专利名称：燃料电池的优化阴极装填策略的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及用于优化系统启动时燃料电池堆的阴极装填策略的方法，并且更 具体地涉及如下方法，其在堆的阴极侧上使用氢浓度的阴极模型来在系统启动时向燃料电 池堆的阴极侧提供适当的阴极空气量。
背景技术：
氢是非常引人注意的燃料，因为其是清洁的并且可以被用于在燃料电池中有效地 产生电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气并 且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中离解从而产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达 阴极。质子与阴极中的氧和电子反应从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且 因而被引导通过负载从而在被传送到阴极之前做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆常用的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合 物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括被支撑在碳颗粒上且与离聚 物混合的磨碎的催化颗粒，通常是钼(Pt)。催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化 混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造是相对昂贵的并 且需要特定条件来有效操作。在燃料电池堆中通常组合多个燃料电池来产生所需功率。例如，用于车辆的常用 燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应物气 体(通常是被压缩机驱动通过堆的空气流)。并不是所有的氧均被堆所消耗，一些空气作为 阴极排出气体被输出，该阴极排出气体可以包括水作为堆副产品。燃料电池堆也接收流入 堆阳极侧的阳极氢反应物气体。所述堆也包括冷却流体所流动通过的流动通道。燃料电池堆包括位于堆内的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA位 于两个端板之间。双极板包括堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被 设置在双极板的阳极侧上从而允许阳极反应物气体流动到相应MEA。阴极气体流动通道被 设置在双极板的阴极侧上从而允许阴极反应物气体流动到相应MEA。一个端板包括阳极气 体流动通道，而另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板是传导性材料制成，例如 不锈钢或导电合成物。端板将燃料电池产生的电传导到堆之外。双极板也包括冷却流体所 流动通过的流动通道。与用于发电的燃料电池所产生的电流相比，PEM燃料电池中现有技术膜的气体渗 透率相对较低。当燃料电池系统停机时，气体继续渗透通过膜，直到膜两侧上的气体组分分 压平衡。氢从阳极通过膜到阴极的扩散率是氮从阴极到阳极的速率的大约三倍。较大的氢 扩散速率意味着，相比于氮分压的相对较慢的平衡，氢分压会快速平衡。气体扩散率的不同 导致了阳极子系统绝对压力下降直到阴极氢分压达到阳极氢分压。通常，燃料电池堆的阳 极侧在高氢浓度的情况(例如大于60%)下操作，并且大量的富氢气体存在于堆的阳极的外 侧。随着阳极绝对压力下降，更多的氢被抽出阳极子系统进入到堆的阳极流场中。在系统停机之后的氢分压平衡的最终结果是，至少在停机之后一段时间内在燃料电池堆的阴极侧的氢浓度增加。当系统启动时，压缩机起动，不过从阴极离开燃料电池堆的 氢的浓度必须被限制为不会违反排放要求。因此，当使用新鲜空气装填燃料电池的阴极时， 离开堆的阴极侧的富氢气体必须被稀释。为了满足起动时间和噪音要求，需要优化堆阴极 的装填。因为通过压缩机可用动力来限制阴极流，所以装填方法必须适应整体压缩机流率 的变化。已知的燃料电池系统通常使用旁通阀，该旁通阀允许阴极空气绕过燃料电池堆并 且从压缩机直接被引导到系统出口。启动策略可以使用机构来打开旁通阀，从而相当大量 的空气不会经过燃料电池堆的阴极并且在堆出口处可用，从而稀释可被驱动通过堆的阴极 侧的氢。通常，这些启动策略是过度保守的从而在启动期间的任意点处均不会超过所需的 氢排放浓度。因为实际系统启动必须在堆起动前等待稀释氢排放，所以这些保守的启动策 略增加了系统从点火开始起动的时间。
