CN102034995A - 利用燃料电池堆的电池电压预测来改进燃料电池系统性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用燃料电池堆的电池电压预测来改进燃料电池系统性能的系统和方法。一种考虑了电池电压来确定燃料电池堆的最大允许的堆电流极限变化率的系统和方法，该方法包括基于燃料电池阻抗值，堆变量和电流请求信号来估计燃料电池堆电压；燃料电池阻抗值可以基于堆温度和堆相对湿度建模。堆变量可包括交换电流密度和质量传递系数。然后，该方法利用估计的燃料电池电压和基于估计的电压的查询表来确定改变堆电流的电流变化率极限值。然后，该方法将电流变化率极限值和电流请求信号相加以获得电流设定值。

Description

利用燃料电池堆的电池电压预测来改进燃料电池系统性能的方法

技术领域

本发明总的涉及用于预测燃料电池堆的电压并确定燃料电池堆的最大允许堆电流极限变化率的系统和方法，更具体地，涉及包括使用估计的电池电压来确定燃料电池堆的最大允许的堆电流极限变化率的系统和方法。 

背景技术

氢之所以是一种非常受欢迎的燃料，是因为它清洁，并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极分离产生自由的氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能够通过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载来做功。 

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的车辆燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细碎的催化性颗粒，通常是铂(Pt)，其承载在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化性混合物沉积在膜的相对两侧。阳极催化性混合物、阴极催化性混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEAs制造起来比较昂贵，并且需要特定的条件以便有效操作。 

通常在燃料电池堆中组合若干燃料电池以产生所需的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是在压缩机作用下强制通过堆的空气流。并不是所有的氧都由堆消耗，一些空气作为可能包括作为堆副产物的水的阴极排气被输出。燃料电池堆还接收流入堆的阳极侧的阳极氢输入气体。 

燃料电池堆包括在堆中位于多个MEAS和气体扩散媒介层之间的一系列双极板，在堆中，双极板和MEAs位于两端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供有阳极气流通道，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧提供有阴极气流通道，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳 极气流通道，另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电导出燃料电池堆。双极板还包括冷却流体流过的流动通道。 

堆控制器需要知道燃料电池堆的电流/电压关系，称为极化曲线，从而根据堆功率需求来安排堆反应流。堆的电压和电流之间的关系通常难以限定，因为它是非线性的，并且根据很多变量而改变，这些变量包括堆温度、堆分压以及阴极和阳极的化学计量。另外，堆电流和电压之间的关系随着堆随时间的老化而改变。具体地，较老的堆将比新的未老化的堆具有更低的电池电压，并且将需要提供更多的电流以满足功率需求。 

燃料电池堆对车辆驾驶员所要求的功率需求的响应时间对于不同的堆的操作条件是不同的。当需要的电流较大或堆操作条件是极端的时候，堆的响应较慢，当需要的电流较小或堆操作条件是最优的时候，堆的响应较快。燃料电池堆的电流变化率极限需要基于堆性能来确定，从而最小化响应时间和最大化堆性能。 

在当前的车辆燃料电池系统中，使用查询表来确定由燃料电池堆所提供的电流上升的电流变化率极限。具体地，将在燃料电池堆中流动的冷却流体的温度和阴极的入口处的相对湿度提供给查询表，查询表基于这些值提供电流变化率极限。将电流变化率极限连同电流请求一起提供给算法，从而基于电流变化率提供堆电流设定值来调整堆的电流输出。 

基于该过程，在相同的温度和相对湿度的情况下，不考虑需要的电流和燃料电池堆随堆寿命的老化，电流变化率极限将是相同的。更具体地，在大的或小的电流请求下，或当堆完全不同地运行时在堆的寿命的开始或堆的寿命的结束时，电流变化率极限在相同的温度和相对湿度的情况下将是相同的。然而，这种电流变化率限制处理不会使燃料电池堆的性能最优。具体而言，该电流变化率极限在各种堆操作条件下的所有温度和相对湿度值下不是最快的，因此，不止堆温度和相对湿度决定堆性能。例如，因为电流变化率极限不基于电池电压，则电流变化率极限可能造成堆内的燃料电池的电压下降过快，这将损坏堆。因为目标是将堆电流尽快地改变至需要的值，而不会因为极低的电池电压而损坏堆，因此，希望提供一种最优的电流变化率极限，其提供这种功能但不会造成电池电压降到预定的(门限)值以下。 

