CN102195055A

CN102195055A - 在满足排放限制同时用于最大化泄放速度的在线阳极压力偏置

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Publication number: CN102195055A
Application number: CN2011100869901A
Authority: CN
Inventors: M·辛哈; S·E·莱尔纳; P·弗罗斯特; V·W·罗根; B·拉克什马南
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: US8771895B2; DE102011009670A1; CN102195055B; DE102011009670B4; US20110189573A1

Abstract

本发明涉及在满足排放限制同时用于最大化泄放速度的在线阳极压力偏置。一种方法采用基于废气线道中所存在的气流来确定最大阳极压力设定点的基于模型的方法。在满足氢气排放限制同时，该方法在泄放事件期间最大化了阳极流动通道速率，这继而增加了从阳极流动通道清除的水的量从而增加了电池堆稳定性。

Description

在满足排放限制同时用于最大化泄放速度的在线阳极压力偏置

技术领域

本发明主要涉及一种在保持在氢气排放限制条件以内的同时利用在线阳极压力偏置使燃料电池堆的阳极的泄放速度最大化的方法，并且尤其涉及基于废气线路中所存在的气流确定阳极压力设定点的基于模型的方法。

背景技术

因为清洁且能被用于在燃料电池中高效地产生电能，因此氢气是一种很有吸引力的燃料。氢气燃料电池是包括阳极、阴极以及它们之间的电解质的一种电化学装置。该阳极接收氢气而该阴极接收氧气或空气。氢气在阳极被分解以产生自由质子和电子。质子通过电解质传输到阴极。在阴极质子与氧以及电子反应来产生水。来自于阳极的电子不能通过电解质而传输，因此在被传送到阴极之前被引导通过负载来做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是非常流行的车用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括被细小分切的催化剂颗粒，通常为铂(Pt)，以碳颗粒为载体并与离子聚合物混合。该催化剂混合物被沉积在膜的相对两侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化物化合物以及该膜的组合确定了膜电极组件(MEA)。MEA制造起来相对昂贵且需要特定的条件来操作。

典型地将几个燃料电池结合在燃料电池堆中以产生想要的功率。例如，典型地车用燃料电池堆可具有两百个或者更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，典型地为由压缩机强制通过电池堆的空气流。并非所有的氧气都被电池堆消耗，一些空气被作为阴极废气而输出，其可包括作为电池堆副产品的水。该燃料电池堆也接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢气反应气体。电池堆还包括供冷却流体流过的流动通道。

燃料电池堆包括设置在电池堆中的几个MEA之间的一系列双极板，其中该双极板和MEA被设置在两个端板之间。该双极板包括用于电池堆中邻接的燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上提供阳极气体流动通道，其允许阳极反应气体流向相应的MEA。在双极板的阴极侧上提供阴极气体流动通道，其允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板具有阳极气体流动通道，另一个端板具有阴极气体流动通道。双极板和端板由导电性材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。该端板将燃料电池产生的电能传导到电池堆之外。该双极板还包括供冷却流体流过的流动通道。

该MEA是可渗透的，其中来自阴极侧的空气中的氮气渗透到电池堆的阳极侧并在电池堆的阳极侧收集，在工业中被称为氮气穿越。即使阳极侧的压力可能比阴极侧的压力高，阴极侧的分压也将导致空气通过膜渗透。燃料电池堆的阳极侧中的氮气稀释了氢气使得如果氮气浓度的增加超过一个特定的百分比，例如50％，燃料电池堆将变得不稳定并且可能失效。本领域知道在燃料电池堆的阳极废气输出端设置泄放阀来从电池堆的阳极侧清除氮气。

在电池堆的工作期间可应用算法对阳极废气中的氮气浓度提供在线评估以确定何时触发阳极废气泄放。根据从阴极侧到阳极侧的渗透速率以及阳极废气的周期性泄放，该算法可在电池堆的阳极侧中随着时间的流逝来追踪氮气浓度。当该算法计算出氮气浓度的增加超出了一个预定的阈值，例如10％，其可以触发泄放。该泄放被典型地执行这样的持续时间，其允许多个电池堆阳极容积被泄放，因此将氮气浓度减小到阈值以下。

