[发明专利]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

说明书

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。