发明内容

根据本发明的教导，其公开了一种考虑了电池电压来确定燃料电池堆的最大允许的堆电流极限变化率的系统和方法。该方法包括基于燃料电池阻抗值、堆变量和电流请求信号来估计燃料电池堆电压。燃料电池阻抗值可以基于堆温度和堆相对湿度建模。堆变量可包括交换电流密度和质量传递系数。然后，该方法利用估计的燃料电池电压和基于估计的电压的查询表来确定改变堆电流的电流变化率极限值。然后，该方法将电流变化率极限值和电流请求信号相加以获得电流设定值。 

本发明提供以下技术方案： 

方案1.一种用于确定燃料电池堆的电流设定值的方法，所述方法包括： 

基于堆燃料电池阻抗值、堆变量和电流请求信号来估计燃料电池堆电压； 

利用所述估计的燃料电池电压和查询表来确定用于改变所述堆的电流的电流变化率极限值；和 

将所述电流变化率极限值和所述电流请求信号相加以获得所述电流设定值。 

方案2.根据方案1所述的方法，其特征在于，估计燃料电池电压包括利用基于堆温度和堆相对湿度建模的估计的燃料电池阻抗值。 

方案3.根据方案2所述的方法，其特征在于，所述燃料电池阻抗值利用下述等式进行估计： 

$R_{\mathrm{HFR}}=R_m+R_{\mathrm{contact}}=\frac{t}{{\mathrm{\σ}}_m}+R_{\mathrm{contact}}$

${\mathrm{\σ}}_m=(0.5139\mathrm{\λ}-0.326)\×1268\×(0.0033-\frac{1}{T})$

其中，R_m是膜阻抗，σ_m是膜电导率，t是膜厚度，R_contact是接触阻抗，λ是水含量，所述λ是相对湿度的函数。 

方案4.根据方案1所述的方法，其特征在于，估计燃料电池堆电压包括利用测量的堆燃料电池阻抗值。 

方案5.根据方案1所述的方法，其特征在于，估计所述燃料电池堆电压包括利用下述等式： 

$E_{\mathrm{cell}}=E_{\mathrm{rev}}-(j+a)*R_{\mathrm{HFR}}-(0.07*{\log }_{10}\left(\frac{j+a}{j^0}\right)+{c\log }_{10}(1-\frac{j}{j^{\∞}}))$

其中，E_cell是电池电压(V)，j是堆电流密度(A/m²)，R_HFR是电池HFR阻抗(ohm cm²)，E_rev是热动力学可逆电池电势(V)，a是由于电池短路/电池渗透的本底电流密度(A/cm²)，j⁰是交换电流密度(A/cm²)，j^∞是极限电流密度(A/cm²)，c是质量传递系数。 

方案6.根据方案1所述的方法，其特征在于，估计所述燃料电池电压包括利用用于堆交换电流密度和堆质量传递系数的堆变量。 

方案7.根据方案6所述的方法，其特征在于，所述交换电流密度和所述质量传递系数由利用最小二乘拟合的算法从在线收集的数据进行估计。 

方案8.一种用于确定燃料电池堆的电流设定值的方法，所述方法包括： 

基于估计的燃料电池阻抗值、交换电流密度、质量传递系数和电流请求信号来估计燃料电池堆电压，所述估计的燃料电池阻抗值是基于堆温度和相对湿度建模的； 

利用所述估计的燃料电池电压和查询表来确定用于改变所述堆的电流的电流变化率极限值；和 

将所述电流变化率极限值和所述电流请求信号相加以获得所述电流设定值。 

方案9.根据方案8所述的方法，其特征在于，所述燃料电池阻抗值利用下述等式进行估计： 

$R_{\mathrm{HFR}}=R_m+R_{\mathrm{contact}}=\frac{t}{{\mathrm{\σ}}_m}+R_{\mathrm{contact}}$

${\mathrm{\σ}}_m=(0.5139\mathrm{\λ}-0.326)\×1268\×(0.0033-\frac{1}{T})$

其中，R_m是膜阻抗，σ_m是膜电导率，t是膜厚度，R_contact是接触阻抗，λ是水含量，所述λ是相对湿度的函数。 

方案10.根据方案8所述的方法，其特征在于，估计所述燃料电池堆 电压包括利用下述等式： 

$E_{\mathrm{cell}}=E_{\mathrm{rev}}-(j+a)*R_{\mathrm{HFR}}-(0.07*{\log }_{10}\left(\frac{j+a}{j^0}\right)+{c\log }_{10}(1-\frac{j}{j^{\∞}}))$

