[发明专利]控制燃料电池的氢气清除的方法和系统

说明书

本发明涉及控制燃料电池的氢气清除的方法和系统。所述方法包括计算氢气供应量和估算氢气消耗量。然后当计算的氢气供应量和估算的氢气使用量之间的差值大于预定阈值时，校正估算的氢气浓度。

技术领域

本发明涉及用于控制燃料电池的氢气清除的方法和系统，并且更具体地涉及通过估算燃料电池的氢气再循环线路中的氢气浓度来控制氢气清除的方法和系统。

背景技术

通常，燃料电池通过分别由氢气供应装置和空气供应装置供应的氢气和氧气之间的氧化还原反应将化学能转化为电能，并且包括产生电能的燃料电池堆和冷却燃料电池堆的冷却系统。换言之，将氢气供应至燃料电池堆的阳极侧，并且在阳极，氢气发生氧化反应以产生质子和电子。产生的质子和电子分别通过电解质膜和隔膜从阳极流向阴极。在阴极处，从阳极中得到的质子和电子参与和空气中的氧气的电化学反应，形成水。这种电子的流动产生电能。

其中，供应给燃料电池堆的阳极侧的氢气应保持在适当的氢气浓度水平，这需要氢气再循环线路中的氢气清除控制。氢气清除控制通常通过响应于氢气浓度的实时估算而维持适当的氢气浓度来进行。然而，由于用于估算氢气浓度的参数是基于初始状态的默认值，因此未被校正，而如果不校正的话，所述参数不能反映所有随燃料电池堆劣化而变化的情况。

图1是表示根据现有技术的随着燃料电池堆劣化的氢气消耗量的曲线图。参考图1，分别描绘了燃料电池膜电极组件(MEA)中健康膜和劣化膜的氢气消耗曲线。如曲线图所示，与健康膜相比，燃料电池堆的劣化膜随着堆的劣化而变薄，由此增加了通过MEA的交换(crossover)，结果加速了氢气的消耗速率。

因此，随着燃料电池MEA的膜劣化，在用于氢气浓度估算的氢气消耗量与在燃料电池中消耗的实际消耗的氢气量之间出现实质差异。换言之，当估算氢气浓度而不考虑随着燃料电池MEA膜的劣化而交换增加的现象时，不能保持适当的氢气浓度。因此，在向其中供应低浓度的氢气的情况下操作燃料电池时，劣化得到进一步加速。

应理解，背景技术的前述描述仅仅是为了促进对本发明的背景的理解，而不应被理解为承认现有技术是本领域技术人员已知的。

发明内容

本发明提供了一种用于控制氢气清除的方法和系统，其中对用于估算供应至燃料电池的氢气浓度的扩散参数进行校正，以防止燃料电池在低氢气浓度下操作。

根据本发明的方面，一种通过估算氢气浓度来控制燃料电池的氢气清除的方法可以包括：计算氢气供应量；估算氢气消耗量；以及当计算的氢气供应量与估算的氢气使用量之间的差值大于预定的阈值时，校正估算的氢气浓度。

氢气浓度可以基于根据燃料电池中发生的交换的扩散方程来估算。氢气供应量的计算可以基于氢气储存系统中的储存量来执行。氢气储存系统中的储存量可以基于氢气罐中的压力和温度来计算。此外，可以在第一储存量和第二储存量之间时间段内分别进行氢气供应量的计算和氢气消耗量的估算，以计算氢气供应量并估算的氢气消耗量，所述第一储存量和第二储存量都是在氢气储存系统中预先建立的。

氢气消耗量的估算可以通过对在燃料电池中反应的氢气的量、氢气交换的量，以及通过氢气清除排出的氢气的量进行求和来进行。在燃料电池中反应的氢气的量可以基于燃料电池产生的电流来估算。氢气交换的量可以基于扩散方程进行估算。扩散方程可以使用以下公式：

以及

其中，所用的符号如下：氮气交换率；氢气交换率；P：压力，[kPa]；R：气体常数，8.314[J/mol/K]；T：温度，[K]；D：扩散系数；A：催化剂面积；以及δ：扩散距离。

可以基于氢气供应线路的压力与外部压力之间的差值以及估算的氢气浓度来估算通过氢气清除所排放的氢气的量。可以对估算的氢气浓度进行校正以校正根据交换的扩散方程的扩散系数。随着计算的氢气供应量和估算的氢气使用量之间的差值增大，可以校正根据交换的扩散方程的扩散系数以进一步增大。