CN101615686A - 燃料电池系统中的自适应压缩机喘振控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统中的自适应压缩机喘振控制。提供了一种具有可适应的压缩机图的燃料电池系统和用来最优化所述可适应的压缩机图的方法。所述方法包括：基于所述可适应的压缩机图建立空气压缩机的初始操作设定点；监测喘振指示；基于监测的喘振指示调节所述可适应的压缩机图；基于调节的可适应的压缩机图确定期望的操作设定点；以及基于调节后的所述可适应的压缩机图建立适合的操作设定点。重复这些步骤，直到空气压缩机的可适应的压缩机图最优化为止。

Description

燃料电池系统中的自适应压缩机喘振控制

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及用于控制燃料电池系统中空气压缩机喘振事件的方法。

背景技术

燃料电池已经被提议为用于电动车辆和各种其它应用的一种清洁、有效和环保的可靠能源。可将多个燃料电池串联堆叠在一起形成能够供应期望电量的燃料电池堆。燃料电池堆已经被认为是用在汽车中的传统内燃机的一种潜在替代品。

一类燃料电池称为质子交换薄膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池为包括阳极和阴极的电化学装置，在阳极与阴极之间具有电解质薄膜。阳极接收氢气，阴极接收氧气。氢气在阳极中被催化分离而产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到阴极。质子与阴极中的氧气和电子反应而产生水。阳极的电子无法穿过电解质，从而在被送至阴极之前通过做功的负荷来引导。所述功用于操作车辆。

燃料电池堆通常从由空气压缩机提供的增压空气接收用于阴极的氧气。本领域内已知在燃料电池系统中使用具有快速旋转的转子的涡轮机式压缩机来提高流过的流体的速度和压力。典型的涡轮机式压缩机包括离心式、径流式、轴流式、混流式等等。涡轮机式压缩机成本低、重量轻，并且运行噪声小。另一种用在燃料电池系统中的已知压缩机为“正排量”压缩机。正排量压缩机具有与另一转子或一个定子紧密相邻的至少一个转子。正排量压缩机是本领域内公知的，包括旋转式机械，例如涡旋式机械、叶片式机械和螺杆式机械、罗茨送风机等等。

典型的空气压缩机根据压力比(出口压力/入口压力)相对于质量流量的压缩机图来操作。图1为涡轮机式压缩机的典型压缩机图10，示出了在横轴上的质量流量和在纵轴上的压力比。压缩机图10包括一系列速度线12，示出了在各种压缩机速度时通过空气压缩机的质量流量与空气压缩机两侧的压力比之间的关系。大多数空气压缩机通常设有压缩机图10并根据其操作。

压缩机图10由喘振线14和阻塞线15界定。当在超过喘振线14的条件下操作时，空气压缩机经历因过大背压引起的回流。喘振线14由多个因素确定，包括压缩机的速度或RAM、系统背压、海拔和温度。特别地，燃料电池系统的过大背压会引起压缩机喘振事件。喘振事件会导致通过空气压缩机的气流的不期望振荡。

Pospichal等人的美国专利申请No.2005/0164057中公开了一种通过电子地映射压缩机的排出压力与质量流量来防止喘振的已知系统和方法，其内容通过参考包含于本文。Rainville等人的美国专利申请No.2004/0161647中公开了另一种用来避免喘振的已知系统和方法，其利用控制阀响应于初始喘振情形的检测来打开和关闭再循环阀，该申请的内容通过参考包含于本文。

喘振控制距离(SCD)16是一种已知的用于在操作燃料电池系统中的空气压缩机时避免喘振事件的控制参数。SCD 16是当前空气压缩机操作状况与喘振线14指示的最小稳定操作状况之间的期望差。标准空气压缩机的SCD 16通常在统计学上基于同类空气压缩机的相应取样。SCD 16说明了空气压缩机中零件之间的差异、燃料电池系统传感器中的差异、以及由于使用磨损给空气压缩机容差带来的变化。但是，为了使空气压缩机的效率最大和使通常用来修正喘振事件的旁通气流的使用最少，期望使SCD 16最小。

