专利名称：控制阴极化学计量关系使瞬变期间相对湿度偏移最小化的系统和方法
技术领域：
本发明主要涉及一种用于控制燃料电池中的阴极化学计量关系的系统和方法，更特别地涉及一种用于控制燃料电池中的阴极化学计量关系的系统和方法，该系统和方法包括在转变到低燃料电池功率后使针对高燃料电池功率可应用的阴极化学计量关系维持一段预定时间以及在转变到高燃料电池功率后使可用于低燃料电池功率的阴极化学计量关系维持一段预定时间，从而减少降低相对湿度瞬变。
背景技术：
氢是非常吸引人的燃料，这是因为它干净并可以用于在燃料电池中有效地发电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气以及阴极接收氧或空气。氢气在阳极解离以产生质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，从而在被输送到阴极之前直接通过负载以进行工作。该工作可运作车辆。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括磨碎(finely divided)的催化剂颗粒，通常为支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的铂(Pt)。该催化剂混和物沉积在该膜的相对面上。阳极催化剂混和物、阴极催化剂混和物和薄膜的组合定义为膜电极组件(MEA)。在燃料电池中的该膜需要具有特定的相对湿度，例如80％，从而穿过薄膜的离子电阻足够低以有效地传导质子。
典型地在燃料电池堆中组合几个燃料电池以产生需要的功率。对于上述汽车燃料电池堆，该堆叠体可以包括两百或更多的燃料电池。该燃料电池堆接收阴极反应气体，典型地接收通过压缩机加压通过该堆叠体的空气流。并不是所有的氧气被该堆叠体消耗，而是一些空气作为阴极废气被输出，该阴极废气含有作为堆叠体副产物的水。该燃料电池堆也接收流入该堆叠体的阳极侧的阳极氢反应气体。
该燃料电池堆包括一系列放置在堆叠体中的几个MEA之间的流场或双极板。该双极板包括用于堆叠体中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极反应气体流通道设置在双极板的阳极侧以允许阳极气体流到MEA的阳极侧。阴极反应气体流通道设置在双极板的阴极侧以允许阴极气体流到MEA的阴极侧。该双极板还包括通过其以冷却液流的流体通道。
阴极化学计量关系与施加到堆叠体的阴极输入空气的体积与堆叠体产生的电流密度的比例成正比。典型的阴极化学计量关系对于相当高燃料电池堆电流密度来说大约为2。当该堆叠体的输出转到低功率时，例如在空闲状态期间，本领域公知增加阴极化学计量关系从而使燃料电池堆保持稳定。具体地，在反应气体流通道中来自水副产品的水的收集会导致电池失效，这是因为低的反应气体流，从而影响该堆叠体的稳定性。电势低于100mV的电压电池认为是电池失效。对于标准燃料电池操作在低的堆叠体负载下用于阴极化学计量关系的输入空气的体积和速率不够大，从而不能将水排出反应气体流通道，从而，阴极化学计量关系有时在低的堆叠体功率下增加以增加气流，从而增加堆叠体稳定性。从而，当增加阴极化学计量关系以通过增加的气流降低薄膜干燥效果以维持需要的薄膜相对湿度时，燃料电池堆的操作温度需要被降低。
图1是示出上述堆叠体功率、阴极化学计量关系和燃料电池温度之间关系的图，其中堆叠体电流密度在横轴，阴极化学计量关系在左纵轴以及温度在右纵轴。图中线10示出阴极化学计量关系和堆叠体电流密度之间的关系，以及图中线12示出堆叠体温度和堆叠体电流密度之间的关系。从堆叠体的观点来说，维持大约1.8的低功率化学计量关系导致由于水在反应气体流通道聚集的稳定性，以及化学计量关系增加至4或5导致更好的稳定性。因此，为了维持需要的薄膜相对湿度，需要降低堆叠体的操作温度。从系统的观点来说，由于热损耗很难在维持低功率下保持高温(elevated temperature)。
