CN101577339B - 用于燃料电池系统的阳极回路观测器 - Google Patents

Abstract

用于燃料电池系统的阳极回路观测器。本发明涉及用于控制燃料电池系统的阳极再循环回路中的放泄阀的系统和方法。该系统通过计算经过燃料电池堆的再循环后气体的体积流量、经过电池堆的阳极入口和出口后的压力降、和再循环后气体的密度，以及利用所测得的再循环后气体的温度、和所测得的经过再循环泵后的压力降，利用一种模型来确定再循环后的气体中氢的浓度。

Description

用于燃料电池系统的阳极回路观测器

技术领域

本发明大体上涉及用于确定燃料电池系统的阳极再循环回路中氢的浓度的系统和方法，更具体而言，涉及用于确定燃料电池系统的阳极再循环回路中氢的浓度以便知道何时提供氮释放的系统和方法，其中，该方法包括使用基于系统参数的数学模型。

背景技术

由于氢清洁无污染并可被用来在燃料电池中高效地生产电能，它已成为非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种电化学装置，包括阳极和阴极，两极之间设有电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或者空气。氢气在阳极分离产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极与氧和电子反应生成水。阳极的电子不能穿过电解质，因此它们在被送到阴极之前被导经负载以进行工作。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是很流行的车用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟化磺酸膜。阳极和阴极通常包括磨碎的催化剂颗粒，通常为铂(Pt)，其被支持在碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物放置在膜的相对侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA制造起来相对昂贵并且高效工作的话需要一定的条件。

通常将若干燃料电池组合起来构成燃料电池堆以便生成所期望的能量。例如，典型的车用燃料电池堆可具有200个或更多的堆叠在一起的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，该气体通常为由压缩机驱使而穿过电池堆的空气流。并非所有的氧都被电池堆消耗掉，一些空气被作为阴极废气输出，该废气可包括作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收阳极氢反应气体，其流入电池堆的阳极侧。电池堆也包括有冷却流体流经的流动通道。

燃料电池堆包括一系列设置在电池堆的若干MEA之间的流场板或双极板。对于电池堆中相邻的燃料电池，双极板包括阳极侧和阴极侧。阳极反应气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极气体流到MEA的阳极侧。阴极反应气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，其允许阴极气体流到MEA的阴极侧。双极板也包括有冷却流体流经的流动通道。

所期望的是，在燃料电池堆中，氢在阳极流动通道中的分布基本上恒定以便燃料电池堆正常工作。因此，本领域中公知的做法是，为使电池堆具备一定的输出负载而输入多于所需量的氢到燃料电池堆中以使阳极气体分布恰当。然而，由于这种要求，阳极废气中氢的含量也非常高，若这种氢被排出则会导致低的系统效率。此外，足量的氢排放到环境中，会由于氢的爆炸特性而导致一些问题。因此，本领域中公知的做法是，使阳极废气再循环回到阳极输入以便重新利用排出的氢。

MEA是通透的，因此允许电池堆的阴极侧的空气里的氮渗透通过MEA并聚集在电池堆的阳极侧，这在业界被称作氮跨界(nitrogencross-over)。燃料电池堆的阳极侧的氮会稀释氢，使得如果氮的浓度增加到超出一定百分比，例如50％，燃料电池堆则会变得效率更低、不稳定或可能出现故障。本领域中公知的做法是，在燃料电池堆的阳极气体输出处设置放泄阀以便从电池堆的阳极侧去除氮。放出的氢可被送到任何合适的位置，例如送到转换器中或环境中。

