[发明专利]在功率暂时下降期间通过使用所存储的阴极氧气来提高燃料电池系统的总体效率

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于使用存储的阴极氧气来提高燃料电池系统总体效率的系统和方法，并且更加特别地，涉及一种系统和方法，其用于利用在燃料电池系统的阴极管中可获得的加压体积氧气来产生被提供给燃料电池系统部件的能量。

背景技术

氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为它洁净并且能够用于在燃料电池中高效地生产电力。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括在其间具有电解质的阳极和阴极。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂中离解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂处与氧气和电子发生反应而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此在被发送到阴极之前被引导通过负载以做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC总体上包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地（但非总是）包括精细分割的催化粒子，通常为高活性催化剂（例如铂（Pt）），其被支撑在碳粒子上并与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合定义了一种膜电极组件（MEA）。MEA制造起来相对昂贵并且需要一定的条件来高效运行。

通常，多个燃料电池组合在燃料电池组中以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池组可以具有两百或更多个成组的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体（典型地，通过压缩机迫使通过电池组的空气流）。并非所有的氧气都被电池组消耗，并且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可以包括作为电池组副产品的水。燃料电池组还接收流入电池组阳极侧中的阳极氢输入气体。

燃料电池组包括定位在电池组中的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于电池组中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气流通道设置在双极板的阴极侧上，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，并且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，例如，不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的传导到电池组之外。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。

对燃料电池组阴极侧适当的空气流的测量以及控制对于燃料电池系统的运行是关键的。如果传递到电池组的空气太多，能量被浪费掉，并且电池组中的燃料电池可能变得太干燥，从而影响燃料电池的耐用性。传递到电池组的空气太少会因为氧气饥饿而导致燃料电池不稳定。因此，燃料电池系统通常在阴极输入线路或阴极输出线路中采用空气流计，从而为燃料电池组提供空气流的准确测量。如果空气流计失效，通常有必要关闭燃料电池系统，因为不以足够的准确度得知传递到燃料电池组的空气的量，可能对系统部件具有不利影响。

在燃料电池系统功率暂时下降期间，电池组电流通常骤然减少，从而留下未反应的加压氧气在阴极管体积中可获得，因为阴极管中的压力不立即下降。通常，加压氧气释放出背压控制阀并被浪费掉。因此，本领域中需要一种方法以利用在阴极管中可获得的加压氧气，以便从加压氧气中产生能量，而不是简单地将氧气释放并浪费掉。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于利用在燃料电池系统阴极管中的加压体积氧气的系统和方法，其包括计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡。所述系统和方法还包括使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量，并且使用对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔来从燃料电池组中引出电流。

本发明还包括如下方案：

1. 一种用于利用在包括燃料电池组的燃料电池系统的阴极管中的加压体积氧气的方法，所述方法包括：

计算基于在阴极管中的空气平衡和氧气平衡的空气/氧气平衡；

使用所计算的空气/氧气平衡来确定对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量；以及

使用所述对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔来从燃料电池组引出电流。

2. 根据方案1所述的方法，其中，计算空气/氧气平衡包括在燃料电池组功率暂时下降开始时计算空气/氧气平衡。

3. 根据方案1所述的方法，还包括基于所确定的对于燃料电池化学反应可获得的氧气摩尔的数量来确定最大电流引出。

4. 根据方案1所述的方法，其中，计算空气/氧气平衡包括基于流入燃料电池组中的氧气和流出燃料电池组的氧气来计算空气/氧气平衡。