[发明专利]根据HFR测量值的燃料电池湿度在线系统确认和控制

说明书

技术领域

本公开内容涉及燃料电池系统，而且更具体地涉及一种燃料电池堆水化测量系统和用于测量燃料电池堆在操作时的水化的方法。 

背景技术

燃料电池已被认为是一种清洁、高效且无害于环境的能源，用于电力车辆和各种其他应用。特别地，燃料电池已被确认是一种用于当前车辆中的传统内燃机的潜在替代物。一种已知的燃料电池为质子交换膜(PEM)燃料电池。独立燃料电池可串联堆叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池堆能够供应足以为车辆供电的电量。 

在现有技术中公知的是，燃料电池堆内的膜必须具有特定的相对湿度(RH)以实现高效性能。经常采取措施将膜的水化保持在所希望的范围内以优化膜上的质子传导。例如，在美国专利No.6,376,111中，控制器利用反馈以控制燃料电池组件的湿度，在此以参见的方式引入其全部内容。加湿器或者水汽传送(WVT)装置常用于为提供到燃料电池堆的入口反应物气体加湿。基于通过冷却剂温度测量的RH与燃料电池温度之间联系的热控措施，也已经用于控制膜的水化。其他燃料电池参数，例如化学计量和压力，已知进一步影响燃料电池湿度。 

在现有技术中，燃料电池系统中的湿度水平已经响应于各种反馈指示物进行控制，所述指示物包括：入口RH、出口RH、温度、压力、流速和电流测量值。不过，用于测量这些指示物的典型传感器经常呈现出漂移并可能不可靠。特别是相对湿度传感器，由于传感器多次暴露于液态水所致的侵蚀和膨胀而在燃料电池应用中的用途有限。因此，传统传感器已经不适合在燃料电池系统中的湿度反馈控制中有效使用。 

高频电阻(HFR)以前已作为离线实验室诊断技术用于间接测量燃料电池中的MEA水化。典型的HFR传感器基于高频波纹电流(ripplecurrent)而测量燃料电池的AC电阻。HFR对于RH变化特别敏感。不过， HFR也对于其他燃料电池条件高度敏感，例如总体膜电阻、板电阻和接触电阻的个体差异。绝对HFR测量值对于接触电阻的变化特别敏感。由于在操作过程中部分由于膜的膨胀和收缩所致的压缩力变化使得燃料电池堆的接触电阻变化，因此，在此之前，在操作燃料电池堆的在线水化测量中不能采用绝对HFR测量值。 

[0006]仍然需要一种用于可靠测量燃料电池堆在操作中湿度的在线系统和方法。所希望的是，所述在线系统和方法采用HFR测量值，以监控和反馈控制燃料电池堆湿度。 

发明内容

相应地在本公开内容中，令人惊讶地发现了一种在线系统和方法，其采用HFR测量值以可靠监控和控制燃料电池堆在操作中的湿度。 

在一个实施例中，燃料电池系统包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆。每一燃料电池具有设置在阳极与阴极之间的电解质膜。燃料电池系统进一步包括与燃料电池堆电连通的HFR测量装置。该HFR测量装置适于测量燃料电池堆的HFR，该HFR适合于计算d(HFR)/d(RH)比率。湿度调节器与燃料电池堆流体连通并适于将燃料电池堆的RH调节到所希望的范围内。控制器也与HFR测量装置和湿度调节器电连通。该控制器适于响应于d(HFR)/d(RH)比率而控制湿度调节器。 

在另一实施例中，一种在线确认燃料电池堆湿度水平的方法包括以下步骤：将反应物流供应到燃料电池堆，并在反应物流中引入扰动。所述扰动适于提供燃料电池堆的RH瞬时偏差。在扰动过程中测量燃料电池堆的HFR。根据测量到的HFR和燃料电池堆的RH瞬时偏差计算d(HFR)/d(RH)比率。将d(HFR)/d(RH)比率关联到数学模型中，以确认燃料电池堆的RH。 

在进一步的实施例中，所述方法包括以下步骤：响应于d(HFR)/d(RH)比率而控制燃料电池堆的湿度水平。燃料电池堆的RH由此保持在所希望的范围内。 

附图说明

本公开内容的以上以及其他优点，根据以下详细描述特别是结合以下描述的附图，对于本领域技术人员而言将变得显而易见。 

图1是现有技术的示例性燃料电池的侧截面图，此燃料电池组装 在与本公开内容的在线加湿确认系统和方法一起使用的燃料电池堆中； 

图2是根据本公开内容的实施例的在线加湿确认和控制系统的示意图； 

图3是图示出具有大致相同操作状况的不同燃料电池堆的示例性绝对HFR测量值的图线； 

图4是图示出在典型操作周期中的燃料电池堆的示例性绝对HFR测量值的图线； 

图5是图示出在典型操作温度范围内的燃料电池堆的示例性绝对HFR测量值的图线； 

图6是图示出在正常操作状况下燃料电池堆的示例性RH扰动和对绝对HFR测量值的影响；和