CN115528286A - 在燃料电池系统中使用比例控制阀的操作系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及在燃料电池堆系统中使用比例控制阀的操作系统和方法。所述燃料电池堆系统可包括：燃料电池堆，其包括具有阳极入口和阳极出口的阳极以及具有阴极入口和阴极出口的阴极；和控制阀，其控制进入阳极的燃料的流量。燃料的流量可基于横跨阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口中的任何两个测量的压差。

Description

在燃料电池系统中使用比例控制阀的操作系统和方法
相关申请的交叉引用
本非临时申请要求2021年6月25日提交的美国临时专利申请序列号63/215,072根据35 U.S.C. § 119(e)和任何其它适用的法律或法规的权益和优先权，该申请的全部公开内容在此以引用方式明确并入本文中。
技术领域
本公开涉及在燃料电池或燃料电池堆系统中使用比例控制阀的系统和方法。
背景技术
交通工具和/或动力系使用燃料电池或燃料电池堆来满足其动力需求。燃料电池和/或燃料电池堆可包括但不限于磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(也称为聚合物交换膜燃料电池(PEMFC))或固体氧化物燃料电池(SOFC)。
燃料电池或燃料电池堆系统可包括多个燃料电池或燃料电池堆。燃料电池或燃料电池堆系统可通过发生在燃料电池或燃料电池堆中的电化学反应生成以直流电(DC)形式的电力。燃料处理器将燃料转换成能够由燃料电池或燃料电池堆使用的形式。如果燃料电池或燃料电池堆系统由诸如甲醇、汽油、柴油或气化煤的富氢常规燃料提供功率，则重整器可将烃类转化为氢和碳化合物的气体混合物或重整产品。然后，重整产品可转化为二氧化碳，纯化并再循环回到燃料电池或燃料电池堆中。
诸如氢或烃类的燃料通过场流板被导引到燃料电池或燃料电池堆的一侧上的阳极，而来自空气的氧被导引到燃料电池或燃料电池堆的另一侧上的阴极。在阳极处，诸如铂催化剂的催化剂导致氢分裂成正氢离子(质子)和带负电荷的电子。在聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)的情况中，聚合物电解质膜(PEM)允许带正电荷的离子通过PEM流到阴极。带负电荷的电子沿着外部环路被引导到阴极，产生电路和/或电流。在阴极处，电子和带正电荷的氢离子与氧结合以形成水，水从燃料电池或燃料电池堆中流出。
阳极和阴极之间的压差需要高于最小值，以防止在阳极料流(stream)和阴极料流之间的气体混合，和/或避免膜电极组件(MEA)上或燃料电池的电解质上的机械应力。机械调节器典型地用来控制到阳极的新燃料的流量，并保持阳极和阴极之间的压差。然而，由于其机械设计，机械调节器在改变阳极和阴极之间的目标压差方面提供了最小的灵活性。机械调节器机械设计的刚性提出了一定的挑战。例如，当通过机械调节器的(多个)阀的燃料的流量变化时，机械调节器可允许压差中的变化(例如，下降)。此外，机械调节器必须考虑对反共振比(ISR)的敏感性，反共振比表征燃料电池或燃料电池堆系统对下游压力的敏感性。
为了克服上述挑战，比例控制阀可用来控制到阳极的新燃料的流量，监测燃料电池或燃料电池堆中的阳极和阴极之间的压差，和/或保持燃料电池或燃料电池堆中的阳极和阴极之间的压差。本公开提供了使用比例控制阀来克服与在燃料电池或燃料电池堆系统中比例控制阀的使用相关的本领域中已知的当前挑战的系统和方法。
发明内容
包括本公开的实施例是为了满足这些和其它需求。
在本文中描述的本公开的一个方面中，燃料电池堆系统包括燃料电池堆和比例控制阀。燃料电池堆包括具有阳极入口和阳极出口的阳极和具有阴极入口和阴极出口的阴极。比例控制阀基于横跨阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口中的任何两个测量的压差来控制进入阳极的燃料的流量。
