CN109216737B - 不纯燃料的检测和补救措施 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于确定提供给燃料电池组的阳极侧的氢气燃料的纯度水平并且然后基于纯度水平修改系统使用的模型和算法的系统和方法。该方法包括确定是否已经满足获得准确的氢气燃料纯度水平所需的预定标准，并且如果是，则将燃料电池组的测量电压或电流与燃料电池组的模型化的电压或电流进行比较。如果测量电压或电流与模型化电压或电流之间的比较大于预定阈值，则该方法将氢气浓度值调整至较低纯度水平以供下游模型使用。

Description

不纯燃料的检测和补救措施
技术领域
本发明通常涉及一种用于确定提供给燃料电池组的阳极侧的氢气燃料纯度的系统和方法，并且更具体地涉及一种用于确定提供给燃料电池组的阳极侧的氢气燃料纯度的系统和方法，其中该方法包括将测量的燃料电池组电压或电流与纯氢气燃料的模型化电压或电流值进行比较，并且使燃料电池系统中的算法适应于燃料的实际纯度水平。
背景技术
氢燃料电池是一种电化学装置，该电化学装置包括阳极和阴极以及位于它们之间的电解质。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中发生离解产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在被送到阴极前被引导通过负载来做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆常用的燃料电池类型，并且通常包括固体聚合物电解质质子传导隔膜，诸如全氟磺酸隔膜。阳极和阴极通常包括细小的催化颗粒，通常是铂(Pt)，这些催化颗粒被支撑在碳颗粒上并与离聚物混合，其中催化混合物沉积在隔膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和隔膜的组合限定了隔膜电极组件(MEA)。
若干燃料电池通常被组合在燃料电池组中以产生所需的功率。燃料电池组通常包括位于电池组的若干MEA之间的一系列流场或双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于燃料电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上提供允许阳极反应物气体流至相应MEA的阳极气流通道。在双极板的阴极侧上提供允许阴极反应物气体流至相应MEA的阴极气流通道。一个端板包括阳极气流通道，而另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料(诸如不锈钢或导电复合材料)制成。端板将燃料电池产生的电力传出给燃料电池组。双极板还包括冷却液在其中流过的流动通道。
许多燃料电池系统控制算法需要知道燃料电池系统阳极子系统中氢气的浓度以用于各种目的，诸如维持燃料电池组的稳定性，促进系统的健康启动/关闭顺序，设定从氢气源进入阳极侧氢气的注入频率，以及在系统停机时间期间启动氢气注入事件以维持阳极侧的氢气。
已知的是当阳极中氢气的浓度变得太低时放出阳极排气。具体而言，燃料电池中的MEA是可渗透的并且因此允许来自电池组阴极侧空气中的氮气渗透并在电池组的阳极侧收集，通常称为氮气交换。即使阳极侧压力可能略高于阴极侧压力，阴极侧分压也会导致空气透过隔膜。燃料电池组阳极侧的氮气稀释氢气，使得如果氮气浓度增加超过一定百分比例诸如50％，则电池组中的燃料电池可能变得缺乏氢气。如果燃料电池变得缺乏氢气，那么燃料电池组将不能产生足够的电力并且可能损坏燃料电池组中的电极。因此，本领域已知的是，在燃料电池组的阳极排气输出管线中提供放气阀以从电池组的阳极侧除去氮气。燃料电池系统控制算法将识别阳极中所需的最小氢气浓度，并且当气体浓度下降到低于该阈值时导致放气阀打开，其中该阈值基于电池组的稳定性。
可以在燃料电池系统中的关键位置(例如在燃料电池组阳极的输入或输出处)设有气体浓度传感器以测量特定气体(诸如氢气)的浓度。然而，为了使这些类型的传感器在燃料电池系统的热和湿的环境中提供精确的气体估算，该传感器比较昂贵但仍然不是完全可靠，因此致使它们对于汽车燃料电池系统的应用无效。
