CN101262068B

CN101262068B - 用于自适应性氢排放策略的电池堆穿越率的在线检测

Info

Publication number: CN101262068B
Application number: CN2007101997633A
Authority: CN
Inventors: M·辛哈; P·加德; D·迪菲奥尔
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: CN101262068A; US20080145720A1; JP4895989B2; US7544430B2; JP2008181864A; DE102007059737A1; DE102007059737B4

Abstract

本发明涉及用于自适应性氢排放策略的电池堆穿越率的在线检测，具体地涉及一种用于确定随着燃料电池堆老化何时从燃料电池堆提供阳极废气排放的系统和方法。该方法确定从燃料电池堆阴极侧到燃料电池堆阳极侧的氮气量。该方法还通过确定燃料电池电压输出的标准偏差，并使用该标准偏差作为用于确定从阳极侧到阴极侧氮气漏泄率的模型，来确定从阳极侧流到阴极侧的氮气量。该方法基于阴极和阳极侧之间的氮气流量确定阳极中氮气的浓度，如果阳极侧中氮气的浓度超出预定值则打开排放阀以排放阳极废气。

Description

用于自适应性氢排放策略的电池堆穿越率的在线检测

技术领域

本发明主要涉及一种确定何时执行阳极废气排放以从燃料电池堆阳极侧除去氮的方法，且更具体地讲，涉及一种确定何时执行阳极废气排放以从燃料电池堆阳极侧除去氮的方法，其考虑了由于电池膜中的针孔导致的通过电池膜从阳极侧到阴极侧的漏气率。

背景技术

氢是一种非常吸引人的燃料，因为它是清洁的且能够在燃料电池中用于有效地发电。氢燃料电池是电化学装置，其包括阳极和阴极以及其间的电解质。该阳极接收氢气，该阴极接收氧或空气。在阳极中氢气被解离以产生自由质子和电子。该质子穿过电解质到达阴极。该质子在阴极中与氧和电子发生反应而产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载来实施作业。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的通用燃料电池。PEMFC通常包括固相聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极一般包括承载在碳颗粒上并且与离聚物混合的精细分散的催化颗粒，通常是铂(Pt)。该催化混合物沉积在该膜的相反两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合形成膜电极组件(MEA)。制备MEA相对昂贵且其有效工作需要特定的条件。

一般来说多个燃料电池结合成燃料电池堆以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多堆叠的燃料电池。该燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是被压缩机施压通过该电池堆的空气流。并不是所有的氧都被电池堆消耗，一些空气作为阴极废气输出，该阴极废气可能包括作为电池堆副产品的水。该燃料电池堆同样接收阳极氢反应气体，其流入电池堆的阳极侧。该电池堆同样包括冷却液流动通过的流道。

该燃料电池堆包括一系列布置在电池堆的若干MEA之间的双极板，其中该双极板和该MEA布置在两端板之间。该双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道提供在双极板的阳极侧，其允许阳极反应气体流向各自的MEA。阴极气体流动通道提供在双极板的阴极侧，其允许阴极反应气体流向各自的MEA。一端板包括阳极气体流动通道，和另一端板包括阴极气体流动通道。该双极板和端板由导电材料组成，例如不锈钢或导电复合物。该端板将通过燃料电池产生的电能输出到电池堆之外。该双极板同样包括冷却液流动通过的流道。

该MEA是可渗透的因此允许空气中的氮从电池堆的阴极侧渗透过该MEA并在电池堆的阳极侧中聚集，这在工业中被称为氮穿越。虽然阳极侧压力可能高于阴极侧压力，但是阴极侧分压将导致空气渗透穿过膜。燃料电池堆阳极侧的氮稀释氢使得如果氮浓度超过某个百分比，例如50％，将导致燃料电池堆变得不稳定且可能失效。本领域中已知的在燃料电池堆的阳极废气输出上提供排放阀以从电池堆阳极侧除去氮。