在第一方面中，压差可通过定位在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和定位在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器来测量。在该方面中，由在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器进行的测量可具有小于目标偏压的约25%的组合标准误差。目标偏压可基于燃料电池堆的操作条件。备选地或附加地，在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器可经历校准。校准可传送到比例控制阀的控制器。
备选地或附加地，比例控制阀的控制器能够以具有偏移的偏压为目标。可基于由第一和第二单点压力传感器进行的测量中的已知不确定性以及最小目标偏压来校准偏移。比例控制阀的控制器可包括内部控制环路和外部控制环路。内部控制环路可使用力平衡或反共振比(ISR)补偿方法。内部控制环路可为基于比例控制阀下游的压力的开环，并且可使用目标流率来估计。内部控制环路可通过使用物理或虚拟传感器来补偿燃料供应温度测量。
在第一方面中，第一压差可通过横跨阳极和阴极的压差传感器来测量。
在第一方面中，比例控制阀可配置成与喷射器(ejector)结合操作。比例控制阀可包括至少一个控制器，所述至少一个控制器在喷射器的主喷嘴被阻塞或未阻塞时校正非线性动态变化。
在本文中描述的本公开的第二方面中，一种在燃料电池或燃料电池堆中实现和/或控制比例控制阀的方法包括以下步骤：测量横跨燃料电池或燃料电池堆的阳极入口和阳极出口、阴极入口和阴极出口中的任何两个的压差；基于压差使燃料流过比例控制阀；和由一个或多个控制器控制比例控制阀操作。阳极包括阳极入口和阳极出口。阴极包括阴极入口和阴极出口。测量压差的步骤包括使用在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器。
在第二方面中，第一和第二单点压力传感器可具有小于目标偏压的约25%的组合标准误差。
在第二方面中，该方法还可包括：离线校准在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器，以确定校准值；和将校准值传送到比例控制阀的一个或多个控制器。
在第二方面中，该方法还可包括基于燃料电池或燃料电池堆的操作条件使用比例控制阀引入干扰。
在第二方面中，该方法还可包括：相对于彼此评估第一单点压力传感器和第二单点压力传感器；以及如果需要，则将校正引入比例控制阀。
在第二方面中，控制比例控制阀还可包括实现内部控制环路。内部控制环路可为基于比例控制阀下游的压力的开环。该方法还可包括通过估计目标燃料流率来实现内部控制环路。内部控制环路可使用力平衡或反共振比(ISR)补偿方法。备选地或附加地，内部控制环路可通过使用物理或虚拟传感器来补偿燃料供应温度测量。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中贯穿附图相同的标记表示相同的部件，在附图中：
图1A是包括连接到配套设施的一个或多个燃料电池堆的燃料电池系统的图示。
图1B是包括一个或多个燃料电池模块的燃料电池系统的图示。
图1C是燃料电池堆中的燃料电池的部件的图示。
图2是示出包括燃料电池或燃料电池堆的系统的操作曲线的图表。
图3是示出在燃料电池堆系统中与文丘里管或喷射器一起使用的机械调节器的示意图。
图4是示出在燃料电池堆系统中与文丘里管或喷射器一起使用的比例控制阀的示意图。
图5是示出用来监测、测量和/或控制阳极压力和初级流的内部和外部控制环路的示意图。
具体实施方式
本公开涉及在燃料电池堆系统中使用比例控制阀来控制到燃料电池或燃料电池堆的阳极的新燃料的流量的操作系统和方法。本公开涉及用于保持或监测燃料电池或燃料电池堆的阳极和阴极之间的压差的系统和方法。更具体地，本公开涉及当使用比例控制阀时克服燃料电池系统功率模块的燃料管理系统中的挑战。