燃料电池内部的膜需要具有特定的相对湿度以使得穿过膜的离子阻抗足够的低以有效地传导质子。该加湿可来自于电池堆的副产品水或外界的加湿。通过阳极气体流动通道的氢气流对于膜具有干燥作用，在氢气气流的进气口最为显著。然而，在阳极气体流动通道内部的来自于膜的相对湿度和副产品水的水滴的积累阻止了氢气流过这里，并因为低反应气流而导致电池失效，因此影响了电池堆的稳定性。在低电池堆输出负载下反应气体流动通道中的水的积累特别地棘手。阳极氮气的泄放，除了清除了过量的氮气之外，还帮助减小了反应气体流动通道中的水的积累。

一个已知的阳极废气泄放控制算法根据一个固定的时间确定泄放的持续时间。典型地，该泄放持续时间和泄放频率对于电池堆的不同电流密度范围进行确定，但是在整个电池堆的寿命上其为固定的值。在阳极的泄放事件期间，流向废气的氢气气流速率以及在阳极气体流动通道中引起的速度是跨越泄放阀的压降的函数。为了确保预定的氢气排放限制不被侵犯，例如4％的总摩尔氢气流，假定为额定空气流，使用查找表(LUT)根据电池堆电流密度预先确定阳极压力。

使用查找表的问题为在特定的工作状态下，例如低功率工作，该方法没有考虑旁通电池堆的空气流，并且因此，提供了与要满足氢气排放限制所必须的阳极通道气流速率相比较低的阳极通道气流速率。因为阳极通道速率越大，从阳极流动通道清除的水的量也越大，所以期望在不侵犯氢气排放限制的条件下利用可能的最高阳极通道气流速率。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种方法，其采用基于模型的方法来基于废气线路中所存在的气流来确定最大阳极压力设定点。该方法在满足氢气排放限制的同时最大化在泄放事件期间阳极流动通道速率，这继而增加了从阳极流动通道中清除的水量以增加电池堆的稳定性。

结合附图，通过下面的描述以及所递交的权利要求，本发明附加的特征将变得明白。

附图说明

图1为包括在满足氢气排放限制同时用于实施在线阳极压力偏置以最大化泄放速率的部件的燃料电池系统的示意性方块框图；

图2为泄放到排放(BTE)算法的示意性方块框图；以及

图3为说明使用图2所示的算法的阳极流动通道速率的效果和影响的曲线图。

具体实施方式

下面关于本发明实施方案的论述涉及在满足氢气排放限制同时确定阳极压力偏置以最大化阳极泄放速率的方法，这些论述实质上仅仅是示例性的，而决不用于限制本发明或它的应用或使用。

图1为包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的方块框图。该燃料电池系统10包括通过阴极输入线道16向电池堆12的阴极侧提供阴极气体的压缩机14。阴极废气通过阴极废气线道18从燃料电池堆12输出。通过线道18中的压力传感器32测量阴极废气压力。围绕着燃料电池堆12设置了旁路线道20并且线道20中的旁路阀22可以打开以使得来自压缩机14的气体可以绕过燃料电池堆12的阴极侧。通过阳极输入线道26从氢气源24向燃料电池堆12的阳极侧提供氢气燃料。在当泄放阀30被打开以使阳极废气流向线道18时的阳极泄放期间，通过线道28阳极废气被从燃料电池堆12中输出。该阳极废气因此与空气混合从而稀释了其中的氢气。

