控制燃料电池的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于控制具有聚合物电解质膜的燃料电池的方法，该燃料电池安装在系统中，所述系统包括燃料气体供应回路和氧化气体供应回路，所述燃料气体供应回路将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极，所述氧化气体供应回路连接氧化气体储存器或大气，所述方法包括以下步骤：向燃料电池供应氧化气体，检测由电池产生的电流大于基于安装有燃料电池的系统所确定的第一阈值，以及减少向燃料电池供应氧化气体，以减少产生的电流。本发明专利技术还涉及一种燃料电池系统以及在车上包含这种系统的车辆。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】控制燃料电池的方法
本专利技术涉及燃料电池，并且特别地(但不仅仅)涉及这样的燃料电池：其中，电解质采取聚合物膜的形式(即，具有PEFC(聚合物电解质燃料电池)的类型)。更确切地说，本专利技术涉及当燃料电池与另一电源相组合而用在车辆中时的燃料电池的工作。
技术介绍
众所周知，燃料电池可以直接通过电化学氧化还原反应从燃料气体和氧化剂气体产生电力，而不需要中间转化为机械能。这项技术看起来对于汽车应用而言尤其具有潜力。就输送的电力而言，燃料电池的工作点通常由施加于其上的负载来定义。因此，为了配备有燃料电池的车辆的正确运转，当电池安装在整体供电系统中时，将该电池与电子转换器连接是有用的，该电子转换器可以改变燃料电池所遇到的阻抗，因此也改变其工作点。具体而言，为了满足通过车辆的加速踏板表示出的来自驾驶员的动力需求，需要能够通过修改电池的工作点来调整由电池供应的电力。在此规定，当提到“工作点的变化”时，意指离开燃料电池的电流的大小的变化：IPAC。因此所谓的“全H2”车辆架构(也就是说，没有电池存储的架构)是已知的，图1中示出了其一个示例。在该示例中，发动机逆变器11安装在燃料电池10与发动机12之间。在这种情况下，正是逆变器使得可以调节燃料电池所遇到的阻抗，从而调节工作点IPAC。配备有增程器(prolongateurd'autonomie)的具有电池的电动车辆架构也是已知的。图2示出了这种架构的示例，其中，发动机22主要由电池23供电。逆变器21位于电池23与发动机21之间。该车辆配备有燃料电池20的形式的增程器，燃料电池20可以在电池24放电时对电池24进行再充电。为了定义工作点IPAC，使用安装在燃料电池20与电池24之间的电子DC-DC电压转换器23。然而，由于转换器23是一种昂贵、沉重和庞大的部件，所以该架构表现出几个主要缺点。此外，由于转换器的通常效率约为90％至95％，所以使用这种转换器会导致效率损失。因此，已经考虑移除该转换器23，由此得到电池20和电池24的并联的直接联接。因为燃料电池和电池必须具有大致相同的电压范围以便能够直接并联连接，所以这种联接对两个电压发生器的电压的匹配施加了约束。考虑到电池具有几乎恒定的电压，因此该电压事实上将被施加在燃料电池上。这种约束表现出两个显著缺点。首先，电池的电压变化范围(该范围相对较小)不能利用燃料电池的工作点的宽变化范围。具体而言，电池具有基本恒定的电压，并且，考虑到直接联接，电池将其电压施加在燃料电池上。这样的结果是由燃料电池根据其特征偏置曲线而输送的电流。在图4所示的示例中，电池的电压为62V。根据作为示例的偏置曲线，由燃料电池提供的电流将为220A。实际上，根据驾驶员的需求，电池的电压变化，由此也导致燃料电池的电流的变化。然而，该电压变化保持为相对较小，因此不能利用燃料电池的工作点的宽变化范围。其次，当来自发动机的功率需求较低时，或者电池的充电状态不允许电流被吸收时，已证明不可能减少由燃料电池输送的电流。因此，本专利技术旨在提出一种可以纠正这两个缺点的解决方案。
技术实现思路
燃料电池是单一元件的堆叠，每个单一元件主要由阳极和阴极形成，所述阳极和阴极由聚合物膜隔开，所述聚合物膜允许质子从阳极传递向阴极。该堆叠安装在系统中，所述系统包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路，所述燃料气体供应回路将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路连接氧化剂气体储存器或大气。氧化半反应发生在供应有燃料(例如，氢气)的阳极。同时，还原半反应发生在供应有氧化剂(例如，纯氧或空气中含有的氧气)的阴极。正是这两种半反应导致了水和电流的产生。如上所述，本专利技术旨在提出一种解决方案，以用于当发动机需求较小时，或者当与燃料电池相连的电池的充电状态不允许电流被吸收时，减少由燃料电池产生的电流。为此，本专利技术涉及一种用于控制聚合物电解质膜燃料电池的方法，该燃料电池安装在系统中，所述系统包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路，所述燃料气体供应回路将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路连接氧化剂气体储存器或大气。该方法包括以下步骤：-向燃料电池供应氧化剂气体(也称为氧化剂)，-检测由电池产生的电流大于第一阈值，所述第一阈值基于安装有所述燃料电池的系统而确定，-减少向燃料电池供应氧化剂气体，以减少产生的电流。