專(zhuān)利名稱(chēng)：軟啟動(dòng)燃料電池控制策略的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池，它一般被稱(chēng)作;)t料電池，其ilil處理第 一和第二反應(yīng)物產(chǎn)生電能。例如，在燃料電池中通31含氧氣體的還原和含氫氣 體的氧化產(chǎn)生電能。非限制性的示例說(shuō)明中，典型的電池包括位于分別容納一 種反應(yīng)物的一對(duì)流場(chǎng)中間的膜電極組件(MEA)。更具體地，陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極 流場(chǎng)板可以位于MEA的兩側(cè)。單一電池單元所提供的電ra于有用的應(yīng)用來(lái)說(shuō) 通常太小了，因lt隨常以一種導(dǎo)電連接的"堆"方式來(lái)設(shè)置多個(gè)電池，以增加電 化學(xué)轉(zhuǎn)換組件的電輸出。
背景技術(shù)：
運(yùn)用水合的MEA的燃料電池的耐久性強(qiáng)烈依賴(lài)MEA中所用的聚合 物電解質(zhì)膜的7jC合狀態(tài)。為了降低膜中質(zhì)子傳導(dǎo)的阻力，通常要求保持聚合物電解質(zhì)膜含有足夠的水。但是，本發(fā)明人認(rèn)為在典型的運(yùn)行情況下，MEA經(jīng)歷相對(duì)濕和相對(duì)干的循環(huán)狀態(tài)。這些膜的水合循環(huán)在燃料電池啟動(dòng)運(yùn)行中特別普遍。
i^7jC合循環(huán)的一種結(jié)果是MEA的機(jī)械耐久性的顯著退化。更具體 地，MEA的疲勞循環(huán)壽命與膜應(yīng)力有直接關(guān)系。因此，膜應(yīng)力與水含量、失7K 率、溫度、以及加熱7 令卻速度之間存在明顯的函數(shù)關(guān)系。膜應(yīng)力和疲勞壽命之 間的關(guān)系可以用疲勞壽命曲線tt示，，本文中也被稱(chēng)作S-N曲線。根據(jù)圖 1所示的S-N曲線的一個(gè)實(shí)例，其中將歸一化的計(jì)算應(yīng)力纟魏喊與各種不同的 測(cè)試情況下的膜壽命曲線，并且其中膜壽命被定義為泄漏開(kāi)始(leak initiation) 的循環(huán)數(shù)量，通常較高的膜應(yīng)力對(duì)應(yīng)于較低的燃料電池耐久性。
合適的膜應(yīng)力模型的一個(gè)實(shí)例如下<formula>formula see original document page 7</formula>其中，膜7jC合值X、膜7jC合的變化值M、膜溫度T，濕膨脹(hygro e鄧ansion) 系數(shù)|3以及單軸蠕，量D來(lái)自材料的測(cè)試和燃料電池系統(tǒng)的測(cè)試。為本說(shuō)明 書(shū)目的，X和M代表^t酸位的根據(jù)水分子數(shù)量的膜7K含量，其單位是H20/H +， ^是應(yīng)變張量，。f^應(yīng)力，H戈表時(shí)間， 是Kroneckerdelta, B是體積蠕 ，量，s是施加應(yīng)力的膨脹分量(dilatational component), 是所施加應(yīng)力的 偏分量，并且f代表時(shí)間的積分變量。該膜應(yīng)力模型的特點(diǎn)不在本發(fā)明的范圍 之內(nèi)，并且可以從大量的有關(guān)應(yīng)力模型的合適教導(dǎo)中收集得到。這里所介紹的 模型僅僅用于說(shuō)明目的，不應(yīng)該被用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
在傳統(tǒng)的燃料電池啟動(dòng)策略中，針對(duì)預(yù)定的標(biāo)稱(chēng)溫度和預(yù)定的化學(xué) 計(jì)量比，M:初始運(yùn)行的設(shè)定值(setpoints)。典型地，在不工作(at idle)和低 功率下，溫度相對(duì)較低，氧氣輸入流的化學(xué)計(jì)量比相對(duì)較高。另一方面，在滿(mǎn) 額輸出時(shí)(at foil power),溫度較高且化學(xué)計(jì)量比較低。本發(fā)明人認(rèn)為暖機(jī) (warm-up)期間的升溫具有特殊驅(qū)動(dòng)所用的循環(huán)作用，并且與非積極的驅(qū)動(dòng)循 環(huán)相比，積極的驅(qū)動(dòng)循環(huán)將導(dǎo)致更fflili也作好暖機(jī)。圖2說(shuō)明了一個(gè)相對(duì)積極 的驅(qū)動(dòng)循環(huán)中膜鵬丁、陰極流場(chǎng)相,度RH以及膜水合值入的變化過(guò)程。
