CN101330155B - 用于改善水管理和氢气利用的阳极排气控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于改善水管理和氢气利用的阳极排气控制策略，具体而言公开一种用于在燃料电池系统中对燃料电池堆的阳极侧排气的控制策略，该控制策略改善了水管理、地址耐久性和性能问题。该方法包括：代表性地通过估计或测量电池堆的阳极侧中氮气量，确定何时开始阳极排气。该方法还包括基于已排气的气体体积，确定何时结束阳极排气。该方法确定流过排气阀的阳极气体的摩尔流率；积分该摩尔流率以便得到已通过排气阀的气体的摩尔数；确定待排气的期望摩尔数；以及当气体的实际摩尔数等于气体的期望摩尔数时，结束排气。

Description

用于改善水管理和氢气利用的阳极排气控制方法

技术领域

本发明通常涉及一种用于从燃料电池堆控制阳极排气的控制策略，以及更具体的是涉及一种用于从分离燃料电池堆控制阳极排气的控制策略，该控制策略基于被排出的阳极气体量以便改善水管理并解决耐久性和性能问题。 

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且在燃料电池中能够有效地发电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极、阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。在阳极中氢气被分解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生反应以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在到达阴极之前被引导通过负载而做功。 

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的普遍的燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通常包括承载在碳颗粒上并且与离聚物混合的精细粉碎的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)。催化剂混合物沉积在薄膜的相对两侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和薄膜的结合体限定膜电极组件(MEA)。 

通常多个燃料电池结合在燃料电池堆中以产生期望的功率。对于上述的汽车燃料电池堆，电池堆可以包括两百或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应气体，典型的是通过压缩机强制穿过电池堆的空气流。电池堆并没有消耗掉全部的氧气，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。该燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢气反应气体。 

燃料电池堆包括设置在电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA设置在两个端板之间。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。在双极板的阳极侧提供阳极气体流动通道，其允许阳极反应气体流动到各自的MEA。在双极板的阴极侧提供阴极气体流动通道，其允许阴极反应气体流动到各自的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，以及另外一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电力传导到电池堆外部。双极板还包括冷却流体通过其流动的流动通道。 

MEA是可渗透的，因此允许来自电池堆阴极侧的空气中的氮气渗透穿过并且在电池堆的阳极侧聚集，在工业中被称为氮气穿越。即使阳极侧的压力可能稍微高于阴极侧压力，阴极侧的分压将促使空气渗透过薄膜。燃料电池堆阳极侧中的氮气稀释了氢气，从而如果氮气浓度增加超过一定百分比，例如50％，燃料电池堆变得不稳定并且可能失效。本领域公知的，为了从电池堆的阳极侧去除氮气，在燃料电池堆的阳极废气输出处设置排气阀。 

本领域已经提出在采用分离电池堆的燃料电池系统中，使用电池堆顺序开关或阳极流动切换。特别是，在系统中提供阀和泵，从而以循环的方式使得离开第一子电池堆的阳极废气送到第二子电池堆的阳极，离开第二子电池堆的阳极废气送到第一子电池堆的阳极。 

由于在正常系统操作期间弱的水去除能力，经常认为阳极流动切换造成碳腐蚀和相应的较高的电压下降速率。同样，阳极流动切换经常导致较低的氢气利用从而导致较低的燃料电池系统效率，尤其是在低到中功率水平。解决这些关注的一个方面是用于从流动切换子电池堆中阳极排气的改善控制策略。 

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于在燃料电池系统中排气燃料电池堆阳极侧的控制策略，该控制策略改善了水管理解决耐久性和性能问题。该方法包括：代表性地通过估计或测量电池堆阳极侧中的氮气量，确定何时开始阳极排气。该方法还包括：基于已排气的气体体积，确定何时结束阳极排气。该方法确定流过排气阀的阳极气体的摩尔流率，积分摩尔流率以便得到已流过排气阀的气体的摩尔数，确定待排气气体的期望摩尔数，以及当气体的实际摩尔数等于期望的气体摩尔数时结束排气。 

