[发明专利]用于燃料电池水管理的闭环控制

说明书

一种用于维持燃料电池的目标电化学阻抗(ECI)的方法，该目标电化学阻抗对应于燃料电池的目标水合状态。该方法包括基于电流运行条件确定燃料电池的目标电化学阻抗(ECI)。该方法进一步包括确定燃料电池的实际ECI并将实际ECI与目标ECI进行比较。该方法进一步包括基于实际ECI与目标ECI的偏差，调节到达燃料电池的阴极流。

相关申请

本申请要求于2018年06月22日提交的美国临时申请号62/688,991的权益，该美国临时申请通过引用结合到本文中。

技术领域

本公开内容涉及在运行期间管理电化学电池、尤其是氢燃料电池的水合状态，更具体地，涉及通过测量和使用燃料电池堆中的每个电池的电化学阻抗 (electrochemicalimpedance,ECI)而管理氢燃料电池堆中的水合状态的系统和方法，以优化燃料电池性能。

背景技术

燃料电池系统将燃料的化学能转化为电能。对于氢燃料电池，主要副产物是水。燃料电池中的水含量影响该燃料电池的性能，并且可以主要通过阴极流系统而被控制。虽然本公开内容主要涉及氢燃料电池，但本公开内容的概念可以应用于其他合适的燃料电池和电化学电池。

燃料电池堆由串联连接在一起的多个燃料电池组成。氢燃料电池包括膜-电极组件，该膜-电极组件包含质子通过的电解质膜。阴极层和阳极层形成在电解质膜的相对侧上，并且通常形成为催化剂层，诸如氢的燃料和诸如氧的氧化剂在催化剂层彼此反应。气体扩散层形成在阴极和阳极的表面上。具有各自流场的分离器定位在气体扩散层附近，通过该分离器将燃料和氧化剂分别供应到阳极和阴极。燃料电池堆的部件包含在两个端板之间，以将所有部件保持在堆内。

对于氢燃料电池堆中的每个燃料电池，通过经由催化剂层的化学反应，氢和氧离子化。氧化反应在阳极发生，以产生氢离子和电子。氢离子通过电解质膜迁移到阴极，同时电子通过导体移动到阴极。由于氢离子通过电解质膜迁移到阴极以及电子移动到阴极，与氧离子的还原反应在阴极发生，该还原反应产生水和热。氢离子的移动还引发了在导线中流动的电流。

氢燃料电池的性能受燃料电池中的水的量和分布的影响。过多的水可能导致性能恶化，然而由于燃料电池的干涸而导致过少的水，也一样可能导致性能恶化。过多的水的极端情况可能导致燃料电池溢流，该溢流使得燃料电池无法使用。即使没有溢流，水位管理不善不仅会导致性能恶化，而且可能会缩短燃料电池的使用寿命。已经发现电化学阻抗(ECI)与燃料电池的水合状态很好地相关，更重要的是与性能相关。本公开内容涉及闭环动态系统，该闭环动态系统配置为实现电化学阻抗的高度连续控制。

典型的工业实践是使用开环控制系统而运行PEM燃料电池。燃料电池开环控制系统会测量堆冷却剂温度、环境条件、阴极流和堆电流。根据这些测量，开环系统将必要的阴极流确定为水管理的估计。然而，开环控制系统不具有验证水合状态的机制。Boskoski、Debenjak和Boshkoska提出了一种通过快速电化学阻抗谱(Electrochemical ImpedanceSpectroscopy,EIS)测量燃料电池实时水合状态的方法。在2017年，P.Boskoski、A.Debenjak和B.Boshkoska在Springer发表了快速电化学阻抗谱。这种方法不是最优的，因为该方法需要计算密集型设备以执行所需的高速测量和计算，以确定燃料电池层全阻抗谱，对工业燃料电池应用而言是不实用的。

发明内容

在一方面，本公开内容涉及一种确定燃料电池的电化学阻抗(ECI)的方法。该方法可包括：验证燃料电池的稳定运行条件，测量由燃料电池输出的电流并记录第一电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第一电压值，干扰从燃料电池输出的电流，验证由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压在电流干扰后已稳定，测量由燃料电池输出的电流并记录第二电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第二电压值，以及通过将第一电压值和第二电压值之间的差值除以第一电流值和第二电流值之间的差值而确定燃料电池的ECI，其中ECI是燃料电池的水合状态的指标。