燃料电池系统功率模块可包括燃料管理系统，该燃料管理系统控制、管理、实现或确定作为到阳极的燃料料流的主燃料(例如，氢)的流动。燃料流控制能够以匹配、超过或小于燃料电池或燃料电池堆的燃料消耗率的速率通过阳极入口发生。燃料流控制可依赖于从燃料电池或燃料电池堆出口返回到阳极入口的燃料料流排放的再循环速率。燃料流控制可依赖于燃料电池或燃料电池堆在目标压力下的操作。燃料流控制可依赖于在指定的目标范围内在阳极料流和阴极料流之间的压差的保持。
针对系统的最小过量燃料目标可基于燃料电池或燃料电池堆的操作条件指定为由燃料电池或燃料电池堆所需的过量燃料目标的最小水平。燃料电池或燃料电池堆可具有高于最小过量燃料目标的过量燃料水平，但是实现该较高水平可导致燃料电池或燃料电池堆上的高寄生负载。例如，可通过在阳极处保持高燃料流率来实现高于最小过量燃料目标的过量燃料水平，高燃料流率可导致燃料电池或燃料电池堆中的压力损失。
鼓风机和/或泵(例如，再循环泵)能够以与燃料电池或燃料电池堆中的压力损失成比例的容量工作。鼓风机和/或泵还能够以与通过鼓风机和/或泵的体积流率成比例的容量工作。鼓风机和/或泵可使用附加功率来补偿压力损失。通过鼓风机和/或泵使用附加功率可导致燃料电池或燃料电池堆上的高寄生负载。
如图1A中所示，燃料电池系统或燃料电池堆系统10通常包括一个或多个燃料电池堆12或燃料电池模块14，所述一个或多个燃料电池堆12或燃料电池模块14连接到配套设施(BOP)16，配套设施(BOP)16包括各种部件，以产生、生成和/或分配电功率，以通过环境友好的方式满足现代工业和商业的日常需求。如图1B和图1C中所示，燃料电池系统10可包括燃料电池堆12，燃料电池堆12包括多个单独的燃料电池20。每个燃料电池堆12可容纳串联和/或并联连接在一起的多个燃料电池20。燃料电池系统10可包括一个或多个燃料电池模块14，如图1A和图1B中所示。每个燃料电池模块14可包括多个燃料电池堆12和/或多个燃料电池20。
可将燃料电池堆12中的燃料电池20堆叠在一起，以倍增和增加单个燃料电池堆12的电压输出。燃料电池系统10中的燃料电池堆12的数量可根据操作燃料电池系统10和满足任何负载的功率需求所需的功率的量而变化。燃料电池堆12中的燃料电池20的数量可根据操作包括燃料电池堆12的燃料电池系统10所需的功率的量而变化。
每个燃料电池堆12或燃料电池系统10中的燃料电池20的数量可为任意数量。例如，每个燃料电池堆12中的燃料电池20的数量可在从约100个燃料电池至约1000个燃料电池的范围内，包括其中包括的燃料电池20的任何特定数量或数量的范围(例如，约200至约800)。在实施例中，燃料电池系统10可包括约20至约1000个燃料电池堆12，包括其中包括的燃料电池堆12的任何特定数量或数量的范围(例如，约200至约800)。燃料电池模块14内的燃料电池堆12中的燃料电池20可在任何方向上定向，以优化燃料电池系统10的操作效率和功能。
燃料电池堆12中的燃料电池20可为任何类型的燃料电池20。燃料电池20可为聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)燃料电池、阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)或固体氧化物燃料电池(SOFC)。在示例性实施例中，燃料电池20可为聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)燃料电池或固体氧化物燃料电池(SOFC)。
在图1C中所示的实施例中，燃料电池堆12包括多个质子交换膜(PEM)燃料电池20。每个燃料电池20包括单个膜电极组件(MEA)22和在膜电极组件(MEA)22的任一侧或两侧上的气体扩散层(GDL)24、26(参见图1C)。燃料电池20还包括在每个气体扩散层(GDL)24、26的外侧上的双极板(BPP)28、30。上面提及的部件22、24、26、30构成单个重复单元50。
