[发明专利]基于极化曲线估计的燃料电池系统最大净功率计算方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种用于确定当燃料电池堆随时间退化时来自该燃料电池堆的最大可用功率的算法，更特别地，涉及一种当燃料电池堆随时间退化时利用在线极化曲线估计过程来确定从该燃料电池堆可得到的最大功率的算法。 

背景技术

氢是一种很有吸引力的燃料，因为其清洁并且在燃料电池中能用来有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阴极和阳极以及位于两者之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极被离解以产生自由的氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与氧以及电子在阴极反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此电子在被送到阴极之前被引导通过负载而做功。 

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常用的车用燃料电池。质子交换膜燃料电池一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细分开的催化微粒，一般是铂(Pt)，该催化微粒被载持在碳微粒上并与离聚物相混合。催化混合物沉积在该膜的相对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物以及该膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。膜电极组件造价相对昂贵并且需要某些条件才能有效工作。 

几个燃料电池通常组合在燃料电池堆中来产生所需的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是使用压缩机强迫通过电池堆的空气流。并非所有的氧气都被电池堆消耗掉，并且一些空气作为阴极废气排出，所述阴极废气可能包括水作为电池堆副产物。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢气输入气体。 

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)以根据功率需求安排(schedule)反应物。该电池堆的电压和电流之间的关系通常难以定义，因为它是非线性的，并且依据许多变量而变化，包括堆温度，堆分压以及阴极和阳极化学计量(stoichiometry)。另外堆电流和电压之间的关系随着电池 堆随时间退化而发生改变。特别地，与新的非退化的电池堆相比，较老的电池堆将具有较低的电池电压，并将需要提供更多的电流来满足功率需求。 

幸运的是，一旦高于某个温度，许多燃料电池系统趋向于在给定的电流密度下具有可重复的操作条件。在这种情况下，电压可以近似地描述为堆电流密度以及使用年限(age)的函数。 

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种利用燃料电池堆的极化曲线的在线(online)自适应估计来确定当该燃料电池堆随时间退化时从燃料电池可得到的最大净功率的算法。该算法首先从燃料电池系统获取估计参数，例如平均电池电压以及最小电池电压，并分别对平均电池电压和最小电池电压估计该燃料电池堆的极化曲线。然后该算法根据极化曲线估计为该平均电池电压和该最小电池电压计算从该电池堆可得到的最大功率。为此，所述算法将该电池堆的电流密度范围分成若干样本区域，并从估计的极化曲线的最左边选择第一样本区域。所述算法然后计算该电流密度样本区域的电池电压，以及确定所计算的电池电压是否小于或者等于预定的电池电压极限。如果所计算的电池电压不小于该电池电压极限，则所述算法沿着极化曲线选择下一样本区域。当计算的电池电压的确达到所述电池电压极限的时候，所述算法使用那个正被分析的样本区域的电流密度来计算该燃料电池堆的最大功率。然后所述算法选择平均电池电压和最小电池电压两者的最大功率的较小者作为燃料电池系统最大输出电压。 

结合附图，根据下面的描述和随附的权利要求书将显而易见本发明的附加特征。 

附图说明

图1是包括分离的堆和控制器的燃料电池系统的框图； 

图2是示出燃料电池堆中的最小电池以及燃料电池堆中的平均电池的极化曲线的曲线图，其中水平轴是燃料电池堆电流密度，垂直轴是燃料电池堆电压； 

图3是示出根据本发明的实施例的用于为燃料电池堆确定在任何特定时间点的最大燃料电池堆功率的过程的流程图；以及 

图4是示出根据本发明的实施例的用于计算最大燃料电池堆功率的过程的流程图。 

具体实施方式 

针对一种利用在线极化曲线估计过程来确定当燃料电池堆随时间退化时从燃料电池系统可得到的最大净功率的算法的本发明实施例的以下讨论本质上仅仅是示例性的，并且决不打算限制本发明或者其应用或用途。