用于燃料电池水管理的闭环控制的制作方法

本公开内容涉及在运行期间管理电化学电池、尤其是氢燃料电池的水合状态，更具体地，涉及通过测量和使用燃料电池堆中的每个电池的电化学阻抗(electrochemicalimpedance,eci)而管理氢燃料电池堆中的水合状态的系统和方法，以优化燃料电池性能。

背景技术：

1、燃料电池系统将燃料的化学能转化为电能。对于氢燃料电池，主要副产物是水。燃料电池中的水含量影响该燃料电池的性能，并且可以主要通过阴极流系统而被控制。虽然本公开内容主要涉及氢燃料电池，但本公开内容的概念可以应用于其他合适的燃料电池和电化学电池。

2、燃料电池堆由串联连接在一起的多个燃料电池组成。氢燃料电池包括膜-电极组件，该膜-电极组件包含质子通过的电解质膜。阴极层和阳极层形成在电解质膜的相对侧上，并且通常形成为催化剂层，诸如氢的燃料和诸如氧的氧化剂在催化剂层彼此反应。气体扩散层形成在阴极和阳极的表面上。具有各自流场的分离器定位在气体扩散层附近，通过该分离器将燃料和氧化剂分别供应到阳极和阴极。燃料电池堆的部件包含在两个端板之间，以将所有部件保持在堆内。

3、对于氢燃料电池堆中的每个燃料电池，通过经由催化剂层的化学反应，氢和氧离子化。氧化反应在阳极发生，以产生氢离子和电子。氢离子通过电解质膜迁移到阴极，同时电子通过导体移动到阴极。由于氢离子通过电解质膜迁移到阴极以及电子移动到阴极，与氧离子的还原反应在阴极发生，该还原反应产生水和热。氢离子的移动还引发了在导线中流动的电流。

4、氢燃料电池的性能受燃料电池中的水的量和分布的影响。过多的水可能导致性能恶化，然而由于燃料电池的干涸而导致过少的水，也一样可能导致性能恶化。过多的水的极端情况可能导致燃料电池溢流，该溢流使得燃料电池无法使用。即使没有溢流，水位管理不善不仅会导致性能恶化，而且可能会缩短燃料电池的使用寿命。已经发现电化学阻抗(eci)与燃料电池的水合状态很好地相关，更重要的是与性能相关。本公开内容涉及闭环动态系统，该闭环动态系统配置为实现电化学阻抗的高度连续控制。

5、典型的工业实践是使用开环控制系统而运行pem燃料电池。燃料电池开环控制系统会测量堆冷却剂温度、环境条件、阴极流和堆电流。根据这些测量，开环系统将必要的阴极流确定为水管理的估计。然而，开环控制系统不具有验证水合状态的机制。boskoski、debenjak和boshkoska提出了一种通过快速电化学阻抗谱(electrochemical impedancespectroscopy,eis)测量燃料电池实时水合状态的方法。在2017年，p.boskoski、a.debenjak和b.boshkoska在springer发表了快速电化学阻抗谱。这种方法不是最优的，因为该方法需要计算密集型设备以执行所需的高速测量和计算，以确定燃料电池层全阻抗谱，对工业燃料电池应用而言是不实用的。

技术实现思路

1、在一方面，本公开内容涉及一种确定燃料电池的电化学阻抗(eci)的方法。该方法可包括：验证燃料电池的稳定运行条件，测量由燃料电池输出的电流并记录第一电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第一电压值，干扰从燃料电池输出的电流，验证由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压在电流干扰后已稳定，测量由燃料电池输出的电流并记录第二电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第二电压值，以及通过将第一电压值和第二电压值之间的差值除以第一电流值和第二电流值之间的差值而确定燃料电池的eci，其中eci是燃料电池的水合状态的指标。

2、在一些实施例中，该方法可包括在燃料电池运行期间重复该方法的步骤，以随时间监控燃料电池的水合状态。在一些实施例中，运行条件包括通过燃料电池的阴极流速、通过燃料电池的阳极流速、燃料电池的温度、由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压。在一些实施例中，验证运行条件是稳定的包括：验证通过阴极的流波动小于或等于约7％，验证阳极燃料压力波动小于或等于约10％，验证燃料电池堆温度波动小于或等于约0.2％，验证由燃料电池输出的电流波动小于或等于约5％，以及验证燃料电池两端的电压波动小于或等于约1％。在一些实施例中，干扰来自燃料电池的输出包括命令连接到燃料电池的dc/dc转换器改变燃料电池的电流输出。在一些实施例中，eci是直流阻抗或eci是单频eci。在一些实施例中，单频eci的频率大于约1000hz。在一些实施例中，使用连接到燃料电池的模拟电路测量燃料电池的单频eci的包络和相位。在一些实施例中，燃料电池是构成燃料电池堆的多个燃料电池中的一个。

3、在另一方面，本公开内容涉及一种识别燃料电池的目标电化学阻抗(eci)的方法，该目标电化学阻抗(eci)对应于燃料电池的目标水合状态。该方法可包括：在横跨阴极流速的范围下确定燃料电池的eci，在横跨阴极流的范围下确定eci的变化率，以及将燃料电池的目标eci识别为在eci的变化率的变化是最大的点上的eci。