如上所述，在一些公知的燃料电池系统中，当阴极化学计量关系增加时，控制器降低堆叠体的温度。然而，温度响应时间受到慢的温度动力学相对化学计量关系变化的限制。换句话说，温度没有足够快的降低。这种在热动力学中的不匹配导致薄膜的相对湿度被降低至大约50％。相似地，当负载增加以及阴极化学计量关系降低时，堆叠体温度增加。然而，这种在空气流和热动力学之间的不匹配导致相对湿度增加到超出120％，而当温度响应时相对湿度衰减回到需要的80％。从而，在负载瞬变过程中发生了不希望的相对湿度偏移。
发明内容
根据本发明的教导，公开了在堆叠体负载瞬变过程中提供动态燃料电池阴极化学计量关系控制的系统和方法。特别地，阴极化学计量关系变化作为响应堆叠体电流密度降低或增加的时间函数受到控制。从而，如果堆叠体电流密度降低至预定的电流密度，动态化学计量关系逻辑将监测低功率状态并判断是否该状态受到维持，也就是维持一段延续时间。如果低功率状态没有维持，那么阴极化学计量关系没有降低，但是如果低功率状态受到维持，那么阴极化学计量关系增加。可以为从低功率状态过渡至高功率状态提供同样的阴极化学计量关系变化延迟。
结合附图，通过下述描述和附加的权利要求，本发明的附加特征将变得显而易见。
图1是示出对于已知燃料电池系统来说阴极化学计量关系和堆叠体温度相对电流密度的图表，其中电流密度在横轴，以及阴极化学计量关系和温度在纵轴；图2是根据本发明的实施方式的燃料电池系统的方块图，其中该燃料电池包括压缩器和用于控制阴极化学计量关系的控制器；图3是根据本发明实施方式并示出在各种燃料电池堆电流密度下控制阴极化学计量关系的方法的流程图；以及图4是根据本发明、示出不同的堆叠体电流密度的阴极化学计量关系的图表，其中电流密度在横轴以及阴极化学计量关系在纵轴。
具体实施例方式
本发明的致力于动态控制燃料电池系统的阴极化学计量关系方法的实施方式的下列描述实际上仅仅是示例性的，决非倾向于限制本发明或其实施或引用。
图2是燃料电池系统20的简化的方块图，该燃料电池系统包括燃料电池堆22、控制器24和压缩器26。压缩器26将空气流施加到堆叠体22的阴极侧的入口。如下详细描述的，控制器24控制堆叠体22产生的电流密度，以及控制压缩器26的速度以设定需要的阴极化学计量关系用于堆叠体22的具体操作条件。具体地，控制器24以基于堆叠体22产生的电流密度和时间的动态方式控制堆叠体22的阴极化学计量关系，从而降低堆叠体22中薄膜的显著相对湿度变化。
根据本发明，控制器24控制堆叠体22的阴极化学计量关系以尽可能长地维持需要的相对湿度。具体地，在堆叠体负载中的变化维持预定时间段后，仅变化阴极化学计量关系。如上所述，如果堆叠体22维持低功率，需要增加阴极化学计量关系以防止水聚集在流道中，否则这会影响堆叠体的稳定性。然而，当阴极化学计量关系在低堆叠体负载下增加时，由于增加的空气流干燥薄膜因此相对湿度降低。如果堆叠体的操作温度降低以减少薄膜干燥并维持需要的相对湿度，由于温度变化的响应慢相对湿度仍然改变。
水聚集在流道中不会在低堆叠体负载下立即发生。因此，对于短期的低堆叠体负载，本发明的目的在于维持阴极化学计量关系与高堆叠体负载相同以降低薄膜的相对湿度偏移，这是因为在流道中水的聚集不是快到足以影响堆叠体的稳定性。注意这不同于使用化学计量关系的延迟过滤器。延迟过滤器将瞬时改变该化学计量关系，而本发明的运算法则“不理”短暂的瞬变。
