在功率暫時(shí)下降期間通過(guò)使用所存儲(chǔ)的陰極氧氣來(lái)提高燃料電池系統(tǒng)的總體效率的制作方法
【專利摘要】一種用于利用在燃料電池系統(tǒng)的陰極管中的加壓體積氧氣的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)和方法包括計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡。所述系統(tǒng)和方法還包括使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量，并且使用所述對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾來(lái)從燃料電池組引出電流。
【專利說(shuō)明】在功率暫時(shí)下降期間通過(guò)使用所存儲(chǔ)的陰極氧氣來(lái)提高燃料電池系統(tǒng)的總體效率

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種用于使用存儲(chǔ)的陰極氧氣來(lái)提高燃料電池系統(tǒng)總體效率的系統(tǒng)和方法，并且更加特別地，涉及一種系統(tǒng)和方法，其用于利用在燃料電池系統(tǒng)的陰極管中可獲得的加壓體積氧氣來(lái)產(chǎn)生被提供給燃料電池系統(tǒng)部件的能量。

【背景技術(shù)】
[0002]氫氣是一種非常有吸引力的燃料，因?yàn)樗鼭崈舨⑶夷軌蛴糜谠谌剂想姵刂懈咝У厣a(chǎn)電力。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其包括在其間具有電解質(zhì)的陽(yáng)極和陰極。陽(yáng)極接收氫氣并且陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽(yáng)極催化劑中離解以產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰極催化劑處與氧氣和電子發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生水。來(lái)自陽(yáng)極的電子不能穿過(guò)電解質(zhì)，并且因此在被發(fā)送到陰極之前被引導(dǎo)通過(guò)負(fù)載以做功。
[0003]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種用于車輛的受歡迎的燃料電池。PEMFC總體上包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極典型地(但非總是)包括精細(xì)分割的催化粒子，通常為高活性催化劑(例如鉬(Pt))，其被支撐在碳粒子上并與離聚物混合。催化混合物沉積在膜的相對(duì)側(cè)。陽(yáng)極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合定義了一種膜電極組件(MEA)。MEA制造起來(lái)相對(duì)昂貴并且需要一定的條件來(lái)高效運(yùn)行。
[0004]通常，多個(gè)燃料電池組合在燃料電池組中以產(chǎn)生所需的功率。例如，用于車輛的典型的燃料電池組可以具有兩百或更多個(gè)成組的燃料電池。燃料電池組接收陰極輸入氣體(典型地，通過(guò)壓縮機(jī)迫使通過(guò)電池組的空氣流)。并非所有的氧氣都被電池組消耗，并且一些空氣作為陰極排氣被輸出，所述陰極排氣可以包括作為電池組副產(chǎn)品的水。燃料電池組還接收流入電池組陽(yáng)極側(cè)中的陽(yáng)極氫輸入氣體。
[0005]燃料電池組包括定位在電池組中的多個(gè)MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA被定位在兩個(gè)端板之間。雙極板包括用于電池組中相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。陽(yáng)極氣流通道設(shè)置在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上，其允許陽(yáng)極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的MEA。陰極氣流通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，其允許陰極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的MEA。一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣流通道，并且另一個(gè)端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料制成，例如，不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的傳導(dǎo)到電池組之外。雙極板還包括冷卻流體流動(dòng)通過(guò)的流動(dòng)通道。