对于使燃料电池系统中的空气压缩机的效率最大化、使压缩机旁通空气量最小以及避免喘振事件的系统和方法存在持续的需求。

发明内容

根据本公开，令人惊讶地发明了使燃料电池系统中的空气压缩机的效率最大、压缩机旁通空气量最小、且避免喘振事件的系统和方法。

在一个实施例中，燃料电池系统包括具有阳极入口和阴极入口的燃料电池堆。空气压缩机与所述阴极入口流体连通。至少一个传感器适于测量燃料电池系统的喘振指示。所述燃料电池系统还包括控制器，其与所述至少一个传感器电气通信，并构造成响应于测量的喘振指示调节可适应的压缩机图。所述控制器还构造成基于测量的喘振指示建立所述空气压缩机的操作设定点。

在另一个实施例中，用于操作燃料电池系统的方法包括下列步骤：a)提供所述燃料电池系统；b)提供可适应的压缩机图，所述压缩机图具有喘振线和喘振控制距离(SCD)；c)基于所述可适应的压缩机图建立用于所述空气压缩机的初始操作设定点；d)监测所述喘振指示；e)基于监测的喘振指示调节所述可适应的压缩机图；f)基于调节的可适应的压缩机图确定期望操作设定点；g)基于调节之后的所述可适应的压缩机图建立用于所述空气压缩机的适合操作设定点；以及h)重复步骤d)-g)。从而最优化了所述空气压缩机的所述可适应的压缩机图。

在再一实施例中，一种用于操作燃料电池系统的方法包括下列步骤：a)提供所述燃料电池系统；b)提供可适应的压缩机图，所述压缩机图具有喘振线和喘振控制距离(SCD)；c)基于所述可适应的压缩机图建立所述空气压缩机的初始操作设定点，所述初始操作设定点根据所述可适应的压缩机图提供所述空气压缩机的稳定操作；d)通过测量所述压力波动和所述质量流量波动中的至少一项来监测初始喘振；e)通过下列步骤之一调节所述可适应的压缩机图：i)如果检测到初始喘振则增大所述SCD或减小所述喘振线；ii)如果未检测到所述初始喘振且未达到期望阈值，则减小所述SCD或增大所述喘振线；iii)如果已经达到所述期望阈值，则保持所述SCD或保持所述喘振线，并重复步骤d)-e)，直到检测到所述初始喘振为止；f)基于调节的可适应的压缩机图确定期望操作设定点；g)基于调节之后的所述可适应的压缩机图建立所述空气压缩机的适合操作设定点；以及h)重复步骤d)-g)。从而最优化所述空气压缩机的所述可适应的压缩机图。

附图说明

从下面的详细描述，尤其是当结合本文所述附图时，本领域的普通技术人员可容易地理解本公开的上述以及其它优点。

图1为示出气流量相对于压力比的典型压缩机图的曲线图；

图2为根据本公开实施例的燃料电池系统用来自适应喘振控制的示意图；

图3为示出通过调节压缩机图的喘振控制距离的自适应喘振控制方法的示意性流程图；以及

图4为示出通过调节压缩机图的喘振线的自适应喘振控制方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面的描述实质上仅仅是示意性的，而不是意图限制本公开及其应用或使用。还应当理解，在所有附图中，相应的附图标记指示相同的或相应的零件和特征。关于公开的方法，所示步骤实质上是示意性的，因此并非必需或关键。

图2示出了根据本公开的示例燃料电池系统200。燃料电池系统200包括燃料电池堆202，该燃料电池堆202具有本领域内公知的多个燃料电池。燃料电池堆202具有阳极入口204、阳极出口205、阴极入口206和阴极出口207。阳极入口204与氢气源208流体连通。阴极入口206与空气压缩机210流体连通。燃料电池系统200可用于任何适当的应用，例如在车辆上或分布式发电系统上。