其中，E_cell是电池电压(V)，j是堆电流密度(A/cm²)，R_HFR是电池HFR阻抗(ohm cm²)，E_rev是热动力学可逆电池电势(V)，a是由于电池短路/电池渗透的本底电流密度(A/cm²)，j⁰是交换电流密度(A/cm²)，j^∞是极限电流密度(A/cm²)，c是质量传递系数。 

方案11.根据方案8所述的方法，其特征在于，所述交换电流密度和所述质量传递系数由利用最小二乘拟合的算法从在线收集的数据进行估计。 

方案12.一种用于确定燃料电池堆的电流设定值的系统，所述系统包括： 

基于堆燃料电池阻抗值，堆变量和电流请求信号来估计燃料电池堆电压的装置； 

利用所述估计的燃料电池电压和查询表来确定用于改变所述堆的电流的电流变化率极限值的装置；和 

将所述电流变化率极限值和所述电流请求信号相加以获得所述电流设定值的装置。

方案13.根据方案12所述的系统，其特征在于，所述估计燃料电池电压的装置使用基于堆温度和堆相对湿度建模的估计的燃料电池阻抗值。 

方案14.根据方案13所述的系统，其特征在于，所述燃料电池阻抗值利用下述等式进行估计： 

$R_{\mathrm{HFR}}=R_m+R_{\mathrm{contact}}=\frac{t}{{\mathrm{\σ}}_m}+R_{\mathrm{contact}}$

${\mathrm{\σ}}_m=(0.5139\mathrm{\λ}-0.326)\×1268\×(0.0033-\frac{1}{T})$

其中，R_m是膜阻抗，σ_m是膜电导率，t是膜厚度，R_contact是接触阻抗，λ是水含量，所述λ是相对湿度的函数。 

方案15.根据方案12所述的系统，其特征在于，所述估计燃料电池 堆电压的装置使用测量的堆燃料电池阻抗值。 

方案16.根据方案12所述的系统，其特征在于，所述估计所述燃料电池堆电压的装置使用下述等式： 

$E_{\mathrm{cell}}=E_{\mathrm{rev}}-(j+a)*R_{\mathrm{HFR}}-(0.07*{\log }_{10}\left(\frac{j+a}{j^0}\right)+{c\log }_{10}(1-\frac{j}{j^{\∞}}))$

其中，E_cell是电池电压(V)，j是堆电流密度(A/cm²)，R_HFR是电池HFR阻抗(ohm cm²)，E_rev是热动力学可逆电池电势(V)，a是由于电池短路/电池渗透的本底电流密度(A/cm²)，j⁰是交换电流密度(A/cm²)，j^∞是极限电流密度(A/cm²)，c是质量传递系数。 

方案17.根据方案12所述的系统，其特征在于，所述估计燃料电池电压的装置使用用于堆交换电流密度和堆质量传递系数的堆变量。 

方案18.根据方案17所述的系统，其特征在于，所述交换电流密度变量和所述质量传递系数变量由利用最小二乘拟合的算法从在线收集的数据进行估计。 

从以下描述和所附权利要求并结合附图会清楚地理解本发明的其它特征。 

附图说明

图1是用于设定燃料电池堆的电流变化率极限的已知系统的示意方块图。 

图2是用于确定电池电压的系统的示意方块图。 

图3是考虑来自图2的电池电压的用于确定燃料电池堆的电流变化率极限的系统的示意方块图。 

具体实施方式

本发明的实施例的以下论述涉及利用估计的电池电压来确定燃料电池堆的最大允许的堆电流极限变化率的系统和方法，其在本质上仅仅是示例性的，绝非意图限制本发明或其应用，或用途。 

图1是本领域已知并如上所述的类型的电流设定值系统10的示意方块图。系统10包括接收线路14上的温度和相对湿度输入信号的查询表12。 基于温度和相对湿度输入信号，查询表12在线路16上提供电流变化率极限值R，该电流变化率极限值被发送至极限处理器18。极限处理器18还接收线路20上的电流请求值I_req，该电流请求值通常来自车辆驾驶员的请求，确定出在线路22上将要提供给燃料电池堆24的电流设定值I_sp。极限处理器18为燃料电池堆24提供电流设定值I_sp，使得由堆24提供的电流以所希望的电流变化率极限值R增加。然而，如上所述，系统10在性能方面受限制。 

本发明提供了一种考虑了其它系统参数诸如电池电压来确定电流设定值I_sp的系统和方法，从而改善燃料电池堆性能并降低对堆可能造成的损坏。燃料电池堆的电流增加瞬态功率响应是汽车性能的一个重要因素。本发明在高的电池电压预测下(通常在低的电流请求或良好的操作条件下，诸如温暖和潮湿条件)提供快速增加瞬态功率响应。另外，本发明在低的电池电压下(通常对于大的电流请求或不佳的操作条件下，诸如极干燥或冷的条件)提供较低的增加瞬态功率响应。 