本领域已知使用模型来估算燃料电池组阳极侧中的氢气，氮气和其他气体的摩尔分数，以确定何时执行放气。例如，用于估算各种体积燃料电池系统中氢气，氮气，氧气，水蒸气等气体浓度估算(GCE)模型是已知的，例如阳极流场，阳极管道，阴极流场，阴极集管和管道等。尽管GCE模型在确定电池组阳极侧的氢气浓度方面相当准确，但某些电池组操作条件可能会影响模型精确计算氢气浓度的能力。
提供给燃料电池组阳极侧的氢气燃料的纯度水平对电池组的性能有直接影响。例如，燃料电池中的电化学反应对可能存在于阳极燃料中的一氧化碳非常敏感。此外，阳极燃料中的惰性气体(诸如氮气和氩气)稀释了氢气，其中预测氢气浓度的模型的准确度可能会受到影响。例如，用于启动上讨的阳极放气事件的模型基于氢气燃料处于非常高的纯度水平，其中如果模型认为氢气的纯度水平高于氢气的实际纯度，则可以激发阳极放气。如果氢气的纯度水平不在模型所认为的水平，那么预测氢气浓度的模型也可能导致燃料电池组关于耐久性和劣化等各种不希望的问题。如果模型知道氢气的纯度水平，那么可以调整模型以考虑较少的纯氢气，诸如更频繁地触发反应性放气。
对于汽车应用，SAE要求定义了可接受的氢气纯度水平，其中99.97％的填充气体为氢气。然而，各种杂质可能与来自燃料电池系统加燃料过程中的氢气结合，从而降低其纯度。这些杂质可以通过各种方式进入阳极燃料，诸如加油站的重整器。已经表明，氢纯度降低0.007％足以引起系统浓度的20％误差，这可能导致阳极缺乏和电池组劣化的增加。
发明内容
本发明公开并描述了一种用于确定提供给燃料电池组的阳极侧的氢气燃料的纯度水平并且然后基于纯度水平修改系统使用的模型和算法的系统和方法。该方法包括确定是否已经满足获得准确的氢气燃料纯度水平所需的预定标准，并且如果是，则将燃料电池组的测量电压或电流与燃料电池组的模型化电压或电流进行比较。如果测量电压或电流与模型化电压或电流之间的比较大于预定阈值，则该方法将氢气浓度值调整到较低纯度水平以供下游模型使用。
结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得显而易见。
附图说明
图1为包括燃料电池系统的车辆的示意图；
图2为燃料电池系统的简化示意框图；以及
图3为示出用于确定提供给燃料电池组的阳极侧氢气纯度水平的过程的流程图。
具体实施方式
旨在用于确定提供给燃料电池组阳极侧氢气燃料纯度水平的系统和方法的本发明实施例的以下讨论本质上仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本发明或其应用或用途。例如，本文讨论的是安装在车辆上的燃料电池系统。然而，燃料电池系统可以适用于其他装置和设备。
图1是示出包括高压电池12、燃料电池组14、推进单元16和控制器18的混合动力燃料电池车辆10的简化示意图。控制器18表示如本文所讨论的确定阳极子系统中的氢气纯度水平的操作和计算并且在各种系统控制模块中使用该信息所需的所有控制模块、处理器、电子控制单元、存储器和装置。
图2是包括燃料电池组22的燃料电池系统20的示意性框图，其中燃料电池系统20具有用于车辆10的特定应用。电池组22包括一系列上述类型的燃料电池，通常由燃料电池24表示，包括之间具有MEA28的相对双极板26。压缩机34通过加湿阴极输入空气的水蒸气转移(WVT)单元38在阴极输入线36上将空气流提供给燃料电池组22的阴极侧。在阴极排气管线40上将阴极排气从电池组22中输出，该阴极排气管线将阴极排气引导至WVT单元38以提供湿度从而加湿阴极输入空气。燃料电池系统20还包括氢气燃料源(通常为高压罐)44，其向注射器46提供氢气，该注射器在阳极输入管线48上将控制量的氢气注入燃料电池组22的阳极侧。尽管未具体示出，但本领域技术人员将理解，提供各种压力调节器、控制阀、截止阀等，以在适合于注射器46的压力下从氢气燃料源44供应高压氢气。注射器46可以是适用于本文讨论的目的的任何注射器，其中许多注射器是本领域技术人员已知的。
