燃料电池快速加载时的空气供给方法
【专利摘要】本发明提供一种燃料电池快速加载时的空气供给方法，采用电流I来控制对应的空气流量速率V，包括以下步骤：确定燃料电池快速加载时，初始电流Ia增加到最终电流Ib的实时电流I；将初始电流Ia增加到最终电流Ib的过程分为N个步长，根据函数式Vn=f（In）,n=1，2，…，N，确定每阶步长的电流In所对应的理论空气流量速率Vn；针对任一阶步长的电流In，确定实际空气流量速率V’n=Vn+x=f（In+x），x≥1。本发明以电流而非功率作为燃料电池的表征，并通过利用步长法控制空气供给速率，使燃料电池在快速加载的状态下，保证燃料电池电堆反应的正常进行。
【专利说明】燃料电池快速加载时的空气供给方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及车载燃料电池，尤其涉及一种燃料电池快速加载时提供充足空气供应量的供给方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种直接把化学能转化为电能的装置。车载燃料电池一般均为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，其主要以氢气作为燃料，空气作为氧化剂。PEMFC兼具高效率、无污染、适用广、低噪音、可快速补充能源、具有模块化结构等优点，因此PEMFC被认为是未来汽车理想动力源之一。
[0003]燃料电池中发生的反应是2H2+02 — 2H20，其中O2主要来源于空气，所供给的空气量与完全反应所需空气量之比称为过量空气系数λ，通常为保证燃料的完全燃烧，空气过量系数设置为λ =2左右。燃料电池系统用于车载必须满足两个基本的条件，一个是能够输出持续增加的功率(即Power)，另一个是快速响应(即速率)。然而在快速加载的情况下，由于功率的快速增加，所需的空气量急剧增加，如果供给的空气量没有相应增加的话，过量空气系数会明显下降。导致的后果是燃料电池系统中催化剂碳载体发生氧化流失的损伤，严重时甚至会使电堆发生逆反应(即电解反应)，从而导致膜穿孔，加速电池性能的衰减，严重影响到电池的寿命。
[0004]因此需要提供一种燃料电池快速加载时提供充足空气供应量的供给方法，不仅能使燃料电池汽车迅速响应加载要求，输出所需功率，而且能够保证燃料利用率维持在较高的水平。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃料电池快速加载时提供充足空气供应量的供给方法，用于解决现有技术中的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，一种燃料电池快速加载时的空气供给方法，采用电流I来控制对应的空气流量速率V，包括以下步骤:确定燃料电池快速加载时，初始电流Ia增加到最终电流Ib的实时电流I ;将初始电流Ia增加到最终电流Ib的过程分为N个步长，根据函数式Vn=f (In) , n=l,2,…,化确定每阶步长的电流In所对应的理论空气流量速率Vn ;针对任一阶步长的电流In，确定实际空气流量速率V’ n=Vn+x=f (In+X)，X ≥ 1.