空气压缩机210适于向燃料电池堆202的阴极入口206提供增压空气。空气从大气吸至空气压缩机210，通常通过过滤器(未示出)。空气压缩机210可与电机212连接。电机212以期望速度驱动空气压缩机210，以向燃料电池堆202提供一定量的增压空气，从而获得特定的输出功率。空气压缩机210可为具有压缩机图的任何适当涡轮机式压缩机，例如离心式压缩机、径向压缩机、轴向压缩机、混流式压缩机等。本领域的技术人员应当理解，其它具有压缩机图的空气压缩机210也是适用的。

燃料电池系统200包括适于测量初始喘振情形的至少一个喘振指示的多个传感器214、216、218，其中已知初始喘振情形在空气压缩机210中的喘振事件之前。通过监测质量流率和出口压力中至少一项的特有波动或振荡来检测初始喘振情形。作为非限制性实例，传感器214、216、218可包括流量计(MFM)214、压力传感器216和速度传感器218。MFM 214与空气压缩机210的入口流体连通。MFM 214适于测量通过空气压缩机210的气流或质量流的速率。例如，MFM 214可产生表示通过MFM 214的质量流的速度的电压信号。压力传感器216与空气压缩机210通信连接。压力传感器216适于测量空气压缩机210处的出口压力，从而便于压力比的确定。速度传感器218与空气压缩机210通信连接并适于测量空气压缩机210的速度。在另一实施例中，在声学上测量质量流率或出口压力中的波动。还可使用可用来直接或间接检测质量流率和出口压力中的波动的其它传感器。

燃料电池系统200包括控制器220。控制器220与传感器214、216、218中的至少一个电气通信，并适于从其接收表示喘振指示测量的信号。控制器220例如通过控制电机212来控制空气压缩机210的速度。控制器220还可控制背压阀222，该背压阀222与燃料电池堆202的阴极出口207流体连通。背压阀222适于控制燃料电池堆202的内部压力，如本领域内所公知的。控制器220根据需要控制空气压缩机210的操作设定点，例如特定的质量流率和压力比。应当理解，可使用多种因数来确定操作设定点，包括期望输出功率、环境温度、海拔等等。

在一个实施例中，控制器220控制设在空气压缩机210与燃料电池堆202的阴极入口206之间的旁通阀(未示出)。所述旁通阀可根据需要使气流绕过燃料电池堆202流通。旁通阀在打开时可适于降低燃料电池堆202的压力，并消除空气压缩机210中的喘振事件。

燃料电池系统200具有可适应的压缩机图10。控制器220能够获得空气压缩机210正在实时操作的图位置。控制器220调节操作设定点，并将空气压缩机210保持在稳定的“图上”条件。如本文所使用的，术语“可适应的”意味着在空气压缩机210操作期间可修改或以其它方式调节可适应的压缩机图10，与之相反的是仅仅调节空气压缩机210的操作设定点。在特定实施例中，控制器220响应于由至少一个传感器214、216、218测量的至少一个喘振指示而调节可适应的压缩机图10。例如，控制器220构造成有选择地增大或减小喘振线14和SCD 16中的至少一个。控制器220可包括存储器，在调节了所述可适应的压缩机图10之后可将其电存储在该存储器内。可连续地或间歇地调节可适应的压缩机图10，以补偿空气压缩机210的零件与零件之间的差异和使用磨损，从而最优化空气压缩机210的效率和防止喘振事件。

如图3中所示，本公开包括用于操作燃料电池系统200的方法300。根据所述方法300操作燃料电池系统200来最优化空气压缩机210的可适应的压缩机图10。该方法300包括给上述燃料电池系统200提供具有喘振线14和SCD 16的可适应的压缩机图10。在燃料电池系统200的启动操作期间先执行压缩机请求302，并且该压缩机请求通常开始所述方法300。

