CN106549176A - Gen2阳极氢气浓度估算的验证和校正 - Google Patents

Abstract

一种系统和方法，其用于确定燃料电池系统的阳极子系统中的氢气浓度估算值是否在有效氢气浓度的预定阈值内，如果不在预定阈值内，则校正该估算值。该方法包括：提供来自虚拟传感器的氢气浓度传感器值，以及使用气体浓度估算模型计算氢气浓度估算值。该方法还包括：确定估算值与传感器值之间的差值是否大于至少一个阈值，如果大于至少一个阈值，则引发持续的排放事件，排放阳极废气以促使估算值更接近传感器值。该方法还包括：如果多个持续的排放事件未能引起估算值和传感器值趋于一致，则设置诊断程序。

Description

GEN2阳极氢气浓度估算的验证和校正

技术领域

本发明总体上涉及一种用于验证燃料堆的阳极中氢气浓度的估算的系统和方法，更具体地，涉及一种用于验证燃料电池堆的阳极中氢气浓度的估算，并且如果识别出误差，则校正该估算的系统和方法，其中该方法包括将来自氢气虚拟传感器的测量与采用气体浓度估算模型确定的氢气浓度的估算进行比较。

背景技术

氢气燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及位于它们之间的电解液。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或者空气。氢气在阳极发生离解，产生自由的氢质子和电子。氢质子穿过电解液到达阴极。来自阳极的电子不能穿过电解液，并且因此在被送至阴极之前，被引导通过负载而做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种车辆普遍使用的燃料电池，通常包括固体聚合物电解液质子传导膜，例如全氟代磺酸膜。阳极和阴极典型地包括细微分散的催化剂颗粒，通常为支撑在碳粒子上并且与离子型聚合物混合的铂(Pt)，其中催化混合物沉积在膜的相对两侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。

若干燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需要的动力。燃料电池堆通常包括一系列的放置在堆中的若干个MEA之间的流动场或者双极板，其中双极板和MEA放置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧设置有阳极气体流动通道，使得阳极反应气体流动至各自的MEA。在双极板的阴极侧设置有阴极气体流动通道，使得阴极反应气体流动至各自的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另外一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由不锈钢或者导电复合物等导电材料制成。端板将燃料电池产生的电流传导至电池堆外。双极板也包括流动通道，冷却液穿过该流动通道流动。

很多燃料电池系统控制算法需要知晓燃料电池系统的阳极子系统内的氢气浓度，以用于多种目的，例如维持燃料电池堆的稳定性，促进系统健康的启动/关闭顺序，以及在系统的停机期间启动氢气注入过程以维持阳极侧的氢气浓度。可以在燃料电池系统内的关键位置(例如阳极的输出位置)设置气体浓度传感器以测量氢气等特定气体的浓度。然而，为了燃料电池系统在高温和潮湿环境中精确估算气体的浓度，这类传感器非常昂贵，并且仍然不完全可靠，从而致使它们在车辆燃料电池系统应用中不起作用。

燃料电池中的MEA是可渗透的，并且因此允许来自电池堆的阴极侧的空气中的氮气透过并在电池堆的阳极侧收集，通常被称作氮气跨接。尽管阳极侧的压力可能比阴极侧的压力稍高，阴极侧的分压将引起空气渗透穿过膜。燃料电池堆阳极侧的氮气稀释了氢气，这样如果氮气浓度增大到高于某一百分比，例如50％，电池堆中的燃料电池可能缺氢。如果燃料电池缺氢，燃料电池堆将无法产生足够的电能，并且燃料电池堆中的电极可能受到损坏。因此，本领域已知的是，在燃料电池堆的阳极废气输出线上设置排放阀，以从电池堆的阳极侧移除氮气。燃料电池系统控制算法将确定阳极中所需的最小氢气浓度，并且当气体浓度下降至低于该阈值时，打开排放阀，其中所述阈值基于电池堆的稳定性。

本领域已知的是采用模型来估算燃料电池堆的阳极侧的氮气和其它气体的摩尔分数，以确定何时实施阳极侧或者阳极子系统的排放。例如，已知气体浓度估算(GCE)模型是用于估算在燃料电池系统的阳极流动场、阳极管道、阴极流动场，阴极集管和管道等多个容积内的氢气、氮气、氧气、水蒸气等。2012年6月5日授权给Salvador等的美国专利8,19,407，转让给本发明的受让人，并且合并至本文作为参考，其中记载了用于该目的的一种示例性的GCE模型。