双极板(BPP)28、30负责在燃料电池20中传送诸如燃料32(例如，氢)或氧化剂34(例如，氧、空气)的反应物和冷却流体36(例如，冷却剂和/或水)。双极板(BPP)28、30可通过氧化剂流场42和/或燃料流场44将反应物32、34均匀地分配到每个燃料电池20的活性区域40。活性区域40集中在膜电极组件(MEA)22处的气体扩散层(GDL)24、26和双极板(BPP)28、30内，在活性区域40处发生电化学反应以生成由燃料电池20产生的电功率。双极板(BPP)28、30被压缩在一起，以隔离和/或密封在它们相应的路径、通道和/或流场42、44内的一种或多种反应物32，以保持电导率，这是在燃料电池20操作期间的鲁棒性所需的。
本文中描述的燃料电池系统10可在诸如工业应用和功率生成设施的固定和/或不可移动的功率系统中使用。燃料电池系统10还可与电解装置18和/或其它电解系统18结合实现。在一个实施例中，燃料电池系统10串联或并联地连接和/或附接到电解系统18，诸如BOP 16中的一个或多个电解装置18。
本燃料电池系统10也可包括在移动应用中。在示例性实施例中，燃料电池系统10在交通工具和/或动力系100中。包括本燃料电池系统10的交通工具100可为汽车、乘用车(pass car)、公共汽车、卡车、火车、机车、飞行器、轻型交通工具、中型交通工具或重型交通工具。
交通工具和/或动力系100可在车行道、公路、铁路、航线和/或水路上使用。交通工具100可在包括但不限于非公路运输、拖车头(bobtails)和/或采矿设备的应用中使用。例如，采矿设备交通工具100的示例性实施例是采矿卡车或采矿拖运卡车。
包括燃料电池20或燃料电池堆12的燃料电池系统10的操作特性的一个实施例在图2中的图表101中图示。操作压力和相关联的操作温度示出为电流密度108的函数。可要求燃料电池20或燃料电池堆12在阳极入口歧管213处测量的称为阳极入口歧管压力(PAIM)的压力范围内操作。
燃料电池20或燃料电池堆12的最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)由110表示。燃料电池20或燃料电池堆12的最低阳极入口歧管压力(PAIM_LO)由120表示。在最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110和最低阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120之间的范围160指示目标阳极入口歧管压力范围或操作压力。燃料电池系统10的目标温度可在从低燃料供应操作温度(TCV_LO)102到高燃料供应操作温度(TCV_HI)104的范围内。
当燃料电池20或燃料电池堆12在临界电流密度(i_LO_CR)130以上操作时，在从约或大约最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110至约或大约最低阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120的范围内的压力下操作燃料电池20或燃料电池堆12是至关重要的。在一些实施例中，临界电流密度(i_LO_CR)130可为约0.7 A/cm2。在其它实施例中，临界电流密度(i_LO_CR)130可为约0.6 A/cm2。在一些另外的实施例中，临界电流密度(i_LO_CR)130可高于或低于0.7 A/cm2，诸如在从约0.5 A/cm2至约0.9 A/cm2，包括其中包括的每个电流密度108或电流密度108的范围。
燃料电池20或燃料电池堆12可在高电流密度138下操作，该高电流密度可高于临界电流密度(i_LO_CR)130。高电流密度138可在从约1.3 A/cm2至约2.0 A/cm2、或约1.3 A/cm2至约1.6 A/cm2、或约1.0 A/cm2至约1.6 A/cm2的范围内，包括其中包括的每个电流密度108或电流密度108的范围。