在圖2中，在圖中標(biāo)識(shí)為A的區(qū)域觀察到由濕到干的多次轉(zhuǎn)變、即 堆的朋/規(guī)過(guò)100%至1」低于100%的轉(zhuǎn)變。并且，膜7jC合的最顯著下降發(fā)生在約80°C，且此g下的干煤dlit相當(dāng)fflil，即約100秒從人〉13到入<5。本 發(fā)明人認(rèn)識(shí)到 這些參數(shù)對(duì)膜應(yīng)力最小化的潛力。更具體地，其中在進(jìn)一步 詳細(xì)描述的內(nèi)容中，本發(fā)明人認(rèn)為，通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂迫剂想姵貑?dòng)期間膜的變 量，例如膜的失水率、水含量、以及溫度，可以使膜應(yīng)力最小化并且可以4尤化膜疲勞壽命。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案提供了一種運(yùn)纟于電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件的方法。該 組件包括多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池，每個(gè)電池包括一個(gè)位于第一和第二反應(yīng)物流場(chǎng) 中間的膜電極組件。根據(jù)該方法，ffl31提高膜電極組件的溫度Tit^執(zhí)行組件的 暖ina作。然后，當(dāng) 鵬T *^31閾值溫度To時(shí)，開(kāi)始反應(yīng)物流場(chǎng)之一的相對(duì) 濕度(RH)的基于化學(xué)計(jì)量比控制?；诨瘜W(xué)計(jì)量比的RH控制包括{妙萬(wàn)述 相對(duì)濕度從相對(duì)^t艦100%的RH濕值降低到相對(duì) 雖低于100 %的RH干值。 相贈(zèng)顯度值RH，足夠低，以允許膜電極組件中最初膜7j^合值"的斷氏。M 控制反應(yīng)物流場(chǎng)的化學(xué)計(jì)量比以及膜電極組件的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)將相對(duì)濕度降低到 RH干，從而相對(duì)于在所述基于化學(xué)計(jì)量比的控制開(kāi)始之前的所述反應(yīng)物流場(chǎng)的 部分RH輪廓線而言，基本上連續(xù)地使之降低到RH ，。當(dāng)膜電極組件中膜的水 合值下降到氐于目標(biāo)膜7jC合值入干時(shí)，電池從基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制轉(zhuǎn)變到 通常升溫的基于、鵬的RH控制。[OOIO]本發(fā)明的另一實(shí)施方案提供了一種系統(tǒng)，其包括電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件和 被設(shè)計(jì)用來(lái)執(zhí)行本發(fā)明的基于化學(xué)計(jì)量比以及基于溫度的RH控制方案 (schemes)的組j瞎制器。典型地，該系統(tǒng)是汽車(chē)(vehicle)的一部分，并且包 括一汽車(chē)底盤(pán)和一被設(shè)計(jì)成作為汽車(chē)底盤(pán)動(dòng)力的電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件。[OOll]因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提高〗頓了含水的MEA的燃料電池的耐 久性。根據(jù)文中所述本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)，本發(fā)明的其它目的將是顯而易見(jiàn)的。


當(dāng)與以下附圖一起解讀時(shí)，本發(fā)明具體實(shí)施方案的以下詳細(xì)描述可以 被最好的理解，其中用相同的指示數(shù)割樣相同的結(jié)構(gòu)，以及其中
圖1是疲勞壽命曲線的示意圖，在這也被稱(chēng)為S-N曲線，它顯示了膜應(yīng)力和疲勞壽命之間的關(guān)系。
圖2舉例說(shuō)明了在一個(gè)相對(duì)積極的燃料電池驅(qū)動(dòng)循環(huán)中膜溫度T、陰極流場(chǎng)相贈(zèng)顯度RH，和膜水合值人的變化過(guò)程。
圖3舉例說(shuō)明了在按照本發(fā)明一個(gè)實(shí) "案的燃料電池驅(qū)動(dòng)循環(huán)中 膜溫度T、陰極流場(chǎng)相對(duì)濕度RH，和膜水合值X的變化過(guò)程。
圖4舉例說(shuō)明本發(fā)明的一^Kt^執(zhí)行流程圖。 [OOH]圖5舉例說(shuō)明本發(fā)明的其它計(jì)戈U執(zhí)行流程圖。
具體實(shí)施方式