已经显示出，这类的GCE模型容易受到燃料电池系统的很多操作条件的影响，这些条件可引起GCE模型对特定气体进行相对不精确的估算。此外，燃料电池系统中的燃料电池膜等组件故障以及退化，也同样引起模型估算的误差。如果阳极氮气摩尔分数估算明显高于实际的氮气摩尔分数，燃料电池系统将排出或者排放过量的阳极气体，也就是，将浪费氢气燃料。如果阳极氮气摩尔分数估算明显低于实际的氮气摩尔分数，系统将不能排放足够的阳极气体，并且可能耗尽燃料电池的反应物，这将损害燃料电池堆中的电极。此外，即使确定了估算是不准确的，目前的燃料电池系统工艺也不允许对氢气估算进行校正。

发明内容

本发明提供并描述了一种系统和方法，其用于确定燃料电池系统的阳极子系统中的氢气浓度估算值是否在有效氢气浓度的预定阈值内，如果不在预定阈值内，则校正该估算值。该方法包括提供来自虚拟传感器的氢气浓度传感器值，并且使用气体浓度估算模型计算氢气浓度的估算值。该方法还包括确定该估算值与该传感器值之间的差值是否大于至少一个阈值，如果大于至少一个阈值，则引发持续排放事件，排放阳极废气以促使该估算值更接近该传感器值。如果多个持续排放事件未能促使该估算值和该传感器值趋于一致，则该方法还包括设置诊断程序。

通过下面的详细说明和所附的权利要求书并结合附图，本发明的其它特征将变得更加明显。

附图说明

图1是燃料电池系统的简化示意框图；

图2是示出用于确定基于气体浓度估算模型的燃料电池系统的阳极子系统内氢气的估算是否准确，如果不准确，校正该估算的过程的流程图；以及

图3是横轴为时间的示出了燃料电池堆的阳极内估算的氢气浓度、阳极内实际的氢气浓度、以及排放阀打开事件的曲线图。

具体实施方式

涉及用于确定燃料电池堆的阳极子系统内氢气浓度的估算是否准确的系统和方法的本发明的实施例的下述讨论，其本质仅仅是示例性的，而决不旨在限制本发明或其应用或使用。

图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意框图。压缩机14通过对阴极输入气体加湿的水蒸气传输(WVT)单元18为阴极输入线路16上的燃料电池堆12的阴极侧提供气流。阴极废气从将其导向水蒸气传输(WVT)单元18的阴极废气管线20上的电池堆12输出以提供水蒸气来加湿阴极输入气体。燃料电池系统10还包括氢燃料源24，其通常为向将一定量的氢气注入阳极输入管线28上的燃料电池堆12的阳极侧的注入器26提供氢气的高压罐。虽然并未具体示出，本领域技术人员会理解将使用各种不同的压力调节器、控制阀和截止阀等在适合于注入器26的压力下提供来自源24的高压氢气。注入器26可为适用于上述目的的任一注入器。2008年1月22日授权的标题为“用于燃料电池系统的注入器/喷射器组合”的美国专利No.7,320,840中公开了一种示例性注入器/喷射器，该申请被转让给该申请的受让人并在此引用作为参考。

从阳极输出管线30上的燃料电池堆12的阳极侧输出的阳极排放输出气体被提供给排放阀32。如上所述，来自燃料电池堆12的阴极侧的氮气跨接稀释了电池堆12的阳极侧内的氢气，从而影响了燃料电池堆的性能。因此，必须定期排放来自阳极子系统的阳极废气以减少阳极子系统内的氮总量。当系统10在正常非排放模式下运行时，排放阀32处于将阳极废气提供至再循环管线36的位置，所述再循环管线36将阳极气体再循环至注入器26使其作为喷射器运行并将再循环的氢气返回电池堆12的阳极输入。当获得指令进行排放以减少电池堆12的阳极侧内的氮气时，排放阀32定位于将阳极废气导向把阳极废气与管线20上的阴极废气合并的支管线34的位置，其中氢气被稀释到适用于环境的水平。

