CN100555725C - 使相对湿度循环最小化以增强耐久性的燃料电池操作 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括拱顶算法以提供减少阴极出口气体在湿操作与干操作之间进行的相对湿度循环从而延长膜的有效寿命的策略。所述算法接收表示所述燃料电池系统的操作参数的传感器信号。如果所述燃料电池系统的所述操作参数能够维持所述阴极气体相对湿度高于第一预定值，则所述算法保持所述阴极排气相对湿度处于湿操作模式，且如果所述燃料电池系统的所述操作参数能够维持所述阴极气体相对湿度低于第二预定值，则所述算法保持所述阴极排气相对湿度处于干操作模式。

Description

使相对湿度循环最小化以增强耐久性的燃料电池操作

技术领域

本发明主要涉及一种采用提供用于保持阴极出口气体湿度的策略的算法的燃料电池系统，且特别是，本发明涉及一种采用拱预算法(overarching algorithm)以保持阴极出口气体湿度处于湿或干操作模式从而防止出现膜湿度循环变化的燃料电池系统。

背景技术

氢由于其清洁以及可用于在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极产生离解以产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子在阴极与氧和电子进行反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传送至阴极之前被引导通过负载而作功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种普遍采用的用于车辆的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(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出膜电极组件(MEA)。膜电极组件的制造成本相对较为昂贵且需要特定条件以实现有效操作。

多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百或更多叠置在一起的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗所有的氧且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入燃料电池堆的阳极侧。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中的多个膜电极组件之间的一系列双极板。每块双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道被设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流道允许阳极反应剂气体流至相应的膜电极组件。阴极气体流道被设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流道允许阴极反应剂气体流至相应的膜电极组件。双极板由传导材料如不锈钢制成，以使得它们将由燃料电池产生的电力传导出燃料电池堆。双极板还包括供冷却流体流动通过的流道。

过高的燃料电池堆温度可能损伤膜以及燃料电池堆中的其它材料。燃料电池系统因此采用热子系统以控制燃料电池堆的温度。特别是，冷却流体被泵送通过燃料电池堆中的双极板中的冷却流体流道以带走燃料电池堆的废热。在正常的燃料电池堆操作过程中，基于燃料电池堆负载、环境温度和其它因素控制泵速，以使得燃料电池堆的操作温度被保持处于最佳温度例如80℃。散热器通常被设置在燃料电池堆外部的冷却剂回路中，所述散热器对受到燃料电池堆加热的冷却流体进行冷却，其中受到冷却的冷却流体循环返回并通过燃料电池堆。

正如本领域中易于理解地，燃料电池膜在特定的相对湿度(RH)下进行操作。通过控制多个燃料电池堆操作参数如燃料电池堆压力、温度、阴极化学计量比和进入燃料电池堆内的阴极空气的相对湿度，而对来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度进行控制，从而控制膜的相对湿度。出于燃料电池堆耐久性的目的，所希望的是使膜的相对湿度循环次数最小化，其原因在于已经表明，在相对湿度极值之间进行的循环严重限制了膜的寿命。正如本文中使用地，相对湿度循环指的是改变膜的相对湿度使其高于和低于100％。膜的相对湿度循环导致膜由于吸水过程和随后的干燥过程而产生膨胀和收缩。膜产生的这种膨胀和收缩导致在膜中产生针孔，这形成了使氢和氧通过膜的横穿部位从而形成热点，这进一步增加了膜中的孔的尺寸，因此缩短了膜的寿命。

在燃料电池系统的冷启动过程中，由于冷的阴极排气不能保持太多水蒸汽，因此阴极出口气体的相对湿度将通常超过100％。当燃料电池堆变热，以及燃料电池堆上的负载增加时，热子系统的散热能力将通常不足以维持阴极出口气体的相对湿度高于100％，原因在于这将需要大的热子系统冷却容量。因此，阴极出口气体所产生的相对湿度降低的转变将对应于更干燥的膜条件。燃料电池系统在湿条件或干条件下进行操作涉及多种因素，所述因素包括燃料电池堆上的负载、环境温度、热子系统的冷却容量等。

当燃料电池系统的操作条件产生变化时，阴极出口气体的相对湿度倾向于在湿操作条件与干操作条件之间来回循环。正如本文所使用地，湿操作条件指的是阴极排气的相对湿度大于100％且干操作条件指的是阴极排气的相对湿度小于100％。因此，所希望的是减少燃料电池堆操作过程中的膜的相对湿度循环从而延长燃料电池堆中膜的寿命。

