[發明專利]用于預測燃料電池系統中的極化曲線的系統及方法

有效

• 申請號: 201410094173.4
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN104051755B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: D.R.勒布策爾特;S.加納帕蒂;D.T.富爾姆斯比
• 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: H01M8/04858
• 分類號: H01M8/04858;H01M8/04992;H01M8/0432;H01M8/04537
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 崔幼平,傅永霄

技術領域

本公開內容涉及用于預測燃料電池堆性能的系統和方法。更確切地說，但非排它地，本公開內容涉及用于確定可用于調整參數來提高燃料電池堆的效率和性能優化的一個或多個性能度量的系統和方法。

背景技術

乘用車輛可包括用以向車輛的電氣系統和傳動系統的某些特征供能的燃料電池("FC")系統。例如，FC系統可用于車輛中以直接地和/或經由中間電池系統向車輛的電氣傳動系構件(例如，電動馬達等)供能。FC系統可包括單個電池，或替代地，可包括布置成堆構造的多個電池。

氫為可用于FC系統中的一種可能的燃料。氫為清潔燃料，且可用于在燃料電池中有效地發電。氫燃料電池為電化學裝置，其包括設置在陽極與陰極之間的電解質。陽極接收氫氣而陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極中離解以生成自由的氫質子和電子。氫質子可被選擇地傳導橫穿電解質。來自陽極的電子不能穿過電解質，且因此在被傳送到陰極之前引導其穿過負載以做功。氫質子與陰極中的電子和氧反應以生成水。

質子交換膜燃料電池("PEMFC")可用于FC車輛中。PEMFC大體上包括固體聚合物電解質質子傳導膜，如，全氟磺酸膜。包括在PEMFC中的陽極和陰極可包括細分的催化顆粒，如，支承在碳顆粒上且與離聚物混合的鉑(Pt)。催化混合物可沉積在膜的相對側上。

典型的FC堆的開路電壓可在FC堆的壽命內減小。電壓退化可尤其歸因于堆中的FC的電壓循環。電壓循環在鉑催化劑顆粒用于增強低電勢狀態與高電勢狀態之間的電化學反應過渡時發生。催化劑顆粒的反復過渡促進了顆粒的分解。顆粒的分解導致顆粒的活性表面面積的損失和性能退化。

許多因素都可影響與電壓循環有關的鉑顆粒的表面面積的相對減少，包括峰值堆電壓、溫度、堆濕度、電壓循環動態等。較低的堆電壓設定點可提供抵御退化的更好保護，而較高的堆電壓設定點可提供提高的系統效率。

固定電壓可用于設定堆的最小功率水平，以防止不需要的電壓循環。例如，典型的電壓抑制策略可使用固定的電壓設定點。如果燃料電池功率控制器不需要功率，或需要最小的功率，則使電池電壓水平保持在固定的電壓設定點處或在固定的電壓設定點以下所需的由堆生成的功率可提供至功率被使用或消散的某些系統或構件。例如，多余的功率可用于使FC系統車輛中的高壓電池充電。如果電壓設定點處于相對低的電壓，則系統可頻繁地對電池充電，這可導致電池電荷比電壓設定點設定在較低水平處時更頻繁地處于至其最大電荷處。如果電池處于其最大電荷且不能接受來自FC系統的更多充電功率，則控制器可引起多余功率在其它構件(如，電阻器)中消散。在使用電阻器消散多余功率的情況下，系統效率可受損。因此，設立最佳的設定點可改善FC堆的效率。

若干FC可組合成FC堆，以產生期望的功率輸出。FC堆可接收陰極輸入氣體，該輸入氣體可包括由壓縮機迫使穿過堆的空氣流。陰極排出氣體可包括作為堆的副產物的與未消耗的氧及其它氣體一起的水。

堆的電流/電壓關系可被稱為極化曲線。堆控制器可使用關于極化曲線的信息，以根據功率需求調度反應物到FC系統的傳送。堆的電壓與電流之間的關系可為非線性的，且可受許多變量的影響，包括堆溫度、堆的局部壓力，以及陰極和陽極化學計量。此外，FC堆的電流與電壓之間的關系可隨堆性能的退化隨時間變化。換言之，較老的FC堆可具有較低的電池電壓，且因此，較老的FC堆可需要提供比新的、未退化的堆更多的電流，以產生相等的功率輸出。

發明內容

本文公開了用于確定FC系統的一個或多個性能度量的多種系統和方法。根據各種實施例，該性能度量可用于調整FC系統的參數以便提高效率和性能優化。性能度量預測系統可接收來自多個傳感器的多個輸入。該輸入可包括關于與FC系統相關聯的多個操作條件的信息。根據各種實施例，可基于輸入測量、計算或估計各種類型的信息?？墒褂迷撦斎?，以便計算某些參數。根據與本公開內容一致的一個實施例，當系統處于高電流密度時可確定一個參數，而當系統處于低電流密度時可確定另一個參數。

FC控制系統可使用一個或多個性能度量來實施與FC系統相關聯的控制動作。根據一些實施例，該性能度量可用于優化FC系統的性能特點。根據一些實施例，性能度量可包括與極化曲線相關聯的參數。該性能度量可隨時間調整以實現FC系統的提高的性能。