使用濃度傳感器修正滲透不確定性的方法
2023-05-27 14:02:56 1
專利名稱：使用濃度傳感器修正滲透不確定性的方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種用於確定氮氣至陽極子系統的滲透速率的系統和方法，更特別地涉及一種用於使用氣體濃度傳感器來確定進入陽極子系統的氮的滲透速率以及將確定的氮的滲透速率與期望的氮滲透模型相比較以根據需要調整陽極排出計劃表的系統和方法。
背景技術：
氫由於其乾淨並且可用於在燃料電池中有效地產生電，因而是一種非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是電-化學裝置，其包括陽極和陰極以及在其間的電解液。陽極接收氫氣並且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極被分解以產生自由的氫質子並且電子。氫質子通過電解液到陰極。氫質子與陰極中的氧和電子起反應以產生水。來自陽極的電子不能通過電解液，並且因此在被送到陰極之前直接通過負荷執行作業。 質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種車輛流行的燃料電池。PEMFC通常包括固相聚合物電解質質子傳導薄膜，例如全氟磺酸薄膜。陽極和陰極典型地包括精細地分開的催化劑粒子，通常為支承在碳粒子上並且與離聚物混合的鉬(Pt)。催化劑混合物沉積在薄膜的相對側上。陽極催化劑混合物，陰極催化劑混合物和薄膜的組合限定了薄膜電極組件(MEA)0 MEA需要用於有效工作的某些條件。幾個燃料電池典型地組合在燃料電池堆中以產生所需的功率。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，典型地由壓縮機增壓通過電池堆的空氣流。不是所有氧被電池堆消耗並且一些空氣作為陰極排氣被輸出，其可以包括作為電池堆副產品的水。燃料電池堆還接收流入電池堆的陽極側的陽極氫輸入氣體。燃料電池堆典型地包括位於電池堆的幾個MEA之間的串聯的雙極板，其中雙極板和MEA布置在兩個端板之間。雙極板包括用於電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極偵U。陽極氣流通道設置在允許陽極反應性氣體流向各自的MEA的雙極板的陽極側上。陰極氣體流動通道設置在允許陰極反應性氣體流向各自的MEA的雙極板的陰極側上。一個端板包括陽極氣體流動通道，並且另一端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由有傳導性的材料製成，例如不鏽鋼或傳導的合成物。端板將由燃料電池產生的電流傳導出電池堆。雙極板還包括冷卻液流動的流動通道。MEA是可滲透的並且因此允許來自電池堆的陰極側的空氣中的氮氣通過其滲透並且收集在電池堆的陽極側中，在工業中稱作氮氣滲透。儘管陽極側壓力可以壁陰極側壓力高，陰極側分壓力將使得氧和氮氣滲透通過薄膜。滲透的氧在陽極催化劑的存在下減少，但燃料電池堆的陽極側中滲透的氮將氫稀釋。如果氮濃度增加超過某一百分比，例如50%，燃料電池堆變得不穩定並且可能產生故障。本領域中公知的是在陽極提供排出閥將燃料電池堆的排氣輸出，以將氮從電池堆的陽極側除去。本領域中還公知的是使用模型估計陽極側的氮的摩爾分數以確定何時執行陽極側或陽極子系統的排放。然而，模型估計可能包含誤差，尤其是當燃料電池系統的部件隨時間發生老化時。如果陽極氮摩爾分數估計比實際氮摩爾分數顯著地高，則燃料電池系統將排出比所需要的更多的陽極氣體，即，將浪費燃料。如果陽極氮摩爾分數估計壁實際氮摩爾分數顯著地低，則系統將不會排出足夠的陽極氣體並且可能缺乏燃料電池的反應物，這可能損壞燃料電池堆中的電極。如上所討論的，燃料電池系統的性能將受進入陽極和陰極上的電池堆的氣體的成分的影響。在燃料電池的正常工作期間，來自陰極側的氮滲透通過薄膜到陽極側，這將稀釋燃料濃度。如果陽極側中存在過多的氮或水，則電池電壓可能減少。氣體濃度傳感器可以用來測量給定子系統內的氣體濃度，然而，燃料電池薄膜的健康的狀態可以僅使用滲透速率確定。因此，本領域中需要一種策略以基於通過燃料電池薄膜的諸如氮的氣體的滲透速率中的變化調整陽極排出計劃表。
發明內容
本發明公開了一種用於確定燃料電池系統中燃料電池堆的陽極側中氮的積累速率的方法，其包括確定陽極迴路中氮的濃度和確定陽極迴路中氮的摩爾數。所述方法還包·括確定陽極迴路中的氮的積累速率並且使用陽極迴路中確定的氮的積累速率確定燃料電池堆中通過燃料電池薄膜陽極迴路的氮的滲透因子。結合附圖
，從以下說明書和所附的權利要求中本發明的附加特徵將會變得顯而易見。本發明還提供了以下方案
I. 一種為了燃料電池系統中的燃料電池堆調整陽極排出策略的方法，所述方法包
括
確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的濃度；
確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的摩爾數；
確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的積累速率；
使用燃料電池系統的陽極迴路中確定的氮的積累速率來確定通過燃料電池堆中的燃料電池薄膜的氮的滲透因子；