如上所述，图3是示出阴极化学计量关系的动态控制相对堆叠体功率(电流密度)和时间的流程图。在低功率状态32下，该堆叠体22处于0-0.3A/cm2范围内的持续电流密度J下，以及阴极化学计量关系为6。在中功率状态34下，堆叠体22处于0.3-0.6A/cm2范围内的持续电流密度J下，以及阴极化学计量关系为4。在高功率状态36下，堆叠体22处于0.6-2A/cm2范围内的持续电流密度J下，以及阴极化学计量关系为2。这些电流密度和阴极化学计量关系仅仅是示例性的，因为对于其它应用可以使用在本发明范围内的其它电流密度和化学计量关系值。
如果电流密度在低功率状态32，以及电流密度增加至中功率状态34，在将阴极化学计量关系从6降低至4之前控制器24等待预定时间段。在一个非限定性实施方式中，这个时间段大约为30秒。对于不同的系统将校准这个时间段。同样地，如果堆叠体22产生的电流密度从中功率状态34转变至低功率状态32，控制器24将在预定时间段内维持化学计量关系为4。
如果堆叠体22的电流密度在中功率状态34和高功率状态36之间转换，那么施加相同的逻辑关系。具体地，如果电流密度从中功率状态34转换至高功率状态36，那么控制器24在将阴极化学计量关系从4变至2时将等待预定时间段，否则反之。另外，在低功率状态32和高功率状态36之间的电流密度转换将遵循相同的逻辑，在此不会发生从一个化学计量关系到另一个的转换直到电流密度的变化维持预定时间段。从而，除非堆叠体22的电流密度降低或增加持续的时间段，不会改变阴极化学计量关系，从而可以降低燃料电池中薄膜的相对湿度的改变。
同样，由于压缩器限制当从低功率状态转换至高功率状态时压缩器26不能维持该化学计量关系。例如，如果电流密度从低功率状态32转换到中功率状态34，上述的讨论要求控制器24在预定时间段内维持阴极化学关系为6，同时堆叠体22在中功率。然而，在中功率下阴极化学计量关系为6比在低功率下阴极化学计量关系为6显著要求更多的空气流。从而，压缩器24不能在预定时间段内提供这种空气流量。在这种情况下，压缩器24提供最大的空气流以在该时间段内给出最大的阴极化学计量关系。当从低功率状态32转换至高功率状态36以及从中功率状态34转换至高功率状态36时，施加相同的逻辑关系。
图4是示出对于上述电流密度范围的三个阴极化学计量关系为2、4和6时的图表，其中电流密度在横轴以及稳态化学计量关系在纵轴。
上述讨论仅仅公开和描述了本发明的示意性实施例。本领域技术人员显然将从这些讨论和从附图和附加的权利要求中确认其中的各种变化、修改和变形都不会超出如下述权利要求限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种控制燃料电池堆的阴极化学计量关系的方法，所述方法包括监测燃料电池堆产生的电流密度；如果电流密度超过或者低于预定范围，那么监测时间；在电路密度低于预定范围后使阴极化学计量关系维持恒定一预定时间；以及在电流密度保持在预定范围之下所述预定时间后增加阴极化学计量关系。
2.根据权利要求1的方法，其中该预定时间约为30秒。
3.根据权利要求1的方法，其中增加阴极化学计量关系至约6。
4.一种控制燃料电池堆的阴极化学计量关系的方法，所述方法包括限定燃料电池堆产生的电流密度的不同操作范围；为低功率范围、中功率范围和高功率范围各明确一个所需的阴极化学计量关系；确定该堆叠体产生的电流密度在哪个范围；确定该堆叠体产生的电流密度从一个范围变化至另一范围历经了一段延续时间；以及在该堆叠体产生的电流密度已经变化至另一个范围后，针对所述一个范围将阴极化学计量关系维持一段预定的时间。