通過(guò)參考圖2和3可以對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)進(jìn)fi^—步的詳述，其中每一 個(gè)都說(shuō)明了燃料電池冷啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)循環(huán)的不同類(lèi)型。典型的，在冷啟動(dòng)或者普通 啟動(dòng)情況下，需要減小燃料電池堆的各種質(zhì)子交換膜的水含量，使之從相對(duì)濕 的情況，比如》13到相對(duì)干盼瞎況，比如K6。在圖2中，大多數(shù)由濕到干的 轉(zhuǎn)變、即堆的RH從大于100X到小于100X的轉(zhuǎn)變，都可以在圖中標(biāo)示為A的 區(qū)域中觀察到。而且，膜7jC合值最顯著的下降發(fā)生在約8(TC，且在這個(gè)^Jt下 的干^I率相當(dāng)快，艮卩，約100秒從》13到K5。認(rèn)為圖2所示的那些由濕到干的轉(zhuǎn)變以及相對(duì)快的高酗兌水將會(huì)對(duì)電池性能和耐久性有不利影響。
依照本發(fā)明的方法運(yùn)行電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件的方法可以通過(guò)參考圖3和圖4所示的具體實(shí)施方案來(lái)說(shuō)明。開(kāi)始時(shí)，M:提高膜電極組件的SJtTi^執(zhí)行組件的暖豐;Ut行。圖示于圖3中歷經(jīng)約900秒的溫度曲線T的的部分以及圖4中"初始堆的暖機(jī)"概念上都用于說(shuō)明該初始i^j度的增高。在組件暖豐/Ut行期間，溫度T *的上升可方便地至少部分有益于汽車(chē)或其它連接電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池的設(shè)備所產(chǎn)生的廢熱。
—旦溫度TttM:閾值驗(yàn)To，例如，圖3中的約60。C，則針對(duì)反應(yīng) 物流場(chǎng)之一的相對(duì)濕度(RH)的基于化學(xué)計(jì)量比控制就啟動(dòng)了 (參見(jiàn)圖4， "T ^T。？"和"啟動(dòng)基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制")。例如，在電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件上下 文中，其中含氧氣體通向陰極流場(chǎng)，含氫氣體通往陽(yáng)極流場(chǎng)，陰極流場(chǎng)的相對(duì) 濕度的基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制就會(huì)啟動(dòng)。
基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制方飽括流場(chǎng)相對(duì)濕度從RH濕，這一超 過(guò)100%相對(duì)濕度值減小到RH干這一小于100%相對(duì)濕度值。圖示于圖3中通 常以B為標(biāo)示的相對(duì)濕度輪廓線RH部分以及圖4中"從RH濕到RH干的勻速 下降(rampdown)"相i^上都用來(lái)說(shuō)明流場(chǎng)相對(duì)濕度的這種降低。該相對(duì)濕度 值RH干應(yīng)該足夠低以減小膜電極組件的膜7jC合值U，其結(jié)果通過(guò)圖3中的膜水 合值輪廓線入來(lái)說(shuō)明。
比較圖2和3中所示的區(qū)域A可知，兩種情況下顯示出的RH輪廓線 行為有明顯的不同。具體地，在圖2所示的相對(duì)積極的冷啟動(dòng)方案中，堆的RH 值在大于100%和小于100%之間變化了若干次，在圖3所示的軟啟動(dòng)控制策略 中，堆的RH基本上從RH濕到RH干連續(xù)地降低。結(jié)果是，認(rèn)為采用類(lèi)似于圖3 所示的軟啟動(dòng)控制策略的膜電極組件在發(fā)生顯著的跨接泄漏(crossover leakage) 前將會(huì)有更長(zhǎng)的壽命。
M控制反應(yīng)物流場(chǎng)的化學(xué)計(jì)量比和膜電極組件的溫度,實(shí)JJU:面提 到的到RH干的斷氐，所以相對(duì)于在基于化學(xué)計(jì)量比的控制開(kāi)始之前的RH輪廓 線部分來(lái)說(shuō)，其到RH干的降低是基本上連續(xù)的。在圖示的實(shí)施方案中， 一旦相 贈(zèng)鵬降低到小于100%，則RH輪廓線保持在100^以下。但是認(rèn)為，在某些 情況下，按照本發(fā)明基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制方案的特點(diǎn)可能不僅僅在于其 朋輪廓線停留在100%以下。而是，在定義和描述本發(fā)明時(shí)，術(shù)語(yǔ)RH基本上 搟賣(mài)降低是指從RH濕到RH干的搟賣(mài)降低的偏離程度相對(duì)很小，只要該偏離程 度相對(duì)于圖2所示的RH輪廓線而言、更近似于圖3所示的RH輪廓線即可， 其中圖3中畫(huà)出的區(qū)域A包括從RH濕到RH干的單一轉(zhuǎn)變，而圖2中畫(huà)出的部 ，括在RH值大于100%和小于100%之間變化了若干次。
