用于预测燃料电池系统中的极化曲线的系统及方法
【专利摘要】本发明涉及用于预测燃料电池系统中的极化曲线的系统及方法。具体地，本公开内容涉及可用于预测燃料电池的性能度量的系统和方法。与本公开内容一致的系统可包括与燃料电池堆通信的传感器、性能度量预测系统以及控制系统。性能度量预测系统可在多个时间段处基于由传感器提供的输入确定电流密度，在电流密度小于低阈值时计算第一参数，以及在电流密度高于高阈值时计算第二参数。第一参数和第二参数可用于在一定时间内有选择地调整燃料电池极化曲线。基于该极化曲线，可预测燃料电池堆的性能度量。控制系统可基于性能度量实施控制动作。
【专利说明】用于预测燃料电池系统中的极化曲线的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本公开内容涉及用于预测燃料电池堆性能的系统和方法。更确切地说，但非排它 地，本公开内容涉及用于确定可用于调整参数来提高燃料电池堆的效率和性能优化的一个 或多个性能度量的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 乘用车辆可包括用以向车辆的电气系统和传动系统的某些特征供能的燃料电池 ("FC")系统。例如，FC系统可用于车辆中以直接地和/或经由中间电池系统向车辆的电气 传动系构件（例如，电动马达等）供能。FC系统可包括单个电池，或替代地，可包括布置成 堆构造的多个电池。
[0003] 氢为可用于FC系统中的一种可能的燃料。氢为清洁燃料，且可用于在燃料电池中 有效地发电。氢燃料电池为电化学装置，其包括设置在阳极与阴极之间的电解质。阳极接 收氢气而阴极接收氧或空气。氢气在阳极中离解以生成自由的氢质子和电子。氢质子可被 选择地传导横穿电解质。来自阳极的电子不能穿过电解质，且因此在被传送到阴极之前引 导其穿过负载以做功。氢质子与阴极中的电子和氧反应以生成水。
[0004] 质子交换膜燃料电池（"PEMFC")可用于FC车辆中。PEMFC大体上包括固体聚合 物电解质质子传导膜，如，全氟磺酸膜。包括在PEMFC中的阳极和阴极可包括细分的催化颗 粒，如，支承在碳颗粒上且与离聚物混合的钼（Pt)。催化混合物可沉积在膜的相对侧上。
[0005] 典型的FC堆的开路电压可在FC堆的寿命内减小。电压退化可尤其归因于堆中的 FC的电压循环。电压循环在钼催化剂颗粒用于增强低电势状态与高电势状态之间的电化学 反应过渡时发生。催化剂颗粒的反复过渡促进了颗粒的分解。颗粒的分解导致颗粒的活性 表面面积的损失和性能退化。
[0006] 许多因素都可影响与电压循环有关的钼颗粒的表面面积的相对减少，包括峰值堆 电压、温度、堆湿度、电压循环动态等。较低的堆电压设定点可提供抵御退化的更好保护，而 较高的堆电压设定点可提供提高的系统效率。
[0007] 固定电压可用于设定堆的最小功率水平，以防止不需要的电压循环。例如，典型的 电压抑制策略可使用固定的电压设定点。如果燃料电池功率控制器不需要功率，或需要最 小的功率，则使电池电压水平保持在固定的电压设定点处或在固定的电压设定点以下所需 的由堆生成的功率可提供至功率被使用或消散的某些系统或构件。例如，多余的功率可用 于使FC系统车辆中的高压电池充电。如果电压设定点处于相对低的电压，则系统可频繁地 对电池充电，这可导致电池电荷比电压设定点设定在较低水平处时更频繁地处于至其最大 电荷处。如果电池处于其最大电荷且不能接受来自FC系统的更多充电功率，则控制器可引 起多余功率在其它构件（如，电阻器）中消散。在使用电阻器消散多余功率的情况下，系统 效率可受损。因此，设立最佳的设定点可改善FC堆的效率。
[0008] 若干FC可组合成FC堆，以产生期望的功率输出。FC堆可接收阴极输入气体，该输 入气体可包括由压缩机迫使穿过堆的空气流。阴极排出气体可包括作为堆的副产物的与未 消耗的氧及其它气体一起的水。
[0009] 堆的电流/电压关系可被称为极化曲线。堆控制器可使用关于极化曲线的信息， 以根据功率需求调度反应物到FC系统的传送。堆的电压与电流之间的关系可为非线性的， 且可受许多变量的影响，包括堆温度、堆的局部压力，以及阴极和阳极化学计量。此外，FC堆 的电流与电压之间的关系可随堆性能的退化随时间变化。换言之，较老的FC堆可具有较低 的电池电压，且因此，较老的FC堆可需要提供比新的、未退化的堆更多的电流，以产生相等 的功率输出。
【发明内容】
[0010] 本文公开了用于确定FC系统的一个或多个性能度量的多种系统和方法。根据各 种实施例，该性能度量可用于调整FC系统的参数以便提高效率和性能优化。性能度量预测 系统可接收来自多个传感器的多个输入。该输入可包括关于与FC系统相关联的多个操作 条件的信息。根据各种实施例，可基于输入测量、计算或估计各种类型的信息。可使用该输 入，以便计算某些参数。根据与本公开内容一致的一个实施例，当系统处于高电流密度时可 确定一个参数，而当系统处于低电流密度时可确定另一个参数。
[0011] FC控制系统可使用一个或多个性能度量来实施与FC系统相关联的控制动作。根 据一些实施例，该性能度量可用于优化FC系统的性能特点。根据一些实施例，性能度量可 包括与极化曲线相关联的参数。该性能度量可随时间调整以实现FC系统的提高的性能。