结合附图从以下描述和所附权利要求中本发明的附加特点将变得明显。 

附图说明

图1是包括分离燃料电池堆和采用阳极流动切换的燃料系统的示意性平面图；以及 

图2是说明根据本发明实施方式描述在阳极流动切换结构中用于结束阳极 排气的控制策略的结构图。 

具体实施方式

旨在用于在阳极流动切换的燃料电池结构中结束阳极排气的控制策略的本发明实施方式的下列描述实质上仅仅是示范性地，并不意味着限制本发明或其应用或使用。 

图1是包括第一分离燃料电池堆12和第二分离燃料电池堆14的燃料电池系统10的示意性结构图。压缩机16提供阴极输入管线18上的阴极输入空气通过常闭的阴极输入阀20到达分离电池堆12和14。阴极废气通过管线24从分离电池堆12输出，以及阴极废气通过管线26从分离电池堆14输出，这些阴极废气混合进入单独的阴极输出管线28。常闭的阴极背压阀30控制通过管线28的阴极废气的流动。位于输入管线18和输出管线28之间的阴极旁通管线32允许阴极输入空气旁通过电池堆12和14。常闭的旁通阀34控制阴极空气是否旁通过电池堆12和14。如果阀门20和30关闭而阀门34开启，那么来自压缩机16的空气将旁通过电池堆12和14。代表性地，阴极增湿单元(未示出)将被设置在阴极输入管线18的合适位置。 

在此非限制实施方式中，分离电池堆12和14采用阳极流动切换，其中阳极反应气体以本领域技术人员公知的方式以预定循环通过分离电池堆12和14来回流动。以交替的顺序，喷射器38通过阳极管线42把来自氢气源40的氢气喷射到分离电池堆12，喷射器44通过阳极管线48把来自氢气源46的氢气喷射到分离电池堆14。 

水分分离器60连接到连接管线54，收集在分离电池堆12和14间的阳极气体流中的水。常闭的排水阀62能周期性地开启以便把水通过管线64排放到阴极废气管线28。此外，也可以设置阳极废气净化阀66。虽然没有特别示出，冷却流体能通过泵而被泵送通过分离电池堆12和14，以便提供分离电池堆12和14的温度控制。 

如上所述，期望周期性地排气分离电池堆12和14的阳极侧，以便从电池堆12和14的阳极侧去除氮气，不然的话其可能稀释氢气而影响电池性能。基于这个目的设置有常闭的排气阀50和52。当命令阳极排气时，取决于阳极气体当前流动的方向，排气阀50或52开启，排出的阳极废气送到阴极废气管线28。具体地，如果当排气触发时，氢气是从源40喷射到分离电池堆12，那么排气阀 52开启。同样地，如果当排气触发时，氢气是从源46喷射到分离电池堆14，那么排气阀50开启。典型地，流动切换在正常排气期间发生几次，从而使排气阀50和52随着流动切换不得不及时开启和关闭几次。 

阳极流动切换结构的生存性已从耐久性，即运行电压下降和氢气利用方面所关注，尤其是在低功率操作期间。本发明提出一种用于阳极排气的控制策略，该控制策略通过在排气期间改善阳极水管理增加了电池堆的耐久性，也在空闲和低功率操作时尤其影响氢气利用。已提出的控制算法能对不同的电池堆尺寸和不同的排气阀容易定标。如下要详细论述的，已提出的控制策略在排气期间通过利用基于物理的概念例如阳极滞留时间，提供了强大的反应物净化能力。此外，已提出的控制策略改善了排气能力，从而为了从水分分离器和/或排气阀去除水使阳极水从流场移动到歧管。同样，已提出的控制策略有效地改善了即减少了排气频率，因此提高了氢气利用率。在低功率时由于差的氢气利用率，燃料电池系统的效率明显下降，因此这个提高尤其重要。此外，由于测量分离电池堆间电池的最大和最小电压差和电压跳动(平均电压)，已提出的控制策略有效地改善了电池堆的稳定性。已提出的控制策略还通过保证排气之间的等待时间改善了传感器故障和动态的稳健性，以及由非阳极事件触发的电池堆不稳定度量的稳健性。 

在燃料电池系统10操作期间，喷射器组38和44基于具体应用的切换周期和阳极压力设定点轮流起动。阳极排气是基于一定基准触发的，例如阳极中的氢气浓度低于预定最小值，在任何一个子电池堆12或14中的最小电压和最大电压之间的电池电压的最大和最小电压差大于预定最大和最小电压差，或者两个子电池堆12和14的平均电池电压之间的电压差的绝对值小于预定跳动电压。阳极排气是受控的，从而无论那一个喷射器组38或44启动，开启相反的排气阀50或52。 