在特定的条件下，例如当燃料电池系统10进入待机模式或闲置模式时，旁路阀22被打开使得来自压缩机14的阴极气体在低压力下在燃料电池堆12周围转向阴极废气线道18。这使得压缩机14可在无需向电池堆12提供阴极气体的条件下以最低速率工作，该阴极气体在低的电池堆电流密度下是不必要的并且会在电池膜上导致干燥效应。在比在电池堆12的阴极侧上正导入的压缩机气体的压力高的设定点下向电池堆12的阳极侧提供氢气，使得阳极侧压力高于阴极侧压力。

代替使用基于电池堆电流密度的查找表，假定为额定气流，以确保阳极废气速率不提供可能超过氢气排放限制的氢气量，该系统10采用基于模型的方法基于废气线道18中存在的气流来确定并最大化阳极压力设置点，和因此确定在泄放期间阳极通道流动速率。通过最大化泄放速率，该系统10能提高阳极流动通道的水的消除，尤其是在长期的低功率工作期间。

在一个非限制性的实施方案中，使用最大泄放流和干燥阴极废气气流的总摩尔气流来计算阳极-阴极压力差的设定点，以满足期望的排放目标。该泄放到排放(BTE)算法首先着眼于阴极气流并以下式评估氢气的流率yH^2exh以确保不超过最大排放：

y_{H 2}^{exh} = \frac{y H_{2} . \overset{\cdot}{n} H_{2}}{{\overset{\cdot}{n}}_{Air} + y H_{2} . \overset{\cdot}{n} H_{2}} \leq y_{H 2}^{exh_desired} - - - (1)

其中，y_H2 ^exh_desired为所期望的排放，其为4.0％摩尔流率或更小，y_H2为阳极中的氢气浓度，为废气线道18中的摩尔流率。求解方程(1)用于确定阳极泄放流率

接下来，限流孔流动模型被用于泄放阀30以评估提供泄放流率

所需的阳极压力。该限流孔流动模型被定义为：

k_{v} = 4.633 \cdot n \cdot \sqrt{\frac{{MW}_{n} \cdot T}{(p_{1}^{2} - p_{2}^{2})}} - - - (2)

其中，k_v为以m³/h为单位的限流孔常数。n为通过该限流孔的摩尔流量，MWn为气体的分子量，p₁为限流孔的进气口处的压力，p₂为限流孔的出气口处的压力，T为限流孔的温度。

方程(2)可改写为方程(3)以求解限流孔的进气口处的压力p₁，其将是阳极压力设定点

在该设定点通过该限流孔的摩尔流量n为泄放流率

阳极压力设定点

定义了提供水清除能力的来自于源24的氢气流。

Δ_{PSP} = \sqrt{p_{2}^{2} + (\frac{4.633 \cdot \overset{\cdot}{n} H_{2}}{k_{v}}) \cdot MWn \cdot T} - p_{2} - - - (3)

图2为示出了上述的BTE算法的执行的系统50的方框图。该系统50在方框52处进行泄放确定，其被发送到阳极清除需求方框54。方框54中的阳极清除需求提供了气流命令信号，该气流命令信号确定对于特定的电池堆电流密度，多少量的来自于压缩机14的压缩机空气将通过线道20上的旁路阀22绕过电池堆12，以及多少量的来自于压缩机14的阴极空气在阴极输入线道16上将被发送到电池堆12。来自于清除需求方框64的气流命令信号和基于来自于方框66的基于阴极化学当量的气流设定点命令被发送到比较器58，其决定哪个命令在阴极排气线道18上提供最多的阴极空气。所选定的阴极空气的最大量从比较器58中被输出作为废气线道18中的气流，其要么被测量要么被评估，作为可获得多少量的稀释气体以稀释阳极废气线道28中的氢气的指示。