压缩机请求302之后为空气压缩机210的初始操作设定点的建立304。初始操作设定点基于可适应的压缩机图10来建立。作为非限制性实例，可在初始操作设定点的建立304期间设定空气压缩机210的初始速度。还要在操作设定点的建立304期间设定其它适当的操作参数。

所述方法300包括监测306至少一个喘振指示(例如由传感器214、216、218指示的质量流率和压力比中的一项)的步骤。传感器214、216、218可测量压力比和质量流率中至少一项的波动或振荡，其波动表示出初始的喘振，如本领域内已知的。所述监测306通常通过初始操作设定点来开始空气压缩机210的操作，并且其监测根据需要可以是连续的或间歇的。然后响应于监测306步骤期间测量的至少一个喘振指示来修改或调节308可适应的压缩机图210。

调节步骤308包括根据需要增加310 SCD、减小312 SCD 16、和保持SCD 16之一。在特定实施例中，如果检测到初始喘振，那么增加SCD 16；如果未检测到初始喘振且没有达到SCD 16的期望阈值，那么减小SCD 16；如果已经达到期望的阈值，那么保持SCD 16。当保持SCD 16时，不再调节可适应的压缩机图10，直到通过喘振指示的监测306检测到初始喘振为止。

在自适应压缩机图10的调节308之后，所述方法300包括确定314期望的操作设定点的步骤。所述期望操作设定点是为了空气压缩机210操作在可适应的压缩机图10的稳定区域内而选择的。例如，期望操作设定点可基本在调节的SCD 16处。在另一实例中，期望操作设定点可在调节的SCD 16与阻塞线15之间，也称为可适应的压缩机图10的“稳定区域”。本领域的技术人员应当理解，提供稳定操作的期望操作设定点可根据需要选择。

为空气压缩机210选择的所述期望操作设定点用于重新建立304空气压缩机210的操作设定点。然后根据需要重复所述方法300，例如，直到确定真正的喘振线14和适当的SCD 16或认为充分调节了可适应的压缩机图10为止。从而最优化了空气压缩机210的效率，并阻碍了喘振事件的发生。

SCD 16的期望阈值通常为大于在建立304初始操作设定点的步骤中使用的SCD 16。例如，SCD 16的期望阈值比在建立步骤304中使用的SCD 16高约百分之一(1％)，在特定实施例中比之高约百分之0.5，在更特定的实施例中高约百分之0.25。本领域内的普通技术人员应当理解，可根据需要选择其它适当的阈值。

作为非限制性实例，当检测到初始喘振时将SCD 16增大第一增量。所述第一增量可提供足以阻碍空气压缩机210紧随调节308之后的操作中的初始喘振的缓冲。在调节可适应的压缩机图10308和重新建立操作设定点304之后，如果未检测到初始喘振则将SCD 16减小第二增量。

所述第二增量通常选择为小于第一增量，使得可逐步地减小SCD16，并在检测出初始喘振之后，最优化SCD 16。减小SCD 16的步骤可执行一次或多次，直到满足检测到初始喘振和SCD16的期望阈值中的一项为止。作为非限制性实例，在检测出初始喘振之后，SCD可增大约百分之十(10％)。在重新建立304了操作设定点之后，SCD 16可减小了约达百分之三(3％)或减小了达到约百分之一(1％)的期望阈值的三倍，或者直到初始喘振再次出现和SCD 16进一步增大为止。可根据需要选择其它适当的用来增加SCD 16和减小SCD 16的增量。

应当理解，当第一次操作具有空气压缩机210的燃料电池系统200时，初始操作设定点的建立304可基于具有统计的喘振线14和统计的SCD 16的可适应的压缩机图10。所述方法300可包括在其调节308之后将可适应的压缩机图10存储在控制器220的存储器中的另一步骤。例如，在关闭燃料电池系统200的操作期间可存储可适应的压缩机图10。在下一次启动操作期间，初始操作设定点的建立304基于已经在燃料电池系统200的前一次操作中调节过的可适应的压缩机图10。