[0006]對(duì)燃料電池組陰極側(cè)適當(dāng)?shù)目諝饬鞯臏y(cè)量以及控制對(duì)于燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行是關(guān)鍵的。如果傳遞到電池組的空氣太多，能量被浪費(fèi)掉，并且電池組中的燃料電池可能變得太干燥，從而影響燃料電池的耐用性。傳遞到電池組的空氣太少會(huì)因?yàn)檠鯕怵囸I而導(dǎo)致燃料電池不穩(wěn)定。因此，燃料電池系統(tǒng)通常在陰極輸入線路或陰極輸出線路中采用空氣流計(jì)，從而為燃料電池組提供空氣流的準(zhǔn)確測(cè)量。如果空氣流計(jì)失效，通常有必要關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)，因?yàn)椴灰宰銐虻臏?zhǔn)確度得知傳遞到燃料電池組的空氣的量，可能對(duì)系統(tǒng)部件具有不利影響。
[0007]在燃料電池系統(tǒng)功率暫時(shí)下降期間，電池組電流通常驟然減少，從而留下未反應(yīng)的加壓氧氣在陰極管體積中可獲得，因?yàn)殛帢O管中的壓力不立即下降。通常，加壓氧氣釋放出背壓控制閥并被浪費(fèi)掉。因此，本領(lǐng)域中需要一種方法以利用在陰極管中可獲得的加壓氧氣，以便從加壓氧氣中產(chǎn)生能量，而不是簡(jiǎn)單地將氧氣釋放并浪費(fèi)掉。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種用于利用在燃料電池系統(tǒng)陰極管中的加壓體積氧氣的系統(tǒng)和方法，其包括計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡。所述系統(tǒng)和方法還包括使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量，并且使用對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾來(lái)從燃料電池組中引出電流。
[0009]本發(fā)明還包括如下方案:
1.一種用于利用在包括燃料電池組的燃料電池系統(tǒng)的陰極管中的加壓體積氧氣的方法，所述方法包括:
計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡；
使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量；以及
使用所述對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾來(lái)從燃料電池組引出電流。
[0010]2.根據(jù)方案I所述的方法，其中，計(jì)算空氣/氧氣平衡包括在燃料電池組功率暫時(shí)下降開始時(shí)計(jì)算空氣/氧氣平衡。
[0011]3.根據(jù)方案I所述的方法，還包括基于所確定的對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量來(lái)確定最大電流引出。
[0012]4.根據(jù)方案I所述的方法，其中，計(jì)算空氣/氧氣平衡包括基于流入燃料電池組中的氧氣和流出燃料電池組的氧氣來(lái)計(jì)算空氣/氧氣平衡。
[0013]5.根據(jù)方案I所述的方法，還包括在使用可獲得的氧氣摩爾從燃料電池組引出電流時(shí)，監(jiān)控燃料電池組的電壓。
[0014]6.根據(jù)方案5所述的方法，還包括如果燃料電池組的電壓下降到預(yù)定閾值以下，將使用可獲得的氧氣摩爾從燃料電池組引出電流結(jié)束。
[0015]7.根據(jù)方案5所述的方法，還包括如果燃料電池組的電壓沒(méi)有下降到預(yù)定閾值以下，重新計(jì)算空氣/氧氣平衡，并且基于所確定的對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量來(lái)從燃料電池組引出新的電流。
[0016]8.一種用于利用在包括燃料電池組的燃料電池系統(tǒng)的陰極管中的加壓體積氧氣的方法，所述方法包括:
在燃料電池組功率暫時(shí)下降開始時(shí)計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡；
使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的第一數(shù)量；
使用所述對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的第一數(shù)量來(lái)從燃料電池組引出第一電流； 在引出第一電流完成之后，重新計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡；
使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的下一數(shù)量；以及
使用所述對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的下一數(shù)量來(lái)從燃料電池組引出下一電流。
[0017]9.根據(jù)方案8所述的方法，還包括當(dāng)所確定的對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量大約為零時(shí)，使電流停止從燃料電池組引出。
[0018]10.根據(jù)方案8所述的方法，還包括基于所確定的對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的的氧氣摩爾的數(shù)量來(lái)確定最大電流引出。
[0019]11.根據(jù)方案10所述的方法，其中，所述最大電流引出包括安全富余。
[0020]12.根據(jù)方案8所述的方法，還包括在使用可獲得的氧氣摩爾從燃料電池組引出電流時(shí)，監(jiān)控燃料電池組的電壓。
[0021]13.根據(jù)方案12所述的方法，還包括如果燃料電池組的電壓下降到預(yù)定閾值以下，將使用可獲得的氧氣摩爾從燃料電池組引出電流結(jié)束。