系统10还包括测量燃料电池系统10的阳极子系统内氢气浓度的虚拟氢气传感器40。将所测量的氢气浓度提供给进行如本文所述的气体浓度比较和估算的控制器38。正如在下面将要详细说明的，本发明提出了一种通过比较估算值与虚拟氢气传感器40的测量值来确定气体浓度估算模型是否对燃料电池系统的阳极子系统中氢气浓度提供精确估算值的系统和方法，并且如果估算值和测量值偏差超出预定阈值，所述系统和方法命令进行排放以校正氢气估算值。该系统和方法还包括设置计数器和生成诊断故障码，如果偏差事件的数量超过预定阈值。

已知的GCE模型在所有可能的燃料电池系统状态中确定阳极和阴极子系统中的氢气浓度。为了达到此目的，所述模型需要基于燃料电池系统工作模式改变其功能。GCE模型基于通过输出阀离开阳极子系统的阳极排气的估算流调节阳极氢气浓度。所述模型也通过可因燃料电池堆原料的年龄而改变的燃料电池薄膜解决了电化学氢气消耗和气体渗透。GCE模型将氢气浓度转化为阳极和阴极流动流中各种气体的摩尔分数，并可用于分析模型估算值精度和氢气浓度传感器的测量信息。气体浓度估算完全基于模型，并且不包括使之成为具有累积错误电位的开环模型的直接或间接反馈信息。

图2是示出了控制器38中算法执行过程的流程图60，所述过程用于确定标识出燃料电池系统的阳极子系统中氢气的估算值的气体浓度估算值是否精确，如果不是，校正该估算值。算法开始于框62，并从框64处的氢气浓度传感器获得氢气测量值。如上所述，因为传感器通常很昂贵并且因燃料电池系统在潮湿环境中运行而不可靠，所以车辆的燃料电池系统中通常不提供氢气浓度传感器。此处所提及的氢气浓度传感器可为通过其他已知处理器或与GCE模型分开的算法来获得氢气浓度测量值并可作为在线或离线实际氢气浓度传感器的虚拟传感器40。

一个实施例中，虚拟传感器40基于燃料电池堆12的电压测量结果测量氢气浓度并设置在各排放事件处。因此，虚拟传感器40提供的测量值可能并不总是如有效测量值一样可用。因此，该算法基于燃料电池系统10的运行状态确定虚拟传感器40是否在判断菱形框66处提供有效测量值，如果不是有效测量值，该算法在判断菱形框68处确定自前一次氢气浓度估算值校正起过去的时间是否大于预定阈值，如3秒。如上所述，该算法将可用虚拟传感器测量值与GCE模型所计算的氢气浓度估算值进行比较，并且如果这些值不相同并超过预定阈值，该算法校正模型所提供的浓度估算值。从而，在判断菱形框68处经国的时间是从前一次校正估算值开始的时间。如果在判断菱形框68处花掉的时间不大于阈值，那么该算法在框70处不进行操作。

如果虚拟传感器测量值在判断菱形框66处有效，该算法将虚拟传感器测量值与GCE模型所计算的氢气浓度估算值在框72处进行比较，并且在框74处确定测量值和估算值之间的差值是否大于第一阈值或估算值和测量值之间的差值是否大于第二阈值，其中所述第一和第二阈值是不同的。对于该算法而言重要的是，知道氢气浓度的估算值是否大于或小于测量浓度值，这将给出阳极子系统中是否存在太多氢气或太少氢气的判断，从而对排放事件进行相应调整。

如果在判断菱形框74处，通过第一阈值可确定传感器测量值不大于GCE模型的估算值，或通过第二阈值可确定GCE模型的估算值不大于传感器测量值，那么该算法在框70处不进行操作。如果在判断菱形框74处通过第一阈值可确定从在判断菱形框68处的前一次校正起经过的时间大于估算值、或传感器测量值大于估算值，或在判断菱形框74处可通过第二阈值确定估算值大于传感器测量值，那么该算法命令排放阀32进行持续反应性排放以促使模型估算值与传感器测量值在框76处合并。在框76处的持续排放结束时，该算法将如之前在判断菱形框74处所进行的一样再次确定传感器值和估算值之间的差值，并且如果任一差值小于各自的阈值，该算法将返回到框62处重新开始。如果在判定框78处，测量值和模型估算值之间的差值超出了阈值，那么在框80处故障计数器加上1。该部分算法确定燃料电池系统10是否存在更严重的问题，如氢气泄漏等，其中反应性排放不会使模型估算值变得更精确。