在电池堆运行过程中通常使用一种算法来在线评估阳极废气中的氮浓度以得知何时触发阳极废气排放。该算法基于从阴极侧到阳极侧的渗透率和阳极废气的周期排放来跟踪电池堆阳极侧中随时间变化的氮浓度。当该算法计算出氮浓度的增加超过预定阈值(例如10％)时将触发排放。执行排放一段时间，以允许排放多个电池堆阳极容积量，从而使氮浓度降低到阈值以下。

已知的阳极废气排放策略并没有考虑在整个电池堆寿命中膜渗透率的改变。具体来说，正如本领域中公知的，随着由于电化学反应引起的电池堆的老化MEA将连续地出现针孔，这增加了阳极侧和阴极侧之间的渗透率。因为一般来说阳极侧相对于阴极侧保持较高的绝对压力，阳极侧中的氮累积率实际将随时间降低，需要较少的阳极废气排放或较短的阳极废气排放持续时间。尤其是，氮将通过穿越针孔的对流从阳极侧回流到阴极侧。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于确定随着燃料电池堆的老化何时提供从燃料电池堆的阳极废气排放的系统和方法。该方法确定从燃料电池堆阴极侧流到燃料电池堆阳极侧的氮气量。该方法还通过确定燃料电池堆中燃料电池电压输出的标准偏差，并使用该标准偏差作为模型用于确定从燃料电池堆阳极侧到阴极侧的氮气的漏泄率，来确定从燃料电池堆阳极侧流向燃料电池堆阴极侧的氮气量。随后该漏泄率被换算为从阳极侧到阴极侧的氮气流量。该方法基于燃料电池堆阴极和阳极侧之间的氮气流量确定燃料电池堆阳极侧中的氮气浓度，如果燃料电池堆阳极侧中的氮气浓度超出预定值，则打开排放阀以排放阳极废气。

结合附图，从下列描述和所附的权利要求中本发明的其他特点将变得显而易见。

附图说明

图1是显示从燃料电池阴极侧到阳极侧的氮气渗透、从燃料电池阳极侧到阴极侧的氮气渗透和从燃料电池阳极侧的氮气排放的燃料电池的平面图；

图2是包括用于从燃料电池堆排放阳极废气的排放阀的燃料电池系统的示意图；和

图3是时间在横轴上、从燃料电池堆阳极侧到阴极侧的漏泄率在左纵轴上和燃料电池电压的标准偏差在右纵轴上，显示穿越渗漏和燃料电池堆的电池电压标准偏差之间相互关系的曲线图。

具体实施方式

本发明实施例的下列讨论实质上仅是示范性的并且不打算限制本发明或其用途或使用，下列讨论涉及一种用于确定在整个燃料电池堆的寿命中何时在燃料电池系统中提供阳极废气排放的方法。

图1是燃料电池50的图示，其包括阳极侧52、阴极侧54和其间的膜56。线58表示从阴极侧54到阳极侧52的氮气穿越流，线60代表在阳极废气排放过程中来自阳极侧52的流并且线62代表从阳极侧52穿过膜56中的针孔的氮气渗透。因为内部渗透是穿过膜中的针孔，所以当电池堆50是新的时候从阳极侧52到阴极侧54的氮气流量非常低，因此阳极废气排放模型一般不考虑这个渗透来确定何时提供阳极废气排放。因为该阳极废气排放模型不考虑这个渗透，所以随着电池堆老化它会在必需之前触发阳极废气排放，由此降低了燃料效率。

在车辆维修过程中，能够离线确定膜的漏泄率，且能够更新阳极废气排放模型。然而，更理想的是具有一种在线技术，随着燃料电池堆老化其能持续修改排放控制策略。

图2是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意图。该燃料电池系统10通常用来表示任何类型的燃料电池系统，其需要阳极废气排放以从电池堆12的阳极侧除去氮气，例如将阳极废气再循环到阳极入口的燃料电池系统和使用具有阳极流量变化的分离电池堆设计的燃料电池系统。在管线18上从氢源14提供氢气给燃料电池堆12的阳极侧。在管线32上从压缩机30提供空气给燃料电池堆12的阴极侧。在管线20上阳极废气被从燃料电池堆12输出且被送到排放阀26。在阴极废气管线34上从燃料电池堆12中输出阴极废气。