本发明计算随着燃料电池阻抗值R_HFR、也反映了燃料电池堆的老化效应的堆变量、以及来自车辆驾驶员的电流请求信号而变的预测的或估计的电池电压E_cell。燃料电池阻抗值R_HFR限定了燃料电池堆上的高频阻抗，其指示了堆的相对湿度和温度。燃料电池阻抗值R_HFR可以是测量值或模型值，如本领域技术人员所熟知的。可以把燃料电池阻抗值R_HFR作为堆入口和出口温度和相对湿度的函数来计算，其中，相对湿度又是入口和出口温度、压力和流率的函数。因此，燃料电池阻抗值R_HFR代表了包括温度，压力和阴极流率的堆操作条件。 

在一个实施例中，预测的或估计的电池电压E_cell计算如下： 

$E_{\mathrm{cell}}=E_{\mathrm{rev}}-(j+a)*R_{\mathrm{HFR}}-(0.07*{\log }_{10}\left(\frac{j+a}{j^0}\right)+{c\log }_{10}(1-\frac{j}{j^{\∞}}))---\left(1\right)$

其中， 

E_cell是电池电压(V)， 

j是堆电流密度(A/cm²)， 

R_HFR是电池HFR阻抗(ohm cm²) 

E_rev是热动力可逆电池电势(V)， 

a是由于电池短路/电池渗透(cell crossover)的本底电流密度(A/cm²)， 

j⁰(θ₁)是交换电流密度(A/cm²)，其由堆电流请求值除以MEA的活性面积计算得到， 

j^∞是极限电流密度(A/cm²)，以及 

c(θ₂)是质量传递系数。 

值j⁰还称为值θ₁，值c还称为值θ₂，它们是未知数并由使用最小二乘拟合的算法从在线收集的数据进行估计。用于估计堆极化曲线(包括确定交换电流密度和质量传递系数)的系统和方法的详细论述可以在2007年1月31日提交的，题目是“algorithm for online adaptive polarization curveestimation of a fuel cell stack”(“用于燃料电池堆的在线自适应极化曲线估计的算法”)的美国专利申请序列号11/669,898中找到，该专利申请转让给了本申请的受让人，并通过引用的方式结合于本文中。 

燃料电池阻抗值R_HFR不是恒定的值，是堆温度和相对湿度的函数。电池电压在不同的温度和湿度条件下通过包括燃料电池阻抗值R_HFR来估计。在一个实施例中，燃料电池阻抗值R_HFR可以基于温度和相对湿度估计如下： 

$R_{\mathrm{HFR}}=R_m+R_{\mathrm{contact}}=\frac{t}{{\mathrm{\σ}}_m}+R_{\mathrm{contact}}$

${\mathrm{\σ}}_m=(0.5139\mathrm{\λ}-0.326)\×1268\×(0.0033-\frac{1}{T})---\left(2\right)$

其中， 

R_m是膜阻抗， 

σ_m是膜电导率， 

t是膜厚度， 

R_contact是接触阻抗，以及 

λ是水含量，其是相对湿度的函数。 

图2是用于计算估计的电池电压E_cell的系统30的示意方块图。系统30包括接收线路34上的输入以确定燃料电池阻抗值R_HFR的调整表32。在 备选实施例中，燃料电池阻抗值R_HFR可以是实际测量值或估计值。表32能够利用等式(2)，或利用一些其它合适的模型或估计过程对燃料电池阻抗值R_HFR进行建模。表32在线路40上输出燃料电池阻抗值R_HFR至等式块36，以利用等式(1)计算电池电压E_cell。等式块36还在线路38上接收要求的电流值I_req，以及值θ₁和θ₂，该要求的电流值I_req在下面的等式中变成电流密度。估计的电池电压E_cell从等式块36在线路42输出。 

图3是基于上述包括利用估计的电池电压E_cell来确定燃料电池堆48的电流设定值I_sp的系统50的示意方块图。系统50包括模型块52，通常表示系统30，模型块52接收线路54上的温度和相对湿度输入，线路56上的值θ₁和θ₂，以及线路58上的要求的电流值I_req。模型块52在线路60上输出估计的电池电压E_cell，该电池电压E_cell被送至查询表62。查询表62确定提供到线路64上的电流变化率极限值R。 