阳极流出气体在阳极输出管线50上从燃料电池组22的阳极侧输出，并提供给放气阀52。如上面所讨论，燃料电池组22的阴极侧中的氮气交换会稀释电池组22的阳极侧中的氢气，从而影响燃料电池组的性能。因此，需要周期性地将来自阳极子系统的阳极流出气体放出以减少阳极子系统中的氮气量。当系统20以正常的非放气模式运行时，放气阀52处于如下位置：阳极流出气体被提供给再循环管线56，该再循环管线56将阳极气体再循环至注射器46以将该注射器用作注射器或者泵以将再循环的氢气提供到电池组22的阳极输入。当命令放气以降低电池组22的阳极侧中氮时，放气阀52设置成将阳极流出气体引导至旁路管线54，该旁路管线54将阳极流出气体与阴极排气管线40上的阴极流出气体合并，在此稀释氢气以适合环境的要求。
系统20还包括电压和/或电流监测装置58，其可以进行以下一项或多项监测：监测电池组的总电压，监测燃料电池组22中每个燃料电池24的单独电压，并且测量燃料电池组22在任何特定时间点的电流密度。所有的燃料电池系统都包括用于监测燃料电池组电压和电流的技术，并且如本领域技术人员将理解的那样，在此可以采用任何这种合适的技术。该系统20还包括控制本文所讨论各种操作的控制器60。
如下详细讨论的，本发明提出了一种系统和方法，其用于确定提供给燃料电池组22阳极侧的氢气纯度水平，然后使用该纯度水平来调整系统模型和算法。
图3为示出了用于确定提供给燃料电池组22的阳极侧的氢气燃料纯度水平并且如果纯度水平低于特定“纯”阈值则基于所确定的纯度水平提供补救措施的过程的流程图70。该算法在判定菱形框72处连续监测填充系统20中的氢气源44的氢气补充事件。如果在判定菱形框72处检测到补充事件，则该算法在判定菱形框74处确定是否已经满足为了提供对刚提供给氢气源44的氢气燃料的纯度水平的准确确定所需的某些标准，如下面进一步详细讨论的。在判定菱形框74处所需的标准基本上确定了系统20是否在没有检测到故障的正常模式下正常工作。该标准可以包括：电池组电流密度是足够高持续具有足够长的时间；电池组22处于适当的操作温度、压力和湿度；阴极和阳极反应物气体流量合适；注射器46正在正常地工作等等。如果在判定菱形框74处没有满足全部标准，则该算法进入方框76以等待某个预定时间段并使定时器时钟递增。该算法然后在判定菱形框78处确定该定时器时钟是否已经超过最大值，并且如果没有，则返回到判定菱形框74以查看现在是否已满足要求。如果在判定菱形框78处已经超过最大时间计数，则该算法在方框80处退出，并且设置适当标记，该标记指示不能获得氢气的纯度水平。
如果算法在判定框74处确定已经满足所有标准，则该算法在方框82处从装置58获得电池组电压和/或电池组电流密度的测量结果，并且在方框84处获得模型的电压或电流输出，该模型在控制器60内持续工作，而控制器60基于电池组电压和/或电池组电流来识别电池组22的性能。随着燃料电池系统的劣化，需要持续调整这种模型以确定是否存在电池组劣化的问题。本领域技术人员将容易地认识到如本文所讨论的计算电池组电压和/或电流密度的合适模型。算法然后在判定框86处比较测量的电池组电压和/或电流密度与模型电池组电压和/或电池组电流密度，并且如果该差值在预定的可接受限度内，即不超过阈值，则算法知道氢气燃料处于可接受或高纯度的水平，并且该过程在方框80处退出。
如果在判定框86处测得的电池组电压或电池组电流密度不在模型电池组电压或电池组电流密度的可接受极限内，则算法知道刚刚所供应的氢气燃料存在低纯度的问题。该算法然后在方框88处调整提供给在燃料电池系统20中运行的任何下游模型的氢气燃料的实际较低纯度水平，使得这些模型基于该纯度水平给出准确的信息。在本发明之前的已知系统中，那些下游模型将随时间适应较低纯度氢气的影响，然而，该模型不会知道所提供氢气燃料的较低纯度水平提供了模型为什么需要进行适应的原因。本领域技术人员已知各种模型以确定适用于该过程的燃料电池系统中的氢气浓度，例如，参见美国专利申请公开号2017/0084941，标题为“Gen 2阳极H2浓度估算的验证和校正”。