5.根据权利要求4的方法，其中限定不同操作范围包括限定一低功率范围、一中功率范围和一高功率范围。
6.根据权利要求5的方法，其中低功率范围为0-0.3A/cm2，中功率范围为0.3-0.6A/cm2，高功率范围为0.6-2A/cm2。
7.根据权利要求5的方法，其中低功率范围的阴极化学计量关系约为6，中功率范围的阴极化学计量关系为约4，以及高功率范围的阴极化学计量关系为约2。
8.根据权利要求4的方法，其中预定时间为约30秒。
9.根据权利要求4的方法，其中维持阴极化学计量关系包括当该堆叠体的电流密度从较低电流密度范围去到较高电流密度范围时，基于压缩器的限制维持最大的阴极化学计量关系。
10.一种燃料电池系统，其包括产生电流密度的燃料电池堆；将空气流提供给燃料电池堆的压缩器；以及用于控制压缩器以提供需要的阴极化学计量关系的控制器，所述控制器确定该堆叠体产生的电流密度已经从一个电流密度范围改变至另一电流密度范围，在该堆叠体产生的电流密度已经转换至另一范围后使针对所述一个范围所需的阴极化学计量关系维持一段预定时间，然后将阴极化学计量关系增加到对于所述另一范围所需的值。
11.根据权利要求10的系统，其中预定时间为约30秒。
12.根据权利要求10的系统，其中当堆叠体的电流密度从较低电流密度范围去到较高电流密度范围时，控制器基于压缩器限制维持最大的阴极化学计量关系。
13.根据权利要求9的系统，其中燃料电池系统是车辆上的。
14.一种燃料电池系统，其包括产生电流密度的燃料电池堆；将空气流提供给燃料电池堆的压缩器；以及用于控制压缩器以提供所需阴极化学计量关系的控制器，所述控制器界定该堆叠体产生的电流密度的低功率范围、中功率范围和高功率范围并明确所述低功率范围、中功率范围和高功率范围中的每一个所需的阴极化学计量关系，所述控制器确定该堆叠体产生的电流密度当前操作所处的范围，确定该堆叠体产生的电流密度已经从一个范围转变至另一范围，以及在该堆叠体产生的电流密度已经转变到所述另一范围后使所述一个范围的阴极化学计量关系维持一段预定时间。
15.根据权利要求14的系统，其中低功率范围为0-0.3A/cm2，中功率范围为0.3-0.6A/cm2，高功率范围为0.6-2A/cm2。
16.根据权利要求14的系统，其中低功率范围的阴极化学计量关系为约6，中功率范围的阴极化学计量关系为约4，以及高功率范围的阴极化学计量关系为约2。
17.根据权利要求14的系统，其中该预定时间为约30秒。
18.根据权利要求14的系统，其中当堆叠体的电流密度从较低电流密度范围去到较高电流密度范围时，控制器基于压缩器限制维持最大的阴极化学计量关系。
19.根据权利要求9的系统，其中该燃料电池系统是车辆上的。
全文摘要
在堆叠体负载瞬变期间提供燃料电池中动态阴极化学计量关系控制的系统和方法以使相对湿度偏移最小化。特别地，阴极化学计量关系的变化做为响应堆叠体电流密度降低或增加的时间函数受到控制。从而，如果堆叠体电流密度降低至预定电流密度，那么动态化学计量关系逻辑将监控低功率状态并判断是否该状态是维持的，也就是保持一段延续时间。如果低功率状态没有维持，那么阴极化学计量关系不改变，但是如果维持，那么增加阴极化学计量关系。可以为从低功率状态到高功率状态的过渡设置同样的阴极化学计量关系变化延迟。
文档编号G01R31/36GK1945883SQ20061014376
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月7日 优先权日2005年10月7日
发明者M·辛哈, D·A·阿图尔, M·K·霍尔托普 申请人:通用汽车环球科技运作公司