[0022]14.一種用于利用在包括燃料電池組的燃料電池系統(tǒng)的陰極管中的加壓體積氧氣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
控制器，其被編程以履行如下的:
用于計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡的裝置；
用于使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量的裝置；以及
用于使用所述對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾來(lái)從燃料電池組引出電流從而為蓄電池充電的裝置。
[0023]15.根據(jù)方案14所述的系統(tǒng)，其中，用于計(jì)算空氣/氧氣平衡的裝置在燃料電池組功率暫時(shí)下降開始時(shí)計(jì)算空氣/氧氣平衡。
[0024]16.根據(jù)方案14所述的系統(tǒng)，還包括用于基于所確定的對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量來(lái)確定最大電流引出的裝置。
[0025]17.根據(jù)方案14所述的系統(tǒng)，其中，用于計(jì)算空氣/氧氣平衡的裝置基于流入燃料電池組中的氧氣和流出燃料電池組的氧氣來(lái)計(jì)算空氣/氧氣平衡。
[0026]18.根據(jù)方案14所述的系統(tǒng)，還包括用于在使用可獲得的氧氣摩爾從燃料電池組引出電流時(shí)，監(jiān)控燃料電池組的電壓的裝置。
[0027]19.根據(jù)方案18所述的系統(tǒng)，還包括用于如果燃料電池組的電壓沒(méi)有下降到預(yù)定閾值以下，重新計(jì)算空氣/氧氣平衡，并且基于所確定的對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量來(lái)從燃料電池組弓I出新的電流的裝置。
[0028]結(jié)合附圖，本發(fā)明的另外特征將根據(jù)以下的描述和所附權(quán)利要求變得明顯。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖；以及
圖2是流程圖，其示出了用于利用在燃料電池系統(tǒng)的陰極管體積中可獲得的加壓體積氧氣的操作。

【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明實(shí)施例的以下討論，致力于一種使用所存儲(chǔ)的陰極氧氣來(lái)提高燃料電池系統(tǒng)的總體效率的系統(tǒng)和方法，其在本質(zhì)上僅僅是示例性的，并且絕不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。
[0031]圖1是包括燃料電池組12的燃料電池系統(tǒng)10的示意性框圖。壓縮機(jī)16通過(guò)將陰極輸入空氣增濕的水汽輸送(WVT)單元18而在陰極輸入線路14上將空氣流提供到燃料電池組12的陰極側(cè)。WVT單元18是一種類型的可應(yīng)用增濕裝置，其中，其它類型的增濕裝置(例如焓(enthalpy)輪、蒸發(fā)器等)對(duì)于將陰極入口空氣增濕可以是可應(yīng)用的。陰極排氣通過(guò)背壓閥22在陰極排氣線路20上從電池組12輸出。排氣線路20將陰極排出物引導(dǎo)至WVT單元18，以提供濕氣來(lái)將陰極輸入空氣增濕。陰極壓力傳感器24設(shè)置在陰極輸入線路14上，以測(cè)量在電池組12陰極側(cè)上的壓力。陰極空氣流計(jì)26也設(shè)置在陰極輸入線路14上，以測(cè)量到往電池組12陰極側(cè)的空氣流?？蛇x地，所述陰極空氣流計(jì)26可以設(shè)置在背壓閥22上游的陰極排出線路20上。電壓計(jì)28測(cè)量在電池組12中的燃料電池的平均電池電壓以及最小電池電壓。
[0032]燃料電池組12的陽(yáng)極側(cè)在陽(yáng)極輸入線路30上從氫氣源32接收氫氣，并且通過(guò)閥36 (例如排放閥、瀉放閥等)在線路34上提供陽(yáng)極排氣。泵38將冷卻流體泵送通過(guò)電池組12和在電池組12外部的冷卻劑回路40。溫度傳感器46測(cè)量離開電池組12的冷卻流體的溫度。功率源42 (例如蓄電池)被包含以提供通過(guò)電池組12的電流。功率源42可以從電池組12接收電流以用于充電之目的。控制器44控制燃料電池系統(tǒng)部件，例如壓縮機(jī)16和背壓閥22?？刂破鬟€接收來(lái)自陰極壓力傳感器24、陰極空氣流計(jì)26和電壓計(jì)28的輸入。控制器44附加地執(zhí)行其它系統(tǒng)10功能，包括下面詳細(xì)討論的算法。
[0033]在燃料電池系統(tǒng)10的功率暫時(shí)下降期間，電池組電流通常驟然減少。電池組中電流的驟然減少留下未反應(yīng)的加壓氧氣在陰極入口線路14、電池組12的陰極側(cè)以及陰極排出線路20 (集體地稱作陰極管)中可獲得。通常，加壓氧氣釋放出背壓閥22中并被浪費(fèi)掉，因?yàn)楦鶕?jù)已知算法，能夠從燃料電池組12引出的最大電流由通過(guò)空氣入口流量計(jì)26的空氣流確定。因此，根據(jù)已知算法，在確定來(lái)自燃料電池組12的最大電流引出時(shí)，沒(méi)有考慮在陰極管中可獲得的加壓氧氣。然而，事實(shí)上，在功率暫時(shí)下降開始期間，電池組12可能具有大量的加壓氧氣可獲得(由于電池組容量)。