[0012] 根据一些实施例，一种性能度量预测系统可构造成在其中温度测量结果低于特定 阈值的时间段期间有选择地舍弃电流密度测量结果。在某些实施例中，由于冷却剂温度可 表现出FC堆温度，故可测量冷却剂温度。一旦FC堆在某一温度以上操作，贝u与本公开内容 一致的某些FC系统在给定的电流密度下可具有可重复的操作条件。在那些情况下，电压可 大致描述为按照可调整的参数表示的年限和堆电流密度的函数。根据一些实施例，当FC堆 操作温度时采集的数据值可被舍弃，因为基于此类数据的性能估计可为非最佳的。
[0013] 某些实施例可包括与多个电气传感器相结合的故障检测系统。故障检测系统可构 造成基于来自多个电气传感器中的一个或多个的输入检测故障状态。该故障检测系统可用 于检测与传感器相关联的故障，例如，该传感器测量电流密度、冷却剂温度、氧化钼覆盖度、 电压或可与本公开内容中描述的方法有关的任何其它参数。
[0014] 本发明还提供如下方案： 1. 一种预测燃料电池（FC)堆的性能度量的系统，所述系统包括： 与所述FC堆通信的多个传感器； 性能度量预测系统，所述性能度量预测系统构造成： 在多个时间段处基于来自所述多个传感器中的至少一个的输入确定电流密度； 在所述电流密度小于下阈值的第一时间段期间计算第一参数； 在所述电流密度大于上阈值的第二时间段期间计算第二参数； 基于所述第一参数和所述第二参数在一定时间内有选择地调整FC极化曲线； 基于所述FC极化曲线预测所述FC堆的性能度量；以及 控制系统，所述控制系统构造成基于所述性能度量实施控制动作。
[0015] 2.根据方案1所述的系统，其特征在于，所述性能度量预测系统还构造成： 基于来自所述多个传感器的所述多个输入中的至少一者测量瞬时参数；以及 还基于所述瞬时参数选择地调整所述燃料电池极化曲线。
[0016] 3.根据方案2所述的系统，其特征在于，所述瞬时参数基于氧化钼模型。
[0017] 4.根据方案1所述的系统，其特征在于，所述性能参数包括电池电压的粗略估计， 其被计算为：
【权利要求】
1. 一种预测燃料电池（FC)堆的性能度量的系统，所述系统包括： 与所述FC堆通信的多个传感器； 性能度量预测系统，所述性能度量预测系统构造成： 在多个时间段处基于来自所述多个传感器中的至少一个的输入确定电流密度； 在所述电流密度小于下阈值的第一时间段期间计算第一参数； 在所述电流密度大于上阈值的第二时间段期间计算第二参数； 基于所述第一参数和所述第二参数在一定时间内有选择地调整FC极化曲线； 基于所述FC极化曲线预测所述FC堆的性能度量；以及 控制系统，所述控制系统构造成基于所述性能度量实施控制动作。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述性能度量预测系统还构造成： 基于来自所述多个传感器的所述多个输入中的至少一者测量瞬时参数；以及 还基于所述瞬时参数选择地调整所述燃料电池极化曲线。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述瞬时参数基于氧化钼模型。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述性能参数包括电池电压的粗略估计， 其被计算为：
其中，
为在基准条件下的热力可逆电势，
为氢氧化还原超电势，
为阴极氧化还原超电势， i为堆电流密度，
为堆HFR平均数，
为电极中的质子电阻，
为传质系数，
为瞬时校正电压因数。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述性能度量包括最大功率估计。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制动作包括基于所述性能度量调 度功率需求。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括： 电压抑制系统；以及 其中所述控制动作包括基于所述性能度量设立电压抑制设定点。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个传感器中的至少一者构造成测 量冷却剂温度，并且所述性能度量预测系统构造成在所述冷却剂温度低于冷却剂温度阈值 的时间段期间有选择地舍弃电流密度测量结果。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括： 故障检测系统，所述故障检测系统与所述多个电气传感器通信且构造成基于来自所述 多个电气传感器中的一个或多个的输入检测故障状态。
10. -种用于预测燃料电池（FC)堆的性能度量的方法，所述方法包括： 接收来自多个传感器的多个输入； 在多个时间段处基于所述多个输入中的至少一者确定电流密度； 在所述电流密度小于下阈值的第一时间段期间计算第一参数； 在所述电流密度大于上阈值的第二时间段期间计算第二参数； 基于所述第一参数和所述第二参数在一定时间内有选择地调整燃料电池极化曲线； 基于所述燃料电池极化曲线预测所述燃料电池堆的性能度量；以及 基于所述性能度量实施控制动作。
【文档编号】H01M8/04GK104051755SQ201410094173
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】D.R.勒布策尔特, S.加纳帕蒂, D.T.富尔姆斯比 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司