[发明专利]适应性调整退化因子的阴极加湿单元

说明书

相关申请的交叉引用

本申请在此根据35 U.S.C.§119(e)要求2013年3月14日提交的名称为“Cathode Humidification Unit Adapting Degradation Factor”的美国临时申请No.61/782,790的优先权。

背景技术

本发明涉及对一段时间内阴极加湿单元（CHU）的退化加以考虑的方法和设备，更具体地，涉及适应性质调整CHU模型参数以确保CHU在该段时间内的有效操作。

燃料电池，尤其是质子交换膜或聚合物电解质膜（在两种情形中都缩写为PEM）燃料电池，需要平衡的水位以确保正常操作。例如，避免燃料电池中存在过多的水是重要的，这是因为燃料电池中存在过多的水会导致反应物流场通道发生溢流或相关的堵塞。在另一方面，过少的水合作用会限制设置于催化电极之间的离子传输膜的导电性；该高离子电阻会导致差的电气性能以及过早的电池故障。促进合适的加湿水平或燃料电池内相关的水平衡的一种常见方式是通过一个或多个CHU（也被称作水气传递（WVT）单元、膜加湿器或燃料电池加湿器，等等）。在典型的CHU配置中，湿侧和干侧的反应物流径（例如，阴极排气装置和阴极入口）通过CHU中的膜介质彼此互相以水分交换方式连通，从而使得离开阴极排放装置的过量水分可以通过所述介质扩散到阴极入口的较干流径。可以在美国专利7,749,661、7,875,396和8,048,585中找到WVT单元的例子，上述所有美国专利都被转让给本发明的受让人，并且其全部内容在此通过引用完全合并于本文中。

在许多燃料电池被布置为燃料电池系统部件的模块、堆或相关的较大组件的一部分的情况下，可以通过位于阴极进气流中的相对湿度传感器来获得对各种电池膜的整体湿度水平的良好测量。该测量结果与其它因素（例如，阴极入口空气流速、阴极入口温度和阴极入口压力）一起用于估计CHU的水传递速率（WTR），WTR作为CHU性能的一个指标。

除了利用上述传感器之外，还有其它获取湿度信息的方式。一种方式利用了燃料电池的固有高频电阻（HFR），其是与质子通过电池的离子传输膜的能力相关的可直接测量的特性；而该移动性继而又是电池的湿度水平的函数。可以在2009年11月19日提交的名称为“Online Estimation of Cathode Inlet and Outlet RH from Stack Average HFR”的美国申请2011/0113857中找到利用HFR作为估计和控制阴极入口和出口流湿度的方式的一种方法，该美国申请为本申请的受让人所拥有，并且通过引用合并于此。

尽管确定堆接线端之间的HFR可以提供对平均堆膜相对湿度的良好测量，从而有助于满足堆的效率目标，但是其不足以识别与CHU退化或损耗相关的问题。描绘CHU退化的常规方式是在部件测试台上执行对该单元的离线测试。这需要从燃料电池系统拆下CHU，在部件测试台上测试CHU，并且将该单元重新安装回到系统中；这种方法需要大量CHU停用时间（例如，约48小时）。因此，执行频繁的燃料电池系统（例如，那些预期用于车辆应用的燃料电池系统）离线测试来作为确定单元退化的方式是不实际的。

CHU模型获取操作状况，估计从阴极出口传递到阴极入口的水，然后报告堆阴极入口的摩尔的水摩尔流速。入口水流速用于水缓冲模型，以确定堆阴极的出口状况，该状况随后被发送到CHU的湿侧入口。CHU的入口被修改为对水传递到堆的阳极侧加以考虑，这会减少再循环到CHU的水量。

随着时间的推移，CHU退化，从而致使当前的湿度算法过高估计被传递回燃料电池堆入口的水量。由于较高的阴极化学计量在低功率下运行，因此这种过高估计在低电流密度下比在高电流密度下对出口湿度的影响更大。较高的化学计量意味着生成的水（容易计算的数字）是总的堆出口水的较小部分，并且入口水（其量取决于CHU的性能）是大得多的部分。当CHU退化时，入口水减少，并且因此膜较干。干的膜会使燃料电池的入口部分发生化学诱发性退化。这将增大HFR测量结果，并且导致较低的电池电压和较低的系统效率。替代性地，可以调节操作状况以增加电池湿度（例如，较低的温度、较低的化学计量、增加的压力），但是所有这些都具有负面影响，诸如，离开最有效操作点，或者受限制的热量排放。此外，在CHU退化的情况下，当操作温度高时，燃料电池堆将变干，可能引起不可接受的系统性能和材料退化。

因此，需要在CHU的使用寿命期限内对退化加以考虑。

发明内容