在圖3和圖4所示的本發(fā)明的實(shí)施方案中，當(dāng)膜電極組件的膜7jC合值 X低于目標(biāo)膜7jl合值XT時(shí)，轉(zhuǎn)換組件MJi述的基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制轉(zhuǎn)變 為基于溫度的RH控制。典型的，向基于溫度的RH控制的轉(zhuǎn)變被推遲，直至 膜7k合值X低于目標(biāo)膜水合值X ，持續(xù)一段表明膜水合狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，如 圖4中概念上所示(參見(jiàn)'X已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)了么？")。例如，可以itit將圖 3所示的水合輪廓線X沿著通常標(biāo)示為C的曲線X的部分看作是穩(wěn)定狀態(tài)膜水 合的標(biāo)志，并且M應(yīng)于沿曲線部分的某一點(diǎn)的時(shí)間啟動(dòng)基于溫度的RH的控 制(參見(jiàn)"啟動(dòng)基于溫度的RH控制")。
在基于化學(xué)計(jì)量比的控制下，RH濕到RH干的降低可{ 參照目標(biāo)膜 電極組件溫度T!來(lái)執(zhí)行。在圖示實(shí)施方案中，該目標(biāo)溫度T!約為7(TC，圖3 中所示的設(shè)計(jì)是為了起到說(shuō)明的目的。認(rèn)為，按照本發(fā)明基于化學(xué)計(jì)量比的RH 控制方案可以通過(guò)建立目標(biāo)溫度1和參照目標(biāo)、M執(zhí)行基于化學(xué)計(jì)量比的RH 控制而得至訴急定。在基于 鵬的RH控制下，膜電極組件的 鵬具有一般艦 基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制所達(dá)到的溫度的特征。
—| 說(shuō)，在給定的基于化學(xué)計(jì)量比的電流密度I化對(duì)+4和初始反應(yīng)物流場(chǎng)化學(xué)計(jì)量比STOIC巧下，目標(biāo)膜電極組件溫度T,代表了在RH +下膜電極 組件可以運(yùn)行的最低纟鵬。例如，假定帶有壓縮機(jī)的燃料電MS行盼瞎況下， 在最大電流密度下該壓縮機(jī)尺寸大小提供對(duì)應(yīng)于化學(xué)計(jì)量比1.8的峰值 I3I空 氣時(shí)，可以通過(guò)尋找組件可以實(shí)現(xiàn)濕到干轉(zhuǎn)變時(shí)的最小可能溫度，來(lái)檢測(cè)目標(biāo) 膜電極組件的溫度T,。在圖示的實(shí)施方案上下文中，RH可小于90X的最小溫 度可能是79"C。但是，如果組件的最大電流密度在暖機(jī)期間被限制為0.8A/cm2 而非l,2A/cm2，那么我們就可以將TJ人79。C降低到約7(TC，如圖3所示，且 顯著地改進(jìn)了跨接壽命。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)軟啟動(dòng)方案，其中燃料電池 的功率水平被限制，并且化學(xué)計(jì)量比控制被用作主要的手段來(lái)執(zhí)行膜在目標(biāo)溫 度l，例如7(TC下的干燥。還認(rèn)為，如果壓縮機(jī)的最大流動(dòng)沒(méi)有限制到對(duì)應(yīng)化 學(xué)計(jì)量比為1.8的流動(dòng)，那么在峰值電流密度下的運(yùn)行也可以實(shí)現(xiàn)。例如，認(rèn)為， 壓縮機(jī)尺寸增大將允許在化學(xué)計(jì)量比約為2.25的電流密度峰值下運(yùn)行。
假如考慮到上述最大電流密度和壓縮機(jī)容量，認(rèn)為，按照本發(fā)明一些 實(shí)施方案的基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制將會(huì)具有以下特點(diǎn)給定的基于^it的電流密度IMAX，基于化學(xué)計(jì)量比的電流密度I^iii，初始反應(yīng)物流場(chǎng)化學(xué)計(jì)量比STOICH,，和基于化學(xué)計(jì)量比RH控制下的運(yùn)行反應(yīng)物流場(chǎng)化學(xué)計(jì)量比 STOICH2，其中基于化學(xué)計(jì)量比的電流密度Ia小于基于^Jt的電流密度Imax, 或者初始反應(yīng)物流場(chǎng)化學(xué)計(jì)量比STOICHt大于運(yùn)行反應(yīng)物流場(chǎng)化學(xué)計(jì)量比 STOICH2。
