mea的重要组成之一)随水吸收而膨胀的事实表明，当膜暴露于高rh条件下时水吸收的增加可导致膜中的压缩应力，然后在干燥期间产生拉伸残余应力，这些应力被认为是膜的机械故障的重要原因。最近的一项研究表明，干燥会使mea产生相当大的应变，并且膜的机械故障可能是由于延展性的逐渐降低以及mea受限干燥引起的过度应变造成的。
[0059]
另外，已显示温度和相对湿度均影响由于铂颗粒生长导致的催化剂表面面积损失的速率。而铂溶解是限制燃料电池寿命的主要因素，特别是在变化的负载条件下和在阴极的高电位处。假设铂溶解由氧化物的电位、粒度和覆盖率决定，其中图1示出了变化的负载条件对电位的影响。氧化物可以保护铂免于溶解，但氧化物形成的动力学相对于铂溶解速率是缓慢的，因此电位的快速变化可能会使裸铂暴露而于电位步骤和利用氧化物进行表面覆盖的步骤之间的过渡期间被腐蚀。
[0060]
因此，在更为优选的实施例中，除了预设负载条件之外，还可以使每一所述燃料电池电堆被配置为在所述燃料电池电堆的预设温度运行条件和/或预设相对湿度运行条件下运行。如背景技术部分所言，应力、温度和相对湿度都会影响mea的电解质膜的疲劳程度和寿命，而上面的预设负载条件主要是对应于应力的。对此，该更为优选的实施例针对温度和相对湿度两个因素，进一步配置了预设温度运行条件和预设相对于湿度条件，并且使每一所述燃料电池电堆对应的预设温度运行条件被配置为能保证该燃料电池电堆的mea在运行中经受最小的温度影响，且每一所述燃料电池电堆对应的预设温度运行条件被配置为能保证该燃料电池电堆的mea在运行中经受最小的相对湿度影响。其中，湿度影响和相对湿度影响均是指对mea的电解质膜的疲劳程度和寿命的影响。
[0061]
另外，需说明的是，不同的负载条件也会导致mea经受不同的温度条件和相对湿度条件，而温度条件和相对湿度条件的频繁变化又会产生更多的应变或应力，即它们是互相影响的，且都最终影响燃料电池的性能、耐用性、寿命等。因此，在优选的实施例中，可基于负载条件、温度条件和相对湿度条件三者来共同确定所述燃料电池电堆中的mea的配置。
[0062]
综上，本发明实施例的燃料电池系统配置了至少两个燃料电池电堆，且使每个燃料电池电堆在其mea经受最小应力或应变的预设负载条件下运行，从而改善了整个燃料电池系统的性能，有助于提高燃料电池的寿命。另外，每一mea都仅经受最小应力或应变，可以消除堆叠的电堆中的应力和负载波动，以避免铂溶解而进一步提升燃料电池的寿命。
[0063]
实施例二
[0064]
本发明实施例二提供了一种车辆，该车辆包括前述实施例一中的燃料电池系统。
[0065]
需说明的是，本发明实施例不对车辆类型进行限定，凡是应用燃料电池系统的车辆都应属于本发明实施例的保护范围。
[0066]
本发明实施例二的车辆的更多实施细节及效果可参考实施例一，在此不再进行赘述。
[0067]
实施例三
[0068]
图4是本发明实施例的一种控制燃料电池系统的方法的流程示意图，其中所述燃料电池系统为实施例一中所述的燃料电池系统。如图4所示，该方法可以包括以下步骤：
[0069]
步骤s410，检测车辆的负载状况。
[0070]
参考实施例一中关于低负载状况、中等负载状况及高负载状况的划分的描述，可知负载状况可表现为电流密度。因此，该步骤s410可通过检测车辆运行的电流密度来实现对车辆的负载状况的检测。
[0071]
举例而言，当检测到车辆运行的电流密度分别为1.5a/cm
2
、2.5a/cm
2
以及3a/cm
2
时，可分别判断车辆处于低负载状况、中等负载状况和高负载状况。
[0072]
步骤s420，确定与所述负载状况相匹配的预设负载条件。
[0073]
承接上面的举例，当判断车辆处于低负载状况、中等负载状况和高负载状况时，根据对预设负载条件的设定，可直接确定与低负载状况、中等负载状况和高负载状况相匹配的负载条件。
[0074]
步骤s430，选择并运行与所确定的预设负载条件相对应的燃料电池电堆。
[0075]
