專利名稱：燃料電池系統(tǒng)陰極入口相對溫度控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種系統(tǒng)，其中陰極出流選擇性地避開水汽傳送裝 置(WVTD)，以將系統(tǒng)陰極出口相對濕度(或露點(diǎn))保持在或大致保持 在特定的或目標(biāo)的相對濕度(或露點(diǎn))。在一個(gè)實(shí)施例中，測得的陰極入 口相對濕度(或露點(diǎn))可用于控制避開WVTD的陰極出流的量。在另一 實(shí)施例中，燃料電池堆膜電導(dǎo)率可用于控制避開WVTD的陰極出流的量。 在又一實(shí)施例中，陰極出流可在不借助或不依賴測得的相對濕度、露點(diǎn)或 燃料電池膜電導(dǎo)率的情況下實(shí)現(xiàn)避開。在這后一種方式中，特定操作參數(shù) (例如，陰極入口相對濕度或露點(diǎn))可通過開環(huán)方式進(jìn)行控制。
|0007|在另一實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)可根據(jù)一種方法進(jìn)行控制，其 中，操控WVTD旁路閥以保持系統(tǒng)陰極入口相對濕度(或露點(diǎn))。根據(jù)本 發(fā)明的方法可部分地通過執(zhí)行程序指令的控制器實(shí)現(xiàn)。這樣的指令可存儲 在使控制器可讀取和可執(zhí)行的任何介質(zhì)中。


|0008j圖1以結(jié)構(gòu)示意圖形式顯示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料 電池系統(tǒng)的局部。
|0009j圖2以流程圖形式顯示出根據(jù)本發(fā)明的一種方法，用于控制用 于例如圖1中所示系統(tǒng)之類的系統(tǒng)的陰極入口氣體的相對濕度。
10010j圖3以流程圖形式顯示出根據(jù)本發(fā)明的另一方法，用于控制用 于例如圖1中所示系統(tǒng)之類的系統(tǒng)的陰極入口氣體的相對濕度。
|0011j圖4以流程圖形式顯示出根據(jù)本發(fā)明的又一方法，用于控制用 于例如圖1中所示系統(tǒng)之類的系統(tǒng)的陰極入口氣體的相對濕度。
具體實(shí)施例方式
|00121以下提供的描述能夠使本領(lǐng)域技術(shù)人員制造和使用如權(quán)利要 求中所述的發(fā)明，并體現(xiàn)在以下論述的具體示例表述中，這些具體示例的 變例將使本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解。更具體地，本發(fā)明的示例性實(shí)施例根
據(jù)一種燃料電池堆進(jìn)行描述，這種燃料電池堆使用氣態(tài)氫(H2)作為燃料，
使用空氣(02和氮?dú)?\2的混合物)形式的氣態(tài)氧(02)作為氧化劑，并 且使用質(zhì)子交換或聚合物電解質(zhì)膜(PEM)電極組件(MEA)。不過，在
6此所附的權(quán)利要求并不僅限于所公開的實(shí)施例，而是與在此公開的原理和 特征一致的最大范圍對應(yīng)。
10013]通常，根據(jù)本發(fā)明操作的燃料電池堆使用傳感器輸入和部件模 式的組合以可控地繞過陰極出流處理部件，從而保持堆陰極入口的相對濕 度(RH)。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池堆陰極氣體入口 RH可結(jié)合從陰極 氣體入流RH傳感器的輸入而進(jìn)行控制，在另一實(shí)施例中，燃料電池堆陰 極氣體入流RH可結(jié)合燃料電池堆膜電導(dǎo)率測量(以替代陰極氣體入流 RH傳感器)而進(jìn)行控制。在又一實(shí)施例中，燃料電池堆陰極氣體入流RH 可以在沒有從陰極氣體入流RH傳感器或燃料電池堆膜電導(dǎo)率測量器的輸 入的情況下進(jìn)行控制。應(yīng)認(rèn)識到的是，在此提及的RH在功能上等同于露 點(diǎn)。也就是說，本發(fā)明的控制方法同樣可基于陰極相對濕度或露點(diǎn)而應(yīng)用 于燃料電池堆操作。 WVTD效率采取以下形式
H-e r 公式B3
在此，t是CmJC隨的函數(shù)，應(yīng)認(rèn)識到的是，通常測量C,， C油在系統(tǒng)
100中受控而可變(通過旁路閥165的控制/操控)，t來自查詢表，在表中 的值通過經(jīng)驗(yàn)確定。
|00281附錄C
重新排布公式B1，得到
所希望的濕流中的水-傳送至干流中的水/e 公式Cl
|0029j根據(jù)質(zhì)量流速重新書寫公式Cl，給出
公式C2
其中， 2?！?w
通過公式Al給出，s通過公式B3給出，"表示塊230
的結(jié)果。
10030J附錄D
注意到的是，WVTD 140上的水傳送流速加上WVTD 140的水出口 流速等于WVTD 140的輸入流速，而且，如果在堆105之外的水的摩爾 分?jǐn)?shù)已知(通過一個(gè)或多個(gè)傳感器和/或模型確定)，則所希望的WVTD 140 濕側(cè)入口流速可確定如下
W . — -^-
剛 公式Dl
[W^l。,w,—,, ,表示堆105陰極之外的摩爾分?jǐn)?shù)。
|0031|認(rèn)識到的是，為了實(shí)現(xiàn)所希望的陰極入口 RH， WVTD 140(經(jīng) 由管線150)的陰極出口流速,':。,w等于所希望的(經(jīng)由管線155)進(jìn)入 WVTD 140的流速"一^、，加上通過旁路閥165的流速《，，得到
