CN101728555B

CN101728555B - 在燃料电池系统中的压缩机旁通阀故障期间的补救方法

Info

Publication number: CN101728555B
Application number: CN2009102090707A
Authority: CN
Inventors: M·C·柯克林
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: US20100112385A1; DE102009050934A1; DE102009050934B4; US8603686B2; CN101728555A

Abstract

本发明涉及在燃料电池系统中的压缩机旁通阀故障期间的补救方法，提供一种用于在阴极旁通阀故障期间控制压缩机速度的系统和方法，所述压缩机向燃料电池堆的阴极侧提供空气。如果检测到旁通阀故障，那么故障算法首先中断用于控制流向电池堆阴极侧的气流的常规流量和压力算法。然后，故障算法打开阴极排气阀至其完全打开位置。然后，响应于电池堆功率需求，压缩机控制将被置于开环控制中，其中使用查寻表给功率需求提供特定压缩机速度。空气流量计测量流向电池堆的气流，并基于所述气流限制电池堆电流。

Description

在燃料电池系统中的压缩机旁通阀故障期间的补救方法

技术领域

本发明大体上涉及用于在阴极输入旁通阀故障期间控制流向燃料电池堆的阴极气流的系统和方法，尤其涉及用于在阴极输入旁通阀故障期间包括下列步骤的控制流向燃料电池堆阴极侧的气流的系统和方法：保持阴极排气阀处于打开位置，使用查寻表设定电池堆压缩机的速度为开环控制，测量至电池堆的气流和基于测量的气流限制电池堆的电流输出。

背景技术

因为氢气清洁并且可用来在燃料电池中有效地发电，所以它是一种非常好的燃料。氢燃料电池为电化学装置，其包括阳极和阴极，阳极与阴极之间具有电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极分离产生自由的氢质子和电子。氢质子穿过电解质到阴极。氢质子与阴极中的氧气和电子反应产生水。阳极的电子无法穿过电解质，因此被引导通过负载以在传送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)为车辆的常用燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常为铂(Pt)，其支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物与膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA造价比较昂贵，且需要特定的条件以有效操作。

燃料电池堆中通常组合几个燃料电池以产生所需的电力。例如，典型的车辆燃料电池堆可具有二百个或更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常为由压缩机强制通过电池堆的气流。不是所有的氧都被电池堆消耗掉，一部分空气作为阴极排气排出，所述阴极排气可包括作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括位于电池堆中几个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻的燃料电池的阳极侧和阴极侧。双极板的阳极侧上设置有阳极气体流动通道，允许阳极反应气体流向相应的MEA。双极板的阴极侧上设置有阴极气体流动通道，允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电合成物。端板将燃料电池产生的电导出电池堆。

电池堆空气压缩机根本无法操作燃料电池堆所需的流量和压力组合。因此，燃料电池系统通常包括阴极旁通阀，允许至少一部分气流绕过燃料电池堆，直接流向阴极排气。例如，在燃料电池堆的操作范围中，有时需要的阴极气流少于压缩机在其最低速度能够输送的阴极气流。在这些情形期间，旁通阀用于将压缩机气流的一部分改向至排气。

在某些燃料电池系统中，阴极旁通阀默认在打开位置，使得如果旁通阀出现故障，则大部分的压缩机气流会被送入系统排气。响应于旁通阀在打开位置中的故障，压缩机将提高其速度，直到达到最高速度，试图输送满足电池堆功率需求所必需的气流。另外，由于旁通阀处在打开位置，系统算法将试图通过关闭阳极排气阀来增大燃料电池堆中的压力。随着阴极排气阀关闭以试图控制电池堆压力，因为气流会通过旁通阀流出阴极排气，所以非常少的气流，如果有的话，会达到电池堆。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于在阴极旁通阀故障期间控制压缩机速度的系统和方法，所述压缩机向燃料电池堆的阴极侧提供空气。如果检测到旁通阀故障，那么故障算法首先中断用于控制流向电池堆阴极侧的气流的常规流量和压力算法。然后，故障算法打开阴极排气阀至其完全打开位置。然后，响应于电池堆功率需求，压缩机控制将被置于开环控制中，其中使用查寻表给功率需求提供特定压缩机速度。气流计测量流向电池堆的气流，并基于所述气流限制电池堆电流。

