專利名稱：在滿足排放限制同時用于最大化泄放速度的在線陽極壓力偏置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種在保持在氫氣排放限制條件以內(nèi)的同時利用在線陽極壓力偏置使燃料電池堆的陽極的泄放速度最大化的方法，并且尤其涉及基于廢氣線路中所存在的氣流確定陽極壓力設(shè)定點的基于模型的方法。
背景技術(shù)：
因為清潔且能被用于在燃料電池中高效地產(chǎn)生電能，因此氫氣是一種很有吸引力的燃料。氫氣燃料電池是包括陽極、陰極以及它們之間的電解質(zhì)的一種電化學(xué)裝置。該陽極接收氫氣而該陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極被分解以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過電解質(zhì)傳輸?shù)疥帢O。在陰極質(zhì)子與氧以及電子反應(yīng)來產(chǎn)生水。來自于陽極的電子不能通過電解質(zhì)而傳輸，因此在被傳送到陰極之前被引導(dǎo)通過負載來做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是非常流行的車用燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極典型地包括被細小分切的催化劑顆粒，通常為鉬(Pt)，以碳顆粒為載體并與離子聚合物混合。該催化劑混合物被沉積在膜的相對兩側(cè)上。陽極催化劑混合物、陰極催化物化合物以及該膜的組合確定了膜電極組件 (MEA)。MEA制造起來相對昂貴且需要特定的條件來操作。典型地將幾個燃料電池結(jié)合在燃料電池堆中以產(chǎn)生想要的功率。例如，典型地車用燃料電池堆可具有兩百個或者更多的堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)氣體，典型地為由壓縮機強制通過電池堆的空氣流。并非所有的氧氣都被電池堆消耗，一些空氣被作為陰極廢氣而輸出，其可包括作為電池堆副產(chǎn)品的水。該燃料電池堆也接收流入電池堆的陽極側(cè)的陽極氫氣反應(yīng)氣體。電池堆還包括供冷卻流體流過的流動通道。燃料電池堆包括設(shè)置在電池堆中的幾個MEA之間的一系列雙極板，其中該雙極板和MEA被設(shè)置在兩個端板之間。該雙極板包括用于電池堆中鄰接的燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。在雙極板的陽極側(cè)上提供陽極氣體流動通道，其允許陽極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)的MEA。 在雙極板的陰極側(cè)上提供陰極氣體流動通道，其允許陰極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)的MEA。一個端板具有陽極氣體流動通道，另一個端板具有陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導(dǎo)電性材料制成，例如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合材料。該端板將燃料電池產(chǎn)生的電能傳導(dǎo)到電池堆之外。 該雙極板還包括供冷卻流體流過的流動通道。該MEA是可滲透的，其中來自陰極側(cè)的空氣中的氮氣滲透到電池堆的陽極側(cè)并在電池堆的陽極側(cè)收集，在工業(yè)中被稱為氮氣穿越。即使陽極側(cè)的壓力可能比陰極側(cè)的壓力高，陰極側(cè)的分壓也將導(dǎo)致空氣通過膜滲透。燃料電池堆的陽極側(cè)中的氮氣稀釋了氫氣使得如果氮氣濃度的增加超過一個特定的百分比，例如50%，燃料電池堆將變得不穩(wěn)定并且可能失效。本領(lǐng)域知道在燃料電池堆的陽極廢氣輸出端設(shè)置泄放閥來從電池堆的陽極側(cè)清除氮氣。在電池堆的工作期間可應(yīng)用算法對陽極廢氣中的氮氣濃度提供在線評估以確定何時觸發(fā)陽極廢氣泄放。根據(jù)從陰極側(cè)到陽極側(cè)的滲透速率以及陽極廢氣的周期性泄放， 該算法可在電池堆的陽極側(cè)中隨著時間的流逝來追蹤氮氣濃度。當(dāng)該算法計算出氮氣濃度的增加超出了一個預(yù)定的閾值，例如10%，其可以觸發(fā)泄放。該泄放被典型地執(zhí)行這樣的持續(xù)時間，其允許多個電池堆陽極容積被泄放，因此將氮氣濃度減小到閾值以下。燃料電池內(nèi)部的膜需要具有特定的相對濕度以使得穿過膜的離子阻抗足夠的低以有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。該加濕可來自于電池堆的副產(chǎn)品水或外界的加濕。通過陽極氣體流動通道的氫氣流對于膜具有干燥作用，在氫氣氣流的進氣口最為顯著。