CN104051756A - 在功率暂时下降期间通过使用所存储的阴极氧气来提高燃料电池系统的总体效率 - Google Patents
在功率暂时下降期间通过使用所存储的阴极氧气来提高燃料电池系统的总体效率 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于利用在燃料电池系统的阴极管中的加压体积氧气的系统和方法。所述系统和方法包括计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡。所述系统和方法还包括使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量，并且使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔来从燃料电池组引出电流。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种用于使用存储的阴极氧气来提高燃料电池系统总体效率的系统和方法，并且更加特别地，涉及一种系统和方法，其用于利用在燃料电池系统的阴极管中可获得的加压体积氧气来产生被提供给燃料电池系统部件的能量。
背景技术
氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为它洁净并且能够用于在燃料电池中高效地生产电力。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括在其间具有电解质的阳极和阴极。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂中离解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂处与氧气和电子发生反应而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此在被发送到阴极之前被引导通过负载以做功。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC总体上包括固态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（但非总是）包括精细分割的催化粒子，通常为高活性催化剂（例如铂（Pt）），其被支撑在碳粒子上并与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合定义了一种膜电极组件（MEA）。MEA制造起来相对昂贵并且需要一定的条件来高效运行。
通常，多个燃料电池组合在燃料电池组中以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池组可以具有两百或更多个成组的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体（典型地，通过压缩机迫使通过电池组的空气流）。并非所有的氧气都被电池组消耗，并且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可以包括作为电池组副产品的水。燃料电池组还接收流入电池组阳极侧中的阳极氢输入气体。
燃料电池组包括定位在电池组中的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于电池组中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气流通道设置在双极板的阴极侧上，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，并且另一个端板包括阴极气流通道。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传导到电池组之外。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。
对燃料电池组阴极侧适当的空气流的测量以及控制对于燃料电池系统的运行是关键的。如果传递到电池组的空气太多，能量被浪费掉，并且电池组中的燃料电池可能变得太干燥，从而影响燃料电池的耐用性。传递到电池组的空气太少会因为氧气饥饿而导致燃料电池不稳定。因此，燃料电池系统通常在阴极输入线路或阴极输出线路中采用空气流计，从而为燃料电池组提供空气流的准确测量。如果空气流计失效，通常有必要关闭燃料电池系统，因为不以足够的准确度得知传递到燃料电池组的空气的量，可能对系统部件具有不利影响。
在燃料电池系统功率暂时下降期间，电池组电流通常骤然减少，从而留下未反应的加压氧气在阴极管体积中可获得，因为阴极管中的压力不立即下降。通常，加压氧气释放出背压控制阀并被浪费掉。因此，本领域中需要一种方法以利用在阴极管中可获得的加压氧气，以便从加压氧气中产生能量，而不是简单地将氧气释放并浪费掉。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于利用在燃料电池系统阴极管中的加压体积氧气的系统和方法，其包括计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡。所述系统和方法还包括使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量，并且使用对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔来从燃料电池组中引出电流。
本发明还包括如下方案：
1. 一种用于利用在包括燃料电池组的燃料电池系统的阴极管中的加压体积氧气的方法，所述方法包括：
计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡；
使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量；以及
使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔来从燃料电池组引出电流。
2. 根据方案1所述的方法，其中，计算空气/氧气平衡包括在燃料电池组功率暂时下降开始时计算空气/氧气平衡。
3. 根据方案1所述的方法，还包括基于所确定的对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量来确定最大电流引出。
4. 根据方案1所述的方法，其中，计算空气/氧气平衡包括基于流入燃料电池组中的氧气和流出燃料电池组的氧气来计算空气/氧气平衡。
5. 根据方案1所述的方法，还包括在使用可获得的氧气摩尔从燃料电池组引出电流时，监控燃料电池组的电压。
6. 根据方案5所述的方法，还包括如果燃料电池组的电压下降到预定阈值以下，将使用可获得的氧气摩尔从燃料电池组引出电流结束。
7. 根据方案5所述的方法，还包括如果燃料电池组的电压没有下降到预定阈值以下，重新计算空气/氧气平衡，并且基于所确定的对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量来从燃料电池组引出新的电流。
8. 一种用于利用在包括燃料电池组的燃料电池系统的阴极管中的加压体积氧气的方法，所述方法包括：
在燃料电池组功率暂时下降开始时计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡；