4、在一些实施例中，在维持燃料电池的冷却剂温度和从燃料电池输出的电流稳定的同时，在横跨阴极流速的范围下确定燃料电池的eci。在一些实施例中，该方法可以进一步包括通过在电流范围和冷却剂温度范围下重复该方法，产生一组目标eci值。在一些实施例中，在每个阴极流确定燃料电池的eci可包括：验证燃料电池的稳定运行条件，测量由燃料电池输出的电流并记录第一电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第一电压值，干扰从燃料电池输出的电流，验证由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压在电流干扰后已稳定，测量由燃料电池输出的电流并记录第二电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第二电压值，以及通过将第一电压值和第二电压值之间的差值除以第一电流值和第二电流值之间的差值而确定燃料电池的eci。

5、在另一方面，本公开内容涉及一种用于维持燃料电池的目标电化学阻抗(eci)的方法，该目标电化学阻抗(eci)对应于燃料电池的目标水合状态。该方法可包括：基于电流运行条件确定燃料电池的目标电化学阻抗(eci)，确定燃料电池的实际eci，将实际eci与目标eci进行比较，以及基于实际eci与目标eci的偏差调节到达燃料电池的阴极流。

6、在一些实施例中，所考虑的运行条件是由燃料电池输出的电流和燃料电池的冷却剂出口。在一些实施例中，用于确定燃料电池的实际eci的方法包括：验证燃料电池的稳定运行条件，测量由燃料电池输出的电流并记录第一电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第一电压值，干扰从燃料电池输出的电流，验证由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压在电流干扰后已稳定，测量由燃料电池输出的电流并记录第二电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第二电压值；以及通过将第一电压值和第二电压值之间的差值除以第一电流值和第二电流值之间的差值，确定燃料电池的eci。在一些实施例中，确定燃料电池的目标eci的方法包括：在横跨阴极流速的范围下确定燃料电池的eci，在横跨阴极流的范围下确定eci的变化率，以及将燃料电池的目标eci识别为在eci的变化率的变化是最大的点上的eci。在一些实施例中，控制器配置为利用闭环控制系统确定对到达燃料电池的阴极流的调节，并且其中闭环控制系统包括前馈回路和反馈回路，该前馈回路从燃料电池的电流的测量到达阴极流，该反馈回路基于实际eci到达阴极流。在一些实施例中，基于实际eci的反馈回路配置为增强闭环控制系统的瞬态行为。在一些实施例中，当燃料电池的电流保持稳定时，阴极流和目标eci将保持稳定，从而提供准线性化以促进利用闭环控制系统。在一些实施例中，控制器配置成使得阴极流和目标eci对电流变化的瞬态响应时间是基于反馈回路的幅度而能够调节的。在一些实施例中，控制器配置为通过利用闭环控制系统的频域和时域表示而预测闭环控制系统的瞬态行为。在一些实施例中，当电流恒定时，频域表示反映阴极流和实际eci之间的关系是线性且时不变的系统。在一些实施例中，闭环控制系统利用三个经过测量的系统参数，该系统参数取决于燃料电池的电流和控制器选择的至少三个控制参数，以便实现将实际eci调节到目标eci的目的。在一些实施例中，使用闭环控制系统的频域表示而确定控制参数。在一些实施例中，闭环控制系统进一步包括从eci到燃料电池的电流的反馈回路。

7、在另一方面，本公开内容涉及一种燃料电池系统。燃料电池系统可包括燃料电池、电流传感器、电池电压监控器、温度传感器、阴极流传感器和阳极压力传感器。燃料电池系统可进一步包括氧化器系统和控制器，该氧化器系统配置为将阴极流供应到燃料电池的阴极，该控制器配置为：确定燃料电池的电化学阻抗(eci)(该电化学阻抗表示燃料电池的水合状态)，识别燃料电池的目标eci(该目标eci对应于燃料电池的目标水合状态)，以及基于eci与目标eci的偏差，调节到达燃料电池的阴极流。

8、在一些实施例中，控制器配置成利用闭环控制系统确定对到达燃料电池的阴极流的调节；并且其中闭环控制系统包括前馈回路和反馈回路，该前馈回路从燃料电池的电流的测量到达阴极流，该反馈回路基于eci到达阴极流。在一些实施例中，基于eci的反馈回路配置为增强闭环控制系统的瞬态行为。在一些实施例中，当燃料电池的电流保持稳定时，阴极流和目标eci将保持稳定。在一些实施例中，控制器配置成使得阴极流和目标eci对电流变化的瞬态响应时间是基于反馈回路的幅度而能够调节的。在一些实施例中，控制器配置为通过利用闭环控制系统的频域和时域表示而预测闭环控制系统的瞬态行为。在一些实施例中，当电流恒定时，频域表示反映阴极流和eci之间的关系是线性且时不变的系统。在一些实施例中，闭环控制系统利用三个经过测量的系统参数，该系统参数取决于燃料电池的电流和控制器选择的至少三个控制参数，以便实现将eci调节到目标eci的目的。在一些实施例中，使用闭环控制系统的频域表示而确定控制参数。在一些实施例中，闭环控制系统进一步包括从eci到燃料电池的电流的反馈回路。

9、应当理解的是，前述的一般性描述和以下的详细描述都仅是示例性和说明性的，并非限制本公开内容所要求保护的。

10、附图结合在本说明书中并构成本说明书一部分，示出了本公开内容的实施例，并与说明书一起用于解释本公开内容的原理。