为了使燃料电池堆在优化条件下工作以及最大限度地提高系统的性能，阳极再循环气体中的氢需要达到足够的量和一定的再循环速率。然而，目前还没有适合燃料电池系统的用于潮湿环境中的氢浓度传感器或者流速传感器。因此，不可能对工作参数再循环流量和阳极氢浓度进行直接控制。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种系统和方法，其用于基于用来确定再循环后的气体中氢的浓度的模型，来控制燃料电池系统的阳极再循环回路中的氮放泄阀。该方法包括：测量经过再循环泵后的压力降和测量流经再循环回路的再循环后气体的温度。该方法还包括：为再循环气体中氢的百分比设定任意值和计算经过电池堆的阳极侧后的压力降。该方法还包括：计算流经电池堆的阳极侧的再循环气体的体积流量，该体积流量是所计算出的经过电池堆的阳极侧后的压力降、再循环气体中氢的百分比、所测得的温度和所测得的压力的函数。该方法还包括：利用所计算出的体积流量、所测得的压力降和再循环泵的速度来计算流经再循环回路的再循环气体的密度；以及随后利用所计算出的密度、所测得的温度和所测得的压力降来确定再循环气体中氢的新百分比。该方法利用所测得的压力、经过再循环回路中水分离器后的压力降、和经过再循环回路中管道系统后的压力降来计算经过电池堆的阳极侧后的压力降。

从下面的描述和所附权利要求中，并结合附图，本发明的其它特征将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的燃料电池系统中阳极再循环回路的示意图，该回路使用一种控制技术来控制再循环泵的速度和放泄阀；

图2为关系图，其中横轴代表体积变化，竖轴代表经过阳极入口和出口后的压力变化，示出了基于阳极再循环气体中氮的增加而发生的压力变化和体积变化；

图3为关系图，其中横轴表示质量变化，竖轴表示经过再循环泵后的压力变化，示出了气体密度随着再循环气体中氮的量的变化而变化；

图4为关系图，其中横轴表示流量系数，竖轴表示压力系数，示出了氢再循环气体的工作区域；

图5为关系图，其中横轴表示体积变化，竖轴表示经过再循环泵后的压力变化；以及

图6为关系图，其中横轴表示体积变化，竖轴表示压力变化。

具体实施方式

本发明涉及用于确定燃料电池系统中阳极再循环泵的速度的方法，对本发明的实施例的论述实质上仅仅是示例性的，绝不是用来限制本发明或本发明的应用或使用。

图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意图。来自氢源14的氢气被提供给混合节点16，随后在管线18上被送到燃料电池堆12的阳极侧。阳极废气在管线20上从燃料电池堆12输出并被送至放泄阀26。再循环泵30将阳极废气经阀26泵送到混合节点16以便与来自源14的新鲜氢混合，从而构成阳极再循环回路。需要控制再循环回路中的压力，使其大约等于电池堆12的阴极侧的压力。来自源14的新鲜氢和再循环后的阳极废气在混合节点16处的恰当混合设定了电池堆12的阳极侧的压力。

如上所述，来自燃料电池堆12的阴极侧的跨界氮稀释了阳极侧的氢，这影响了电池堆的性能。因此，需要周期性地释放阳极废气以减少再循环的氮的量。在释放氮期间，控制阀26以将阳极废气从再循环回路切换到废气管线28上。使阳极气体的再循环速率适应燃料电池的负载和氢添加气体的流量，这对于支持水管理和减少燃料电池系统上的寄生负载是有益处的。

为了监测阳极气体再循环，在系统10中设置了各种传感器。具体来说，压力传感器36在管线20上测量阳极再循环回路中的压力，压力传感器40测量经过再循环泵30后的压力。另外，温度传感器38在管线18上测量再循环回路中再循环气体的温度。再者，聚水器32从阳极废气中去除副产品水。再循环回到输入管线18的阳极废气中存在的水蒸汽有助于所必需的电池堆膜的增湿。控制器34基于下文的论述来控制来自源14的新鲜氢的量、泵30的速度以及放泄阀26的状态。控制器34也接收来自压力传感器36和40、以及温度传感器38的测量信号。