實(shí)際上，給定^酸位ffii約12個(gè)7j0H^的初始膜7j^合值人sf口每個(gè) 酸位低于約8個(gè)7jC分子的目標(biāo)膜7]C合值XT，認(rèn)為，可以Mil控制反應(yīng)物流場(chǎng)的 化學(xué)計(jì)量比和膜電極組件的^^、使其歷經(jīng)皿約200秒的時(shí)間來(lái)達(dá)到RH干下 的穩(wěn)定狀態(tài)膜7jC合，來(lái)實(shí)現(xiàn)上^^f提到的相贈(zèng)顯度降低至RH干。典型的，這花 費(fèi)至少約100—200秒的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)膜7夂合值的50%的降低，且如圖3所示，基 于化學(xué)計(jì)量比的RH控制將會(huì)維持皿約200秒且經(jīng)常是M400秒的時(shí)間段t干o
圖5的流程圖在許多方面都禾曬4的流程圖相似，除了圖5顯示的控 制方案中，包括用于膜電極組件中的膜松弛(membrane relaxation)和7K在電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件之流場(chǎng)擴(kuò)散介質(zhì)中滯留的容納空間。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制可以包括兩個(gè)階段的RH降低，其中第一階段中在基于化 學(xué)計(jì)量比RH控制下從RH s梯度下降到略高于通常的RH T，以及第二階段包括 相贈(zèng)SS從RH干到RH驗(yàn)的進(jìn)一步降低，但這僅僅發(fā)生在擴(kuò)散介質(zhì)中的7jC滯留 e陶氏到目標(biāo)7K滯留值以下時(shí)?？刂品桨傅倪@個(gè)方面參照?qǐng)D5中的判定方塊"是 否6M) "來(lái)說(shuō)明。相X^顯度從RH濕到RH干的初始斷氏以及相對(duì) 鵬從RH 干到RH麟的進(jìn)一步降低都可以在基本上相同的膜電極組俗鵬T下執(zhí)行。
圖5的流程圖還包括的一個(gè)步驟中，在基于、鵬的RH控律U啟動(dòng)之前， 允許"1時(shí)膜松弛"。膜松弛這個(gè)概念是指涉及膜電極組件應(yīng)力降低以及組件耐 久性增強(qiáng)的操作參數(shù)。例如但非限制性實(shí)例，通過(guò)在控制方案中結(jié)合補(bǔ)充的膜 脫7jC程序(sequence),膜松弛步驟所4 的時(shí)間段可以被用作從基于化學(xué)計(jì)量 比的RH控制到基于、鵬的RH控制的轉(zhuǎn)變。補(bǔ)充的合適膜脫7jC禾驕被公開(kāi)在 2006年8月14日提交并且共同受讓的共同未決美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)系列No.11/464,226 (GP 306578/GMC 0075 PA)中，其中膜脫7Xf呈序的特點(diǎn)是干燥速率的變化方 式基本上與膜電極組件的疲勞壽命的，線圖對(duì)應(yīng)。
，認(rèn)為可以用任何合適的方法使膜脫水，包括但不局限于ffi31控制 膜的溫度、第一反應(yīng)物流場(chǎng)的濕度、第二反應(yīng)物流場(chǎng)的濕度、第一反應(yīng)物流場(chǎng) 的流動(dòng)速率、第二反應(yīng)物流場(chǎng)的流動(dòng)速率、第一反應(yīng)物流場(chǎng)的氣體壓力，禾口/或 第二反應(yīng)物流場(chǎng)的氣體壓力來(lái)脫水。
已經(jīng)提到過(guò)膜千燥程序可以在啟動(dòng)時(shí)、或檢測(cè)到〗懐電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池 特定運(yùn)行情況的觸發(fā)信號(hào)時(shí)開(kāi)始。例如，認(rèn)為，觸發(fā)信號(hào)可代表膜的水含量， 因此當(dāng)膜7k合值X達(dá)到最大值或者ffit預(yù)定的閾值時(shí)就開(kāi)始脫水?；蛘?，觸發(fā) 信號(hào)可以代表燃料電池的溫度情況、反應(yīng)物流場(chǎng)的相對(duì)濕度、電池當(dāng)前所需的 動(dòng)力、電池關(guān)閉或啟動(dòng)程序的開(kāi)始或終止、電池7K合循環(huán)的完成、或者這些的 組合。
另外，認(rèn)為，在檢測(cè)到4懐電化學(xué)轉(zhuǎn)換電 tit行情況的終止信號(hào)時(shí)可 以終止脫水程序。終止信號(hào)可以代表膜的7K含量、反應(yīng)物流場(chǎng)的相對(duì)濕度、電 池需要的動(dòng)力、電池關(guān)閉或啟動(dòng)程序的開(kāi)始或終止、電池脫水循環(huán)的完成、或 者這些的組合。