正如以上的讨论，来自燃料电池堆12阴极侧的氮气穿越稀释了在阳极侧的氢气，这影响了电池堆的性能。因此，必须周期性地排放阳极废气以减少阳极子系统中的氮气量。当排放阀26打开时，排放的阳极废气流过排放管线28。在该实施例中，管线28中的排气在混合结点36中与管线34的阴极废气混合。

为了监测阳极子系统，将各种传感器提供到系统10中。具体地，压力传感器40测量到排放阀26入口处的压力，压力传感器42测量排放阀26出口的压力和温度传感器44测量到排放阀26入口处阳极废气的温度。此外，流量计46测量输入到燃料电池堆12阴极侧的空气流量。在一替代实施例中，流量计46可以被取消，而基于各种参数得到压缩机空气流率，例如压缩机特性图、压缩机转速、入口/出口压力、温度等等。

正如以上讨论的，必须控制到阴极废气管线34中的阳极废气排放使得其中的氢气浓度保持在预定安全水平以下。一般来说，理想的是保持混合阳极和阴极废气中的氢气体积百分比小于几个百分点。为了执行这个功能，控制器48接收来自温度传感器44的温度信号、来自压力传感器40的压力信号、来自压力传感器42的压力信号和来自流量计46的流量信号。控制器48使用这样的算法，该算法确定排放阀26排放的氢气浓度，并且控制压缩机30和排放阀26以保持混合废气中的氢气浓度在预定水平以下。控制器48同样使用一种算法以确定阳极废气中氮气的浓度，和何时需要排放阳极废气以降低其中的氮气浓度。

已经发现从燃料电池堆中的燃料电池的阳极侧流过膜中针孔到阴极侧的阳极气体的漏泄率或渗透率和在整个燃料电池堆瞬变窗口中的燃料电池电压范围的标准偏差σ_R ^T之间存在相关性。随着燃料电池堆老化通过测试能够确定漏泄率，标准偏差σ_R ^T通过下列公式确定：

其中V_i ^j是在瞬变窗口中第j次采样的第i个电池的电压，

ΔV = V_{i}^{\max} - V_{i}^{\min}

是第i个采样点的电压范围。

燃料电池堆12中的燃料电池电压范围的标准偏差σ_R ^T表征在一个限定的时间段内该范围变化多少。如果某些电池有针孔，在功率瞬变过程中它们将显示较大的电压波动，因此将使标准偏差σ_R ^T增加。

图3是横轴是时间、左纵轴是漏泄率和右纵轴是标准偏差σ_R ^T的、显示漏泄率和标准偏差之间关系的图，其中曲线70是漏泄率，曲线72是标准偏差。随着针孔的面积增加该漏泄率将增加，无论该面积增加是来自针孔的尺寸还是针孔的数目。随着在整个电池堆12的寿命中漏泄率增加，标准偏差σ_R ^T同样增加。

在一实施例中，当在一个预定的时间窗比如5分钟中，燃料电池堆12正表现出很多功率瞬变或改变时，比如在车辆停止或行进期间，控制器48计算标准偏差σ_R ^T。由于在电池堆功率瞬变期间MEA两侧的压降和膜加湿循环，最好是在瞬变窗口中计算标准偏差σ_R ^T，而不是在稳态运行过程中。

