[發明專利]用于燃料電池系統的陽極回路觀測器

有效

• 申請號: 200910140508.0
• 申請日: 2009-05-06
• 公開（公告）號: CN101577339A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發明（設計）人: B·巴亞塞;V·福曼斯基
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;G01N9/26;H01M8/24;G05B19/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張群峰;劉華聯

技術領域

本發明大體上涉及用于確定燃料電池系統的陽極再循環回路中 氫的濃度的系統和方法，更具體而言，涉及用于確定燃料電池系統的陽極 再循環回路中氫的濃度以便知道何時提供氮釋放的系統和方法，其中，該 方法包括使用基于系統參數的數學模型。

背景技術

由于氫清潔無污染并可被用來在燃料電池中高效地生產電能，它 已成為非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是一種電化學裝置，包括陽極和 陰極，兩極之間設有電解質。陽極接收氫氣，陰極接收氧或者空氣。氫氣 在陽極分離產生自由的質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子在陰 極與氧和電子反應生成水。陽極的電子不能穿過電解質，因此它們在被送 到陰極之前被導經負載以進行工作。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是很流行的車用燃料電池。PEMFC 通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟化磺酸膜。陽極和陰極 通常包括磨碎的催化劑顆粒，通常為鉑(Pt)，其被支持在碳顆粒上并與 離聚物混合。催化劑混合物放置在膜的相對側。陽極催化劑混合物、陰極 催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA制造起來相對昂 貴并且高效工作的話需要一定的條件。

通常將若干燃料電池組合起來構成燃料電池堆以便生成所期望 的能量。例如，典型的車用燃料電池堆可具有200個或更多的堆疊在一起 的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應氣體，該氣體通常為由壓縮機 驅使而穿過電池堆的空氣流。并非所有的氧都被電池堆消耗掉，一些空氣 被作為陰極廢氣輸出，該廢氣可包括作為電池堆副產品的水。燃料電池堆 還接收陽極氫反應氣體，其流入電池堆的陽極側。電池堆也包括有冷卻流 體流經的流動通道。

燃料電池堆包括一系列設置在電池堆的若干MEA之間的流場板或 雙極板。對于電池堆中相鄰的燃料電池，雙極板包括陽極側和陰極側。陽 極反應氣體流動通道設置在雙極板的陽極側上，其允許陽極氣體流到MEA 的陽極側。陰極反應氣體流動通道設置在雙極板的陰極側上，其允許陰極 氣體流到MEA的陰極側。雙極板也包括有冷卻流體流經的流動通道。

所期望的是，在燃料電池堆中，氫在陽極流動通道中的分布基本 上恒定以便燃料電池堆正常工作。因此，本領域中公知的做法是，為使電 池堆具備一定的輸出負載而輸入多于所需量的氫到燃料電池堆中以使陽 極氣體分布恰當。然而，由于這種要求，陽極廢氣中氫的含量也非常高， 若這種氫被排出則會導致低的系統效率。此外，足量的氫排放到環境中， 會由于氫的爆炸特性而導致一些問題。因此，本領域中公知的做法是，使 陽極廢氣再循環回到陽極輸入以便重新利用排出的氫。

MEA是通透的，因此允許電池堆的陰極側的空氣里的氮滲透通過 MEA并聚集在電池堆的陽極側，這在業界被稱作氮跨界(nitrogen cross-over)。燃料電池堆的陽極側的氮會稀釋氫，使得如果氮的濃度增 加到超出一定百分比，例如50％，燃料電池堆則會變得效率更低、不穩定 或可能出現故障。本領域中公知的做法是，在燃料電池堆的陽極氣體輸出 處設置放泄閥以便從電池堆的陽極側去除氮。放出的氫可被送到任何合適 的位置，例如送到轉換器中或環境中。

為了使燃料電池堆在優化條件下工作以及最大限度地提高系統 的性能，陽極再循環氣體中的氫需要達到足夠的量和一定的再循環速率。 然而，目前還沒有適合燃料電池系統的用于潮濕環境中的氫濃度傳感器或 者流速傳感器。因此，不可能對工作參數再循環流量和陽極氫濃度進行直 接控制。

發明內容