一旦在方框80中计数器增加了1，在判断菱形框82中该算法就确定总计数值是否大于预定的计数阈值，诸如四，如果不大于，返回方框76以进行另一次持续的排放，从而再次尝试校正GCE模型估算值。在判断菱形框82中如果该计数值已经达到了计数阈值，就意味着存在使得该模型指示不正确的氢气估算的某个其它问题，在方框84中该算法将报告诊断故障码并清除计数，然后返回算法的开始。

图3示出了上述讨论过程的图形表示，其中，时间位于水平轴。图线50表示根据GCE模型确定的氢气浓度估算值，图线52表示由虚拟传感器40提供的氢气浓度测量值。在非限制性的实施例中，每次氢气浓度估算值下降到低于75％时，排放阀32的排放都被初始化。这由线54表示，其由脉冲56示出了何时排放事件发生，其中，每个脉冲56表示排放阀32被打开。因此，如示出的那样，每次该模型指示氢气浓度降至75％，排放算法将打开排放阀32，其中阳极中氢气的浓度随着排放而增加。然而，实际的氢气浓度由线52示出，其中，排放事件实际上在氢气浓度达75％以上时发生，因此浪费了燃料。一旦该模型的估算值和虚拟传感器之间的测量值的差值增加到某个误差(此处由时间58表示)之上，上述讨论的算法将引发由脉冲48表示的持续的补救排放，从而使得在排放事件过程中该模型估算值将移动至该虚拟传感器测量值。

如本领域技术人员深刻理解的，本文讨论的用于描述本发明的数个不同的步骤和过程可以是指由计算机、处理器或使用电现象操纵和/或转换数据的其它电子计算装置执行的操作。那些计算机和电子装置可以利用易失性和/或非易失性存储器，所述存储器包括具有存储在其上的可执行程序的非暂时性计算机可读介质，该可执行程序包括能被计算机或处理器执行的不同代码或可执行指令，其中，该存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。

上述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员根据这些讨论以及附图和权利要求书，将会容易地认识到，在不偏离由以下的权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中作出各种改变、修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于校正气体浓度估算值的方法，所述气体估算值是对燃料电池堆的阳极中的氢气的估算，所述方法包括：

提供来自虚拟传感器的氢气浓度传感器值；

使用已有的气体浓度估算模型计算所述氢气浓度估算值；

确定所述估算值与所述传感器值之间的差值是否大于至少一个阈值；以及

如果所述估算值与所述传感器值之间的差值大于所述至少一个阈值，则引发持续的排放事件，排放阳极废气以促使所述估算值更接近所述传感器值。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：重复确定所述估算值与所述传感器值之间的差值在所述持续的排放事件后是否大于所述至少一个阈值，如果不大于所述至少一个阈值，则增加计数器。

3.根据权利要求2所述的方法，其还包括：确定在增加所述计数器后所述计数器中的计数值是否大于计数阈值，如果不大于所述计数阈值，则再次引发所述持续的排放事件。

4.根据权利要求3所述的方法，其还包括：如果所述计数值大于所述计数阈值，则报告诊断问题。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述估算值和所述传感器值之间的差值是否大于至少一个阈值包括：确定所述传感器值减去所述估算值是否大于第一阈值，以及确定所述估算值减去所述传感器值是否大于第二阈值，其中，所述第一阈值和所述第二阈值不同。

6.根据权利要求1所述的方法，其还包括：在确定所述估算值和所述传感器值之间的差值是否大于至少一个阈值之前先确定所述传感器值是否有效。

7.根据权利要求6所述的方法，其还包括：如果所述传感器值无效，则确定最近的持续的排放事件的运行时间是否大于预定阈值。

8.根据权利要求7所述的方法，其还包括：如果所述运行时间大于所述阈值，则引发所述持续的排放事件。

9.一种用于校正气体浓度估算值的系统，所述气体估算值是对燃料电池堆的阳极中的氢气的估算，所述系统包括：

用于提供来自虚拟传感器的氢气浓度传感器值的装置；

用于使用已有的气体浓度估算模型计算所述氢气浓度估算值的装置；

用于确定所述估算值与所述传感器值之间的差值是否大于至少一个阈值的装置；以及

用于如果所述估算值与所述传感器值之间的差值大于所述至少一个阈值则引发持续的排放事件的装置，所述持续的排放事件排放阳极废气以促使所述估算值更接近所述传感器值。

10.根据权利要求9所述的系统，其还包括下述装置，其用于重复确定所述估算值与所述传感器值之间的差值是否大于所述至少一个阈值，如果不大于所述至少一个阈值，则增加计数器。