要注意^j以于"優(yōu)選"、"一般"和"典型的"的這類(lèi)術(shù)語(yǔ)，如果在本 文使用到，不應(yīng)該理解為限制所要求的發(fā)明的范圍、或者意 特定的特征對(duì)所要求的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者功能是關(guān)鍵的、本質(zhì)的或甚至是重要的。而是，這些 詞僅僅是為了強(qiáng)調(diào)可選的或附加的特征，這些特征可以用在或也可能不用在本 發(fā)明的具體實(shí)施方案中。
為了描述和定義本發(fā)明，要注意在這4OT的術(shù)語(yǔ)"基本上"是為了表示可能由于任何定量的比較、數(shù)值、測(cè)量、或其它表達(dá)方式不確定的固有程度。術(shù)語(yǔ)"基本上"在這里還用來(lái)代表這樣一種程度定量的表達(dá)值可以不同于所 述的參考值，但不會(huì)導(dǎo)致所討論主題的基本功能產(chǎn)生變化。
在詳細(xì)描述本發(fā)明并參照本發(fā)明的具體實(shí)M"案后，很顯然在不偏離所附的權(quán)禾腰求所定義的本發(fā)明范圍下進(jìn)行修正和改變是可能的。更具體地， 盡管本發(fā)明的一些方面在這里被認(rèn)為是優(yōu)選的或是相當(dāng)有優(yōu)勢(shì)的，但是認(rèn)為，本發(fā)明不一定局限于發(fā)明中的那^iM方面。
權(quán)利要求
1. 一種運(yùn)行電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件的方法，該電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件包括多個(gè)電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池，每個(gè)所述的電池包括一個(gè)位于第一和第二反應(yīng)物流場(chǎng)之間的膜電極組件，其中所述的膜電極組件包括質(zhì)子交換膜，并且所述的方法包括通過(guò)提高所述膜電極組件的溫度T堆來(lái)執(zhí)行組件的暖機(jī)操作；當(dāng)所述溫度T堆超過(guò)閾值溫度T0時(shí)，開(kāi)始所述反應(yīng)物流場(chǎng)之一的相對(duì)濕度(RH)的基于化學(xué)計(jì)量比控制，其中所述基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制包括使所述相對(duì)濕度從超過(guò)100％相對(duì)濕度的RH濕值降低到低于100％相對(duì)濕度的RH干值，所述的相對(duì)濕度值RH干足夠低，以允許所述的膜電極組件中最初膜水合值λ濕的降低，通過(guò)控制所述反應(yīng)物流場(chǎng)的化學(xué)計(jì)量比以及所述膜電極組件的溫度，來(lái)實(shí)現(xiàn)將所述的相對(duì)濕度降低到RH干，從而相對(duì)于在所述基于化學(xué)計(jì)量比的控制開(kāi)始之前的所述反應(yīng)物流場(chǎng)的部分RH輪廓線而言，所述到RH干的降低為基本上連續(xù)地；以及當(dāng)所述的膜電極組件中膜的水合下降至低于目標(biāo)膜水合值λ干時(shí)，從所述基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制轉(zhuǎn)變?yōu)榛跍囟鹊腞H控制，其中所述基于溫度的RH控制的特征在于溫度超過(guò)至少一些表征所述基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制的溫度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述向基于 顯度的RH控制的轉(zhuǎn)變 被推遲，直至所述膜7K合下降至低于所述目標(biāo)膜7jC合值人干并且保持標(biāo)志著膜7jC 合穩(wěn)定^t態(tài)的一 個(gè)時(shí)間段。
3. 根據(jù)權(quán)禾腰求1所述的方法，其中參照目標(biāo)膜電極組件溫度T^l行所述的相鄉(xiāng)S^從RH濕到RH干的所述 斷氐；以及對(duì)于基于化學(xué)計(jì)量比的電流密度I ^i+i和初始反應(yīng)物流場(chǎng)化學(xué)計(jì)量比 STOICH!，所述目標(biāo)膜電極組件溫變Ti代表了在RH干下所述膜電極組件可以運(yùn) 行的最低^S。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的基于溫度的RH控制的特征在于基于i^Jt的電流密度lMAX和運(yùn)行反應(yīng)物流場(chǎng)化學(xué)計(jì)量比STOICH2;以及在所述的電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池的運(yùn)行中至少滿(mǎn)足以下劍牛之一I化學(xué)量〈lMAX 和STOICH1>STOICH2.