结合附图，从下面的描述和所附的权利要求可清楚本发明的附加特征。

附图说明

图1为根据本发明实施例的燃料电池系统的功能框图，其在阴极旁通阀故障期间采用用于控制来自压缩机的阴极输入气流的方法；以及

图2为响应于阴极旁通阀故障控制压缩机的方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明涉及响应于燃料电池系统的阴极旁通阀故障而控制压缩机的系统和方法的实施例的描述实质上仅仅是示意性的，而决不是意在限制本发明或其应用或使用。

图1为包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的功能框图。燃料电池系统10还包括由电机16驱动的压缩机14，其向燃料电池堆12在阴极输入线路18上的阴极侧提供气流。温度传感器20测量进入电池堆12的阴极输入空气的温度，RH传感器22测量进入电池堆12的阴极输入空气的相对湿度。阴极输入空气的湿度由水蒸汽传输(WVT)单元24提供，该单元接收在阴极排气线路26上的通常具有100％或更高湿度的阴极排气。来自阴极排气的水和水蒸汽被用在WVT单元24中，以润湿在输入线路18上提供的阴极输入空气。阴极排气线路26中的压力传感器48测量电池堆12的阴极侧压力。阴极排气从系统输出线路28上的WVT单元24输出，并由阴极排气阀30控制。对于不期望润湿阴极输入空气的那些时候，阴极输入空气可通过旁通阀34在旁通线路32上被引导绕过WVT单元24。

压缩机14的阴极输入空气被送往热交换器36，热交换器降低因被压缩机14压缩而已被加热的空气的温度。另外，在特定期间，例如冷起动期间，热交换器36可向阴极输入空气提供热量以更快速地加热燃料电池堆12。在压缩机14出口处的压力传感器50测量压缩机14的排出压力。来自热交换器36的阴极输入空气通过测量阴极输入空气的流量的流量计38(例如气流计)被送至电池堆12。本领域内的普通技术人员公知，到达电池堆12的阴极输入空气的流量需要被严格地控制以提供恰当的阴极化学计量，使得不会给电池堆12提供过多的空气或者过少的空气，过多的空气会给电池堆中的燃料电池内的薄膜带来不利的干燥效果，过少的空气会因氧气缺乏导致燃料电池不稳定。温度传感器40测量阴极输入气流的温度以控制热交换器36，阀42控制流入WVT单元24或在旁通线路32上绕过WVT单元24的阴极空气量。

基于电池堆电流需求和电池堆压力来控制从压缩机14到电池堆12的阴极侧的空气流动。能够控制压缩机14的速度以便为期望的阴极化学计量提供精确的空气量通常是不可能的。因此，设置阴极旁通阀44来成比例地控制绕过电池堆12或通过热交换器26流向电池堆12的阴极输入空气量。绕过电池堆12的阴极空气穿过旁通线路46并直接流到阴极排气线路28。

本发明提供了一种响应于旁通阀44的故障控制压缩机14的速度的方法。如上所述，通常如果旁通阀44故障，它将默认处于完全打开位置。另外，为了控制电池堆12的压力，常规控制系统算法将关闭排气阀30。但是，在排气阀30处于关闭位置时，由于通过打开的旁通阀44的低流动阻力，很少或没有空气会流向电池堆12。因此，本发明中断系统10的常规流量和压力算法，并打开排气阀30，使得来自压缩机14的至少一部分气流会通过电池堆12。另外，压缩机14的控制将转换为开环控制，其中电池堆12的功率需求将使得压缩机14从例如查寻表以特定的预定速度运转。在该速度时，通过流量计38来测量通过电池堆12的气流，并基于该气流设定从电池堆12提取的最大电流。一旦知晓流到电池堆12的气流，那么可因此控制其它系统过程，例如提供给电池堆12的阳极侧的氢气量。因为提供给电池堆12的空气量在旁通阀44打开时通常较低，所以车辆通常处于“跛行回家(limphome)”，此时电池堆12能够提供的功率量最小。