已提出的控制策略解决了当前阳极排气策略的许多问题领域。具体地，第一关注的是，当前策略不能有效的从分离电池堆12和14的阳极侧去除阳极水。当收到排气请求时，该控制算法随着流动切换及时轮流开启与启动的喷射器38或44相反的排气阀50或52，从而使在第二子电池堆输出处的排气阀50或52开启以便从子电池堆12和14排出氮气和水。典型地，排气时间显著地长于流动切换反转时间，从而使排气阀50和52在排气事件期间多次开启和关闭。在 已知方法中，由于排气方向在排气事件期间反转许多次，因此阳极水可能不会有效地从阳极流动区域去除。 

当前阳极排气策略的第二关注是，在排气事件期间排出大量的新鲜氢气，其影响系统效率。对于系统10的配置很显然，当流动方向反转时，排出的新鲜氢气正是以前注入到特定分离电池堆12或14的。这样不仅浪费了新鲜氢气，也潜在地在捕获了在分离电池堆12和14之间的氮气气泡。 

当前阳极排气策略的第三关注是，不得不处理可能导致过量排气而影响系统效率的氢气传感动态。燃料电池模块经常是使用氢气传感器运行的，以便基准系统度量。氢气传感器是优选的，因为它们消除了使用氮气模型确定氮气浓度的氮气浓度估计中错误的影响。由于薄膜穿越率随着MEA中渗透和/或针孔的变化而变化，氮气模型可能水电池堆的寿命而具有错误。然而，当使用传感器时，该控制需要包括传感器自身的动态。已经发现在第一排气期间以及之后，热传导率器件(TCD)继续下降。这是违反常规认识的(counter-intuitive)，因为在排气期间氢气浓度应该增加。同样，在排气期间在大约20秒的第二排气之后，氢气浓度保持上升。这又违反常规认识(counter-intuitive)。因此，正确的控制策略应该在再次排气前等待直到排气后。 

当前阳极排气策略的第四关注是，不得不处理可能导致影响效率和使薄膜干燥的持续排气的非阳极相关的低性能电池(LPC)刺激。阳极排气可以作为补救动作响应于大的最大和最小电压差或电压跳动而被触发。最大和最小电压差和跳动触发也可能由于阴极溢出、不正常热量或空气子系统控制而发生，以及阳极排气可能不能矫正它们。 

已提出的排气算法是基于计算排气持续时间的阳极滞留时间定标因子模型(τ)，从而允许带排气电池堆阳极体积的多个滞留以便保证在一个排气事件中预计的氮气全部体积被冲走。该模型依赖于阳极到阴极的压差、电池堆阳极排出和电池堆阴极排出压力、以及冷却液温度。该模型也显然依赖于电池堆阳极体积，即在喷射器组38或44和排气阀50或52之间的体积，以及排气阀50或52的k_v值(排气阀口径尺寸)。 

在采用氮气浓度模型或直接测量氮气或氢气浓度的当前阳极排气策略中，当氮气浓度升到预定水平时开始排气。持续阳极排气，直到氮气浓度下降到较低的预定水平，此时排气停止。对于低电流密度操作，例如车辆怠速期间，此时阴极空气的输入流动是低的，穿越薄膜的氮气量也是低的。因此，阳极侧的氮气浓度不会快速积聚。然而，一旦氮气水平积聚到预定浓度，那么排气被触发。同样，由于阳极流动在低功率水平时是低的，排气长度能相对较长。当基于分离电池堆12和14的阳极侧中的氮气浓度排气时，典型地由于这个原因排气经常发生，因此，以上讨论的问题有时发生。根据本发明，排气结束时间不是基于阳极侧中的氮气浓度，而是基于已排出阳极体积的多少。

通过排气阀50或52的气体的摩尔流率 

定义为： 

$\stackrel{\·}{m}=\frac{k_v}{4.633}\sqrt{\frac{P_{\mathrm{AnOut}}^2-P_{\mathrm{CaOut}}^2}{\left(\mathrm{MW}\right)T_{\mathrm{cool}}}}(\mathrm{mol}/s)---\left(1\right)$

这里MW是氮气的分子量，P_AnOut是电池堆阳极出口处的压力，P_CaOut是电池堆阴极出口处的压力，T_cool是冷却流体的温度。 

摩尔流率 

的积分是通过排气阀50或52的气体的累积摩尔的度量。如果摩尔流率 

的积分大于或等于待清除的气体的期望摩尔n，如以下方程(2)所确定的，那么排气阀50或52被命令关闭。 

$n=\mathrm{\τ}\left(\frac{P_{\mathrm{AnOut}}{V}_{\mathrm{An}}}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{cool}}}\right)\left(\mathrm{mol}\right)---\left(2\right)$