废气线道18中的气流接着被发送到反向的排放计算方框60，连同在方框62中的阳极排气中所需氢气最大量，来计算泄放流率

其确定对于废气线道18中的空气量的泄放流率。该泄放流率信号

接着被发送到反向阀模型计算方框64，其连同来自于压力传感器32的压力信号来获得阳极压力设定点

其确定对于合适的气流通过阳极流动通道，多少氢气能被发送到电池堆12。

在一个非限制性的实施方案中，如果期望较高的阳极速率或者违背最小压力偏置，所提出的BTE算法还考虑增加绕过池堆12的气流。例如，如果电池堆12在长期的闲置期间以低的功率工作，可能期望增加阳极通道速率以增加在每个排气周期期间阳极的水清除量。阳极清除需求54可以是根据阳极的水积累的模型或探索式模型。如果需要阳极清除，那么气流恰好在泄放之前将增加并且在泄放之后减小回到额定的流量。

在另一个非限制性的实施方案中，所提出的BTE算法能提高燃料电池系统的冷启动能力。在冷启动期间，低温导致电池堆产生水凝结，其中阴极以一个高的阴极气流工作以从阴极流动通道中清除水。该凝结的水迁移到阳极并可能导致电池不稳定。该BTE算法利用电池堆12的阴极侧的过量空气在阳极泄放期间最大化泄放速率以在泄放期间提高电池堆的稳定性。

图3为横轴为电流密度纵轴为阳极通道速率的曲线图。上面的曲线代表了使用本发明的基于模型的方法所达到的阳极流动通道的速率，下面的曲线代表使用查找表方法所达到的阳极流动通道的速率。该曲线图说明了使用基于模型的方法，在低功率下能容忍高得多的阳极通道速率而不会违背排放。这有利于增加阳极通道速率至最高的可容忍极限，因为速率的增加帮助迫使水从阳极流动通道去除。

上面的说明仅仅公开和描述了本发明的示范性实施方案。本领域技术人员从这些说明以及从附图和权利要求将很容易理解在不脱离下面的权利要求所定义的本发明的精神和范围下能够做出的各种变化、修改及变型。

Claims

1.一种确定从燃料电池堆的阳极侧通过阳极泄放阀的阳极废气的流率的方法，所述方法包括：

基于从燃料电池堆输出的阴极中的空气量，评估将阳极废气中的氢气浓度保持在预定的百分比以下的通过泄放阀的阳极废气的泄放流率；

使用用于泄放阀的阀限流孔模型来评估供应所评估的泄放流率所需的阳极侧压力设定点；以及

向燃料电池堆的阳极侧提供保持阳极侧压力设定点的氢气。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该预定的氢气浓度为小于4％。

3.根据权利要求2所述的方法，其中该预定的氢气浓度为约2.5％。

4.根据权利要求1所述的方法，其中评估泄放流率包括使用方程：

y_{H 2}^{exh} = \frac{y H_{2} . \overset{\cdot}{n} H_{2}}{{\overset{\cdot}{n}}_{Air} + y H_{2} . \overset{\cdot}{n} H_{2}} \leq y_{H 2}^{exh_desired}

其中，y_H2 ^exh_desired为预定的氢气浓度，y_H2 ^exh为氢气的流率，y_H2为阳极的氢气浓度，

为阴极输出中空气的摩尔流率，

为泄放流率。

5.根据权利要求4所述的方法，其中该阀限流孔模型定义为：

k_{v} = 4.633 \cdot n \cdot \sqrt{\frac{{MW}_{n} \cdot T}{(p_{1}^{2} - p_{2}^{2})}}

其中，k_v为限流孔常数，n为通过该限流孔的摩尔流量，MWn为气体的分子量，p₁为限流孔的进气口处的压力，p₂为限流孔的出气口处的压力，T为限流孔的温度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中阳极侧的压力设定点通过改写阀限流孔模型被确定为：

其中压力设定点Δ_PSP为限流孔的入口处压力p₁，通过该限流孔的摩尔流量n为泄放流率

7.根据权利要求1所述的方法，其中压缩机空气的一部分绕过燃料电池堆并被直接发送到阴极输出以与阳极废气混合。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在冷状态期间使用来自于燃料电池堆的阴极侧的过量空气流以在阳极废气泄放期间最大化泄放流率以提高电池堆的稳定性。