发明内容
根据本发明的教导，公开了通过控制堆旁通阀来控制系统启动时流向燃料电池堆 的阴极空气流的方法。该方法包括确定燃料电池系统的阴极侧内的氢的浓度梯度。该方 法还包括确定通过将空气传送到燃料电池系统的阴极侧的压缩机的体积流率；确定通过 燃料电池堆的阴极的体积流率；以及，使用通过所述压缩机的所述体积流率和通过所述阴 极的所述体积流率来确定通过所述阴极的体积流率与通过所述压缩机的总流量之间的比 值。该方法基于通过所述压缩机的所述体积流率、通过所述压缩机的体积流率与通过所述 压缩机的所述总流量之间的所述比值以及离开所述阴极的所述氢的浓度来确定来自所述 燃料电池堆的模型化氢出口浓度。该方法使用理想最大系统氢出口排放和阴极的模型化氢 出口浓度来确定通过所述阴极的体积流率与通过所述压缩机的所述总流量之间的理想比 值，并且之后使用通过所述阴极的体积流率和通过所述压缩机的所述总流量的所述理想比 值来确定所述旁通阀的位置。本发明还提供了以下技术方案。方案1. 一种确定燃料电池系统中阴极旁通阀的位置的方法，所述阴极旁通阀允 许阴极空气绕过燃料电池堆，所述方法包括
确定所述燃料电池系统的阴极侧内的氢浓度；
确定通过压缩机的体积流率，该压缩机将空气传送到所述燃料电池系统的所述阴极
侧；
确定通过所述燃料电池堆的所述阴极的体积流率；
使用通过所述压缩机的所述体积流率和通过所述阴极的所述体积流率来确定通过所 述阴极的所述体积流率与通过所述压缩机的总流量之间的比值；
基于通过所述压缩机的所述体积流率、通过所述压缩机的所述体积流率与通过所述压 缩机的所述总流量之间的比值以及所述阴极内的所述氢浓度来确定来自所述燃料电池堆 的模型化氢出口浓度；
使用理想最大阴极出口排放和所述模型化氢出口浓度来确定通过所述阴极的所述体 积流率与通过所述压缩机的所述总流量之间的理想比值；以及
使用通过所述阴极的所述体积流率和通过所述压缩机的所述总流量的所述理想比值来确定所述旁通阀的位置。方案2.根据方案1所述的方法，其中确定所阴极侧内的所述氢浓度包括使用浓 度传感器。方案3.根据方案1所述的方法，其中确定所述阴极侧内的所述氢浓度包括确定 所述旁通阀内的孔口两端的压降。方案4.根据方案1所述的方法，其中确定所阴极侧内的所述氢浓度包括测量当 所述堆的阳极侧被装填或正在被装填时的堆电压。方案5.根据方案1所述的方法，其中确定所阴极侧内的所述氢浓度包括使用用 于确定所述浓度的模型。方案6.根据方案1所述的方法，其中确定通过所述阴极的所述体积流率与通过 所述压缩机的所述总流量之间的比值包括使用等式
权利要求
1.一种确定燃料电池系统中阴极旁通阀的位置的方法，所述阴极旁通阀允许阴极空气 绕过燃料电池堆，所述方法包括确定所述燃料电池系统的阴极侧内的氢浓度；确定通过压缩机的体积流率，该压缩机将空气传送到所述燃料电池系统的所述阴极侧；确定通过所述燃料电池堆的所述阴极的体积流率；使用通过所述压缩机的所述体积流率和通过所述阴极的所述体积流率来确定通过所 述阴极的所述体积流率与通过所述压缩机的总流量之间的比值；基于通过所述压缩机的所述体积流率、通过所述压缩机的所述体积流率与通过所述压 缩机的所述总流量之间的比值以及所述阴极内的所述氢浓度来确定来自所述燃料电池堆 的模型化氢出口浓度；使用理想最大阴极出口排放和所述模型化氢出口浓度来确定通过所述阴极的所述体 积流率与通过所述压缩机的所述总流量之间的理想比值；以及使用通过所述阴极的所述体积流率和通过所述压缩机的所述总流量的所述理想比值 来确定所述旁通阀的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所阴极侧内的所述氢浓度包括使用浓度传感。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述阴极侧内的所述氢浓度包括确定所述旁 通阀内的孔口两端的压降。