发明内容

根据本发明的教导，披露了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括拱顶算法以提供减少阴极出口气体在湿操作与干操作之间进行的相对湿度循环从而延长膜的有效寿命的策略。所述燃料电池系统包括基于来自传感器的传感器读数和来自车辆操纵装置的功率请求而控制所述燃料电池系统中的多个系统部件如阀，压缩机等的控制器。所述拱顶算法利用来自所述传感器的所述传感器读数以提供所述阴极排气的所需相对湿度设定点，所述控制器还利用所述所需相对湿度设定点以对致动器设置进行设定从而减少所述相对湿度循环。

在冷启动时，所述算法提供用于湿操作模式的相对湿度设定点，其中基于所述系统当前的操作条件保持所述阴极排气的所述相对湿度处于高于100％的百分比。在燃料电池系统的操作过程中，所述算法利用所述传感器读数计算可由所述系统维持的最大相对湿度。所述算法随后确定所述最大相对湿度是否高于所述系统的所述湿操作模式下的预定百分比。如果所述系统当前的操作条件能够维持所述湿操作模式，则所述算法为所述控制器提供所述相对湿度设定点以使所述控制器控制所述系统部件处于所述湿操作模式。如果所述传感器信号表明所述系统不能维持所述湿操作模式，则所述算法提供用于干操作模式的相对湿度设定点，且所述控制器因此控制所述系统部件以保持该相对湿度。

一旦所述算法从所述湿操作模式切换至所述干操作模式，则所述算法基于所述传感器信号计算所述阴极出口气体的最小相对湿度从而保持所述干操作模式。如果所述系统的所述操作条件产生变化以使得它们不能维持所述干操作模式，则所述算法将所述设定点切换回所述湿操作模式。

通过以下描述和所附权利要求书并结合附图将易于理解本发明的附加特征。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的采用拱顶算法以提供用于阴极出口气体的相对湿度设定点的燃料电池系统的框图；

图2是示出了用于保持阴极排气的用于湿操作模式的相对湿度设定点的拱顶算法的操作的流程图；和

图3是示出了用于保持阴极排气的用于干操作模式的相对湿度设定点的拱顶算法的操作的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行的针对一种采用减少阴极排气的相对湿度循环的拱顶算法的燃料电池系统的描述在本质上仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。

图1是包括燃料电池系统部件12的燃料电池系统10的框图，所述燃料电池系统部件包括燃料电池堆。正如上面所讨论地，来自燃料电池堆的阴极出口气体将具有限定燃料电池堆中的膜的相对湿度的特定相对湿度。正如本文中所讨论地，湿操作模式指的是阴极出口气体具有大于100％的相对湿度且干操作模式指的是阴极出口气体具有小于100％的相对湿度。由于电池与电池之间的不同以及流所具有的不确定性的原因，为了确保燃料电池中所有燃料电池处于湿操作模式或干操作模式，湿操作模式的名义相对湿度操作点可以是120％且干操作模式的名义相对湿度操作点可以是80％。然而，正如本领域的技术人员将意识到地，这些值仅是代表性的，且同样可应用其它相对湿度值。

燃料电池系统10包括控制燃料电池系统部件12的操作的控制器14。燃料电池系统10还包括通过线路18提供来自车辆操纵装置的功率请求信号的功率请求模块16。控制器14基于通过线路22获得的来自部件12如压力传感器、温度传感器、相对湿度传感器等的传感器信号以及下面将要进行详细讨论的通过线路28获得的相对湿度设定点，从而通过线路20提供对多个致动器和燃料电池系统部件12中的其它部件的状态，如压缩机速度、泵速、散热器冷却风机速度、阀位置等进行设置的致动器设置信号。

根据本发明，燃料电池系统10包括通过线路28提供相对湿度设定点的拱顶操作算法24。算法24通过线路26接收来自控制器14的表示通过线路22提供的传感器信号的传感器信号。基于传感器信号，如果系统10当前在湿操作模式下进行操作，则算法24确定系统10的操作条件是否可维持湿操作模式，或如果系统10当前在干操作模式下进行操作，则算法24确定系统10的操作条件是否可维持干操作模式。基于该确定过程，算法24通过线路28将相对湿度设定点信号提供给控制器14，以使得控制器14可利用该设定点并结合通过线路18获得的功率请求以及通过线路22获得的传感器信号，从而通过线路20控制致动器设置。通过这种方式，算法24减少了阴极排气的相对湿度循环，从而降低了燃料电池堆中的膜上的机械应力，因此延长了燃料电池堆的寿命。