[0007]进一步地，电流I从初始电流Ia线性上升至最终电流Ib。
[0008]进一步地，当电流I上升到最终电流Ib后，实际空气流量速率保持V’ N=f (IN+X)。
[0009]进一步地,所述N个步长为等分步长。
[0010]通过以上技术方案，本发明具有以下技术效果:
[0011]本发明结合燃料电池反应的自身特点，以电流而非功率作为燃料电池的表征，更加直观准确，方便控制空气供给速率；通过利用步长法控制空气供给速率，避免了在快速增大反应速率的同时不会造成氧化剂缺乏，而造成燃料电池自身的催化剂、碳载体、质子交换膜的快速衰减。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]附图1为本发明中，电流I的步长分解示意图。
【具体实施方式】
[0013]以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0014]请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0015]燃料电池系统用于车载必须满足两个基本的条件，一个是能够输出持续增加的功率，另一个是快速响应的速率。然而在燃料电池动态快速加载的情况下，由于功率的快速增加，所需的空气量急剧增加，如果供给的空气量没有相应增加的话，过量空气系数会明显下降。供给的空气量又通过空气流量速率来体现，空气流量速率越大，供给的空气量越多。但如果供应空气量过多，又会造成燃料电池的增湿不足，因此在本发明中采用节点式空气供气策略来保证合适的空气供应量。
[0016]本发明的燃料电池快速加载时的空气供给方法包括以下步骤:当燃料电池快速加载时，实时测量初始电流Ia增加到最终电流Ib的电流I。在现有技术中一直通过电流*电压=输出功率来判断燃料电池反应的快慢，这是从功率使用者的角度来判断。如果根据燃料电池反应的自身特点，用电化学反应速率作为参量判断快慢则更为准确，电化学反应速率是由“电流密度”确定的，而电流密度与反应面积的乘积=输出电流，所以在本发明中采用电流I来控制电化学反应速率中的主要参量空气流量速率V。
[0017]如图1所示，将初始电流Ia增加到最终电流Ib的过程分为N个步长。
[0018]根据法拉第电解定律建立公式:空气用量=3.57*10_τ*λ *I*m，m表示电池堆数，单位 kg/s ;空气流量速率 V= (3.57*10-7*λ-8.29*l(T8)*I*m，单位 kg/s。
[0019]建立函数关系SVn=f (In), n=l，2，…，N，可以确定每阶步长的电流In所对应的理论空气流量速率Vn ;而且因为电流I从初始电流Ia线性上升至最终电流Ib，所以I的加载过程可以等分为N个步长，计算更为精确。
[0020]最后针对任一阶步长的电流In，确定本发明实际空气流量速率V’ n=Vn+x=f (In+X)， 1这里需要注意的是，X的取值并不是越大越好，只有当N越大时，X的取值才可相应
的增大至既可保证充足空气供应量且不会造成燃料电池增湿不足。一般情况下，针对任一阶In，理论空气流量速率为Vn，而实际的空气流量速率V’ n取高一阶的理论值Vn+1，即X=I。但是因为各燃料电池的型号不同，电流也各不相同，所以N和X的取值根据实际情况确定。
[0021]当I增加到最终电流Ib时，即燃料电池已达到正常所需工作功率后，实际空气流量速率不用再继续提升，保持最后一阶所取的实际空气流量速率不变。
[0022]综上所述，本发明结合燃料电池反应的自身特点，以电流而非功率作为燃料电池的表征，更加准确，方便控制空气供给速率；通过利用步长法控制空气供给速率，使燃料电池在快速加载的状态下，保持空气过量系数维持在一定的范围之内，从而保证燃料电池电堆反应的正常进行，从而保证燃料电池系统的功率输出。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0023]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种燃料电池快速加载时的空气供给方法，其特征在于，采用电流I来控制对应的空气流量速率V，包括以下步骤: 确定燃料电池快速加载时，初始电流Ia增加到最终电流Ib的实时电流I; 将初始电流Ia增加到最终电流Ib的过程分为N个步长，根据函数式Vn=f (In)，n=l，2，…，N，确定每阶步长的电流In所对应的理论空气流量速率Vn ； 针对任一阶步长的电流In，确定实际空气流量速率V’ n=Vn+x=f (In+X)，X ^ 10
2.根据权利要求1所述的燃料电池快速加载时的空气供给方法，其特征在于，电流I从初始电流Ia线性上升至最终电流Ib。
3.根据权利要求1所述的燃料电池快速加载时的空气供给方法，其特征在于，当电流I上升到最终电流Ib后，实际空气流量速率保持V’ N=f (IN+X)。
4.根据 权利要求1所述的燃料电池快速加载时的空气供给方法，其特征在于，所述N个步长为等分步长。
【文档编号】H01M8/04GK103915637SQ201210591965
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年12月31日 优先权日:2012年12月31日
【发明者】陈沛, 林琦, 胡哲, 梁伟铭 申请人:上海汽车集团股份有限公司