[发明专利]燃料电池体系结构、监测系统及用于表征燃料电池堆中流体流的控制逻辑

说明书

公开了燃料电池体系结构、燃料电池堆监测系统以及用于检测燃料电池堆中的流体性质变化的控制逻辑。公开了一种用于检测燃料电池系统中的流体的流性质变化的方法。该方法包括：例如通过系统分析或访问查找表来确定燃料电池系统的电压变化与流体的流性质之间的相关性；以及从电压‑性质相关性确定与流体的性质变化对应的校准电压降。该方法监测系统电压(例如，在稳定状态下操作的燃料电池堆的移动平均电压)，以及例如当阳极排出阀打开时检测系统电压中的电压大小变化。响应于电压大小变化大于校准电压降，生成指示检测到流性质变化的信号。

引言

本公开通常涉及用于将气态氢基燃料转化为电力的燃料电池系统。更具体地，本公开的各方面涉及监测系统和用于表征从燃料电池堆的阳极体积到阴极体积的流体流的相关控制算法。

目前生产的机动车辆(诸如现代汽车)初始就配备有动力系，该动力系操作以推进车辆并为车载电子设备供电。包含并且常常被误分类为车辆传动系的动力系通常包括原动机，该原动机通过多速动力变速器向车辆的最终驱动系统(例如，差速器、车轴和车轮)传递驱动动力。汽车通常由往复活塞式内燃机(ICE)提供动力，这是因为其立即可用性和相对便宜的成本、重量轻以及整体效率。作为一些非限制性示例，这种发动机包括两冲程和四冲程压缩点火(CI)柴油机、四冲程火花点火(SI)汽油机、六冲程体系结构和旋转式发动机。另一方面，混合动力车辆和电动车辆利用诸如电动发电机的替代动力源来推进车辆并且最小化对发动机的动力依赖并因此提高整体燃料经济性。

混合动力电动和全电动车辆动力系采取各种体系结构，其中一些利用燃料电池系统为一个或多个电动牵引电机提供动力。燃料电池是通常由接收氢气(H₂)的阳极、接收氧气(O₂)的阴极以及介于阳极与阴极之间的电解质构成的电化学设备。引发电化学反应以在阳极处氧化氢分子以产生自由质子(H+)，然后自由质子穿过电解质以便在阴极处用氧化剂(诸如氧气)还原。具体地，氢气在阳极催化剂层中在氧化半电池反应中被催化分裂，产生自由氢质子和电子。这些氢质子穿过电解质到阴极，在阴极处氢质子与阴极中的氧和电子反应生成水。然而，来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在被传送到阴极之前通过诸如电机或电池的负载被重新导向。

汽车应用中通常采用的燃料电池设计利用固体聚合物电解质膜(PEM)(也称为“质子交换膜”(PEM))在阳极与阴极之间提供离子传输。质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常采用固体聚合物电解质(SPE)质子传导膜(诸如全氟磺酸膜)来分离产物气体并除了传导质子之外还提供电极的电绝缘。阳极和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的非常分散的催化颗粒，诸如铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的侧面上以形成阳极催化层和阴极催化层。阳极催化层、阴极催化层和电解质膜的组合限定了膜电极组件(MEA)，在该膜电极组件中，阳极催化剂和阴极催化剂被支撑在离子传导固体聚合物膜的相对面上。

为了产生用于为机动车辆供电所需的电力，通常将多个燃料电池串联或并联地组合成燃料电池堆以实现更高的输出电压并允许更强的电流消耗。例如，用于汽车的典型燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。这些燃料电池堆接收反应气体作为阴极输入，通常作为环境空气流或由压缩机强制通过所述堆的浓缩气态氧流。在正常操作期间，所述堆消耗不定量的氧气；一些剩余氧气作为阴极排出气体输出，其可能包括水作为堆的副产物。燃料电池堆还接收氢气或富含氢气的反应气体作为流入所述堆的阳极侧的阳极输入。氢气在阳极流道内的分布通常基本上保持恒定以用于适当的燃料电池堆操作。在一些操作模式中，将补充氢气供给到燃料电池堆中，使得阳极气体均匀地分布以实现堆输出负载。然而，由于这种额外的氢气输入，阳极排出物中的氢气量可能会增加，这可能导致系统效率降低。