基于以上论述，所希望的是，控制器34能够知道何时向废气管线28提供阳极废气释放，并且能够在不使用氢浓度传感器和再循环流量传感器的情况下确定泵30的速度以提供再循环后的氢和新鲜氢的恰当混合以满足电池堆负载等。根据本发明，开发了一种数学模型，用于确定再循环回路中氢的浓度和再循环泵30的恰当速度。如果再循环回路中氢的浓度降至低于预定值，例如70％，那么控制器34将使放泄阀26打开一段预定的时间以减少氮的量。在一个实施例中，所期望的再循环速率是基于某些系统参数的。因此，如果再循环速率显示再循环回路中有太多再循环后的阳极气体，那么控制器34将降低泵30的速度。同样，如果控制器34确信再循环后的阳极气体含有太多新鲜氢，那么它将提高泵30的速度。被引入再循环回路中的新鲜氢的量取决于电池堆的负载。

图2所示的图中，横轴代表氢再循环气体的体积流量变化，竖轴代表经过电池堆12的入口和出口后的阳极气体的压力变化。图2显示，对于再循环回路中的相同体积流量的阳极再循环气体，经过电池堆12的入口和出口后的压力随着阳极再循环气体中的氮的增加而沿着线50上行，这是由于再循环气体粘度的提高所造成的。下面的方程(1)-(10)示出了经过电池堆12的入口和出口后的压力变化Δp和经过电池堆12的体积流量的变化  以及再循环气体中氢的浓度之间的关系。 $\mathrm{\Δp}=\mathrm{\λ}\·\frac{l}{d_h}\·\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}{2}\·{\stackrel{\‾}{w}}^2---\left(1\right)$ 其中，

以及， $\mathrm{Re}=\frac{\stackrel{\‾}{w}\·d_h}{\stackrel{\‾}{v}}\frac{\stackrel{\‾}{w}\·d_h\·\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}---\left(3\right)$ 从这个： $\mathrm{\Δp}=k\·\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\·\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{V}}\·\frac{{(d_{\mathrm{channel}}+h_{\mathrm{channel}})}^2}{n_{\mathrm{channel}}\·n_{\mathrm{cells}}\·{(d_{\mathrm{channel}}\·h_{\mathrm{channel}})}^3}---\left(4\right)$ 其中， $\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{V}}=\frac{1}{2}\·({\stackrel{\·}{V}}_{\mathrm{in}}+\stackrel{\·}{V_{\mathrm{out}}})---\left(5\right)$ 以及， $\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{2}\·(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_{i,\mathrm{in}}\·{\mathrm{\μ}}_{i,\mathrm{in}}\left(T\right)+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_{i,\mathrm{out}}\·{\mathrm{\μ}}_{i,\mathrm{out}}\left(T\right))---\left(6\right)$ 在方程(1)-(6)中，k为常量几何参数，λ为管子粗糙度引起的压力降损失系数，d_h为泵30的水力直径，ρ为气体密度，

为流量系数，w为平均气体速度，v为运动粘度，l为管子长度，Re为雷诺数，A为管子的面积，U为管子的周长，y为分子气体分数分量(molecular gas fractioncomponent)，k为基于电池堆设计的预定常量，μ为再循环气体的动态粘度。如本领域中所公知的，动态粘度μ是再循环气体的气体分数y_i和温度T的函数。

为了基于该模型确定再循环泵30的速度，需对再循环泵30进行绘标(be mapped)。图3所示的图中，横轴表示再循环气体的质量流量的变化，竖轴表示经过泵30后的压力降，此值由压力传感器40测得。随着泵30的速度n或再循环气体的密度ρ的增加，由于氮的含量沿着线52变化，经过再循环泵30的再循环气体的质量流量和经过泵30后的压力降之间的关系在此图中示出。

