[发明专利]利用燃料电池堆的电池电压预测来改进燃料电池系统性能的方法

说明书

技术领域

本发明总的涉及用于预测燃料电池堆的电压并确定燃料电池堆的最大允许堆电流极限变化率的系统和方法，更具体地，涉及包括使用估计的电池电压来确定燃料电池堆的最大允许的堆电流极限变化率的系统和方法。 

背景技术

氢之所以是一种非常受欢迎的燃料，是因为它清洁，并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极分离产生自由的氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢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够通过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载来做功。 

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的车辆燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细碎的催化性颗粒，通常是铂(Pt)，其承载在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化性混合物沉积在膜的相对两侧。阳极催化性混合物、阴极催化性混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEAs制造起来比较昂贵，并且需要特定的条件以便有效操作。 

通常在燃料电池堆中组合若干燃料电池以产生所需的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是在压缩机作用下强制通过堆的空气流。并不是所有的氧都由堆消耗，一些空气作为可能包括作为堆副产物的水的阴极排气被输出。燃料电池堆还接收流入堆的阳极侧的阳极氢输入气体。 

燃料电池堆包括在堆中位于多个MEAS和气体扩散媒介层之间的一系列双极板，在堆中，双极板和MEAs位于两端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供有阳极气流通道，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧提供有阴极气流通道，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳 极气流通道，另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电导出燃料电池堆。双极板还包括冷却流体流过的流动通道。 

堆控制器需要知道燃料电池堆的电流/电压关系，称为极化曲线，从而根据堆功率需求来安排堆反应流。堆的电压和电流之间的关系通常难以限定，因为它是非线性的，并且根据很多变量而改变，这些变量包括堆温度、堆分压以及阴极和阳极的化学计量。另外，堆电流和电压之间的关系随着堆随时间的老化而改变。具体地，较老的堆将比新的未老化的堆具有更低的电池电压，并且将需要提供更多的电流以满足功率需求。 

燃料电池堆对车辆驾驶员所要求的功率需求的响应时间对于不同的堆的操作条件是不同的。当需要的电流较大或堆操作条件是极端的时候，堆的响应较慢，当需要的电流较小或堆操作条件是最优的时候，堆的响应较快。燃料电池堆的电流变化率极限需要基于堆性能来确定，从而最小化响应时间和最大化堆性能。 

在当前的车辆燃料电池系统中，使用查询表来确定由燃料电池堆所提供的电流上升的电流变化率极限。具体地，将在燃料电池堆中流动的冷却流体的温度和阴极的入口处的相对湿度提供给查询表，查询表基于这些值提供电流变化率极限。将电流变化率极限连同电流请求一起提供给算法，从而基于电流变化率提供堆电流设定值来调整堆的电流输出。 

基于该过程，在相同的温度和相对湿度的情况下，不考虑需要的电流和燃料电池堆随堆寿命的老化，电流变化率极限将是相同的。更具体地，在大的或小的电流请求下，或当堆完全不同地运行时在堆的寿命的开始或堆的寿命的结束时，电流变化率极限在相同的温度和相对湿度的情况下将是相同的。然而，这种电流变化率限制处理不会使燃料电池堆的性能最优。具体而言，该电流变化率极限在各种堆操作条件下的所有温度和相对湿度值下不是最快的，因此，不止堆温度和相对湿度决定堆性能。例如，因为电流变化率极限不基于电池电压，则电流变化率极限可能造成堆内的燃料电池的电压下降过快，这将损坏堆。因为目标是将堆电流尽快地改变至需要的值，而不会因为极低的电池电压而损坏堆，因此，希望提供一种最优的电流变化率极限，其提供这种功能但不会造成电池电压降到预定的(门限)值以下。 

发明内容