更准确地说，引入的氧气量减少，以便根据将所产生的电流和给定的燃料电池所消耗的氧气量线性关联的化学计量关系而将电流限制到期望值。例如，对于由50个单元电池形成的燃料电池，在100A消耗的氧气为17.5标准升每分钟(SLPM)。因此，理论上，如果希望将电流限制在100A，则引入的空气量将减少到83SLPM(17.5SLPM/21％)。实际上，一些氧气能够从电池中逸出而不发生反应，因此需要相对于所期望电流而提供轻微的过量供应。有利地，在本专利技术的一个实施方案中，使用负责控制空气流量的控制器以便满足电流设定值。本专利技术在燃料电池直接联接到另一电压发生器(特别是电池)的系统中特别有利。更具体地说，在燃料电池联接到电压控制而不是电流控制的负载时，本专利技术特别有利。具体而言，如果联接到燃料电池的负载是电流控制的，则其会具有调整其阻抗以便维持恒定电流的趋势，而由于没有足够的空气来维持这种电流，这将导致单元电池中的电压崩溃。因此，在这种工作模式中，负载优选为在低电压限制模式下工作，从而不会导致燃料电池中的电压崩溃。因此，当燃料电池联接到另一个电压发生器时，尤其推荐本专利技术。从而，这自然地避免了在空气供应不足时发生电压崩溃的风险。已知燃料电池消耗的氧气严格正比于所产生的电流，并且其由以下关系定义：氧气消耗量[g/s]ne-：电子数量＝2MWo2：氧气的分子量Nb_cell：电池中的单元电池的数量F：法拉第常数[96487库/摩尔]IFC：电池中的电流[A]优选地，在根据本专利技术的方法中，氧化剂过量供应至燃料电池，也就是说，阴极接收比为了维持由燃料电池输送的电流所需的氧气更多的氧气。在一个示例中，这种过量供应表现为在阴极处的化学计量比设置为大约为2。这样的值使得可以确保在燃料电池的单元电池的活性表面区域上电流的良好均匀性，同时避免在电池出口处燃料电池产生的水在空气中的饱和。此外，已经观察到更高的化学计量比是不理想的，因为这可能导致空气供应的寄生消耗和膜电极组件的干燥。因此，本专利技术提出当需要减少由电池产生的电流时，对燃料电池供应不足的空气。为此，减少向电池供应的氧化剂。具体而言，当不再有足够的氧化剂来维持电池产生的电流水平时，所述水平下降直到其达到与所供应的氧化剂的量相对应的水平。在此规定，如果进入的气流被完全切断，也可以完全消除由燃料电池产生的电流。特别是在燃料电池连接到电池的情况下，例如当燃料电池用作由电池供电的系统的增程器时，产生减少由燃料电池所产生的电流的需求。在这种情况下，基于对电池的电量的估计来执行对减少电流的需求的检测。在另一个示例中，如果由燃料电池直接或间接供电的发动机要求较低的功率，则可能需要减小电流。在这种情况下，基于对总线电流的测量来执行检测。此外，已经观察到，当实施根据本专利技术的控制方法时，由于空气的量不再足以避免产生的水的凝结，空气至燃料电池的供应不足导致离开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于控制聚合物电解质膜燃料电池的方法，该燃料电池安装在系统中，所述系统包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路，所述燃料气体供应回路将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路连接氧化剂气体储存器或大气，所述方法包括以下步骤：·向燃料电池供应氧化剂气体，·检测由燃料电池产生的电流大于第一阈值，所述第一阈值基于安装有燃料电池的所述系统而确定，·减少向燃料电池供应氧化剂气体，以减少产生的电流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.11 FR 15622061.一种用于控制聚合物电解质膜燃料电池的方法，该燃料电池安装在系统中，所述系统包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路，所述燃料气体供应回路将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路连接氧化剂气体储存器或大气，所述方法包括以下步骤：·向燃料电池供应氧化剂气体，·检测由燃料电池产生的电流大于第一阈值，所述第一阈值基于安装有燃料电池的所述系统而确定，·减少向燃料电池供应氧化剂气体，以减少产生的电流。2.根据权利要求1所述的控制方法，所述方法在进一步包括连接到所述燃料电池的电池的系统中实施，并且其中，基于对电池的电量的估计来执行所述检测。3.根据权利要求1所述的控制方法，所述方法在进一步包括连接到所述燃料电池的电池的系统中实施，并且其中，基于对总线电流的测量来执行所述检测。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤：当能够被电池或其他连接到燃料电池的终端的消耗装置吸收的电流变为大于第二阈...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·布拉亚尔，G·帕加内利，
申请(专利权)人：米其林集团总公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR