专利名称：燃料电池系统阴极入口相对温度控制的制作方法
技术领域：
本发明提供一种系统，其中阴极出流选择性地避开水汽传送装 置(WVTD)，以将系统阴极出口相对湿度(或露点)保持在或大致保持 在特定的或目标的相对湿度(或露点)。在一个实施例中，测得的阴极入 口相对湿度(或露点)可用于控制避开WVTD的阴极出流的量。在另一 实施例中，燃料电池堆膜电导率可用于控制避开WVTD的阴极出流的量。 在又一实施例中，阴极出流可在不借助或不依赖测得的相对湿度、露点或 燃料电池膜电导率的情况下实现避开。在这后一种方式中，特定操作参数 (例如，阴极入口相对湿度或露点)可通过开环方式进行控制。
|0007|在另一实施例中，燃料电池系统可根据一种方法进行控制，其 中，操控WVTD旁路阀以保持系统阴极入口相对湿度(或露点)。根据本 发明的方法可部分地通过执行程序指令的控制器实现。这样的指令可存储 在使控制器可读取和可执行的任何介质中。
|0008j图1以结构示意图形式显示出根据本发明一个实施例的燃料 电池系统的局部。
|0009j图2以流程图形式显示出根据本发明的一种方法，用于控制用 于例如图1中所示系统之类的系统的阴极入口气体的相对湿度。
10010j图3以流程图形式显示出根据本发明的另一方法，用于控制用 于例如图1中所示系统之类的系统的阴极入口气体的相对湿度。
|0011j图4以流程图形式显示出根据本发明的又一方法，用于控制用 于例如图1中所示系统之类的系统的阴极入口气体的相对湿度。
具体实施例方式
|00121以下提供的描述能够使本领域技术人员制造和使用如权利要 求中所述的发明，并体现在以下论述的具体示例表述中，这些具体示例的 变例将使本领域技术人员易于理解。更具体地，本发明的示例性实施例根
据一种燃料电池堆进行描述，这种燃料电池堆使用气态氢(H2)作为燃料，
使用空气(02和氮气1\2的混合物)形式的气态氧(02)作为氧化剂，并 且使用质子交换或聚合物电解质膜(PEM)电极组件(MEA)。不过，在
6此所附的权利要求并不仅限于所公开的实施例，而是与在此公开的原理和 特征一致的最大范围对应。
10013]通常，根据本发明操作的燃料电池堆使用传感器输入和部件模 式的组合以可控地绕过阴极出流处理部件，从而保持堆阴极入口的相对湿 度(RH)。在一个实施例中，燃料电池堆阴极气体入口 RH可结合从阴极 气体入流RH传感器的输入而进行控制，在另一实施例中，燃料电池堆阴 极气体入流RH可结合燃料电池堆膜电导率测量(以替代阴极气体入流 RH传感器)而进行控制。在又一实施例中，燃料电池堆阴极气体入流RH 可以在没有从阴极气体入流RH传感器或燃料电池堆膜电导率测量器的输 入的情况下进行控制。应认识到的是，在此提及的RH在功能上等同于露 点。也就是说，本发明的控制方法同样可基于阴极相对湿度或露点而应用 于燃料电池堆操作。 WVTD效率采取以下形式
H-e r 公式B3
在此，t是CmJC隨的函数，应认识到的是，通常测量C,， C油在系统
100中受控而可变(通过旁路阀165的控制/操控)，t来自查询表，在表中 的值通过经验确定。
|00281附录C
重新排布公式B1，得到
所希望的湿流中的水-传送至干流中的水/e 公式Cl
|0029j根据质量流速重新书写公式Cl，给出
公式C2
其中， 2。—*w
通过公式Al给出，s通过公式B3给出，"表示块230
的结果。
10030J附录D
注意到的是，WVTD 140上的水传送流速加上WVTD 140的水出口 流速等于WVTD 140的输入流速，而且，如果在堆105之外的水的摩尔 分数已知(通过一个或多个传感器和/或模型确定)，则所希望的WVTD 140 湿侧入口流速可确定如下
W . — -^-
刚 公式Dl
[W^l。,w,—,, ,表示堆105阴极之外的摩尔分数。
|0031|认识到的是，为了实现所希望的阴极入口 RH， WVTD 140(经 由管线150)的阴极出口流速,':。,w等于所希望的(经由管线155)进入 WVTD 140的流速"一^、，加上通过旁路阀165的流速《，，得到
[0032|附录E 根据Darcy公式，发现
在此，F—""、^表示所希望的通过旁路阀165的流速，单位为立方英尺/小
'& x ;戶v, x Z 公式El
时；、表示系统100的管路因子，特别是对出入旁路阀165的管线而言； 表示旁路阀的流速系数，即在60。 F和1磅/平方英寸压差(psid )下的水量，单位为加仑/分钟； 拜'"表示在旁路阀165的入口或上游压力，单位为磅/ 平方英寸绝对压力(psia); Y表示相关气体(即，02、 1\2和1120)的膨胀 系数；x表示在旁路阀165上的压降比率(参见下文)；Sg表示通过旁路阀 165的气体的比重；；。-'"表示在旁路阀165入口处的温度，单位为R度(in degreesR); Z表示通过旁路阀165的气体的压缩因数。
[0033j当旁路阀入口和出口管路具有适合尺寸时，管路因子Fp约为 1。在此使用的"具有适合尺寸"是指，在管路上的压降显著低于在旁路 阀165上的压降。类似地，对于与气态氢和空气燃料电池系统相关的压力 和温度(例如，大致350 KPa以及-40。F至95。F的气氛)而言，压缩因 数Z约等于1。
|0034|膨胀因数Y给出如下
3x&x、 公式E2
其中，Fk表示相关气体(即，02、 1\2和H20)的比热系数比率，X2是在 旁路阀165上的压降比率。X2的值对于阀的几何形状是特定的，并且可通 过经验确定。进一步地，
Fk = k/1.4 公式E3 K表示02、 N2和H20的比热的比率。
|0035j对于与气态氢和空气燃料电池系统相关的压力而言，k约等于 1.39，结果，Fk约等于1。
|0036|压降比率x由以下^^式给出
P —P
一 'fr>y^"-"'"" /ja."'-。w/
n甲"、掘表示在旁路阀165处的出口或下游压力，单位为psia。
I0037J在此使用的气体的比重等于气体分子量除以空气分子量，其 中，气体分子量是各组分气体分子量的权重之和。因此，阴极出流(以及 旁路阀入流)的比重Sg为
乂 一 x腳^L + (附A x扉w丄+ (m/q x證。丄 公式E5
其中， <、表示目标气体中x的摩尔分数，/w,表示x的分子量，(力，表示空 气的z。对于与燃料电池系统100 (见上文)相关的压力和温度而言，Sg约
12等于l。在一个实施例中，Sg总是由控制器170估计，并且对在此所述类型 的燃料电池系统而言通常在0.9至1.0之间。
|00381公式El (及其支持公式E2至E5 )构成旁路阀165的一个模式。
[0039J附录F
对于C，、、(旁路阀偏置值)重新排布公式E1，得到
<formula>formula see original document page 13</formula>
|0040j在与燃料电池系统100相关的且在附录E中确定的近似值中 进行替代，得到
<formula>formula see original document page 13</formula>
I0041J出于完全性考虑，注意到在x〉/^f,(见附录E)的情况下，
可在以下两种状态下均由x替换
<formula>formula see original document page 13</formula>
|00421在公式F2中，；c、 7一一和&是测得的量(或通过测得 量直接确定的量)；x,对于给定旁路阀位置而言是不变的；/^。、"—根据公 式D2确定。
10043J如在附录B中所示，测量Cmax，而Cmin是系统100中的受控
变量(通过旁路阀165的控制/操控)，T来自查询表，表中的值通过经验确定。
权利要求
1、一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，其具有阴极入口和阴极出口；水汽传送装置，其具有湿入口端口和干出口端口，所述湿入口端口与所述阴极出口流体连通，所述干出口端口与所述阴极入口流体连通；阀，其具有上游入口和下游出口，所述上游入口与所述阴极出口和所述湿入口端口流体连通并介于所述阴极出口与所述湿入口端口之间，所述阀被设置为选择性地避免经由所述阴极出口离开所述燃料电池堆的流体进入所述湿入口端口；和控制器，其被设置为接收进入所述阴极入口的流体的操作特性的目标值，接收进入所述阴极入口的流体的测量值，和操控所述阀而使得所述操作特性的测量值大致等于所述操作特性的目标值。
2、 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池堆被 设置为使用气态氢作为燃料。
3、 根据权利要求1所迷的燃料电池系统，其中，所述水汽传送装置 进一步包括干入口端口 ，所述水汽传送装置祐:设置为将水从进入所述湿入 口端口的流体传送到进入所述干入口端口的流体，并将其引导至所述干出 口端口 。
4、 根据权利要求3所迷的燃料电池系统，其中，所述干入口端口与 气态氧化剂源连通。
5、 根据权利要求4所迷的燃料电池系统，其中，所述气态氧化剂包 括气态的氧供应物。
6、 根据权利要求5所迷的燃料电池系统，其中，所述气态的氧供应 物包括空气。
7、 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器包括比 例积分微分控制器。
8、 根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述比例积分微分 控制器包括分立的比例积分微分控制器。
9、 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述操作特性包括 相对湿度。
10、 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述操作特性包括 露点。
11、 根据权利要求1所迷的燃料电池系统，其中，所述操作特性包括 燃料电池堆膜电导率。
12、 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述操作特性包括 空值特性，使得所述控制器被设置为以开环模式操作。
13、 一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统具有燃料电池 堆和水汽传送装置，所述燃料电池堆具有阴极入口和阴极出口，所述水汽 传送装置被设置为将水从来自所述阴极出口的流体传送到朝向所述阴极 入口；危动的;充体，所述方法包括获取进入所述阴极入口的流体的操作参数的目标值； 获取进入所迷阴极入口的流体的所述操作参数的测量值；和 操控旁路阀，使得经由所述阴极出口离开所述燃料电池堆的流体可控地避开所述水汽传送装置，其中，执行所述操控动作而使得所述操作参数的测量值大致等于所述操作参数的目标值。
14、 根据权利要求13所述的方法，其中，所述搮作参数包括相对湿度。
15、 根据权利要求13所述的方法，其中，所述操作参数包括露点。
16、 根据权利要求13所述的方法，其中，所述操作参数包括所述燃 料电池堆的膜电导率。
17、 根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述操作参数包 括空值参数，使得所述控制器被设置为以开环模式操作。
18、 一种燃料电池系统操作方法，包括接收进入燃料电池系统阴极入口的流体的特定操作参数的目标值； 接收进入所迷燃料电池系统阴极入口的流体的所述特定操作参数的 测量值；确定所希望的水汽传送装置(WVTD)的水传送流速； 确定所希望的WVTD旁路流速；基于所希望的WVTD水传送流速、所希望的WVTD旁路流速、旁路 阀模式和所述操作参数的测量值来确定旁路阀位置；和使用被确定的旁路阀位置搮控旁路阀，以使得离开所述燃料电池的阴极出口的流体避免进入所述WVTD，从而使所述搮作参数的测量值大致 等于所述操作参数的目标值。
19、 根据权利要求18所迷的方法，其中，所述操作参数包括相对湿度。
20、 根据权利要求18所述的方法，其中，所述操作参数包括露点。
21、 根据权利要求18所述的方法，其中，所述操作参数包括所述燃 料电池堆的膜电导率。
全文摘要
燃料电池系统阴极入口相对湿度控制，其中采用传感器输入和部件模式的组合以使得系统的阴极出流(150)选择性地绕过阴极出流处理部件(140)，从而获得或者保持所希望的阴极入口相对湿度或露点。所描述的系统和方法可操作开环(例如，没有用于校验操作的传感器反馈)或闭环(例如，取决于阴极入口相对湿度/露点或燃料电池堆膜电导率测量值)。
文档编号H01M8/04GK101494292SQ20091000994
公开日2009年7月29日 申请日期2009年1月24日 优先权日2008年1月25日
发明者V·W·罗根 申请人:通用汽车环球科技运作公司