一般而言，保持阳极压力稍高于阴极压力，使得在阳极废气排放过程中，阴极废气不会进入到阳极废气排放管线28中。对于某些电池堆设计，阳极入口和阳极出口之间的压降与阴极入口和阴极出口之间的压降相比较来说相对较小，后一压降随着功率水平增加而线性增加。因此，在更高负载下阴极入口压力将更大。此外，可能存在这样一种情况，在功率瞬变期间由于压力的波动使阴极压力更高。因此，在电池堆功率瞬变期间，相对于阳极入口，阴极入口承受更高的压力。因此，由于空气进入到阳极中，有针孔的燃料电池能够观察到电压上的波动，和因此标准偏差σ_R ^T的增加。此外，在瞬变期间相对湿度(RH)循环导致膜收缩和膨胀。同样，测试表明当电池堆是80％RH时相对110％RH时漏泄率诊断检测到更高的漏泄率。

一旦控制算法具有阳极到阴极的漏泄率，其就能够计算从阳极侧流到阴极侧的氮气量。具体说来，从阳极侧流到阴极侧的氮气量将是漏泄率乘以阳极侧和阴极侧之间的压差再乘以比例因子的函数。因此，提供一算法，其在电池堆功率瞬变期间不断更新从燃料电池堆阳极侧到阴极侧的氮气流量，该流量会随着电池堆老化而增加。本领域技术人员很容易确认如何使用从阳极侧流到阴极侧的氮气量以修正模型，该模型确定阳极侧的氮气浓度以确定何时执行阳极废气排放。用于执行这个功能的各种模型对于本领域技术人员来说都是公知的。

上述内容仅仅公开和描述了本发明的典型实施例。在不脱离下面权利要求确定的本发明主旨和范围的情况下，本领域技术人员很容易从这种讨论和附图以及权利要求中做出各种变化、改进和变动。

Claims

1.一种用于确定何时从燃料电池堆排放阳极废气的方法，上述方法包括：

确定从燃料电池堆阴极侧流到燃料电池堆阳极侧的氮气量；

确定从燃料电池堆阳极侧流到燃料电池堆阴极侧的氮气量；

基于燃料电池堆阴极侧和阳极侧之间的氮气流量，确定燃料电池堆阳极侧中的氮气浓度或氢气浓度；和

如果燃料电池堆阳极侧中的氮气浓度超出预定值则排放阳极废气。

2.根据权利要求1的方法，其中确定从燃料电池堆阳极侧流到燃料电池堆阴极侧的氮气量包括通过确定燃料电池堆中燃料电池的电压输出的标准偏差，以及使用标准偏差作为模型确定从燃料电池堆阳极侧到阴极侧的氮气漏泄率，来确定从阳极侧到阴极侧的氮气漏泄率，所述标准偏差σ_R ^T通过下列公式确定其中V_i ^j是在燃料电池堆瞬变窗口中第j次采样的第i个电池的电压，

ΔV = V_{i}^{\max} - V_{i}^{\min}

是第i个采样点的电压范围。

3.根据权利要求2的方法，其中确定燃料电池电压输出的标准偏差包括仅仅在燃料电池堆功率瞬变期间确定一段预定时间上的燃料电池电压输出的标准偏差。

4.根据权利要求2的方法，其中确定从燃料电池堆阳极侧流到燃料电池堆阴极侧的氮气量包括将从阳极侧到阴极侧的氮气漏泄率乘以阳极侧和阴极侧之间的压力差再乘以比例因子。

5.根据权利要求1的方法，其中从燃料电池堆阳极侧到阴极侧的氮气流量随着电池堆老化而增加。

6.根据权利要求1的方法，其中从燃料电池堆阳极侧到燃料电池堆阴极侧的氮气流是由于燃料电池堆的燃料电池中膜上的针孔。

7.根据权利要求1的方法，还包括将排放的阳极废气与来自燃料电池堆的阴极废气混合。

8.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆；

从燃料电池堆输出阴极废气的阴极废气管线；

从燃料电池堆输出阳极废气的阳极废气管线；

用于排放阳极废气的结合在阳极废气管线上的排放阀；

结合到该排放阀上的阳极排放管线，当该排放阀打开时阳极排放管线接收阳极废气；和

用于确定何时打开排放阀且从阳极废气管线中排放阳极废气的控制器，上述控制器确定从燃料电池堆阴极侧流到燃料电池堆阳极侧的氮气量，确定从燃料电池堆阳极侧流到燃料电池堆阴极侧的氮气量，基于燃料电池堆阴极和阳极侧之间的氮气流量确定燃料电池堆阳极侧中的氮气或氢气的浓度，并且如果燃料电池堆阳极侧中的氮气浓度超过预定值则排放阳极废气。