使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的第一数量；
使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的第一数量来从燃料电池组引出第一电流；
在引出第一电流完成之后，重新计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡；
使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的下一数量；以及
使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的下一数量来从燃料电池组引出下一电流。
9. 根据方案8所述的方法，还包括当所确定的对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量大约为零时，使电流停止从燃料电池组引出。
10. 根据方案8所述的方法，还包括基于所确定的对于燃料电池化学反应可获得的的氧气摩尔的数量来确定最大电流引出。
11. 根据方案10所述的方法，其中，所述最大电流引出包括安全富余。
12. 根据方案8所述的方法，还包括在使用可获得的氧气摩尔从燃料电池组引出电流时，监控燃料电池组的电压。
13. 根据方案12所述的方法，还包括如果燃料电池组的电压下降到预定阈值以下，将使用可获得的氧气摩尔从燃料电池组引出电流结束。
14. 一种用于利用在包括燃料电池组的燃料电池系统的阴极管中的加压体积氧气的系统，所述系统包括：
控制器，其被编程以履行如下的：
用于计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡的装置；
用于使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量的装置；以及
用于使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔来从燃料电池组引出电流从而为蓄电池充电的装置。
15. 根据方案14所述的系统，其中，用于计算空气/氧气平衡的装置在燃料电池组功率暂时下降开始时计算空气/氧气平衡。
16. 根据方案14所述的系统，还包括用于基于所确定的对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量来确定最大电流引出的装置。
17. 根据方案14所述的系统，其中，用于计算空气/氧气平衡的装置基于流入燃料电池组中的氧气和流出燃料电池组的氧气来计算空气/氧气平衡。
18. 根据方案14所述的系统，还包括用于在使用可获得的氧气摩尔从燃料电池组引出电流时，监控燃料电池组的电压的装置。
19. 根据方案18所述的系统，还包括用于如果燃料电池组的电压没有下降到预定阈值以下，重新计算空气/氧气平衡，并且基于所确定的对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量来从燃料电池组引出新的电流的装置。
结合附图，本发明的另外特征将根据以下的描述和所附权利要求变得明显。
附图说明
图1是燃料电池系统的示意性框图；以及
图2是流程图，其示出了用于利用在燃料电池系统的阴极管体积中可获得的加压体积氧气的操作。
具体实施方式
本发明实施例的以下讨论，致力于一种使用所存储的阴极氧气来提高燃料电池系统的总体效率的系统和方法，其在本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。
图1是包括燃料电池组12的燃料电池系统10的示意性框图。压缩机16通过将阴极输入空气增湿的水汽输送（WVT）单元18而在阴极输入线路14上将空气流提供到燃料电池组12的阴极侧。WVT单元18是一种类型的可应用增湿装置，其中，其它类型的增湿装置（例如焓（enthalpy）轮、蒸发器等）对于将阴极入口空气增湿可以是可应用的。阴极排气通过背压阀22在阴极排气线路20上从电池组12输出。排气线路20将阴极排出物引导至WVT单元18，以提供湿气来将阴极输入空气增湿。阴极压力传感器24设置在阴极输入线路14上，以测量在电池组12阴极侧上的压力。阴极空气流计26也设置在阴极输入线路14上，以测量到往电池组12阴极侧的空气流。可选地，所述阴极空气流计26可以设置在背压阀22上游的阴极排出线路20上。电压计28测量在电池组12中的燃料电池的平均电池电压以及最小电池电压。
燃料电池组12的阳极侧在阳极输入线路30上从氢气源32接收氢气，并且通过阀36（例如排放阀、泻放阀等）在线路34上提供阳极排气。泵38将冷却流体泵送通过电池组12和在电池组12外部的冷却剂回路40。温度传感器46测量离开电池组12的冷却流体的温度。功率源42（例如蓄电池）被包含以提供通过电池组12的电流。功率源42可以从电池组12接收电流以用于充电之目的。控制器44控制燃料电池系统部件，例如压缩机16和背压阀22。控制器还接收来自阴极压力传感器24、阴极空气流计26和电压计28的输入。控制器44附加地执行其它系统10功能，包括下面详细讨论的算法。
在燃料电池系统10的功率暂时下降期间，电池组电流通常骤然减少。电池组中电流的骤然减少留下未反应的加压氧气在阴极入口线路14、电池组12的阴极侧以及阴极排出线路20（集体地称作阴极管）中可获得。通常，加压氧气释放出背压阀22中并被浪费掉，因为根据已知算法，能够从燃料电池组12引出的最大电流由通过空气入口流量计26的空气流确定。因此，根据已知算法，在确定来自燃料电池组12的最大电流引出时，没有考虑在阴极管中可获得的加压氧气。然而，事实上，在功率暂时下降开始期间，电池组12可能具有大量的加压氧气可获得（由于电池组容量）。
图2是流程图50，其示出了一种过程，所述过程用于利用在功率暂时下降期间在燃料电池系统10的阴极管体积中可获得的加压体积的氧气。如上所述，燃料电池组12可能在功率暂时下降的开始期间包含大量的氧气。因此，所述算法（下面详细描述）动态地考虑电池组的氧气容量，并计算在功率暂时下降期间在电池组12中可获得的积聚氧气。
对于产生功率可获得的氧气的量在燃料电池组12功率暂时下降开始时基于空气平衡和氧气平衡在方框52处计算。在功率暂时下降期间在电池组12内侧的氧气（ ）将对于最大电流可获得，并且被计算为：
其中：
其中，是电池组压力，是电池组12阴极侧的体积，R是气体常数（8.314 J/K·mol），以及是燃料电池组12的冷却剂出口的温度。
对于空气质量平衡，停留在电池组12内侧的空气可以计算为：
其中：
。
在燃料电池化学反应中产生的水假定为水蒸汽。因此，基于化学反应，一摩尔的氧气在反应中被消耗，并且两摩尔的水蒸汽将产生。因此，在反应期间空气净增量是一摩尔，这等于在燃料电池化学反应中消耗的氧气量。停留在电池组12内侧的空气计算为：
。
当术语是在从电池组12出来的空气流中的氧气摩尔分数（其被假定等于停留在电池组12中的氧气摩尔分数）时，所述氧气摩尔分数计算为：
。
通过使用上面给出的公式，在从电池组出来的空气流中的氧气摩尔分数和停留在电池组12中的氧气摩尔分数，可以在方框54处确定。接着，基于的最大电流引出在方框56处确定。所述最大电流引出可以包括安全富余以避免电池组电压崩溃。例如，最大电流引出可以基于在电池组12中所确定的的一半而确定。
