[发明专利]基于燃料电池系统的电压性能的电流限制的增益调度控制

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种限制燃料电池堆的输出电流的算法，特别地涉及一种 基于各种参数(例如堆性能、堆寿命)限制燃料电池堆的输出电流的算法。

背景技术

氢是一种很具有吸引力的燃料，因为它清洁且在燃料电池中能够用来有效 地发电。氢燃料电池是一种包括其间具有电解质的阳极和阴极的电化学设备。 阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。在阳极中氢气被离解以产生自由的氢 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气和电子反应 以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，并且因此在被送到阴极之前被引 导通过负荷来做功。

质子交换燃料电池(PEMFC)是一种用于车辆的通用燃料电池。PEMFC 一般包括固态聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地 包含支撑在碳颗粒上且与离聚物混合的精细分开的催化颗，通常为铂(Pt)。 催化混合物沉积在该膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和该膜的 组合定义了膜电极组件(MEA)。MEA加工相对较贵并且需要一定的条件才能 有效操作。

在燃料电池堆中几个燃料电池通常组合在一起产生希望的功率。燃料电池 堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体典型地是通过压缩机强制通过该电池 堆的空气流。并非所有的氧气都被该电池堆消耗掉并且一部分空气作为阴极废 气输出，所述废气可能包含作为堆副产品的水。燃料电池堆也接收流入该电池 堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

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)，来从该 堆提供功率的合适分配。该堆的电压和电流之间的关系一般难以定义因为它是 非线性的，且根据包括堆温度、堆分压以及阳极和阴极化学计量的很多变量而 变化。此外，堆电流和电压之间的关系随着该堆随时间的退化而变化。特别地， 旧堆比新的、没有退化的堆具有较低的电池电压，并且需要提供更多的电流来 满足功率需求。

幸运地，许多燃料电池系统，一旦它们高于一定温度，在一给定电流密度 时往往有可重复的操作条件。在那些情况下，电压可以近似地被描述为堆电流 密度和使用年限(age)的函数。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种当燃料电池堆随时间退化并且其性能随时 间衰减时，限制该燃料电池堆的输出电流的系统和方法。所述燃料电池堆提供 了电压输出信号和电流密度输出信号，其中所述电流密度输出信号被提供给识 别用于特定电流密度的预定电压设定点的查找表。所述电压设定点被发送到第 一比较器，该第一比较器比较该电压设定点和来自该堆的电压输出信号从而产 生电压差信号。所述电压差信号被提供给诸如比例积分控制器之类的控制器， 所述控制器基于所述电压差信号提供电流限制信号。所述电流限制信号和电流 请求信号被提供给用来选择这两者中较小者的第二比较器，该较小者被用来限 制该堆的最大输出电流。来自该堆的所述输出电压信号和所述输出电流信号也 被提供给极化曲线估计器，该极化曲线估计器估计该堆的参数以定义该堆的随 着该堆的寿命变化的极化曲线。来自估计器的参数被提供给增益调度器(gain scheduler)，所述增益调度器给控制器提供基于其目前正在所述堆的寿命中的哪 个部分操作的增益。

结合附图，根据下面的描述和随附的权利要求书，本发明的附加特征将变 得显而易见。

附图说明

附图1是示出当燃料电池堆随时间退化时，来自所述燃料电池对的最大输 出功率的曲线图，其中横轴为时间，纵轴为功率；以及

附图2是根据本发明实施例的采用基于堆性能限制堆输出功率的过程的燃 料电池系统的方框图。

具体实施方式

本发明实施例的以下讨论针对一种当燃料电池堆随时间退化时限制所述 堆的输出电流的系统和方法，该讨论本质上仅是示范性的，并且决不打算限制 本发明或其应用或用途。

本发明提出了一种基于堆性能(例如电压退化)、或其它外部因素(例如阳 极入口压力太低)限制来自燃料电池堆的输出电流的算法。该限制算法的一个 目的是，即使所述堆不能提供全部性能时，也能维持所述燃料电池系统运转并 且能够从所述堆中汲取足够电流来驱动车辆或给电池充电。如下面详细讨论的， 所述算法被设计为基于堆电压性能来限制来自所述堆的电流输出。