9.根据权利要求8的系统，其中该控制器通过确定燃料电池堆中燃料电池电压输出的标准偏差并使用该标准偏差作为确定从燃料电池堆阳极侧到阴极侧的氮气漏泄率的模型，以确定从阳极侧到阴极侧的氮气漏泄率，进而确定从燃料电池堆阳极侧流到燃料电池堆阴极侧的氮气量，所述标准偏差σ_R ^T通过下列公式确定

其中V_i ^j是在燃料电池堆瞬变窗口中第j次采样的第i个电池的电压，

ΔV = V_{i}^{\max} - V_{i}^{\min}

是第i个采样点的电压范围。

10.根据权利要求9的系统，其中该控制器通过将从阳极侧到阴极侧的氮气漏泄率乘以阳极侧和阴极侧之间的压力差再乘以比例因子，来确定从燃料电池堆阳极侧流到燃料电池堆阴极侧的氮气量。

11.根据权利要求9的系统，其中仅仅在燃料电池堆功率瞬变过程中该控制器确定燃料电池电压输出的标准偏差。

12.根据权利要求8的系统，其中阳极排放管线结合到阴极废气管线上以使得排放的阳极废气与阴极废气混合。

13.根据权利要求8的系统，其中由于电池堆的燃料电池的膜中形成了针孔，从燃料电池堆阳极侧到燃料电池堆阴极侧的氮气流量随着电池堆老化而增加。

14.根据权利要求8的系统，其中该燃料电池系统在车辆上。

15.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆；

从燃料电池堆输出阴极废气的阴极废气管线；

从燃料电池堆输出阳极废气的阳极废气管线；

结合在阳极废气管线和阴极废气管线上的用于将阳极废气排放到阴极废气管线中的排放阀；和

用于确定何时打开排放阀且从阳极废气管线排放阳极废气的控制器，上述控制器确定从燃料电池堆阴极侧流到燃料电池堆阳极侧的氮气量，上述控制器还通过确定燃料电池堆中燃料电池电压输出的标准偏差并使用标准偏差作为用于确定从燃料电池堆阳极侧到阴极侧的氮气漏泄率的模型以确定从阳极侧到阴极侧的氮气漏泄率，进而确定从燃料电池堆阳极侧流到燃料电池堆阴极侧的氮气量，上述控制器仅仅在燃料电池堆功率瞬变期间确定燃料电池的电压标准偏差，上述控制器还基于燃料电池堆阴极和阳极侧之间的氮气流量来确定燃料电池堆阳极侧中的氮气或氢气浓度，并且如果燃料电池堆阳极侧中的氮气浓度超过预定值则排放阳极废气，所述标准偏差σ_R ^T通过下列公式确定：

ΔV = V_{i}^{\max} - V_{i}^{\min}

是第i个采样点的电压范围。

16.根据权利要求15的系统，其中该控制器通过将从阳极侧到阴极侧的氮气漏泄率乘以阳极侧和阴极侧之间的压力差再乘以比例因子，以确定从燃料电池堆阳极侧流到燃料电池堆阴极侧的氮气量。

17.根据权利要求15的系统，其中由于电池堆的燃料电池的膜中形成了针孔，从燃料电池堆阳极侧到燃料电池堆阴极侧的氮气流量随着电池堆老化而增加。

18.根据权利要求15的系统，其中该燃料电池系统在车辆上。