专利名称：使用浓度传感器修正渗透不确定性的方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于确定氮气至阳极子系统的渗透速率的系统和方法，更特别地涉及一种用于使用气体浓度传感器来确定进入阳极子系统的氮的渗透速率以及将确定的氮的渗透速率与期望的氮渗透模型相比较以根据需要调整阳极排出计划表的系统和方法。
背景技术：
氢由于其干净并且可用于在燃料电池中有效地产生电，因而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是电-化学装置，其包括阳极和阴极以及在其间的电解液。阳极接收氢气并且阴极接收氧或空气。氢气在阳极被分解以产生自由的氢质子并且电子。氢质子通过电解液到阴极。氢质子与阴极中的氧和电子起反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解液，并且因此在被送到阴极之前直接通过负荷执行作业。 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种车辆流行的燃料电池。PEMFC通常包括固相聚合物电解质质子传导薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极典型地包括精细地分开的催化剂粒子，通常为支承在碳粒子上并且与离聚物混合的钼(Pt)。催化剂混合物沉积在薄膜的相对侧上。阳极催化剂混合物，阴极催化剂混合物和薄膜的组合限定了薄膜电极组件(MEA)0 MEA需要用于有效工作的某些条件。几个燃料电池典型地组合在燃料电池堆中以产生所需的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地由压缩机增压通过电池堆的空气流。不是所有氧被电池堆消耗并且一些空气作为阴极排气被输出，其可以包括作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。燃料电池堆典型地包括位于电池堆的几个MEA之间的串联的双极板，其中双极板和MEA布置在两个端板之间。双极板包括用于电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侦U。阳极气流通道设置在允许阳极反应性气体流向各自的MEA的双极板的阳极侧上。阴极气体流动通道设置在允许阴极反应性气体流向各自的MEA的双极板的阴极侧上。一个端板包括阳极气体流动通道，并且另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由有传导性的材料制成，例如不锈钢或传导的合成物。端板将由燃料电池产生的电流传导出电池堆。双极板还包括冷却液流动的流动通道。MEA是可渗透的并且因此允许来自电池堆的阴极侧的空气中的氮气通过其渗透并且收集在电池堆的阳极侧中，在工业中称作氮气渗透。尽管阳极侧压力可以壁阴极侧压力高，阴极侧分压力将使得氧和氮气渗透通过薄膜。渗透的氧在阳极催化剂的存在下减少，但燃料电池堆的阳极侧中渗透的氮将氢稀释。如果氮浓度增加超过某一百分比，例如50%，燃料电池堆变得不稳定并且可能产生故障。本领域中公知的是在阳极提供排出阀将燃料电池堆的排气输出，以将氮从电池堆的阳极侧除去。本领域中还公知的是使用模型估计阳极侧的氮的摩尔分数以确定何时执行阳极侧或阳极子系统的排放。然而，模型估计可能包含误差，尤其是当燃料电池系统的部件随时间发生老化时。如果阳极氮摩尔分数估计比实际氮摩尔分数显著地高，则燃料电池系统将排出比所需要的更多的阳极气体，即，将浪费燃料。如果阳极氮摩尔分数估计壁实际氮摩尔分数显著地低，则系统将不会排出足够的阳极气体并且可能缺乏燃料电池的反应物，这可能损坏燃料电池堆中的电极。如上所讨论的，燃料电池系统的性能将受进入阳极和阴极上的电池堆的气体的成分的影响。在燃料电池的正常工作期间，来自阴极侧的氮渗透通过薄膜到阳极侧，这将稀释燃料浓度。如果阳极侧中存在过多的氮或水，则电池电压可能减少。气体浓度传感器可以用来测量给定子系统内的气体浓度，然而，燃料电池薄膜的健康的状态可以仅使用渗透速率确定。因此，本领域中需要一种策略以基于通过燃料电池薄膜的诸如氮的气体的渗透速率中的变化调整阳极排出计划表。
发明内容
本发明公开了一种用于确定燃料电池系统中燃料电池堆的阳极侧中氮的积累速率的方法，其包括确定阳极回路中氮的浓度和确定阳极回路中氮的摩尔数。所述方法还包·括确定阳极回路中的氮的积累速率并且使用阳极回路中确定的氮的积累速率确定燃料电池堆中通过燃料电池薄膜阳极回路的氮的渗透因子。结合附图
，从以下说明书和所附的权利要求中本发明的附加特征将会变得显而易见。本发明还提供了以下方案
I. 一种为了燃料电池系统中的燃料电池堆调整阳极排出策略的方法，所述方法包
括
确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度；
确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的摩尔数；
确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率；
使用燃料电池系统的阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子；