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中RH t小于或等于約90 %;并且 T]小于約80。C。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中 RH，為約80X;并且 T為約7(TC。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的閾值^it TQ小于M31所述的基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制建立的目標(biāo) 膜電極組件溫度丁1;以及參照所述的目標(biāo)膜電極組件溫度T！來(lái)執(zhí)行所述的相贈(zèng)顯度從RH濕到RH干 的所述降低。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)控制所述的反應(yīng)物流場(chǎng)的化學(xué) 計(jì)量比和所述的膜電極組件的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)所述的相對(duì)濕度至RH干的斷氐，從而 花費(fèi)超過(guò)約200秒的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)在RH t下的穩(wěn)定狀態(tài)膜7乂合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)控制所述的反應(yīng)物流場(chǎng)的化學(xué) 計(jì)量比和所述的膜電極組件的^^來(lái)實(shí)f^述相贈(zèng)顯度至RH干的降低，從而花 費(fèi)至少約100秒的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)膜水合值降低50%。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)控制所述的反應(yīng)物流場(chǎng)的化學(xué) 計(jì)量比和所述的膜電極組件的^Jt來(lái)實(shí)l^f述相鄉(xiāng)顯度至RH干的降低，從而花 費(fèi)至少約200秒的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)膜7jC合值降低50%。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中 所述的初始膜水合值人a^每個(gè)酸位超過(guò)約12個(gè)7j0HS禾口 所述的目標(biāo)膜7jC合值X千為每個(gè)酸位低于約8個(gè)7j^H^
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制所 保持的時(shí)間段t t^31約200秒。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制所 保持的時(shí)間段t ^g31約400秒。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反應(yīng)物流場(chǎng)包括擴(kuò)散介質(zhì)，所 述擴(kuò)散介質(zhì)用于使反應(yīng)物流擴(kuò)散通過(guò)所述流場(chǎng)，并且當(dāng)在所述的擴(kuò)散介質(zhì)中的 水滯留e降低到目標(biāo)水滯留值以下時(shí)，所述的基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制包括 所述的相)(^顯度從RH干到RH驗(yàn)的進(jìn)一步降低。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的相贈(zèng)顯度從RH濕到RH干的 所述初始降低以及所述相贈(zèng)顯度從RH干到RH驗(yàn)的所述進(jìn)一步降低都可以在基 本上相同的膜電極組件溫度1下執(zhí)行。
16. 根據(jù)^又利要求14所述的方法，其中所述的目標(biāo)7義滯留值約為0。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從所述的基于化學(xué)計(jì)量比的RH控 制到所述的基于 顯度的RH控制的所述轉(zhuǎn)變包括膜松弛階段，其中所述的基于 化學(xué)計(jì)量比的RH控制被保持一段時(shí)間以充分結(jié)合膜船K程序，該膜脫7XI旨 的特征在于干燥速率的變化方式與所述膜電極組件的疲勞壽命的等值線圖基 本對(duì)應(yīng)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述組件暖t腿行期間，溫度T堆 的所^i:升至少部分有益于連接了所述電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池的設(shè)備所產(chǎn)生的廢熱。
