[发明专利]燃料电池系统中的阴极滤清器更换算法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于确定何时更换燃料电池系统中的压缩 机空气滤清器的系统和方法，更具体地涉及一种使用压缩机特性曲线、基 于流经压缩机的空气流量和压缩机排出压力来确定压缩机入口压力从而 确定何时更换燃料电池系统中的压缩机空气滤清器的系统和方法。

背景技术

氢气是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并可用于在燃料 电池中有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及介于它们之间的 电解质的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳 极分解，以产生自由的质子和电子。质子经由电解质流到阴极。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，并由 此被引导通过负载以便在被送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常见燃料电池。 PEMFC通常包括固态的聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极 和阴极通常包括承载于碳颗粒上并与离聚物混合的细碎的催化剂颗粒，通 常为铂(Pt)。催化剂混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化剂混合物、阴 极催化剂混合物以及膜的结合物限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造 成本相对较高，并且需要特定条件以便有效工作。

通常，在燃料电池堆中结合多个燃料电池来产生期望的电能。 例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百或者更多个堆叠的燃料电 池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，该反应气体通常为通过压缩机强 制通入电池堆的空气流。并非所有氧气都被电池堆消耗，一些空气作为阴 极废气输出，阴极废气可能包括作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接 收流入电池堆的阳极侧的阳极氢气反应气体。电池堆还包括冷却流体流经 其中的流动通道。

燃料电池堆包括位于电池堆中的多个MEA之间的一系列双极 板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。对于电池堆中的相邻燃料电池 而言，双极板包括阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳 极侧，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双 极板的阴极侧，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极 气体流动通道，而另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由 导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池所产生的电引 导到电池堆外。双极板还包括冷却流体流经其中的流动通道。

燃料电池系统通常在阴极压缩机的入口处应用空气滤清器，以 移除污染物和微粒，否则污染物和微粒会使压缩和燃料电池堆的性能下 降。用于燃料电池系统的空气滤清器通常比典型的内燃机空气滤清器更复 杂，燃料电池系统的空气滤清器通常过滤到0.3μ的HEPA标准(高效微 粒空气标准)，而内燃机空气滤清器为10-15μ。燃料电池系统的空气滤 清器通常还吸收各种化学物质，例如酸性气体和碳氢化合物。几乎所有用 作阴极氧气供给器的压缩机都对受限制的滤清器所引起的入口流动限制 敏感，尤其是涡旋压缩机。如果空气滤清器受到限制，则进入压缩机的空 气变少，这会限制燃料电池系统的最大产能，同时消耗额外的能量，进一 步降低性能。而且，对于涡旋压缩机而言，如果空气滤清器因破裂或者压 缩机空气施加于空气滤清器上的拉力所致的错位而失效，则可以进入压缩 机的灰尘和其它污染物可能会损坏压缩机及其空气轴承。

目前，在没有专用的压缩机入口压力传感器的情况下，本领域 中没有用于检测何时该更换燃料电池系统中的空气滤清器的技术或工艺， 而如果不及时更换空气滤清器，将会引起压缩机失效。

发明内容

根据本发明的教导，公开一种燃料电池系统，其包括：用于将 阴极空气供给燃料电池堆的阴极侧的压缩机；用于过滤送入压缩机的空气 以防止微粒和其它污染物进入压缩机和燃料电池堆的空气滤清器。该燃料 电池系统还包括测量进入压缩机的空气流量的质量流量计和测量压缩机 出口处的空气流的压力的压力传感器。提供限定压缩机的操作特性的压缩 机特性曲线的电子版。通过获知流经压缩机的空气流量和压缩机出口处的 压力，该算法可确定在压缩机特性曲线上压缩机正在操作的位置，并由此 确定压缩机的入口压力。压缩机的入口压力可给出压缩机经由空气滤清器 抽吸空气的困难程度的指示，从而显示出空气滤清器是否堵塞以及是否应 该更换空气滤清器。

结合附图，通过下面的描述和所附权利要求，本发明的附加特 征将变得明显。

附图说明