基于经过泵30后的压力降和经过泵30的再循环气体的质量流量之间的关系，可如下定义压力系数ψ： $\mathrm{\ψ}=\frac{2\·Y}{u^2}=\frac{2\·Y}{{(n\·D\·\mathrm{\π})}^2}\≈\frac{2\·\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}\·{(n\·D\·\mathrm{\π})}^2}---\left(7\right)$ 其中， $Y=\mathrm{\Δh}+\frac{c_2^2-c_1^2}{2}---\left(8\right)$ 以及， $\mathrm{\Δh}=\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\κ}-1}\·R\·T_1\·[{\left(\frac{p_2}{p_1}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}-1]---\left(9\right)$ 其中，Y为比等熵熵增(specific isentropic entropy rise)，即气体被压缩时泵30对气体做的功，h为比焓，c₂为气体在泵出口处的速度，c₁为气体在泵入口处的速度，n为泵30的速度，u为泵30中叶轮的旋转速度，D为泵30中叶轮的直径，p为经过泵30后的压力降，以及ρ为再循环气体的密度。再循环气体的密度ρ是再循环气体中氢的浓度和压力p的函数。

对于小的压力比，比焓h可被简化为： $\mathrm{\Δh}=\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}---\left(10\right)$

此外，基于经过泵30后的压力降和经过泵30的再循环气体的质量流量之间的关系，可如下定义流量系数

。密度ρ如下给定： $\mathrm{\ρ}=\frac{m}{V}---\left(11\right)$ 特定气体(specific gas)的分子量MW如下给定：m＝n·MW                                 (12)其给出体积流量V如下： $V=\frac{\mathrm{nRT}}{p}---\left(13\right)$ 其中R为气体常数。从这个： $\mathrm{\ρ}=p\·\frac{\mathrm{\Σ}{n}_i\·{\mathrm{MW}}_i}{\mathrm{nRT}}=p\·\frac{\mathrm{\Σ}\frac{n_i}{n}\·{\mathrm{MW}}_i}{\mathrm{RT}}---\left(14\right)$ 其中，

给出了特定气体的实际分数。这给出了：

ρ＝f(y_i，p)                             (16)

图4所示的图中，横轴表示流量系数

，竖轴表示压力系数ψ，该图示出了这两系数之间的标准化关系。根据本发明，图线56上的点54表示再循环泵30的工作区域以提供绘标(mapping)。

在再循环回路中，管道系统中的再循环气体流通常为层流，并可被分配恒定的压力降c_管道系统，这取决于系统的测试测量值。经过再循环泵30后的压力降Δp_泵由传感器40测量。在一个非限制性实施例中，水分离器32是一种旋风型水分离器，其采用离心旋转原理来去除水，并具有湍流。经过分离器32后的压力降Δp_分离器可由抛物线关系来确定。从这些值中，从入口管线18到出口管线20经过电池堆12的阳极侧后的压力降Δp_阳极可如下确定：Δp_阳极＝(1-c_管道系统)·(Δp_泵-Δp_分离器)          (17)

基于再循环气体中氮含量的增加，从图2给出了经过电池堆12的阳极侧后的压力降和流经电池堆12的阳极气体体积流量之间的关系的电池堆特性。图5为再循环气体中氮含量不断增加情形下的关系图，横轴表示流经再循环泵30的体积流量，竖轴表示经过再循环泵30后的压力降。组合图2和图5，给出示于图6的关系图。在线60上提供了所测量的压力降，并定义了工作点62。

基于上述模型，再循环气体中氢部分的百分比y_H2是流经再循环泵30的再循环气体的密度ρ、温度传感器38所测得的温度T、以及压力传感器36所测得的压力p的函数。为了基于上述模型确定再循环气体中氢部分的百分比y_H2，向该算法中放入任意的氢百分比值，例如70％。利用这个百分比，计算出流经电池堆12的阳极侧的再循环气体的体积流量V，体积流量V是经过阳极入口和出口后的压力降、再循环气体中氢部分的百分比y_H2、温度传感器38所测得的温度T、以及压力传感器36所测得的压力p的函数。

