本篇美国通用专利提出了一种减少瞬态变载时相对湿度偏差的方法。该方法提出：可以通过控制阴极的过量系数来最大限度地减少瞬态时相对湿度的偏差。如需本篇专利原文及相关技术解决方案，转发即可获取！
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛使用的车用燃料电池技术。PEMFC一般包括固体聚合物电解质-质子交换膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细均匀分布的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对两侧。阳极催化层、阴极催化层和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。
通常将几个燃料电池组合在一个燃料电池堆中以产生所需的功率。一个车用燃料电池堆一般包括大约300-400片燃料电池。燃料电池堆又包括一系列位于堆内多个MEA之间的流场或双极板。在双极板的阳极侧设有阳极气体流动通道，允许阳极气体流向MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧设有阴极气体流动通道，允许阴极气体流向MEA的阴极侧。双极板之间还包括冷却流体流经的通道。
01
存在问题
燃料电池系统在高功率工况下，阴极过量系数约为2(本文以下相关参数仅做示例，不同电堆存在不同过量系数等要求)。低功率时，如果维持高功率的过量系数，由于反应物气体流量低，反应物气流通道内积聚的水会导致电池失效，从而影响电堆的稳定性。因此，在低功率的工况下需要增加阴极过量系数以增加气流，排出水，从而增加电堆稳定性。但又要保证膜的相对湿度，故需要降低燃料电池堆的工作温度，以减少气体中的含水量，以保持所需的膜相对湿度，故燃料电池在低功率时需要相对较低的温度及大的阴极过量系数，在高功率时需要相对较高的温度及小的过量系数，如图1所示。
图1. 不同电流密度下
阴极过量系数与温度变化示意图
燃料电池系统瞬态变载的过程中，温度响应时间受到热动力学的限制。即温度下降或上升的得不够快。在瞬态降低功率时，这种热动力学的不匹配导致膜的相对湿度降低到约50%。在瞬态拉载功率时，会导致相对湿度瞬态增加到 120% 以上，并在温度响应时衰减回所需的 80%。因此，在负载瞬变时会发生相对湿度偏移。
02
专利方案
该专利提出了一种在系统瞬态变载期间的燃料电池阴极过量系数的控制方法，具体的根据燃料电池系统变载的时间函数来对阴极过量系数进行控制。如果燃料电池系统功率瞬态下降到预定的电密，对低功率的条件进行检测，并确定该条件是否继续，若低电密要保持较长时间，则提高阴极过量系数，若短暂降载则维持低的阴极过量系数。反之燃料电池系统功率瞬态升载到预定电密，则按相应的延迟对阴极过量系数进行控制。
图2为该专利提出的各种燃料电池电堆电流密度下阴极过量系数的控制方法的流程图。
图2.不同电流密度下
阴极过量系数的控制方法流程图
如上图所述。在低功率位置，燃料电池处于0-0.3 A/cm2范围内的电流密度，则阴极过量系数为6。在中等功率位置，燃料电池处于0.3-0.6 A/cm2范围内的电流密度，则阴极化学计量为4。在高功率位置处，燃料电池处于0.6-2A/cm 2范围内的电流密度，则阴极化学计量为2。
另外该专利指出这些电流密度和阴极化学计量仅是示例性的，对于其他应用，可以使用其他电流密度和化学计量值。
控制方法为：当电流密度位于较低功率位置，瞬态拉载电流密度增加到中功率位置，则等待预定的时间段后将阴极过量系数从6降低到4。专利推荐时间段约为30秒。此时间段将针对不同的系统进行校准。同样，当燃料电池系统的电流密度从中功率位置变为低功率位置，则同样需要等待预定的时间段，在该时间段内需将化学计量保持在4。当燃料电池系统电流密度在中功率置和高功率位置之间转换，则相同的逻辑适用。
即当燃料电池系统进行瞬态拉降载时，均需要等待电流密度的变化持续预定的时间段。再改变阴极化学计量，这样可以减少燃料电池内膜相对湿度的变化。
178 0012 6383