将确定的氮的渗透因子与氮的期望的渗透因子相比较以确定氮渗透增益；以及 如果已经得到了氮渗透增益的预定阈值，为了燃料电池系统调整阳极排出策略。2.根据方案I所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度包括使用至少一个传感器来确定阳极回路中的气体的浓度。3.根据方案I所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率包括观察发生在排出事件之间的阳极回路中的氮的摩尔累积。4.根据方案I所述的方法，其中使用阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子包括使用等式
权利要求
1.一种为了燃料电池系统中的燃料电池堆调整阳极排出策略的方法，所述方法包括 确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度； 确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的摩尔数； 确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率； 使用燃料电池系统的阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子； 将确定的氮的渗透因子与氮的期望的渗透因子相比较以确定氮渗透增益；以及 如果已经得到了氮渗透增益的预定阈值，为了燃料电池系统调整阳极排出策略。
2.根据权利要求I所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度包括使用至少一个传感器来确定阳极回路中的气体的浓度。
3.根据权利要求I所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率包括观察发生在排出事件之间的阳极回路中的氮的摩尔累积。
4.根据权利要求I所述的方法，其中使用阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子包括使用等式,__2 ' 0 ' ^·>Η<ηη_七=Λ,I · IVrelf · (ΡΑα ·+ I^uf) — Pca · (y^tMn + 咐) 其中是渗透因子，AA是电池的有效面积，Ncell是燃料电池堆内电池的数目，iTOeiri是用于制成每个电池的薄膜的薄膜材料的薄膜厚度，y.lfM是阳极进口的氮的浓度，_2是电池堆的阳极侧中氮的积累速率，是阴极子系统的压力，是阴极进口中氮的浓度，以及是阴极出口中氮的浓度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中阴极进口氮浓度和阴极出口氮浓度是假定值或测量值。
6.根据权利要求I所述的方法，其中氮的期望的渗透因子是基于模型估计的。
7.一种为了燃料电池系统中的燃料电池堆调整阳极排出策略的方法，所述方法包括 基于通过燃料电池堆中的燃料电池的阳极侧与阴极侧之间的燃料电池薄膜的期望的氮的渗透因子提供阳极排出计划表； 确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度； 确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的摩尔数； 确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率； 确定通过燃料电池薄膜从燃料电池堆的阴极侧到燃料电池堆的阳极侧的氮的渗透因子; 将确定的氮的渗透因子与氮的期望的渗透因子相比较以确定氮渗透增益；以及 如果已经得到了氮渗透增益的预定阈值，为了燃料电池系统调整阳极排出策略。
8.根据权利要求7所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度包括使用至少一个传感器确定阳极回路中的气体的浓度。
9.根据权利要求7所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率包括观察发生在排出事件之间的阳极回路中氮的摩尔累积。
10.一种用于确定燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧中的氮的积累速率的方法，所述方法包括 确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度； 确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的摩尔数； 确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率；以及 使用燃料电池堆的阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子。
全文摘要
本发明涉及使用浓度传感器修正渗透不确定性的方法。具体地，一种用于确定燃料电池堆的阳极侧中氮的积累速率的方法。所述方法包括确定阳极回路中氮的浓度和确定阳极回路中氮的摩尔数。所述方法还包括确定阳极回路中的氮的积累速率并且使用阳极回路中确定的氮的积累速率确定燃料电池堆中通过燃料电池薄膜阳极回路的氮的渗透因子。
文档编号H01M8/04GK102956901SQ20121028162
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者D.C.迪菲奥尔, T.W.蒂赫 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司