利用流经电池堆12的体积流量V来确定经过水分离器32后的压力降Δp_分离器。基于方程(17)，利用经过水分离器32后的压力降Δp_分离器、经过管道系统后的压力降c_管道系统、和所测得的经过再循环泵30后的压力降Δp_泵来确定经过阳极入口和出口后的压力降Δp_阳极。然后，利用经过阳极入口和出口后的压力降来根据方程(4)确定电池堆体积流量V。之后，再结合压力传感器40所测得的压力降和泵30的速度n，利用电池堆体积流量V来确定流经再循环泵30的再循环气体的密度ρ。接着，如上所述，利用密度ρ来确定再循环气体中氢部分的百分比y_H2。可利用电池堆体积流量V来定义再循环速率，其中用添加到节点16处的新鲜氢的体积流量除体积流量V。

由于该算法经此闭环循环若干次，最终该算法将精确地计算出再循环气体中氢部分的百分比y_H2和流经电池堆12的再循环气体的体积流量V。随后，系统10将基于预定参数和泵30的速度n，利用再循环气体中氢部分的百分比y_H2来确定何时需要打开放泄阀26以便去除氮，这样就实现了所期望的新鲜氢与再循环气体的混合。

以上论述描述了一些用来计算系统各种参数的具体公式和方程。但是，本领域技术人员将理解，还有其它计算所述各种参数的方法，包括使用查询表。

前文的论述仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从此论述和附图以及权利要求中认识到，可对本发明做出修改和变形，而不偏离如权利要求中所限定的本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种方法，用于确定燃料电池堆的阳极再循环回路中氢的浓度，所述方法包括：

测量经过再循环泵后的压力降；

测量流经再循环回路的阳极再循环气体的温度；

为再循环气体中氢的百分比设定任意值；

计算经过电池堆的阳极侧后的压力降；

计算流经电池堆的阳极侧的再循环气体的体积流量，该体积流量是所计算出的经过电池堆的阳极侧后的压力降、再循环气体中氢的百分比、所测得的温度和所测得的压力的函数；

利用所计算出的体积流量、所测得的压力降和再循环泵的速度来计算流经再循环回路的再循环气体的密度；以及

利用所计算出的密度、所测得的温度和所测得的压力降来计算再循环气体中氢的新百分比；

其中，在若干次循环计算经过电池堆的阳极侧后的压力降、计算电池堆的阳极侧的再循环气体的体积流量、以及计算再循环气体的密度之后，提供再循环气体中氢的百分比的精确值。

2.权利要求1的方法，其中，计算经过电池堆的阳极侧后的压力降包括利用所测得的压力。

3.权利要求2的方法，其中，计算经过电池堆的阳极侧后的压力降包括确定和利用经过再循环回路中水分离器后的压力降，所述水分离器去除再循环气体中的水。

4.权利要求3的方法，其中，计算经过电池堆的阳极侧后的压力降包括确定和利用经过再循环回路中管道系统后的压力降。

5.权利要求4的方法，其中，计算经过电池堆的阳极侧后的压力降包括利用方程：

Δp_阳极＝(1-c_管道系统)(Δp_泵-Δp_分离器)

其中，Δp_阳极是经过电池堆的阳极侧后的压力降，c_管道系统是经过再循环回路中管道系统后的压力降，Δp_泵是所测得的经过泵后的压力降，Δp_分离器是经过水分离器后的压力降。

6.权利要求1的方法，其中，再循环气体的密度根据以下方程计算：

$\mathrm{\ρ}=p\·\frac{\mathrm{\Σ}{n}_i\·{\mathrm{MW}}_i}{\mathrm{nRT}}=p\·\frac{\mathrm{\Σ}\frac{n_i}{n}\·{\mathrm{MW}}_i}{1\mathrm{RT}}$