然而，在陽極氣體流動通道內(nèi)部的來自于膜的相對濕度和副產(chǎn)品水的水滴的積累阻止了氫氣流過這里，并因為低反應(yīng)氣流而導(dǎo)致電池失效，因此影響了電池堆的穩(wěn)定性。在低電池堆輸出負載下反應(yīng)氣體流動通道中的水的積累特別地棘手。陽極氮氣的泄放，除了清除了過量的氮氣之外，還幫助減小了反應(yīng)氣體流動通道中的水的積累。一個已知的陽極廢氣泄放控制算法根據(jù)一個固定的時間確定泄放的持續(xù)時間。典型地，該泄放持續(xù)時間和泄放頻率對于電池堆的不同電流密度范圍進行確定，但是在整個電池堆的壽命上其為固定的值。在陽極的泄放事件期間，流向廢氣的氫氣氣流速率以及在陽極氣體流動通道中引起的速度是跨越泄放閥的壓降的函數(shù)。為了確保預(yù)定的氫氣排放限制不被侵犯，例如4%的總摩爾氫氣流，假定為額定空氣流，使用查找表(LUT)根據(jù)電池堆電流密度預(yù)先確定陽極壓力。使用查找表的問題為在特定的工作狀態(tài)下，例如低功率工作，該方法沒有考慮旁通電池堆的空氣流，并且因此，提供了與要滿足氫氣排放限制所必須的陽極通道氣流速率相比較低的陽極通道氣流速率。因為陽極通道速率越大，從陽極流動通道清除的水的量也越大，所以期望在不侵犯氫氣排放限制的條件下利用可能的最高陽極通道氣流速率。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種方法，其采用基于模型的方法來基于廢氣線路中所存在的氣流來確定最大陽極壓力設(shè)定點。該方法在滿足氫氣排放限制的同時最大化在泄放事件期間陽極流動通道速率，這繼而增加了從陽極流動通道中清除的水量以增加電池堆的穩(wěn)定性。結(jié)合附圖，通過下面的描述以及所遞交的權(quán)利要求，本發(fā)明附加的特征將變得明白。


圖1為包括在滿足氫氣排放限制同時用于實施在線陽極壓力偏置以最大化泄放速率的部件的燃料電池系統(tǒng)的示意性方塊框圖；圖2為泄放到排放(BTE)算法的示意性方塊框圖；以及圖3為說明使用圖2所示的算法的陽極流動通道速率的效果和影響的曲線圖。
具體實施例方式下面關(guān)于本發(fā)明實施方案的論述涉及在滿足氫氣排放限制同時確定陽極壓力偏置以最大化陽極泄放速率的方法，這些論述實質(zhì)上僅僅是示例性的，而決不用于限制本發(fā)明或它的應(yīng)用或使用。圖1為包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的方塊框圖。該燃料電池系統(tǒng)10 包括通過陰極輸入線道16向電池堆12的陰極側(cè)提供陰極氣體的壓縮機14。陰極廢氣通過陰極廢氣線道18從燃料電池堆12輸出。通過線道18中的壓力傳感器32測量陰極廢氣壓力。圍繞著燃料電池堆12設(shè)置了旁路線道20并且線道20中的旁路閥22可以打開以使得來自壓縮機14的氣體可以繞過燃料電池堆12的陰極側(cè)。通過陽極輸入線道沈從氫氣源M向燃料電池堆12的陽極側(cè)提供氫氣燃料。在當(dāng)泄放閥30被打開以使陽極廢氣流向線道18時的陽極泄放期間，通過線道觀陽極廢氣被從燃料電池堆12中輸出。該陽極廢氣因此與空氣混合從而稀釋了其中的氫氣。在特定的條件下，例如當(dāng)燃料電池系統(tǒng)10進入待機模式或閑置模式時，旁路閥22 被打開使得來自壓縮機14的陰極氣體在低壓力下在燃料電池堆12周圍轉(zhuǎn)向陰極廢氣線道18。這使得壓縮機14可在無需向電池堆12提供陰極氣體的條件下以最低速率工作，該陰極氣體在低的電池堆電流密度下是不必要的并且會在電池膜上導(dǎo)致干燥效應(yīng)。在比在電池堆12的陰極側(cè)上正導(dǎo)入的壓縮機氣體的壓力高的設(shè)定點下向電池堆12的陽極側(cè)提供氫氣，使得陽極側(cè)壓力高于陰極側(cè)壓力。代替使用基于電池堆電流密度的查找表，假定為額定氣流，以確保陽極廢氣速率不提供可能超過氫氣排放限制的氫氣量，該系統(tǒng)10采用基于模型的方法基于廢氣線道18 中存在的氣流來確定并最大化陽極壓力設(shè)置點，和因此確定在泄放期間陽極通道流動速率。通過最大化泄放速率，該系統(tǒng)10能提高陽極流動通道的水的消除，尤其是在長期的低功率工作期間。在一個非限制性的實施方案中，使用最大泄放流和干燥陰極廢氣氣流的總摩爾氣流來計算陽極-陰極壓力差的設(shè)定點，以滿足期望的排放目標。該泄放到排放(BTE)算法首先著眼于陰極氣流并以下式評估氫氣的流率yH2ra￡h以確保不超過最大排放
權(quán)利要求
1.一種確定從燃料電池堆的陽極側(cè)通過陽極泄放閥的陽極廢氣的流率的方法，所述方法包括基于從燃料電池堆輸出的陰極中的空氣量，評估將陽極廢氣中的氫氣濃度保持在預(yù)定的百分比以下的通過泄放閥的陽極廢氣的泄放流率；使用用于泄放閥的閥限流孔模型來評估供應(yīng)所評估的泄放流率所需的陽極側(cè)壓力設(shè)定點；以及向燃料電池堆的陽極側(cè)提供保持陽極側(cè)壓力設(shè)定點的氫氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該預(yù)定的氫氣濃度為小于4%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該預(yù)定的氫氣濃度為約2.5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中評估泄放流率包括使用方程