图2是示出了设法保持系统10的湿操作模式的拱顶算法24的操作的流程图40。通常情况下，燃料电池系统10进行冷启动，此时阴极排气保持水蒸汽的能力较低。在拱顶算法24的开始阶段，在框42中将标志设置为湿操作模式。算法24随后在框44中获取来自表示上述传感器的传感器46的传感器信号，并计算阴极排气的最大可维持相对湿度。算法24通过利用操作策略如最大程度地利用散热器而设法在燃料电池系统启动后尽可能长时间地停置在湿操作模式。算法24通过计算最大可维持相对湿度而利用来自传感器46的传感器信号确定系统10是否可维持用于目前操作参数的湿操作模式。用于计算最大相对湿度的公式对于本领域的技术人员而言是已公知的。

算法24随后在判定菱形框48中将最大可维持相对湿度与湿操作范围内的预定相对湿度百分比进行比较。在该实例中，预定的湿模式的相对湿度百分比为105％，然而，该实例是非限制性的，且还可使用其它高于100％的值。如果计算出的最大可维持相对湿度大于预定的湿模式的百分比，则算法24在框50中将湿模式的相对湿度设定点设置为预定的相对湿度百分比设定点，如120％。正如上面讨论地，湿操作模式的120％的相对湿度设定点是非限制性实例，且对于湿操作模式而言可利用其它相对湿度设定点。算法24随后在框52中通过表示线路28的线路54将相对湿度设定点发送至控制器14。算法随后在框56中等待预定时长，如1秒，并返回在框44中进行的接收传感器信号并计算最大相对湿度的步骤。

在系统启动后，多种因素可影响是否可将系统10的操作条件保持在湿操作模式，所述多种因素例如为加速频率和程度、空转期消耗的时间、牵引过程、行驶持续时间、环境温度等。然而，如果这些多种因素导致算法24在判定菱形框48中计算出的最大可维持相对湿度小于105％，则系统10现在必须切换至干操作模式，此时在框58中将标志设置为干模式。进一步地，相对湿度设定点被设置为用于干操作模式的干模式的相对湿度设定点，例如80％，算法24在框52中通过线路54发送所述相对湿度设定点。现在，算法24将设法保持系统10的操作模式处于干操作模式。

特定的试探法可被构建结合在系统10内以控制在湿操作模式与干操作模式之间进行切换的过程。例如，对于特定的驱动形式、车辆特征、环境温度等，可对上述讨论的阈值相对湿度以及传感器信号采样之间的等待时间进行优化。此外，可利用逻辑算法，以使得如果在过去的预定分钟数内，在湿模式与干模式之间发生了特定数量的转换，则系统在至少预定分钟数内不会返回湿操作模式，或另一种可选方式是，切换至干操作模式。对于燃料电池堆负载呈现循环性特征的情况而言，这些设置将帮助避免在湿模式与干模式之间进行重复循环。

一旦算法24已切换至干操作模式，则算法24切换至干操作模式策略。图3示出了干操作模式策略的流程图60，其中相同的步骤由相同的附图标记表示。算法24在框62中启动干模式策略，其中标志已被设定为干。算法24随后在框64中获取来自传感器46的传感器信号并基于系统10的操作条件计算最小可维持相对湿度。本领域的技术人员将知晓可用于计算最小相对湿度的公式。

算法24随后在判定菱形框66中确定最小可维持相对湿度是否大于干操作模式范围内的低于100％的预定相对湿度百分比。在该实施例中，该值为95％，然而，该实例并非限制性的。在框64中计算最小可维持相对湿度的过程考虑了特定操作条件，如充分湿化的阴极输入气体以避免膜的干燥和相当低的阴极化学计量比以实现高的系统效率。如果系统10当前的操作参数能够维持低于95％的相对湿度，则算法24在框58中保持相对湿度设定点处于80％，且在框52中通过线路54将相对湿度设定点发送至控制器14。然而，如果在判定菱形框66中，最小可维持相对湿度大于95％，则算法24通过在框50中将相对湿度设定点设置为120％且将标志设置为湿而切换至湿操作模式。算法24随后在框52中通过线路54传送湿模式相对湿度设定点。

正如上面所讨论地，特定的试探法可被构建结合在系统10内。例如，对于驱动标准、车辆特征、环境温度等，可对阈值相对湿度以及传感器信号采样之间的等待时间进行优化。此外，可利用逻辑算法，以使得如果在过去的预定分钟数内，在湿模式与干模式之间已经发生了特定数量的转换，则系统在至少预定分钟数内不会返回干操作模式，或另一种可选方式是，切换至湿模式策略。

基于环境条件、驱动形式等，所述策略可在湿模式或干模式下运行。如果当前的策略未适当地发挥作用，例如，系统10处于湿模式下且发生频繁的干模式偏移现象，则可作出切换至另一种可选策略的决定。通过这种方式，可使在湿模式操作与干模式操作之间进行的循环最小化。