参考实施例一中关于预设负载条件的描述，可知确定与预设负载条件相对应的燃料电池电堆相当于确定电堆的mea的参数。
[0076]
承接上面的举例，当检测到车辆运行的电流密度分别为1.5a/cm
2
、2.5a/cm
2
以及3a/cm
2
，可确定可选择用于运行并提供电力的电堆的mea的参数分别如下：
[0077]
1)当电流密度为1.5a/cm
2
时，确定：mea的膜厚度在20μm至25μm之间；i/c比为0.9-0.85，且离聚物具有小于950的当量(equivalent weight)；催化剂负载中阴极为0.5-0.25mg/cm
2
，且阳极为0.1-0.05mg/cm
2
；gdl厚度为200μm，且接触角大于130
°
。
[0078]
2)当电流密度为2.5a/cm
2
时，确定：mea的膜厚度在10μm至15μm之间；i/c比为0.9-0.85，且离聚物具有小于950的当量；催化剂负载中阴极为0.35-0.25mg/cm
2
，且阳极为0.1-0.05mg/cm
2
；gdl厚度为170μm，且接触角大于130
°
并小于或等于170
°
。
[0079]
3)当电流密度为3a/cm
2
时，确定：mea的膜厚度在10μm，且具有低的当量；i/c比为
0.9-0.85，且离聚物具有小于850的当量；催化剂负载中阴极为0.35-0.25mg/cm
2
，且阳极为0.1-0.05mg/cm
2
；gdl厚度为30-130μm，且接触角大于130
°
并小于或等于160
°
。
[0080]
可理解的是，这些电堆的mea的参数决定了它们应对不同负载变化的能力，而根据车辆的负载状况可选择最适用于当前负载变化的mea的参数配置。另外，可能会有多个电堆都具有应对同样的负载变化的能力，从而也可根据需要选择电堆组合来进行运行，这也应属于本发明实施例的保护范围。
[0081]
进一步地，对于步骤s430中的“选择”，参考实施例一中涉及的多个表格，其可以是通过查找表格的方式来实现。
[0082]
本发明实施例三的方法与实施例一的燃料电池系统所具有的优势相同或相似，在此不再进行赘述。
[0083]
实施例四
[0084]
本发明实施例四提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器实施例三所述的方法。
[0085]
其中，所述机器例如是车辆控制器。实施例一及实施例三中涉及的选择、检测、确定及运行都可以通过指令决定，例如车辆控制器执行预装有查找实施例一涉及的表格的指令以及输出选择的最佳mea配置的指令，该最佳mea配置包括温度、相对湿度、电压等。
[0086]
另外，所述机器可读存储介质包括但不限于相变内存(相变随机存取存储器的简称，phase change random access memory，pram，亦称为rcm/pcram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体(flash memory)或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备等各种可以存储程序代码的介质。
[0087]
本发明实施例三与实施例一的燃料电池系统所具有的优势相同或相似，在此不再进行赘述。
[0088]
实施例五
[0089]
本发明实施例五提供了一种计算机设备，其特征在于，该计算机设备包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如实施例三所述的方法。
[0090]
在典型的配置中，计算机设备可以是包括一个或多个处理器(cpu)和存储器的车辆控制器或电池控制器。其中，存储器可能包括机器可读存储介质，其示例如实施例四所示。
[0091]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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