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該閥限流孔模型定義為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中陽極側(cè)的壓力設(shè)定點通過改寫閥限流孔模型被確定為
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中壓縮機空氣的一部分繞過燃料電池堆并被直接發(fā)送到陰極輸出以與陽極廢氣混合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在冷狀態(tài)期間使用來自于燃料電池堆的陰極側(cè)的過量空氣流以在陽極廢氣泄放期間最大化泄放流率以提高電池堆的穩(wěn)定性。
9.一種確定來自于燃料電池堆的陽極側(cè)的陽極廢氣的氣流的方法，所述方法包括 從壓縮機向燃料電池堆的陰極側(cè)提供空氣；使來自壓縮機的部分空氣繞過燃料電池堆；確定多少陽極廢氣能從燃料電池堆輸出并與通過和繞過該電池堆的總壓縮機空氣混合，這些陽極廢氣保持混合后的陽極廢氣和空氣中氫氣的量低于預(yù)定的氫氣濃度；以及向燃料電池堆的陽極側(cè)提供氫氣，這些氫氣對于所確定的陽極廢氣量保持陽極側(cè)壓力設(shè)定點。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中確定多少陽極廢氣能從燃料電池堆輸出包括評估通過泄放閥的陽極廢氣的泄放流率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中確定多少陽極廢氣能從燃料電池堆輸出包括使用用于泄放閥的閥限流孔模型作為以確定供應(yīng)所評估的泄放流率所需的陽極側(cè)壓力設(shè)定點。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中評估泄放流率包括使用方程
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中該閥限流孔模型定義為
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中陽極側(cè)的壓力設(shè)定點通過改寫閥限流孔模型被確定為
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中該預(yù)定的氫氣濃度為小于4%。
16.一種確定從燃料電池堆的陽極側(cè)通過陽極泄放閥的陽極廢氣的流率的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括基于從燃料電池堆輸出的陰極中的空氣量，評估將陽極廢氣中的氫氣濃度保持在預(yù)定的百分比以下的通過泄放閥的陽極廢氣的泄放流率的裝置；使用用于泄放閥的閥限流孔模型來評估供應(yīng)所評估的泄放流率所需的陽極側(cè)壓力設(shè)定點的裝置；以及向燃料電池堆的陽極側(cè)提供保持陽極側(cè)壓力設(shè)定點的氫氣的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中評估泄放流率的裝置使用方程
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中該閥限流孔模型定義為
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中向燃料電池堆的陽極側(cè)提供氫氣的裝置通過將閥限流孔模型改寫如下來確定陽極側(cè)壓力設(shè)定點
20.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，進一步包括提供陰極空氣的壓縮機，其中壓縮機空氣的一部分繞過燃料電池堆并被直接發(fā)送到陰極輸出以與陽極廢氣混合。
全文摘要
本發(fā)明涉及在滿足排放限制同時用于最大化泄放速度的在線陽極壓力偏置。一種方法采用基于廢氣線道中所存在的氣流來確定最大陽極壓力設(shè)定點的基于模型的方法。在滿足氫氣排放限制同時，該方法在泄放事件期間最大化了陽極流動通道速率，這繼而增加了從陽極流動通道清除的水的量從而增加了電池堆穩(wěn)定性。
文檔編號H01M8/04GK102195055SQ201110086990
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者B·拉克什馬南, M·辛哈, P·弗羅斯特, S·E·萊爾納, V·W·羅根 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司