將確定的氮的滲透因子與氮的期望的滲透因子相比較以確定氮滲透增益；以及 如果已經得到了氮滲透增益的預定閾值，為了燃料電池系統調整陽極排出策略。2.根據方案I所述的方法，其中確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的濃度包括使用至少一個傳感器來確定陽極迴路中的氣體的濃度。3.根據方案I所述的方法，其中確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的積累速率包括觀察發生在排出事件之間的陽極迴路中的氮的摩爾累積。4.根據方案I所述的方法，其中使用陽極迴路中確定的氮的積累速率來確定通過燃料電池堆中的燃料電池薄膜的氮的滲透因子包括使用等式
權利要求
1.一種為了燃料電池系統中的燃料電池堆調整陽極排出策略的方法，所述方法包括 確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的濃度； 確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的摩爾數； 確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的積累速率； 使用燃料電池系統的陽極迴路中確定的氮的積累速率來確定通過燃料電池堆中的燃料電池薄膜的氮的滲透因子； 將確定的氮的滲透因子與氮的期望的滲透因子相比較以確定氮滲透增益；以及 如果已經得到了氮滲透增益的預定閾值，為了燃料電池系統調整陽極排出策略。
2.根據權利要求I所述的方法，其中確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的濃度包括使用至少一個傳感器來確定陽極迴路中的氣體的濃度。
3.根據權利要求I所述的方法，其中確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的積累速率包括觀察發生在排出事件之間的陽極迴路中的氮的摩爾累積。
4.根據權利要求I所述的方法，其中使用陽極迴路中確定的氮的積累速率來確定通過燃料電池堆中的燃料電池薄膜的氮的滲透因子包括使用等式,__2 ' 0 ' ^·>Η<ηη_七=Λ,I · IVrelf · (ΡΑα ·+ I^uf) — Pca · (y^tMn + 咐) 其中是滲透因子，AA是電池的有效面積，Ncell是燃料電池堆內電池的數目，iTOeiri是用於製成每個電池的薄膜的薄膜材料的薄膜厚度，y.lfM是陽極進口的氮的濃度，_2是電池堆的陽極側中氮的積累速率，是陰極子系統的壓力，是陰極進口中氮的濃度，以及是陰極出口中氮的濃度。
5.根據權利要求4所述的方法，其中陰極進口氮濃度和陰極出口氮濃度是假定值或測量值。
6.根據權利要求I所述的方法，其中氮的期望的滲透因子是基於模型估計的。
7.一種為了燃料電池系統中的燃料電池堆調整陽極排出策略的方法，所述方法包括 基於通過燃料電池堆中的燃料電池的陽極側與陰極側之間的燃料電池薄膜的期望的氮的滲透因子提供陽極排出計劃表； 確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的濃度； 確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的摩爾數； 確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的積累速率； 確定通過燃料電池薄膜從燃料電池堆的陰極側到燃料電池堆的陽極側的氮的滲透因子; 將確定的氮的滲透因子與氮的期望的滲透因子相比較以確定氮滲透增益；以及 如果已經得到了氮滲透增益的預定閾值，為了燃料電池系統調整陽極排出策略。
8.根據權利要求7所述的方法，其中確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的濃度包括使用至少一個傳感器確定陽極迴路中的氣體的濃度。
9.根據權利要求7所述的方法，其中確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的積累速率包括觀察發生在排出事件之間的陽極迴路中氮的摩爾累積。
10.一種用於確定燃料電池系統中的燃料電池堆的陽極側中的氮的積累速率的方法，所述方法包括 確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的濃度； 確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的摩爾數； 確定燃料電池系統的陽極迴路中的氮的積累速率；以及 使用燃料電池堆的陽極迴路中確定的氮的積累速率來確定通過燃料電池堆中的燃料電池薄膜的氮的滲透因子。
全文摘要
本發明涉及使用濃度傳感器修正滲透不確定性的方法。具體地，一種用於確定燃料電池堆的陽極側中氮的積累速率的方法。所述方法包括確定陽極迴路中氮的濃度和確定陽極迴路中氮的摩爾數。所述方法還包括確定陽極迴路中的氮的積累速率並且使用陽極迴路中確定的氮的積累速率確定燃料電池堆中通過燃料電池薄膜陽極迴路的氮的滲透因子。
文檔編號H01M8/04GK102956901SQ20121028162
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者D.C.迪菲奧爾, T.W.蒂赫 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司