这里R是普适气体常数，V_An是子电池堆中阳极的体积，τ是要排出的摩尔排气体积的阳极滞留时间定标因子。该定标因子τ能通过任何合适的方式确定，例如本领域技术人员公知的提供数值最优化的查看实验技术的性能和设计的专门技术。 

每当从阴极到阳极的渗透的氮气达到作为电池堆电流密度函数的预先规定的阈值，排气阀50或52被触发开启。只要满足方程(1)的积分大于或等于方程(2)气体的期望摩尔n所规定的保持开启条件，排气阀50或52就关闭。 

图2是根据本发明实施方式描述如上所述的用于结束阳极排气的控制策略的结构图70。基于以上方程(1)在框72处计算摩尔流率 

作为已通过排气阀50或52的气体的累积摩尔的度量在框74处生成摩尔流率 

的积分。排气的气体的期望摩尔数n基于方程(2)在框76处被计算出。来自积分器74实际的气体摩尔数和来自处理器76的排气的期望气体摩尔数n被送到比较器78，从而当实际的摩尔数达到期望的摩尔数n时，该算法将停止排气。 

较小的阳极滞留时间定标因子τ表明被清洗的体积量的百分比越小。然而， 减小阳极滞留时间定标因子τ不会增加排气事件的频率。其主要由用于排气触发的氮气设定点控制。氮气设定点越小，氢气百分比越高，排气事件越频繁。 

对于低功率范围，即小于0.2amps/cm²，电池堆能以较高氮气设定点维持较高的阳极滞留时间，因此较少频率的排气，但要求相对长的持续时间。在较高功率水平，即大于0.8amps/cm²，由于较高的压力设定点，为了阻止电池堆变得不稳定可能需要较短持续时间的频繁排气。 

为了避免由于延长的排气造成的潜在不稳定，例如，由于在瞬变期间主动性排气中积分器停止导致的反应性排气触发开启过长，排气必须预先占据。完成这个的一个方式是在每个气流密度处定义导致“太长”的意思，以及保证其小于或等于当通过氮气模型单独触发时，在电池堆电流密度处排气阀50或52应该开启的时间。强加的排气暂停时间应该满足在电流密度处排气要求间最小的时间，例如0.1秒。 

有时由于在重复的向上瞬变期间频繁的排气暂停，不会有长时间的阳极排气。在此情况下，使用第二表强迫排气能够持续足够长，从而使系统能被激发。通常这个排气时间设定为大约10秒。长时间的定义作为电池堆电流密度的函数而变化。 

以上讨论仅仅公开和描述了本发明的具体实施方式。本领域技术人员在不脱离随后权利要求确定的本发明范围和精神的情况下，能够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 (10)

1.一种用于确定何时对燃料电池堆的阳极排气的方法，所述方法包括：

通过估计或测量电池堆阳极侧中的氮气量，确定何时开始阳极排气；以及

基于确定排气事件期间已排气的阳极气体的体积，确定何时结束阳极排气，

其中确定何时结束阳极排气包括：确定流过排气阀的阳极气体的摩尔流率；积分该摩尔流率以便得到已通过排气阀的气体的摩尔数；确定待排气的气体的期望摩尔数；以及当已通过排气阀的气体的实际摩尔数等于待排气气体的期望摩尔数时，结束排气，

其中确定通过排气阀的阳极气体的摩尔流率包括使用以下方程：

$\stackrel{\·}{m}=\frac{k_v}{4.633}\sqrt{\frac{P_{\mathrm{AnOut}}^2-P_{\mathrm{CaOut}}^2}{\left(\mathrm{MW}\right)T_{\mathrm{cool}}}}(\mathrm{mol}/s)$

这里

是摩尔流率，MW是氮气的分子量，P_AnOut是电池堆阳极出口处的压力，P_CaOut是电池堆阴极出口处的压力，k_v是排气阀口径尺寸，以及T_cool是冷却流体的温度，

其中确定待排气气体的期望摩尔数包括确定和使用要排出的摩尔排气体积的阳极滞留时间定标因子，

其中确定待排气气体的期望摩尔数包括使用以下方程：

$n=\mathrm{\τ}\left(\frac{P_{\mathrm{AnOut}}{V}_{\mathrm{An}}}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{cool}}}\right)\left(\mathrm{mol}\right)$