一旦在方框88处确定了适应的氢气燃料浓度，则算法在方框90处将适应的浓度与气体浓度估算(GCE)模型确定的氢气燃料浓度进行比较，在方框92处比较两个浓度值，其中如果浓度值之间的差值大于预定阈值，则算法返回方框88以进一步调整不纯氢气燃料的浓度值以使其更接近于由GCE模型所确定的氢气燃料浓度。一旦使用新的纯度水平已经足够校正适应的氢气浓度，使其与在判定框92处的GCE模型提供的浓度大致相同，那么其他模型不需要被进一步调整，因为使用新的纯度水平确定氢气燃料浓度当前是准确的。如果在判定框92处浓度之间的差异在阈值内，则该算法在方框94处使用氢气存储系统(HSS)罐浓度模型中的氢气燃料的较低纯度水平，并且该算法在方框80处退出。为此目的，合适的HSS罐浓度模型，诸如简单理想气体定律模型，将为本领域技术人员所熟知。
如本领域技术人员将很好理解的，在此讨论的用于描述本发明的若干和各种步骤和过程可以指的是由计算机、处理器或其他电子计算设备执行的操作，该计算机、处理器或其他电子计算设备使用电气现象操纵和/或变换数据。这些计算机和电子设备可以采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括在其中存储有可执行程序的非暂时性计算机可读介质，该可读介质包括能够由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/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他计算机可读介质。
以上的讨论仅仅揭示和描述本发明示例性的实施例。本领域技术人员从这些讨论以及所附附图和权利要求中将容易地认识到，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变，修改和变化。

Claims (8)

1.一种用于确定提供给燃料电池组的阳极侧的氢气纯度水平的方法，所述方法包括：
确定是否已经满足获得准确氢气纯度水平所需的预定标准；
如果已经满足所述标准，则将所述燃料电池组的测量电压与所述燃料电池组的模型化电压进行比较；以及
如果所述燃料电池组的所述测量电压与所述燃料电池组的所述模型化电压之间的差大于预定阈值，则将所述氢气浓度值调整到较低纯度水平以供下游模型使用，
其中所述确定是否已经满足预定标准包括确定所述燃料电池组在正常模式下正常工作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定标准包括确定所述电池组电流密度已经足够高持续足够长的时间，所述电池组处于适当的温度、压力和湿度下，阴极和阳极反应物气体流量合适并且氢气注射器正常工作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定是否已经满足预定标准包括如果不满足所述预定标准则监测时间段，并且如果超出预定时间阈值则确定所述氢气的所述纯度水平不能被确定。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述调整后的氢气浓度值与模型化氢气浓度进行比较，并且如果所述调整后的氢气浓度值与所述模型化值之间的差超过所述预定阈值，则进一步调整所述氢气浓度值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中通过气体浓度估算模型获得所述模型化氢气浓度。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在多个下游模型中使用所述调整后的氢气浓度值。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将氢气供应值应用于氢气存储系统罐浓度模型。
8.一种用于确定提供给燃料电池组的阳极侧的氢气纯度水平的系统，所述系统包括：
用于确定是否已经满足获得准确氢气纯度水平所需的预定标准的装置，其中确定是否已经满足预定标准包括确定所述燃料电池组在正常模式下正常工作；
用于如果已经满足所述标准则将所述燃料电池组的测量电压与所述燃料电池组的模型化电压进行比较的装置；以及
用于如果所述燃料电池组的所述测量电压与所述燃料电池组的所述模型化电压之间的差大于预定阈值则将所述氢气浓度值调整到较低纯度水平以供下游模型使用的装置。
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