[發明專利]防止在催化劑加熱時由于故障的壓力傳感器導致的意外的氫氣流入陰極的控制策略

有效

• 申請號: 201210195884.1
• 申請日: 2012-06-14
• 公開（公告）號: CN102832401A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: S.E.萊爾納;S.R.法爾塔
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 薛峰;譚祐祥

技術領域

本發明總體涉及用于防止意外的氫氣流入燃料電池堆的陰極側的方法，更具體地，涉及通過限制到陰極側的氫氣流，防止在催化劑加熱期間意外的氫氣流入燃料電池堆的陰極側的方法，直到能夠確定閥流量估計的精確性。

背景技術

氫氣由于其清潔并可用于燃料電池中高效發電，是一種很有吸引力的燃料。氫燃料電池是一種電化學裝置，包括陽極和陰極以及置于其間的電解質。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極中分解產生自由氫質子和電子。氫質子穿過電解質達到陰極。氫質子與氧氣和電子在陰極中反應生成水。來自陽極的電子無法穿過電解質，于是被引導在送至陰極之前流經負載做功。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）為汽車常用燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極典型地包括細粒狀的催化劑顆粒，通常為鉑（Pt），擔載于碳顆粒上并與離聚物混合。催化劑混合物被沉積在膜的相對面上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物以及膜的組合限定膜電極組件（MEA）。MEA制造相對昂貴并且需要一定的條件才能有效操作。

數個燃料電池典型組合于燃料電池堆中以產生期望的功率。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，典型地為壓縮機加壓通過電池堆的氣體流。并非所有氧氣都被電池堆消耗，部分空氣作為陰極廢氣排出，其可能包括電池堆副產物水。燃料電池堆同樣接收流入電池堆陽極側的陽極氫輸入氣體。

燃料電池堆典型地包括一系列置于電池堆中數個MEA之間的雙極板，其中雙極板和MEA都介于兩個端板之間。雙極板包括針對電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。雙極板陽極側上具有陽極氣流通道，其可使陽極反應氣體流向各自的MEA。雙極板陰極側上提供有陰極氣流通道，其可使陰極反應氣體流向各自的MEA。一個端板包括陽極氣流通道，另一端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板由導電材料制成，例如不銹鋼或導電復合物。端板將燃料電池產生的電力導出電池堆。雙極板還包括冷卻流體流經的流動通道。

MEA可滲透，因此可使空氣中的氮氣從堆陰極側穿過并在堆陽極側收集，在工業上稱為氮氣串擾（nitrogen?cross-over）。即使陽極側壓力可能略高于陰極側壓力，陰極側分壓也會使氧氣和氮氣透過膜。滲透的氧氣在陽極催化劑存在下反應，但燃料電池堆陽極側中滲透的氮氣稀釋了氫氣。若氮氣濃度增至高于一定百分比，例如50%，燃料電池堆會變得不穩定以及可能失效。

現有技術中已知在燃料電池堆的陽極廢氣出口處設置排出閥，以將氮氣從堆陽極側排出。現有技術還已知采用模型估算陽極側中氮氣摩爾分數，以確定何時進行陽極側或陽極子系統的排放。但是，模型估算可能含有誤差，尤其是當燃料電池系統的部件隨著時間發生老化時。如果陽極氮氣摩爾分數估算明顯高于實際氮氣摩爾分數，那么燃料電池系統將排出超過必要的陽極氣體，即，將浪費燃料。如果陽極氮氣摩爾分數估算明顯低于實際氮氣摩爾分數，系統不排出足夠的陽極氣體，可能使燃料電池缺乏反應物，這可能損壞燃料電池堆中的電極。

在燃料電池系統中，氫氣能夠被引入空氣入口以在燃料電池堆的陰極側中反應以用于產生熱量的目的。典型地，其通過使氫氣從陽極通過具有已知孔尺寸的閥直接流入陰極而完成。為了控制產生的熱量，氫氣流必須被精確地控制。因此，在本領域中需要確保當氫氣從陽極直接流入陰極入口時不會發生意外的氫氣流動。

發明內容

本發明公開了一種方法，其用于確定在燃料電池系統中經過注射器的氣體流和經過閥的氣體流。方法包括確定流經注射器的氣體的注射器流量估計并確定流經閥的氣體的閥流量估計。方法還包括計算誤差，所述誤差為注射器流量估計和閥流量估計之間的差，并且還包括基于所述誤差調整經過閥的氣體流。

以下說明和從屬權利要求配合附圖，本發明其他特征將變的明顯。

本發明還提供了以下方案：

1.?一種提供用于從燃料電池系統的陽極子系統到陰極子系統的氫氣流的請求的方法，所述方法包括：

接收用于從陽極子系統到陰極子系統的氫氣流的請求；

提供預定量的所請求的氫氣流，所述預定量大約小于氫氣流的所請求的量；

確定用于流經注射器到陽極子系統的氫氣的注射器流量估計；

確定用于在管線中流經閥的氫氣的閥流量估計，所述管線連接陽極子系統到陰極子系統；

計算誤差，所述誤差是注射器流量估計和閥流量估計之間的差；以及