專利名稱：基于燃料電池堆性能將外部功率請求轉(zhuǎn)換為燃料電池系統(tǒng)電流設(shè)定點的適應性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于將燃料電池堆的功率請求信號轉(zhuǎn)換為燃料電池堆的電流設(shè)定點的系統(tǒng)和方法，且更具體地涉及用于考慮燃料電池堆性能將燃料電池堆的功率請求信號轉(zhuǎn)換為燃料電池堆的電流設(shè)定點的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
氫是非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的且能夠用于在燃料電池中有效地產(chǎn)生電力。氫燃料電池是電化學裝置，包括陽極和陰極，電解質(zhì)在陽極和陰極之間。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極中分解以產(chǎn)生自由氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達陰極。氫質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應產(chǎn)生水。來自于陽極的電子不能穿過電解質(zhì)， 且因而被引導通過負載，以在輸送至陰極之前做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的普遍燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括細分的催化劑顆粒，通常是鉬 (Pt)，所述催化劑顆粒支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對側(cè)上。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的制造相對昂貴且需要某些條件以有效操作。多個燃料電池通常組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望功率。例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機強制通過燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為陰極排氣輸出，所述陰極排氣可以包括作為燃料電池堆的副產(chǎn)物的水。燃料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽極側(cè)的陽極氫輸入氣體。燃料電池堆包括位于燃料電池堆中多個MEA之間的一系列雙極板，其中，雙極板和MEA設(shè)置在兩個端板之間。雙極板包括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。陽極氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上，且允許陽極反應氣體流向相應MEA。陰極氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，且允許陰極反應氣體流向相應MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導電材料制成， 如不銹鋼或?qū)щ姀秃衔?。端板將燃料電池產(chǎn)生的電傳導到燃料電池堆之外。雙極板也包括冷卻流體流經(jīng)的流動通道。燃料電池堆控制器需要知道燃料電池堆的電流/電壓關(guān)系(稱為極化曲線)以根據(jù)功率需求排定燃料電池堆反應物流。燃料電池堆的電壓和電流之間的關(guān)系通常難于限定， 因為其是非線性的且根據(jù)許多變量(包括燃料電池堆溫度、燃料電池堆局部壓力以及陰極和陽極化學計量比)變化。此外，在燃料電池堆隨著時間而降級時，燃料電池堆電流和電壓之間的關(guān)系變化。具體地，較老的燃料電池堆將具有較低電池電壓，且將需要提供比新的未降級的燃料電池堆更多的電流以滿足功率需求。當燃料電池堆控制器從車輛操作者接收功率請求信號時，控制算法生成燃料電池
權(quán)利要求
1.一種用于確定燃料電池堆的電流設(shè)定點的方法，所述方法包括 估計燃料電池堆的功率-電流關(guān)系曲線；提供源于功率-電流關(guān)系曲線估計值的參數(shù)； 使用源于功率-電流關(guān)系曲線估計值的參數(shù)計算燃料電池堆的斜率； 響應于功率請求信號、燃料電池堆電壓、燃料電池堆電流和所計算的斜率來計算電流變化；以及基于電流變化來產(chǎn)生電流設(shè)定點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供源于功率-電流關(guān)系曲線估計值的參數(shù)包括獲得交換電流密度和傳質(zhì)系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，計算燃料電池堆的斜率包括計算兩個預定燃料電池堆電流密度時的電池電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，計算電池電壓使用以下方程 其中，Ecell是電池電壓(V )，j是電流密度(A/cm2)，Rlira是電池HFR電阻(ohm cm2)，Erev是熱力學可逆電池電勢(V)，α是來自于電池短路/電池跨接的背景電流密度(A/cm2)，/是交換電流密度(A/cm2)，‘是極限電流密度(A/cm2)，以及c是傳質(zhì)系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，預定電流密度是0.1A/cm2和1.0 A/cm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，計算電流變化包括使用以下方程其中，Δ I是電流變化，Vt是燃料電池堆電壓，I(t)是燃料電池堆電流，R是斜率，以及 Preq是功率請求信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生電流設(shè)定點使用以下方程其中，1Bxq是電流設(shè)定點，^eq是先前電流設(shè)定點，Δ I是電流變化。
8. 一種用于確定燃料電池堆的電流設(shè)定點的方法，所述方法包括 估計燃料電池堆的功率-電流關(guān)系曲線，所述功率-電流關(guān)系曲線在燃料電池堆壽命內(nèi)變化；提供源于功率-電流關(guān)系曲線估計值的交換電流密度和傳質(zhì)系數(shù)值； 使用交換電流密度、傳質(zhì)系數(shù)、燃料電池堆電壓、燃料電池堆電流和功率請求信號計算燃料電池堆的斜率，其中，計算燃料電池堆的斜率包括計算兩個預定燃料電池堆電流密度時的電池電壓；響應于功率請求信號、燃料電池堆電壓、燃料電池堆電流和所計算的斜率來計算電流變化；以及基于電流變化來產(chǎn)生電流設(shè)定點。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，計算電池電壓使用以下方程
10. 一種用于確定燃料電池堆的電流設(shè)定點的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 估計燃料電池堆的功率-電流關(guān)系曲線的裝置； 提供源于功率-電流關(guān)系曲線估計值的參數(shù)的裝置； 使用源于功率-電流關(guān)系曲線估計值的參數(shù)計算燃料電池堆的斜率的裝置； 響應于功率請求信號、燃料電池堆電壓、燃料電池堆電流和所計算的斜率來計算電流變化的裝置；以及基于電流變化來產(chǎn)生電流設(shè)定點的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于燃料電池堆性能將外部功率請求轉(zhuǎn)換為燃料電池系統(tǒng)電流設(shè)定點的適應性方法。一種考慮燃料電池堆性能參數(shù)將燃料電池堆功率請求信號轉(zhuǎn)換為燃料電池堆電流設(shè)定點的系統(tǒng)和方法。所述方法包括獲得燃料電池堆的功率-電流關(guān)系曲線，以提供燃料電池堆參數(shù)，包括交換電流密度和傳質(zhì)系數(shù)。所述方法然后使用源于功率-電流關(guān)系曲線估計的參數(shù)計算燃料電池堆的斜率，包括計算在兩個預定燃料電池堆電流密度時的電池電壓。所述方法然后響應于功率請求信號、燃料電池堆電壓、燃料電池堆電流和所計算的斜率來計算電流變化，且使用電流變化來更新燃料電池堆的電流設(shè)定點。
文檔編號H01M8/04GK102195052SQ20111006168
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者K·M·瓦拉普, M·辛哈, S·W·利克斯費爾德, S·加納帕蒂 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司