本發明涉及燃料電池系統的性能恢復,更具體地,涉及一種用于基于燃料電池堆的狀態來調整去除氧化膜的時機(timing)的燃料電池系統及其性能恢復操作方法。
背景技術:
1、燃料電池系統是一種將反應氣體(例如燃料氣體和氧化性氣體)電化學反應產生的化學能轉化為電能的發電裝置。燃料電池系統除了用作工業、家庭和車輛使用的電源之外,還可以用于向小型電氣/電子產品和便攜式裝置供電。
2、燃料電池系統通常包括由多個單元電池組成的燃料電池堆。單元電池可以包括聚合物電解質膜、具有空氣電極(例如陰極)和燃料電極(例如陽極)的膜電極組件(空氣電極和燃料電極是涂覆有催化劑使得反應氣體(例如燃料氣體或氧化性氣體)能夠在電解質膜的兩側反應的催化劑電極層)、向膜電極組件供應反應氣體并傳輸電能的氣體擴散層、保持反應氣體以及冷卻劑的氣密性和適當的緊固壓力的墊圈和緊固工具,以及移動反應氣體和冷卻劑的雙極板。
3、燃料電池堆的性能通常隨著燃料電池堆運行時間的增加而降低。例如,鉑(pt)可以用作燃料電池堆(例如,催化劑電極層)的催化劑,并且由于燃料電池堆的連續操作,在鉑催化劑的表面上會形成氧化膜。鉑催化劑的有效面積會因這種氧化膜而減少,結果,燃料電池堆的發電性能會惡化。
4、在這方面,燃料電池系統可以通過執行將燃料電池堆的驅動電壓(例如,電池電壓)降低到特定水平的還原電壓的催化劑再生(catalyst?refresh)操作來去除形成在鉑催化劑表面上的氧化膜。相應地,可以恢復燃料電池堆的發電性能。
5、然而,氧化還原反應可能會通過催化劑再生操作重復進行。當氧化還原反應頻繁發生時,由于鉑在離子狀態下的洗脫可能導致鉑損失。
6、此外,為了確保催化劑電極層的耐久性,應在鉑催化劑表面上形成具有特定水平的氧化膜。然而,當通過催化劑再生操作在鉑催化劑的表面上形成的氧化膜保持在特定水平以下時,電極層的耐久性可能降低。
技術實現思路
1、本發明的一個方面提供一種燃料電池系統及其性能恢復操作方法,用于基于催化劑層的氧化膜量調節氧化膜去除時間點。
2、本發明的一個方面提供一種燃料電池系統及其性能恢復操作方法,用于在計算氧化膜量時根據燃料電池堆的狀態來更新氧化膜量計算參數。
3、本發明的一個方面提供一種燃料電池系統及其性能恢復操作方法,用于在燃料電池堆的狀態滿足指定條件時更新氧化膜量計算參數。
4、本發明要解決的技術問題不限于上述問題,本發明所屬領域的技術人員通過以下描述將清楚地理解本文未提及的任何其他技術問題。
5、根據本發明的一方面,燃料電池系統包括:通過使用反應氣體來發電的燃料電池堆,和可操作地連接到燃料電池堆并對燃料電池堆執行催化劑再生操作的控制器。控制器被配置為:通過計算燃料電池堆的氧化膜量來確定是否執行催化劑再生操作,基于燃料電池堆的狀態更新用于計算氧化膜量的至少一部分參數,以及使用更新的參數來計算氧化膜量。
6、根據各種實施方式,控制器可配置為基于在燃料電池堆上形成的氧化膜的量、溫度或相對濕度中的至少一個來更新參數。
7、根據各種實施方式,參數可以包括傳遞系數(α)、交換電流密度(i0)或極限電流密度(il)中的至少一個。
8、根據各種實施方式,控制器可被配置為:當燃料電池堆滿足指定條件時,基于燃料電池堆的狀態更新至少一部分參數,以及當燃料電池堆不滿足指定條件時,不進行更新操作。
9、根據各種實施方式,指定條件可以包括燃料電池堆的運行、運行重新開始、怠速停止(idle?stop)或暫停解除(pause?release)中的至少一種。