将电流变化率极限值R和线路58上的要求的电流值I_req提供至极限块66，极限块66按照如下方式产生电流设定值I_sp。如果电流变化率ΔI/Δt，其计算为要求的电流值I_req减去在前一时间步长的电流设定值I_sp再除以时间步长，大于/小于电流变化率极限值R，则前一时间步长的电流设定值I_sp加上电流变化率极限值R乘以时间步长，如下： 

                  I_sp＝I_sp(n-1)+RΔt    (3) 

其中I_sp是电流设定值，I_sp(n-1)是前一时间步长的电流设定值，Δt是时间步长。 

如果电流变化率位于电流变化率极限值R的范围内，则电流设定值I_sp等于要求的电流值I_req，如下： 

I_sp＝I_req    (4) 

电流设定值I_sp在线路68上提供给燃料电池堆48，以设定堆48的电流输出，从而在不允许电池电压下降到低于可能损坏堆48的特定值的情况下，尽可能快地满足要求的电流值I_req。 

前述论述仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本发明技术人员将从该论述以及附图和权利要求容易地懂得，在不偏离以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变，修改和变形。 

Claims (10)

1.一种用于确定燃料电池堆的电流设定值的方法，所述方法包括：

基于堆燃料电池阻抗值、堆变量和电流请求信号来估计燃料电池堆电压；

利用所述估计的燃料电池电压和查询表来确定用于改变所述堆的电流的电流变化率极限值；和

将所述电流变化率极限值和所述电流请求信号相加以获得所述电流设定值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，估计燃料电池电压包括利用基于堆温度和堆相对湿度建模的估计的燃料电池阻抗值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述燃料电池阻抗值利用下述等式进行估计：

$R_{\mathrm{HFR}}=R_m+R_{\mathrm{contact}}=\frac{t}{{\mathrm{\σ}}_m}+R_{\mathrm{contact}}$

${\mathrm{\σ}}_m=(0.5139\mathrm{\λ}-0.326)\×1268\×(0.0033-\frac{1}{T})$

其中，R_m是膜阻抗，σ_m是膜电导率，t是膜厚度，R_contact是接触阻抗，λ是水含量，所述λ是相对湿度的函数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，估计燃料电池堆电压包括利用测量的堆燃料电池阻抗值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，估计所述燃料电池堆电压包括利用下述等式：

$E_{\mathrm{cell}}=E_{\mathrm{rev}}-(j+a)*R_{\mathrm{HFR}}-(0.07*{\log }_{10}\left(\frac{j+a}{j^0}\right)+{c\log }_{10}(1-\frac{j}{j^{\∞}}))$

其中，E_cell是电池电压(V)，j是堆电流密度(A/cm²)，R_HFR是电池HFR阻抗(ohm cm²)，E_rev是热动力学可逆电池电势(V)，a是由于电池短路/电池渗透的本底电流密度(A/cm²)，j⁰是交换电流密度(A/cm²)，j^∞是极限电流密度(A/cm²)，c是质量传递系数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，估计所述燃料电池电压包括利用用于堆交换电流密度和堆质量传递系数的堆变量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述交换电流密度和所述质量传递系数由利用最小二乘拟合的算法从在线收集的数据进行估计。

8.一种用于确定燃料电池堆的电流设定值的方法，所述方法包括：

基于估计的燃料电池阻抗值、交换电流密度、质量传递系数和电流请求信号来估计燃料电池堆电压，所述估计的燃料电池阻抗值是基于堆温度和相对湿度建模的；

利用所述估计的燃料电池电压和查询表来确定用于改变所述堆的电流的电流变化率极限值；和

将所述电流变化率极限值和所述电流请求信号相加以获得所述电流设定值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述燃料电池阻抗值利用下述等式进行估计：

$R_{\mathrm{HFR}}=R_m+R_{\mathrm{contact}}=\frac{t}{{\mathrm{\σ}}_m}+R_{\mathrm{contact}}$

${\mathrm{\σ}}_m=(0.5139\mathrm{\λ}-0.326)\×1268\×(0.0033-\frac{1}{T})$

其中，R_m是膜阻抗，σ_m是膜电导率，t是膜厚度，R_contact是接触阻抗，λ是水含量，所述λ是相对湿度的函数。

10.一种用于确定燃料电池堆的电流设定值的系统，所述系统包括：

基于堆燃料电池阻抗值，堆变量和电流请求信号来估计燃料电池堆电压的装置；

利用所述估计的燃料电池电压和查询表来确定用于改变所述堆的电流的电流变化率极限值的装置；和

将所述电流变化率极限值和所述电流请求信号相加以获得所述电流设定值的装置。

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