[发明专利]基于气体浓度模型的在驻车过程中氢气喷射的反馈控制

说明书

技术领域

本申请总体涉及用于确定何时将氢气喷射到燃料电池组的阳极侧的系统和方法，特别地，涉及当汽车停止时，用于确定何时将氢气喷射到与燃料电池汽车相关的燃料电池组的阳极侧的系统和方法，这里该系统和方法基于氢气浓度模型和相关的喷射器算法确定何时喷射氢气。

背景技术

氢气是非常让人感兴趣的燃料，因为其清洁并且能够用于在燃料电池中高效地产生电能。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及在二者中间的电解质的电化学设备。阳极接收氢气，阴极接收氧气或者空气。氢气在阳极催化剂处分解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反应，产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载以执行做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常用的汽车燃料电池。PEMFC通常包括固态的聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极电极，或者催化剂层，典型地包括细微地分开的催化粒子，通常为铂(Pt)，其被支撑在碳颗粒上并且与离子交联聚合物混合。催化混合物沉积在膜的相对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合，限定出膜电极组件(MEA)。每个MEA通常被夹在两个薄片状的多孔材料，即气体扩散层(GDL)之间，气体扩散层用于保护膜的机械完整性，并且有助于一致的反应物湿度扩散。MEAs的制备相对昂贵，并且其有效操作需要特定的条件。

通常，将若干个燃料电池组合在燃料电池组中，用于产生需要的功率。例如，典型的用于汽车的燃料电池组可能具有两百个或者更多的堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体，通常地为通过压缩机驱动通过电池组的空气流。燃料电池组还接收流入电池组的阳极侧的阳极氢气输入气体。并不是全部的氧气都被电池组消耗掉，一部分空气被作为阴极废气输出，其中可包括作为电池组中发生的化学反应的副产物的水。

燃料电池组包括一系列的位于电池组内的若干个MEAs之间的双极板，其中双极板和MEAs位于两个端部板之间。双极板包括阳极侧和阴极侧流动分配器，或者流动场，用于电池组中相邻的燃料电池。在双极板的阳极侧上提供有阳极气体流动通道，该通道允许阳极反应气体流至相应的MEA。在双极板的阴极侧上提供有阴极气体流动通道，该通道允许阴极反应气体流至相应的MEA。一个端部板包括阳极气体流动通道，另外一个端部板包括阴极气体流动通道。双极板和端部板使用导电材料制备，例如不锈钢，或者导电的复合物。端部板将燃料电池产生的电能传导到电池组外部。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。在汽车应用中，在汽车的整个使用寿命以及燃料电池系统的寿命中，有大量的启动和停止循环，每次循环都会如上文所述产生空气/氢气锋。

一个普通汽车在整个使用寿命中会经历40,000次启动/停止循环。由于空气/氢气锋可能产生的电势，启动和停止循环会损坏燃料电池系统，下文中将进行讨论并且已证实的最优的损坏缓解在每次启动和停止循环仍然会引起大约2到5μV的退化。因此，超过40,000次的启动和停止循环产生的全部的退化可能超过100mV。然而，通过在燃料电池系统关闭时不允许空气进入燃料电池组，在随后的重新启动过程中的损坏就可以减轻或者避免。

当燃料电池系统关闭时，未反应的氢气保留在燃料电池组的阳极侧。这些氢气能够扩散穿过或者越过膜，然后与阴极侧的氧气反应。随着氢气扩散到阴极侧，电池组的阳极侧的总压力就减小了，这里压力有可能减小到低于大气压力。这个压力差能够将空气从大气中吸入到电池组的阳极侧。空气还有可能通过扩散从阴极进入阳极。当空气进入电池组的阳极侧，就会产生空气/氢气锋，空气/氢气锋在阳极侧产生短路，造成氢离子从阳极侧的充满氢气的部分向着阳极侧的充满空气的部分侧向流动。该电流与膜的高的侧向离子电阻结合，产生膜两侧的很大的侧向电压降(～0.5V)。这在与阳极侧的充满空气的区域相对的且与电解质膜相邻的阴极侧之间产生局部的高的电势，该高的电势将驱使快速的碳腐蚀，并且引起电极的碳层变薄。这将削弱对催化剂颗粒的支撑，从而降低燃料电池的性能。