现在参考图4，本公开还包括用来操作燃料电池系统200以最优化空气压缩机210的可适应的压缩机图10的第二方法400。为清楚起见，图4中所示与图3相同或相关的步骤标有上撇号(’)。

第二方法400包括下列步骤：请求302’压缩机操作、建立304’操作设定点、监测306’喘振指示、调节308’可适应的压缩机图10、从可适应的压缩机图10确定314’期望设定点、以及基于调节的可适应的压缩机图10重新建立304’操作设定点。

第二方法400中调节308’可适应的压缩机图10的步骤包括调节喘振线14的位置。例如，喘振线14为下列情况之一：如果检测到初始喘振，则降低410喘振线14；如果未检测到初始喘振且未达到喘振线14的期望阈值，则增加412喘振线14；如果已经达到喘振线14的期望阈值，则保持喘振线14。

本领域的技术人员应当理解，本公开的方法300、400通过使可适应的压缩机图10对于燃料电池系统200中使用的特定空气压缩机210最优化而使燃料电池系统200的效率最大化。通过基于可适应的压缩机图10优化空气压缩机210的操作设定点，可实现于传统压缩机中用来修正喘振事件的压缩机旁通空气的最小使用。所述方法300、400通过慢慢地减小SCD 16，直到检测到初始喘振或满足期望阈值为止，而促进了空气压缩机210的真实喘振线14的学习。从而阻碍了燃料电池系统200操作期间喘振事件的出现。

令人惊讶地发现，对于本公开的燃料电池系统200和方法300、400，无需离线特性就可实时最优化可适应的压缩机图10。因此，所述方法300、400能够解决老化效应，例如空气压缩机210的寿命期间的磨损，已知其影响喘振线14的图位置。

尽管为描述本发明的目的示出了某些具体实施例和细节，但是本领域的技术人员应当清楚，在不脱离本公开范围的情况下，可做出各种修改，所述范围在所附权利要求中进一步描述。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，其具有阳极入口和阴极入口；

空气压缩机，其与所述阴极入口流体连通；

至少一个传感器，其适于测量喘振指示；以及

控制器，其与所述至少一个传感器电气通信，并构造成响应于测量的喘振指示调节可适应的压缩机图，且基于该可适应的压缩机图建立所述空气压缩机的操作设定点。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述传感器为压力传感器、速度传感器和质量流量计之一。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述控制器包括存储器。

4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述可适应的压缩机图存储在所述控制器的所述存储器中。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括联接到所述空气压缩机且与所述控制器电气通信的电机，所述控制器构造成控制所述电机的速度并保持所述空气压缩机的所述操作设定点。

6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述可适应的压缩机图包括喘振线和可调节的喘振控制距离即SCD中的至少一项。

7.一种用于操作燃料电池系统的方法，所述方法包括下列步骤：

a)提供所述燃料电池系统，该燃料电池系统包括具有阳极入口和阴极入口的燃料电池堆、与所述阴极入口流体连通的空气压缩机、适于测量喘振指示的至少一个传感器、以及与所述至少一个传感器电气通信的控制器；

b)提供用于所述空气压缩机的可适应的压缩机图，所述压缩机图具有喘振线和喘振控制距离即SCD；

c)基于所述可适应的压缩机图建立所述空气压缩机的初始操作设定点；

d)监测所述喘振指示；

e)基于监测到的喘振指示调节所述可适应的压缩机图；

f)基于调节的可适应的压缩机图确定期望操作设定点；

g)基于调节之后的所述可适应的压缩机图建立所述空气压缩机的适合的操作设定点；以及

h)重复步骤d)-g)，从而最优化所述空气压缩机的所述可适应的压缩机图。

8.如权利要求7所述的方法，其中在建立初始操作设定点的步骤中使用的所述可适应的压缩机图包括所述空气压缩机的统计的喘振线和统计的SCD。

9.如权利要求7所述的方法，其中监测所述喘振指示的步骤包括测量压力比和质量流率中至少一项的波动以检测初始喘振。

10.如权利要求7所述的方法，还包括在关闭所述燃料电池系统时将所述可适应的压缩机图存储在存储器中的布骤，以备其下一次操作。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述调节所述可适应的压缩机图包括下列之一：