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定所阴极侧内的所述氢浓度包括测量当所述堆 的阳极侧被装填或正在被装填时的堆电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所阴极侧内的所述氢浓度包括使用用于确定 所述浓度的模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其中确定通过所述阴极的所述体积流率与通过所述压 缩机的所述总流量之间的比值包括使用等式其中k.bypass—imlvgJ/lz是以线性或角度尺寸表述的所述旁通阀的打幵百分度， 是通过所述压缩机的空气的体禾只、流率，^catftodew_rnoI/s是通过所述堆的所述阴极侧的空气的体积流率，以及是通过所述堆的所述阴极侧的所述体积流率与通过所述压缩机的所述总流量之间的比值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述模型化氢出口浓度包括使用等式是通过所述压缩机的空气的体积流率，yeartoiteJ^imOM·是通过所述堆的所述阴极侧的体积流率与通过所述压缩机的所述总流量之间的比值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中确定通过所述阴极的所述体积流率与通过所述压 缩机的所述总流量之间的理想比值包括使用等式其中y'cathode_flow_%是通过所述堆的所述阴极侧的所述体积流率与通过所述 压缩机的所述总流量之间的比值，YH2-MaxJhitlet是所述阴极出口内的理想最大氢浓 度， 11. ystac.k_carhode_H2_ourler_% 是所述模型化氢出 口浓度。
9. 一种确定燃料电池系统中阴极旁通阀的位置的方法，所述阴极旁通阀允许阴极空气 绕过燃料电池堆，所述方法包括确定所述燃料电池系统的阴极侧内的氢浓度；基于通过阴极空气源的体积流率、通过所述阴极空气源的所述体积流率与通过所述阴 极空气源的总流量之间的比值以及所述阴极内的所述氢浓度来确定来自所述燃料电池堆 的模型化氢出口浓度；通过使用理想最大阴极出口排放和所述模型化氢出口浓度来确定通过所述阴极的体 积流率与通过所述压缩机的总流量之间的理想比值；以及使用通过所述阴极的体积流率与通过所述空气源的所述总流量之间的理想比值来确 定所述旁通阀的位置。
10.一种确定燃料电池系统中阴极旁通阀的位置的系统，所述阴极旁通阀允许阴极空 气绕过燃料电池堆，所述系统包括用于确定所述燃料电池系统的阴极侧内的氢浓度的器件；用于确定通过压缩机的体积流率的器件，该压缩机将空气传送到所述燃料电池系统的 所述阴极侧；用于确定通过所述燃料电池堆的阴极的体积流率的器件；用于通过使用通过所述压缩机的体积流率和通过所述阴极的体积流率来确定通过所 述阴极的体积流率与通过所述压缩机的总流量之间的比值的器件；用于基于通过所述压缩机的所述体积流率、通过所述压缩机的体积流率与通过所述压 缩机的所述总流量之间的比值以及所述阴极内的所述氢浓度来确定来自所述燃料电池堆 的模型化氢出口浓度的器件；用于使用理想最大阴极出口排放和所述模型化氢出口浓度来确定通过所述阴极的体 积流率与通过所述压缩机的所述总流量之间的理想比值的器件；以及用于使用通过所述阴极的体积流率和通过所述压缩机的所述总流量之间的理想比值 来确定所述旁通阀的位置的器件。
全文摘要
本发明涉及燃料电池的优化阴极装填策略。一种用于通过控制堆旁通阀来控制系统启动时的阴极空气流动的方法。该方法包括确定所述燃料电池系统的阴极侧内的氢浓度。该方法还包括确定通过阴极压缩机的体积流率、确定通过堆阴极的体积流率以及确定通过阴极的体积流率与通过压缩机的总流量之间的比值。该方法基于通过所述压缩机的所述体积流率、通过所述压缩机的体积流率与通过所述压缩机的所述总流量之间的所述比值以及所述阴极内的所述氢浓度来确定来自所述燃料电池堆的模型化氢出口浓度。该方法使用通过所述阴极的体积流率和通过所述压缩机的所述总流量的理想比值来确定所述旁通阀的位置。
文档编号H01M8/04GK102136587SQ20111002677
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者D·I·哈里斯, G·M·罗布, J·N·洛夫里亚, M·C·柯克林 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司