[0034]圖2是流程圖50，其示出了一種過(guò)程，所述過(guò)程用于利用在功率暫時(shí)下降期間在燃料電池系統(tǒng)10的陰極管體積中可獲得的加壓體積的氧氣。如上所述，燃料電池組12可能在功率暫時(shí)下降的開始期間包含大量的氧氣。因此，所述算法(下面詳細(xì)描述)動(dòng)態(tài)地考慮電池組的氧氣容量，并計(jì)算在功率暫時(shí)下降期間在電池組12中可獲得的積聚氧氣。
[0035]對(duì)于產(chǎn)生功率可獲得的氧氣的量在燃料電池組12功率暫時(shí)下降開始時(shí)基于空氣平衡和氧氣平衡在方框52處計(jì)算。在功率暫時(shí)下降期間在電池組12內(nèi)側(cè)的氧氣(
?ηο?%±(φ將對(duì)于最大電流可獲得，并且被計(jì)算為:

【權(quán)利要求】
1.一種用于利用在包括燃料電池組的燃料電池系統(tǒng)的陰極管中的加壓體積氧氣的方法，所述方法包括: 計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡； 使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量；以及 使用所述對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾來(lái)從燃料電池組引出電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，計(jì)算空氣/氧氣平衡包括在燃料電池組功率暫時(shí)下降開始時(shí)計(jì)算空氣/氧氣平衡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括基于所確定的對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量來(lái)確定最大電流引出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，計(jì)算空氣/氧氣平衡包括基于流入燃料電池組中的氧氣和流出燃料電池組的氧氣來(lái)計(jì)算空氣/氧氣平衡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在使用可獲得的氧氣摩爾從燃料電池組引出電流時(shí)，監(jiān)控燃料電池組的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括如果燃料電池組的電壓下降到預(yù)定閾值以下，將使用可獲得的氧氣摩爾從燃料電池組引出電流結(jié)束。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括如果燃料電池組的電壓沒(méi)有下降到預(yù)定閾值以下，重新計(jì)算空氣/氧氣平衡，并且基于所確定的對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量來(lái)從燃料電池組引出新的電流。
8.一種用于利用在包括燃料電池組的燃料電池系統(tǒng)的陰極管中的加壓體積氧氣的方法，所述方法包括: 在燃料電池組功率暫時(shí)下降開始時(shí)計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡； 使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的第一數(shù)量； 使用所述對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的第一數(shù)量來(lái)從燃料電池組引出第一電流； 在引出第一電流完成之后，重新計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡； 使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的下一數(shù)量；以及 使用所述對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的下一數(shù)量來(lái)從燃料電池組引出下一電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括當(dāng)所確定的對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量大約為零時(shí)，使電流停止從燃料電池組引出。
10.一種用于利用在包括燃料電池組的燃料電池系統(tǒng)的陰極管中的加壓體積氧氣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 控制器，其被編程以履行如下的: 用于計(jì)算基于在陰極管中的空氣平衡和氧氣平衡的空氣/氧氣平衡的裝置；用于使用所計(jì)算的空氣/氧氣平衡來(lái)確定對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾的數(shù)量的裝置；以及 用于使用所述對(duì)于燃料電池化學(xué)反應(yīng)可獲得的氧氣摩爾來(lái)從燃料電池組引出電流從而為蓄電池充電的裝置 。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK104051756SQ201410094205
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】J.馬斯羅, Y.張, D.C.迪菲奧爾 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司