i)如果检测到初始喘振则增大所述SCD；

ii)如果未检测到所述初始喘振且未达到所述SCD的期望阈值则减小所述SCD；

iii)如果已经达到所述SCD的所述期望阈值则保持所述SCD，并重复步骤d)-e)，直到检测到所述初始喘振为止。

12.如权利要求11所述的方法，其中当检测到初始喘振时，将所述SCD增大第一增量，当未检测到所述初始喘振时，将所述SCD减小第二增量，所述第一增量大于所述第二增量。

13.如权利要求11所述的方法，其中减小所述SCD的步骤被执行一次或多次，直到检测到初始喘振和达到所述SCD的所述期望阈值中的一项为止。

14.如权利要求11所述的方法，其中如果所述初始操作设定点导致初始喘振，那么所述SCD的期望阈值为大于在建立所述初始操作设定点的步骤中使用的所述SCD的值。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述SCD的期望阈值比在建立所述初始操作设定点的步骤中使用的所述SCD高约百分之一(1％)。

16.如权利要求11所述的方法，其中增大所述SCD的步骤包括将所述SCD增大约它的百分之十(10％)。

17.如权利要求11所述的方法，其中减小所述SCD的步骤包括将所述SCD减小约它的百分之三(3％)。

18.如权利要求7所述的方法，其中确定所述期望操作设定点的步骤包括根据所述可适应的压缩机图选择空气压缩机速度和燃料电池堆背压中的至少一项，用以给所述空气压缩机提供稳定操作。

19.如权利要求7所述的方法，其中调节所述可适应的压缩机图的步骤包括下列步骤之一：

i)如果检测到初始喘振则减小喘振线；

ii)如果未检测到所述初始喘振且未达到喘振线的期望阈值则增大喘振线；

iii)如果已经达到所述喘振线的所述期望阈值则保持所述喘振线，并重复步骤d)-e)，直到检测到所述初始喘振为止。

20.一种用于操作燃料电池系统的方法，所述方法包括下列步骤：

a)提供所述燃料电池系统，该燃料电池系统包括具有阳极入口和阴极入口的燃料电池堆、与所述阴极入口流体连通的空气压缩机、适于测量压力波动的压力传感器、适于测量质量流量波动的质量流量计、以及与所述压力传感器和所述质量流量计电气通信的控制器；

b)提供用于所述空气压缩机的可适应的压缩机图，所述压缩机图具有喘振线和喘振控制距离即SCD；

c)基于所述可适应的压缩机图建立所述空气压缩机的初始操作设定点，所述初始操作设定点根据所述可适应的压缩机图提供所述空气压缩机的稳定操作；

d)通过测量所述压力波动和所述质量流量波动中的至少一项来监测初始喘振；

e)通过下列步骤之一调节所述可适应的压缩机图：

i)如果检测到初始喘振则增大所述SCD或减小所述喘振线；

ii)如果未检测到所述初始喘振且未达到期望阈值，则减小所述SCD或增大所述喘振线；

iii)如果已经达到所述期望阈值，则保持所述SCD或保持所述喘振线，并重复步骤d)-e)，直到检测到所述初始喘振为止；

f)基于调节的可适应的压缩机图确定期望操作设定点；

g)基于调节之后的所述可适应的压缩机图建立所述空气压缩机的适合的操作设定点；以及

h)重复步骤d)-g)，从而最优化用于所述空气压缩机的所述可适应的压缩机图。

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