这里n是期望摩尔数，R是普适气体常数，V_An是电池堆中阳极的体积，P_AnOut是电池堆阳极出口处的压力，τ是定标因子，以及T_cool是冷却流体的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中定标因子是通过实验确定的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中确定何时开始阳极排气包括：使用氮气估计模型确定燃料电池堆的阳极侧中氮气的浓度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中确定何时开始阳极侧排气包括：测量燃料电池堆的阳极侧中的氮气浓度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中燃料电池堆包括：采用阳极流动切换的第一分离电池堆和第二分离电池堆。

6.一种用于控制从第一和第二分离燃料电池堆的阳极排气的方法，该第一和第二燃料电池堆通过第一和第二排气阀在阳极流动切换下操作，所述方法包括：

确定何时开始阳极排气；

确定流过第一和第二排气阀的阳极气体的摩尔流率；

积分摩尔流率以便得到已经通过排气阀的气体的摩尔数；

确定待排气的期望摩尔数；以及

当已经通过排气阀的气体的实际摩尔数等于待排气气体的期望摩尔数时，结束排气，

其中确定通过排气阀的阳极气体的摩尔流率包括使用以下方程：

$\stackrel{\·}{m}=\frac{k_v}{4.633}\sqrt{\frac{P_{\mathrm{AnOut}}^2-P_{\mathrm{CaOut}}^2}{\left(\mathrm{MW}\right)T_{\mathrm{cool}}}}(\mathrm{mol}/s)$

这里

是摩尔流率，MW是氮气的分子量，P_AnOut是电池堆阳极出口处的压力，P_CaOut是电池堆阴极出口处的压力，k_v是排气阀口径尺寸，以及T_cool是冷却流体的温度，

其中确定待排气的期望摩尔数包括确定和使用阳极滞留时间定标因子，该阳极滞留时间定标因子限定阳极体积数，

其中确定待排气的期望摩尔数包括使用以下方程：

$n=\mathrm{\τ}\left(\frac{P_{\mathrm{AnOut}}{V}_{\mathrm{An}}}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{cool}}}\right)\left(\mathrm{mol}\right)$

这里n是期望摩尔数，R是普适气体常数，V_An是分离电池堆中阳极的体积，P_AnOut是电池堆阳极出口处的压力，τ是定标因子，以及T_cool是冷却流体的温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中定标因子是通过实验确定的。

8.根据权利要求6所述的方法，其中确定何时开始阳极排气包括：使用氮气估计模型确定燃料电池堆的阳极侧中氮气的浓度。

9.根据权利要求6所述的方法，其中确定何时开始阳极侧排气包括：测量燃料电池堆的阳极侧中的氮气浓度。

10.一种用于控制从第一和第二分离燃料电池堆的阳极排气的方法，该第一和第二燃料电池堆通过第一和第二排气阀在阳极流动切换下操作，所述方法包括：

基于分离电池堆的阳极中氮气的浓度，确定何时开始阳极排气；以及

基于识别要排气的阳极气体的体积数的阳极时间滞留模型，确定何时结束排气，

其中确定何时结束阳极排气包括：确定通过排气阀的阳极气体的摩尔流率；积分该摩尔流率以便得到已通过排气阀的气体的摩尔数；确定待排气的气体的期望摩尔数；以及当已通过排气阀的气体的实际摩尔数等于待排气气体的期望摩尔数时，结束排气，

其中确定流过排气阀的阳极气体的摩尔流率包括使用以下方程：

$\stackrel{\·}{m}=\frac{k_v}{4.633}\sqrt{\frac{P_{\mathrm{AnOut}}^2-P_{\mathrm{CaOut}}^2}{\left(\mathrm{MW}\right)T_{\mathrm{cool}}}}(\mathrm{mol}/s)$

这里

是摩尔流率，MW是氮气的分子量，P_AnOut是电池堆阳极出口处的压力，P_CaOut是电池堆阴极出口处的压力，k_v是排气阀口径尺寸，以及T_cool是冷却流体的温度，

其中确定待排气的期望摩尔数包括使用以下方程：

$n=\mathrm{\τ}\left(\frac{P_{\mathrm{AnOut}}{V}_{\mathrm{An}}}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{cool}}}\right)\left(\mathrm{mol}\right)$

这里n是期望摩尔数，R是普适气体常数，V_An是分离电池堆中阳极的体积，P_AnOut是电池堆阳极出口处的压力，τ是阳极滞留时间定标因子，以及T_cool是冷却流体的温度。

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