10、根據各種實施方式,控制器可被配置為在燃料電池堆運行時基于燃料電池堆的狀態連續地更新至少一部分參數。
11、根據各種實施方式,控制器可被配置為基于在燃料電池堆的運行狀態下計算的氧化膜量來更新催化劑再生電位。
12、根據各種實施方式,控制器可被配置為基于預定的催化劑再生電位和計算的氧化膜量,根據催化劑再生操作計算殘留膜量,以及將殘留膜量減少到小于指定膜量的時間點的電位更新為催化劑再生電位。
13、根據本發明的一方面,燃料電池系統的操作方法包括:計算燃料電池堆的氧化膜量,并基于氧化膜量,確定是否執行催化劑再生操作。燃料電池系統的操作方法還包括基于燃料電池堆的狀態更新用于計算氧化膜量的至少一部分參數,以及使用更新的參數計算氧化膜量。
14、根據各種實施方式,燃料電池系統的操作方法還可以包括基于在燃料電池堆上形成的氧化膜的量、溫度或相對濕度中的至少一個來更新參數。
15、根據各種實施方式,參數可以包括傳遞系數(α)、交換電流密度(i0)或極限電流密度(il)中的至少一個。
16、根據各種實施方式,控制器可被配置為在將指示燃料電池堆的電流和電壓特性的電壓-電流特性曲線(iv曲線)上的第一區域(p1)和第二區域(p2)中的每一個的濃差過電位(concentration?overpotential)設置為數值“0”之后,計算傳遞系數(α)和交換電流密度(i0);通過使用計算的傳遞系數(α)和計算的交換電流密度(i0)來計算所述電壓-電流特性曲線上的第三區域(p3)的濃差過電位;以及通過使用所述第三區域(p3)的濃差過電位來校正所述第一區域(p1)和所述第二區域(p2)中的每一個的濃差過電位。
17、根據各種實施方式,第一區域(p1)和第二區域(p2)可以是活化過電位占主導的一部分電流區域。第三區域(p3)可以是濃差過電位占主導的一部分電流區域。
18、根據各種實施方式,車輛可以包括燃料電池系統。
19、根據各種實施方式,燃料電池車輛可以包括燃料電池系統。
20、根據各種實施方式,燃料電池系統的操作方法還可以包括:當燃料電池堆滿足指定條件時,基于燃料電池堆的狀態更新至少一部分參數,并且當燃料電池堆不滿足指定條件時,不進行更新。
21、根據各種實施方式,指定條件可包括燃料電池堆的運行、運行重新開始、怠速停止或暫停解除中的至少一種。
22、根據各種實施方式,燃料電池系統的操作方法還可以包括在燃料電池堆運行時基于燃料電池堆的狀態連續地更新至少一部分參數。
23、根據各種實施方式,燃料電池系統的操作方法還可以包括基于在燃料電池堆的運行狀態下計算的氧化膜量來更新催化劑再生電位。
24、根據各種實施方式,燃料電池系統的操作方法還可以包括基于預定的催化劑再生電位和計算的氧化膜量來計算根據催化劑再生操作的殘留膜量,以及將殘留膜量減少到小于指定膜量的時間點的電位更新為催化劑再生電位。
25、根據各種實施方式,燃料電池系統的操作方法還可以包括在將指示燃料電池堆的電流和電壓特性的電壓-電流特性曲線(iv曲線)上的第一區域(p1)和第二區域(p2)中的每一個的濃差過電位設置為數值“0”之后,計算傳遞系數(α)和交換電流密度(i0);通過使用計算的傳遞系數(α)和計算的交換電流密度(i0)來計算所述電壓-電流特性曲線上的第三區域(p3)的濃差過電位;以及通過使用所述第三區域(p3)的濃差過電位來校正所述第一區域(p1)和所述第二區域(p2)中的每一個的濃差過電位。
26、根據各種實施方式,第一區域(p1)和第二區域(p2)可以是活化過電位占主導的一部分電流區域。第三區域(p3)可以是濃差過電位占主導的一部分電流區域。