[发明专利]利用效率方法为燃料电池膜湿润装置建模

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种应用效率方法为燃料电池堆湿润装置的性能建模的方法，更特别地，涉及一种应用效率方法为燃料电池堆湿润装置的性能建模以确定被湿润装置传输的水的量从而提供湿润装置控制和/或设计的方法。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它清洁，且能够在燃料电池中有效率地产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及它们之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极侧催化剂中分解产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极侧催化剂中与氧和电子发生反应产生水。阳极的电子不能穿过电解质，因此它们在被送到阴极之前被引导穿过负载而进行工作。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种很普遍的车辆用燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极电极(催化剂层)通常包括细碎的催化颗粒，通常为铂(Pt)，催化颗粒被支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合。催化混合物沉积在薄膜的相对两侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物以及膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。每一个MEA通常被夹在两个多孔材料板之间，气体扩散层(GDL)，其保护膜的机械完整性，以及利于均匀的反应物和湿度分布。MEA制造相对比较昂贵，并且有效的工作需要一定的湿度条件。

在燃料电池堆中数个燃料电池通常被组合在一起，用以产生想要的电能。例如，车辆用的典型燃料电池堆可具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是由压缩机强制通过堆的空气流。不是所有的氧都被堆所消耗，一些空气被作为阴极排出气而输出，阴极排出气可能包括作为反应副产物的水。燃料电池堆也接收阳极氢反应气体，该气体流入堆的阳极侧。堆也包括冷却流体流经的流动通道。

燃料电池堆包括一系列双极板(隔离体)，其安置在堆中的几个MEA之间，其中双极板和MEA安置在两个端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧流分配器(流场)。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧，允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧，允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电传导到堆外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。

燃料电池内的膜需要具有一定的水含量，使得穿过该膜的离子阻抗足够的低以有效地传导质子。这种湿润可来源于堆的水副产品或外部的湿润。穿过气体流动通道的反应物流对膜具有干燥作用，在流的入口最显著。但是，在气体流动通道中水滴的积累能够防止反应物从其流过，并且由于低的反应气体流量而引起电池的失效，从而影响堆的稳定性。在反应气体流动通道中水的积累，以及气体扩散介质之内的水的积累，在低的堆输出负载下是特别麻烦的。

如上面所提及的，水是堆运行过程中产生的副产品。因此，来自堆的阴极排出气体将包括水蒸汽以及可能的液体水。在本领域中所知道的是，使用水蒸汽转移(WVT)单元来捕捉阴极排出气体中的一些水，并且使用该水去湿润阴极输入空气流。在膜的一侧在阴极排出气体中的水被膜吸收并转移到在膜的另一侧的阴极空气流。

在燃料电池系统运行中，期望提供给电池膜一定量的水含量而使它们不是太湿或太干燥。具有太湿膜的堆在低电流密度下可能具有不稳定的问题。太湿的膜可能在低温环境下引起问题，在低温环境下燃料电池堆中水的冻结可产生冰，冰会阻挡流动通道并影响系统的重新启动。太干燥的膜可能具有太低的质子传导性，从而导致较低的堆电压和性能。另外，太干燥的膜在下一次系统重新启动时会影响重新启动性能，以及可能减小堆的耐久性。因此，在本领域中有必要提供一种方法来保持燃料电池膜在一定的湿润水平下，不是太湿也不太干燥。而且，开发一种不使用昂贵的相对湿度(RH)传感器就能估算燃料电池膜的湿润水平并且使得能够方便容易地看到膜湿润器性能(即WVT单元或相似装置的性能)的物理重要性的方法，将是有用的。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种应用基于模型的方法来确定在燃料电池系统的水蒸汽转移单元中的水转移的方法。该方法包括：确定流过水蒸汽转移单元的湿润气流和干燥气流的容量比；确定水蒸汽转移单元中质量转移单元的数量；对于给定的水蒸汽转移单元的容量比和质量转移单元数量，估算质量转移效率值；以及使用该质量转移效率值、干燥气流和湿润气流在干燥基础上的质量流率、以及干燥进入气流和湿润进入气流的水的质量流率来确定在水蒸汽转移单元中被转移的水的量。

本申请进一步提供了下面的解决方案：