一旦在方框56处确定了最大电流引出，在方框58处，算法引出少于所述最大电流引出的预定量的电流达一种时间段。从电池组12中引出的电流是来自使用如上计算的对于燃料电池反应可获得的氧气而产生的电流。当在方框58处电流被引出时，在决定菱形60处算法确定电池组12的电压是否下降到预定阈值以下（如由压力计28测量的）。如果在电流引出期间电压下降到预定阈值以下（如在决定菱形60处所确定的），算法在方框62处结束。
所描述的算法是动态算法。因此，一旦基于在方框52处功率暂时下降开始时的空气/氧气平衡而在方框56处确定了最大电流引出，并且在框58处指定的安培量从燃料电池组12引出，在框64处算法为下个时间步骤而重新计算空气/氧气平衡（如果在决定菱形60处，电池组12的电压没有降低到预定阈值以下）。接着，在方框66处，算法计算对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔。使用来自方框66的信息，算法返回到方框56并且确定最大电流引出，并如上讨论地行进。可以从燃料电池组12引出的示例性电流引出为300安培、计（for）800毫秒。然而，电流引出将取决于所估算的对于燃料电池反应可获得的阴极氧气而变化。
如本领域技术人员将良好理解的，本文所讨论用于描述本发明的多个和各种步骤和过程可以涉及由计算机、处理器或其它电子计算设备（其使用电气现象操纵和/或转换数据）执行的操作。那些计算机和电子设备可以采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括非暂态的计算机可读介质，其具有储存于其上的可执行程序，所述可执行程序包括各种能够被计算机或处理器执行的代码或可执行指令，其中所述存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。
上述讨论仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将容易根据这种讨论并根据附图和权利要求认识到，在不偏离如下面的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，能够在其中做出各种改变、修改和变型。
Claims (10)
1. 一种用于利用在包括燃料电池组的燃料电池系统的阴极管中的加压体积氧气的方法，所述方法包括：
计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡；
使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量；以及
使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔来从燃料电池组引出电流。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，计算空气/氧气平衡包括在燃料电池组功率暂时下降开始时计算空气/氧气平衡。
3. 根据权利要求1所述的方法，还包括基于所确定的对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量来确定最大电流引出。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，计算空气/氧气平衡包括基于流入燃料电池组中的氧气和流出燃料电池组的氧气来计算空气/氧气平衡。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括在使用可获得的氧气摩尔从燃料电池组引出电流时，监控燃料电池组的电压。
6. 根据权利要求5所述的方法，还包括如果燃料电池组的电压下降到预定阈值以下，将使用可获得的氧气摩尔从燃料电池组引出电流结束。
7. 根据权利要求5所述的方法，还包括如果燃料电池组的电压没有下降到预定阈值以下，重新计算空气/氧气平衡，并且基于所确定的对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量来从燃料电池组引出新的电流。
8. 一种用于利用在包括燃料电池组的燃料电池系统的阴极管中的加压体积氧气的方法，所述方法包括：
在燃料电池组功率暂时下降开始时计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡；
使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的第一数量；
使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的第一数量来从燃料电池组引出第一电流；
在引出第一电流完成之后，重新计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡；
使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的下一数量；以及
使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的下一数量来从燃料电池组引出下一电流。
9. 根据权利要求8所述的方法，还包括当所确定的对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量大约为零时，使电流停止从燃料电池组引出。
10. 一种用于利用在包括燃料电池组的燃料电池系统的阴极管中的加压体积氧气的系统，所述系统包括：
控制器，其被编程以履行如下的：
用于计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡的装置；
用于使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量的装置；以及
用于使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔来从燃料电池组引出电流从而为蓄电池充电的装置。
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|---|---|---|---|
| US13/844,205 | 2013-03-15 | ||
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115240883A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-10-25 | 大连理工大学 | 一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6306531B1 (en) * | 1999-07-06 | 2001-10-23 | General Motors Corporation | Combustor air flow control method for fuel cell apparatus |
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| CN115240883B (zh) * | 2022-08-02 | 2024-04-12 | 大连理工大学 | 一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法 |
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