9.一种确定来自于燃料电池堆的阳极侧的阳极废气的气流的方法，所述方法包括：

从压缩机向燃料电池堆的阴极侧提供空气；

使来自压缩机的部分空气绕过燃料电池堆；

确定多少阳极废气能从燃料电池堆输出并与通过和绕过该电池堆的总压缩机空气混合，这些阳极废气保持混合后的阳极废气和空气中氢气的量低于预定的氢气浓度；以及

向燃料电池堆的阳极侧提供氢气，这些氢气对于所确定的阳极废气量保持阳极侧压力设定点。

10.根据权利要求9的方法，其中确定多少阳极废气能从燃料电池堆输出包括评估通过泄放阀的阳极废气的泄放流率。

11.根据权利要求10的方法，其中确定多少阳极废气能从燃料电池堆输出包括使用用于泄放阀的阀限流孔模型作为以确定供应所评估的泄放流率所需的阳极侧压力设定点。

12.根据权利要求11所述的方法，其中评估泄放流率包括使用方程：

y_{H 2}^{exh} = \frac{y H_{2} . \overset{\cdot}{n} H_{2}}{{\overset{\cdot}{n}}_{Air} + y H_{2} . \overset{\cdot}{n} H_{2}} \leq y_{H 2}^{exh_desired}

其中，y_H2 ^exh_desired为预定的氢气浓度，y_H2 ^exh为氢气流率，y_H2为阳极的氢气浓度，

为阴极输出中空气的摩尔流率，

为泄放流率。

13.根据权利要求12所述的方法，其中该阀限流孔模型定义为：

k_{v} = 4.633 \cdot n \cdot \sqrt{\frac{{MW}_{n} \cdot T}{(p_{1}^{2} - p_{2}^{2})}}

14.根据权利要求13所述的方法，其中阳极侧的压力设定点通过改写阀限流孔模型被确定为：

Δ_{PSP} = \sqrt{p_{2}^{2} + (\frac{4.633 \cdot \overset{\cdot}{n} H_{2}}{k_{v}}) \cdot MWn \cdot T} - p_{2}

15.根据权利要求9所述的方法，其中该预定的氢气浓度为小于4％。

16.一种确定从燃料电池堆的阳极侧通过阳极泄放阀的阳极废气的流率的系统，所述系统包括：

基于从燃料电池堆输出的阴极中的空气量，评估将阳极废气中的氢气浓度保持在预定的百分比以下的通过泄放阀的阳极废气的泄放流率的装置；

使用用于泄放阀的阀限流孔模型来评估供应所评估的泄放流率所需的阳极侧压力设定点的装置；以及

向燃料电池堆的阳极侧提供保持阳极侧压力设定点的氢气的装置。

17.根据权利要求16所述的系统，其中评估泄放流率的装置使用方程：

y_{H 2}^{exh} = \frac{y H_{2} . \overset{\cdot}{n} H_{2}}{{\overset{\cdot}{n}}_{Air} + y H_{2} . \overset{\cdot}{n} H_{2}} \leq y_{H 2}^{exh_desired}

为阴极输出中空气的摩尔流率，

为泄放流率。

18.根据权利要求17所述的系统，其中该阀限流孔模型定义为：

k_{v} = 4.633 \cdot n \cdot \sqrt{\frac{{MW}_{n} \cdot T}{(p_{1}^{2} - p_{2}^{2})}}

19.根据权利要求18所述的系统，其中向燃料电池堆的阳极侧提供氢气的装置通过将阀限流孔模型改写如下来确定阳极侧压力设定点：

Δ_{PSP} = \sqrt{p_{2}^{2} + (\frac{4.633 \cdot \overset{\cdot}{n} H_{2}}{k_{v}}) \cdot MWn \cdot T} - p_{2}

20.根据权利要求16的系统，进一步包括提供阴极空气的压缩机，其中压缩机空气的一部分绕过燃料电池堆并被直接发送到阴极输出以与阳极废气混合。