其中，n为泵的速度，ρ为密度，p为所测得的压力，T为所测得的温度，MW为气体的分子量。

7.权利要求1的方法，还包括若所计算的氢的百分比降至低于预定百分比则打开再循环回路中的放泄阀以释放再循环气体。

8.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆；

再循环回路，用于将电池堆的废气再循环到阳极入口；

新鲜氢的供给源；

混合节点，用于将新鲜氢和再循环后的气体混合；

再循环泵，用于将再循环气体泵送通过再循环回路；

温度传感器，用于测量再循环回路中再循环气体的温度；

压力传感器，用于测量经过再循环泵后的压力降；以及

控制器，用于确定再循环气体中氢的浓度，所述控制器为再循环气体中氢的百分比设定任意值；计算经过电池堆的阳极侧后的压力降；计算流经电池堆的阳极侧的再循环气体的体积流量，该体积流量是所计算出的经过电池堆的阳极侧后的压力降、再循环气体中氢的百分比、所测得的温度和所测得的压力的函数；利用所计算出的体积流量、所测得的压力降和再循环泵的速度来计算流经再循环回路的再循环气体的密度；以及利用所计算出的密度、所测得的温度和所测得的压力降来计算再循环气体中氢的新百分比；

其中，控制器在若干次循环计算经过电池堆的阳极侧后的压力降、计算再循环气体的体积流量、以及计算再循环气体的密度之后，计算出再循环气体中氢的浓度的精确值。

9.权利要求8的系统，其中，控制器利用所测得的压力计算经过电池堆的阳极侧后的压力降。

10.权利要求9的系统，还包括水分离器，用于去除再循环后气体中的水，所述控制器通过确定和利用经过水分离器后的压力降来计算经过电池堆的阳极侧后的压力降。

11.权利要求10的系统，其中，控制器通过确定和利用经过再循环回路中管道系统后的压力降来计算经过电池堆的阳极侧后的压力降。

12.权利要求11的系统，其中，控制器通过利用以下方程来计算经过电池堆的阳极侧后的压力降：

Δp_阳极＝(1-c_管道系统)(Δp_泵-Δp_分离器)

其中，Δp_阳极是经过电池堆的阳极侧后的压力降，c_管道系统是经过再循环回路中管道系统后的压力降，Δp_泵是所测得的经过泵后的压力降，Δp_分离器是经过水分离器后的压力降。

13.权利要求8的系统，其中，控制器根据以下方程计算再循环气体的密度： $\mathrm{\ρ}=p\·\frac{\mathrm{\Σ}{n}_i\·{\mathrm{MW}}_i}{\mathrm{nRT}}=p\·\frac{\mathrm{\Σ}\frac{n_i}{n}\·{\mathrm{MW}}_i}{\mathrm{RT}}$

其中，n为泵的速度，ρ密度，p为所测得的压力，T为所测得的温度，MW为气体的分子量。

14.权利要求8的系统，还包括放泄阀，若再循环气体中所计算的氢的百分比降至低于预定百分比则所述控制器打开放泄阀。

15.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆；

再循环回路，用于将电池堆的废气再循环到阳极入口；

新鲜氢的供给源；

混合节点，用于将新鲜氢和再循环后的气体混合；

再循环泵，用于将再循环气体泵送通过再循环回路；

温度传感器，用于测量再循环回路中再循环气体的温度；

压力传感器，用于测量经过再循环泵后的压力降；以及

控制器，用于计算再循环后的气体中氢的浓度，所述控制器基于所测得的温度、所测得的压力、流经电池堆的再循环后气体的体积流量、经过电池堆的阳极入口和出口后的压力降、以及再循环后气体的密度，利用一种模型来确定氢的浓度。

16.权利要求15的系统，还包括水分离器，用于去除再循环后气体中的水，所述控制器利用经过水分离器后的压力降、经过再循环回路中管道系统后的压力降、以及所测得的压力来计算经过电池堆的阳极侧后的压力降。

17.权利要求15的系统，还包括放泄阀，若再循环气体中氢的百分比降至低于预定百分比则所述控制器打开放泄阀。

Images