[0032|附錄E 根據(jù)Darcy公式，發(fā)現(xiàn)
在此，F(xiàn)—""、^表示所希望的通過旁路閥165的流速，單位為立方英尺/小
'& x ;戶v, x Z 公式El
時(shí)；、表示系統(tǒng)100的管路因子，特別是對出入旁路閥165的管線而言； 表示旁路閥的流速系數(shù)，即在60。 F和1磅/平方英寸壓差(psid )下的水量，單位為加侖/分鐘； 拜'"表示在旁路閥165的入口或上游壓力，單位為磅/ 平方英寸絕對壓力(psia); Y表示相關(guān)氣體(即，02、 1\2和1120)的膨脹 系數(shù)；x表示在旁路閥165上的壓降比率(參見下文)；Sg表示通過旁路閥 165的氣體的比重；；。-'"表示在旁路閥165入口處的溫度，單位為R度(in degreesR); Z表示通過旁路閥165的氣體的壓縮因數(shù)。
[0033j當(dāng)旁路閥入口和出口管路具有適合尺寸時(shí)，管路因子Fp約為 1。在此使用的"具有適合尺寸"是指，在管路上的壓降顯著低于在旁路 閥165上的壓降。類似地，對于與氣態(tài)氫和空氣燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的壓力 和溫度(例如，大致350 KPa以及-40。F至95。F的氣氛)而言，壓縮因 數(shù)Z約等于1。
|0034|膨脹因數(shù)Y給出如下
3x&x、 公式E2
其中，F(xiàn)k表示相關(guān)氣體(即，02、 1\2和H20)的比熱系數(shù)比率，X2是在 旁路閥165上的壓降比率。X2的值對于閥的幾何形狀是特定的，并且可通 過經(jīng)驗(yàn)確定。進(jìn)一步地，
Fk = k/1.4 公式E3 K表示02、 N2和H20的比熱的比率。
|0035j對于與氣態(tài)氫和空氣燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的壓力而言，k約等于 1.39，結(jié)果，F(xiàn)k約等于1。
|0036|壓降比率x由以下^^式給出
P —P
一 'fr>y^"-"'"" /ja."'-。w/
n甲"、掘表示在旁路閥165處的出口或下游壓力，單位為psia。
I0037J在此使用的氣體的比重等于氣體分子量除以空氣分子量，其 中，氣體分子量是各組分氣體分子量的權(quán)重之和。因此，陰極出流(以及 旁路閥入流)的比重Sg為
乂 一 x腳^L + (附A x扉w丄+ (m/q x證。丄 公式E5
其中， <、表示目標(biāo)氣體中x的摩爾分?jǐn)?shù)，/w,表示x的分子量，(力，表示空 氣的z。對于與燃料電池系統(tǒng)100 (見上文)相關(guān)的壓力和溫度而言，Sg約
12等于l。在一個(gè)實(shí)施例中，Sg總是由控制器170估計(jì)，并且對在此所述類型 的燃料電池系統(tǒng)而言通常在0.9至1.0之間。
|00381公式El (及其支持公式E2至E5 )構(gòu)成旁路閥165的一個(gè)模式。
[0039J附錄F
對于C，、、(旁路閥偏置值)重新排布公式E1，得到
<formula>formula see original document page 13</formula>
|0040j在與燃料電池系統(tǒng)100相關(guān)的且在附錄E中確定的近似值中 進(jìn)行替代，得到
<formula>formula see original document page 13</formula>
I0041J出于完全性考慮，注意到在x〉/^f,(見附錄E)的情況下，
可在以下兩種狀態(tài)下均由x替換
<formula>formula see original document page 13</formula>
|00421在公式F2中，；c、 7一一和&是測得的量(或通過測得 量直接確定的量)；x,對于給定旁路閥位置而言是不變的；/^。、"—根據(jù)公 式D2確定。
10043J如在附錄B中所示，測量Cmax，而Cmin是系統(tǒng)100中的受控
變量(通過旁路閥165的控制/操控)，T來自查詢表，表中的值通過經(jīng)驗(yàn)確定。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆，其具有陰極入口和陰極出口；水汽傳送裝置，其具有濕入口端口和干出口端口，所述濕入口端口與所述陰極出口流體連通，所述干出口端口與所述陰極入口流體連通；閥，其具有上游入口和下游出口，所述上游入口與所述陰極出口和所述濕入口端口流體連通并介于所述陰極出口與所述濕入口端口之間，所述閥被設(shè)置為選擇性地避免經(jīng)由所述陰極出口離開所述燃料電池堆的流體進(jìn)入所述濕入口端口；和控制器，其被設(shè)置為接收進(jìn)入所述陰極入口的流體的操作特性的目標(biāo)值，接收進(jìn)入所述陰極入口的流體的測量值，和操控所述閥而使得所述操作特性的測量值大致等于所述操作特性的目標(biāo)值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池堆被 設(shè)置為使用氣態(tài)氫作為燃料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述水汽傳送裝置 進(jìn)一步包括干入口端口 ，所述水汽傳送裝置祐:設(shè)置為將水從進(jìn)入所述濕入 口端口的流體傳送到進(jìn)入所述干入口端口的流體，并將其引導(dǎo)至所述干出 口端口 。