19. 一種系統(tǒng)，其包括電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件，該電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件包括多個(gè)電化 學(xué)轉(zhuǎn)換電池和一個(gè)組件控制器，其中每一個(gè)所述的電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池包括位于第 一和第二反應(yīng)物流場(chǎng)之間的膜電極組件，所述的膜電極組件包括質(zhì)子交換膜， 并且所述的組件控制器被設(shè)計(jì)成Mil提高所逝莫電極組件的溫度T *執(zhí)行組件的暖* 作；當(dāng)所述的纟鵬T過(guò)過(guò)閾值溫度To時(shí)，開(kāi)始所述反應(yīng)物流場(chǎng)之一的相X^顯 度(RH)的基于化學(xué)計(jì)量比控制，其中所述基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制包括使所述相對(duì)濕度從相對(duì)濕度超過(guò) 100yo的RH濕值斷氐到相X^顯度低于100X的RH干值，所述的相Xt濕度值RH，足夠低，以允許所述的膜電極組件中最初膜7jC合值 入s的斷氐，通過(guò)控制所述的反應(yīng)物流場(chǎng)的化學(xué)計(jì)量比以及所述的膜電極組件的溫度來(lái) 實(shí)現(xiàn)將所述的相對(duì)濕度斷氐到RH T，從而相對(duì)于在所述基于化學(xué)計(jì)量比的控制開(kāi)始之前的所述反應(yīng)物流場(chǎng)的部分RH輪廓線而言，所，RH t的降低基本上 連續(xù)；以及當(dāng)所述的膜電極組件中膜的水合值下降至低于目標(biāo)膜7K合值入t時(shí)，實(shí)施從 所述基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制到基于 昆度的RH控制的轉(zhuǎn)變，其中所述基于 ^^的RH控制的特征在于^^gM至少一些表征所述基于化學(xué)計(jì)量比的RH 控制亂
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述的系統(tǒng)進(jìn)一步包括汽車(chē)底盤(pán)并 且所述的電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件被設(shè)計(jì)成作為所述的汽車(chē)底盤(pán)的動(dòng)力源。
全文摘要
提供一種運(yùn)行電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件的方法。根據(jù)該方法通過(guò)提高膜電極組件的溫度T_堆來(lái)執(zhí)行組件的暖機(jī)操作。接著，當(dāng)溫度T_堆超過(guò)閾值溫度T₀時(shí)，開(kāi)始反應(yīng)物流場(chǎng)之一的相對(duì)濕度(RH)的基于化學(xué)計(jì)量比控制。所述基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制包括使所述相對(duì)濕度從相對(duì)濕度超過(guò)100％的RH_濕值降低到相對(duì)濕度低于100％的RH_干值。相對(duì)濕度值RH_干足夠低，以允許膜電極組件中最初膜水合值λ_濕的降低。通過(guò)控制反應(yīng)物流場(chǎng)的化學(xué)計(jì)量比以及膜電極組件的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)將相對(duì)濕度降低到RH_干，從而相對(duì)于在所述基于化學(xué)計(jì)量比的控制開(kāi)始之前的所述反應(yīng)物流場(chǎng)的部分RH輪廓線而言，基本上連續(xù)地使之降低到RH_干。當(dāng)膜電極組件中膜的水合值下降至低于目標(biāo)膜水合值λ_干時(shí)，電池從基于化學(xué)計(jì)量比的RH控制轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔ８邷氐模跍囟鹊腞H控制。也考慮了其它方法和相應(yīng)的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101281974SQ20081010036
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月2日
發(fā)明者J·C·費(fèi)格利, M·辛哈, Y·-H·賴(lài) 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司