前面的讨论仅披露和描述了本发明的典型实施例。本领域的技术人员将易于通过这种讨论且通过附图以及权利要求书意识到：可在不偏离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出多种改变、变型和变化。

Claims (19)

1、一种用于控制来自燃料电池系统的燃料电池堆中的阴极排气的相对湿度的方法，其中所述燃料电池系统当前在湿操作模式下进行操作，所述方法包括以下步骤：

提供表示所述燃料电池系统的操作参数的传感器信号；

基于所述传感器信号计算所述阴极排气的最大可维持相对湿度；

确定所述计算出的最大可维持相对湿度是否大于预定百分比；

如果所述计算出的最大可维持相对湿度大于所述预定百分比，则提供高于100％的相对湿度设定点；

如果所述计算出的最大可维持相对湿度小于所述预定百分比，则提供低于100％的相对湿度设定点；并且

基于所述相对湿度设定点控制燃料电池系统部件以设法保持所述阴极排气的所述相对湿度处于所述设定点。

2、根据权利要求1所述的方法，进一步包括在已经确定所述相对湿度设定点之后等待预定时长从而再次提供所述传感器信号并计算所述最大可维持相对湿度的步骤。

3、根据权利要求2所述的方法，其中等待预定时长包括基于所述预定百分比、车辆驱动形式、车辆特征和环境温度而等待一定时长的过程。

4、根据权利要求1所述的方法，其中控制燃料电池系统部件包括基于所述相对湿度设定点并结合燃料电池堆功率请求和所述传感器信号控制燃料电池系统部件。

5、根据权利要求1所述的方法，其中所述预定百分比为105％。

6、根据权利要求1所述的方法，其中所述高于100％的相对湿度设定点为120％。

7、根据权利要求1所述的方法，其中所述低于100％的相对湿度设定点为80％。

8、一种用于控制来自燃料电池系统的燃料电池堆中的阴极排气的相对湿度的方法，其中所述燃料电池系统当前在干操作模式下进行操作，所述方法包括以下步骤：

提供表示所述燃料电池系统的操作参数的传感器信号；

基于所述传感器信号计算所述阴极排气的最小可维持相对湿度；

确定所述计算出的最小可维持相对湿度是否小于预定百分比；

如果所述计算出的最小可维持相对湿度大于所述预定百分比，则提供高于100％的相对湿度设定点；

如果所述计算出的最小可维持相对湿度小于所述预定百分比，则提供低于100％的相对湿度设定点；并且

基于所述相对湿度设定点控制燃料电池系统部件以设法保持所述阴极排气的所述相对湿度处于所述设定点。

9、根据权利要求8所述的方法，进一步包括在已经确定所述相对湿度设定点之后等待预定时长从而再次提供所述传感器信号并计算所述最小可维持相对湿度的步骤。

10、根据权利要求9所述的方法，其中等待预定时长包括基于所述预定百分比、车辆驱动形式、车辆特征和环境温度而等待一定时长的过程。

11、根据权利要求8所述的方法，其中控制燃料电池系统部件包括基于所述相对湿度设定点并结合燃料电池堆功率请求和所述传感器信号控制燃料电池系统部件。

12、根据权利要求8所述的方法，其中所述预定百分比为95％。

13、根据权利要求8所述的方法，其中所述高于100％的相对湿度设定点为120％。

14、根据权利要求8所述的方法，其中所述低于100％的相对湿度设定点为80％。

15、一种用于控制来自燃料电池系统的燃料电池堆中的阴极排气的相对湿度的方法，所述方法包括以下步骤：

提供表示所述燃料电池系统的操作参数的传感器信号；

如果所述燃料电池系统当前在湿操作模式下进行操作，基于所述传感器信号计算所述阴极排气的最大可维持相对湿度，如果计算的最大可维持相对湿度高于第一预定值，则保持所述阴极排气相对湿度处于湿操作模式；并且

如果所述燃料电池系统当前在干操作模式下进行操作，基于所述传感器信号计算所述阴极排气的最小可维持相对湿度，如果计算的最小可维持相对湿度低于第二预定值，则保持所述阴极排气相对湿度处于干操作模式。

16、根据权利要求15所述的方法，进一步包括如果如果计算的最大可维持相对湿度小于所述第一预定值，则进行改变以保持所述阴极排气相对湿度处于所述干操作模式的过程。

17、根据权利要求15所述的方法，进一步包括如果如果计算的最小可维持相对湿度大于所述第二预定值，则进行改变以保持所述阴极排气相对湿度处于所述湿操作模式的过程。

18、根据权利要求15所述的方法，其中所述第一预定值为105％。

19、根据权利要求15所述的方法，其中所述第二预定值为95％。

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