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所迷的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述干入口端口與 氣態(tài)氧化劑源連通。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所迷的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述氣態(tài)氧化劑包 括氣態(tài)的氧供應(yīng)物。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所迷的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述氣態(tài)的氧供應(yīng) 物包括空氣。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器包括比 例積分微分控制器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述比例積分微分 控制器包括分立的比例積分微分控制器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述操作特性包括 相對濕度。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述操作特性包括 露點(diǎn)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述操作特性包括 燃料電池堆膜電導(dǎo)率。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述操作特性包括 空值特性，使得所述控制器被設(shè)置為以開環(huán)模式操作。
13、 一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池 堆和水汽傳送裝置，所述燃料電池堆具有陰極入口和陰極出口，所述水汽 傳送裝置被設(shè)置為將水從來自所述陰極出口的流體傳送到朝向所述陰極 入口；危動的;充體，所述方法包括獲取進(jìn)入所述陰極入口的流體的操作參數(shù)的目標(biāo)值； 獲取進(jìn)入所迷陰極入口的流體的所述操作參數(shù)的測量值；和 操控旁路閥，使得經(jīng)由所述陰極出口離開所述燃料電池堆的流體可控地避開所述水汽傳送裝置，其中，執(zhí)行所述操控動作而使得所述操作參數(shù)的測量值大致等于所述操作參數(shù)的目標(biāo)值。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述搮作參數(shù)包括相對濕度。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述操作參數(shù)包括露點(diǎn)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述操作參數(shù)包括所述燃 料電池堆的膜電導(dǎo)率。
17、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述操作參數(shù)包 括空值參數(shù)，使得所述控制器被設(shè)置為以開環(huán)模式操作。
18、 一種燃料電池系統(tǒng)操作方法，包括接收進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)陰極入口的流體的特定操作參數(shù)的目標(biāo)值； 接收進(jìn)入所迷燃料電池系統(tǒng)陰極入口的流體的所述特定操作參數(shù)的 測量值；確定所希望的水汽傳送裝置(WVTD)的水傳送流速； 確定所希望的WVTD旁路流速；基于所希望的WVTD水傳送流速、所希望的WVTD旁路流速、旁路 閥模式和所述操作參數(shù)的測量值來確定旁路閥位置；和使用被確定的旁路閥位置搮控旁路閥，以使得離開所述燃料電池的陰極出口的流體避免進(jìn)入所述WVTD，從而使所述搮作參數(shù)的測量值大致 等于所述操作參數(shù)的目標(biāo)值。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所迷的方法，其中，所述操作參數(shù)包括相對濕度。
20、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述操作參數(shù)包括露點(diǎn)。
21、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述操作參數(shù)包括所述燃 料電池堆的膜電導(dǎo)率。
全文摘要
燃料電池系統(tǒng)陰極入口相對濕度控制，其中采用傳感器輸入和部件模式的組合以使得系統(tǒng)的陰極出流(150)選擇性地繞過陰極出流處理部件(140)，從而獲得或者保持所希望的陰極入口相對濕度或露點(diǎn)。所描述的系統(tǒng)和方法可操作開環(huán)(例如，沒有用于校驗(yàn)操作的傳感器反饋)或閉環(huán)(例如，取決于陰極入口相對濕度/露點(diǎn)或燃料電池堆膜電導(dǎo)率測量值)。
文檔編號H01M8/04GK101494292SQ20091000994
公開日2009年7月29日 申請日期2009年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者V·W·羅根 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司