图2为示出如上所述的用于控制压缩机14速度的操作的流程图60。在块62，流量控制算法将检测旁通阀44的故障，并在块64中断主气流和压力控制算法。然后在块66，算法将阴极排气阀30设定为其完全打开位置。然后算法在块66确定电池堆功率需求，在块70使用开环控制和需求查寻表控制压缩机14的速度。特别地，对于特定的电池堆功率需求，压缩机14的速度将针对该需求被设置在某个预定速度。然后在块72通过流量计38测量流向电池堆12的气流，在块74基于测量的气流限制电池堆电流。

前面的讨论公开和描述了本发明的示意性实施例。本领域的普通技术人员从该讨论和附图及权利要求可容易地认识到，在不脱离所附权利要求限定的本发明的实质和范围的情况下，可对其做出各种变化、修改和变形。

Claims

1.一种用于控制压缩机速度的方法，所述压缩机向燃料电池堆的阴极侧提供气流，所述方法包括：

确定阴极旁通阀处于打开位置时发生故障，控制从所述压缩机不通过所述燃料电池堆到达阴极排气的气流以控制所述燃料电池堆的压力；

响应于阀故障中断主气流和压力控制算法；

将阴极排气阀设定为打开位置；

确定所述燃料电池堆的电池堆功率需求；

测量从所述压缩机流向所述燃料电池堆的气流；以及

使用开环控制来控制所述压缩机，其中基于所述电池堆功率需求设定所述压缩机的速度，测量的流向所述电池堆的气流用于确定从所述电池堆吸取的最大电流量。

2.如权利要求1所述的方法，其中使用开环控制包括从查寻表确定所述压缩机速度。

3.如权利要求1所述的方法，其中测量气流包括使用质量流量计。

4.一种用于控制压缩机速度的方法，所述压缩机向燃料电池堆的阴极侧提供气流，所述方法包括：

确定阴极旁通阀发生故障，控制从所述压缩机不通过所述燃料电池堆到达阴极排气的气流以控制所述燃料电池堆的压力；

响应于阀故障中断主气流和压力控制算法；

确定所述燃料电池堆的电池堆功率需求；以及

使用开环控制来控制所述压缩机，其中基于所述电池堆功率需求设定所述压缩机速度。

5.如权利要求4所述的方法，其中确定阴极旁通阀发生故障包括确定阴极旁通阀处于打开位置时发生故障。

6.如权利要求4所述的方法，还包括当中断所述控制算法时，将阴极排气阀设定为打开位置。

7.如权利要求4所述的方法，还包括测量从所述压缩机流向所述燃料电池堆的气流，其中使用测量的流向电池堆的气流确定从所述电池堆吸取的最大电流量。

8.如权利要求7所述的方法，其中测量气流包括使用质量流量计。

9.如权利要求4所述的方法，其中使用开环控制包括从查寻表确定所述压缩机速度。

10.一种用于控制压缩机速度的系统，所述压缩机向燃料电池堆的阴极侧提供气流，所述系统包括：

确定阴极旁通阀处于打开位置时发生故障的装置，其控制从所述压缩机不通过所述燃料电池堆到达阴极排气的气流以控制所述燃料电池堆的压力；

响应于阀故障中断主气流和压力控制算法的装置；

将阴极排气阀设定为打开位置的装置；

确定所述燃料电池堆的电池堆功率需求的装置；

测量从所述压缩机流向所述燃料电池堆的气流的装置；以及

使用开环控制来控制所述压缩机速度的装置，其中基于所述电池堆功率需求设定所述压缩机的速度，测量的流向所述电池堆的气流用于确定从所述电池堆吸取的最大电流量。

11.如权利要求10所述的系统，其中使用开环控制控制所述压缩机速度的所述装置包括从查寻表确定所述压缩机速度的装置。

12.如权利要求10所述的系统，其中测量从所述压缩机流向所述燃料电池堆的气流的所述装置包括使用质量流量计。