在一些实施例中，在如此高的电流密度138下(例如，在约1.6 A/cm2下)操作燃料电池20或燃料电池堆12导致在不同于最佳目标操作压力和操作温度的压力和温度下操作燃料电池20或燃料电池堆12。在不同于最佳目标操作压力和操作温度的压力和温度下操作燃料电池20或燃料电池堆12可降低燃料电池20或燃料电池堆12的效率。由于MEA 22劣化(例如，由于缺乏、水淹和/或相对湿度影响)，这样的操作还可导致对燃料电池20或燃料电池堆12的损坏。在一些实施例中，当燃料电池20或燃料电池堆12在低于临界电流密度(i_LO_CR)130下操作时，燃料电池20或燃料电池堆12的操作压力和操作温度方面可存在更大的灵活性。包括燃料电池或燃料电池堆的本操作系统可在最小电流密度(iMIN)132和最大电流密度(iMAX)134下操作。
在一个实施例中，包括燃料电池20或燃料电池堆12的燃料电池系统10可在可不同于由图2中的曲线160指示的功能范围内操作。燃料电池系统10可在更高的压力(例如，最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110)下或在低至临界电流密度(i_LO_CR)130的电流密度108下操作。例如，燃料电池系统10可在约2.5 bara下延长稳态操作直到约临界电流密度(i_LO_CR)130。以bara计的压力测量值是指以bar计的绝对压力。
图3图示了燃料电池系统10的一个实施例，该燃料电池系统10包括燃料电池堆12、机械调节器250、与燃料电池堆210串联或并联的再循环泵或鼓风机220、排气阀280、截止阀270、压力传输阀290、一个或多个压力换能器240/260和文丘里管或喷射器230。在一些实施例中，燃料电池系统10可包括一个或多个燃料电池堆12或一个或多个燃料电池20。在其它实施例中，还可存在与燃料电池堆12串联或并联的一个或多个阀、传感器、压缩机、调节器、鼓风机、注射器、喷射器和/或其它设备。
在燃料电池系统10的一个实施例中，阳极入口料流222流过燃料电池堆12的阳极204端部。典型地，阳极入口料流222可为新燃料(例如，H2)和阳极排气(例如，H2燃料和/或水)的混合物。相反，氧化剂206(例如，空气、氧或加湿空气)可流过燃料电池堆12的阴极208端部。
可在阳极入口212处提供过量的燃料，以避免朝向阳极出口214的燃料缺乏。阳极入口料流222的水含量或阳极入口料流222的相对湿度可影响燃料电池堆12的性能和健康。例如，低入口湿度可导致更干燥的膜电极组件(MEA)22，从而导致性能降低。低入口湿度还可引起应力，该应力可导致对膜电极组件(MEA)22的永久损坏。高湿度水平可导致燃料电池20或燃料电池堆12内的水淹，这可引起局部缺乏和/或可降低燃料电池性能和/或损坏膜电极组件(MEA)22的其它效应。在一些实施例中，可存在最佳入口相对湿度范围，在该范围内燃料电池性能被改善并且最小化膜电极组件(MEA)22劣化率。例如，当阳极入口料流222的相对湿度水平在约30%至约35%的范围内(包括其中包括的任何百分比或范围)时，燃料电池20或燃料电池堆12可实现最佳性能。
燃料电池20中的过量燃料和水内容物的来源可来自次级流或再循环流226。燃料电池系统10中的次级流226的组成取决于其阳极出口料流225的组成。在一些实施例中，阳极出口料流225可在给定的阳极气体出口温度和压力下被水饱和。因此，当确定满足阳极入口料流222的过量燃料或相对湿度目标所需的次级流226时，可考虑次级流226的组成中的变化。
次级流226的所需流率可由对过量燃料的需求或者由对增加的水含量的需求来确定，无论哪个要求更高流量的次级流226。次级流226的所需流量可表示为目标喷射系数(ER)。备选地，目标有效过量燃料比或最小所需燃料比可负责对过量燃料的需求或者负责阳极入口料流222的增加的水含量。
过量燃料比(λ)或阳极化学计量比限定为阳极入口燃料流率与燃料电池20或燃料电池堆12中消耗的燃料的比率。过量燃料比(λ)可用来表示用于满足所需阳极入口料流222特性的次级流226的所需组成。所需阳极入口料流222特性可为燃料电池系统10的过量燃料比要求或相对湿度要求中更严格的一者。
过量燃料比(λ)或阳极化学计量比限定为阳极入口料流222流率与燃料电池20或燃料电池堆12中消耗的燃料的比率。图2中示出了作为电流密度108的函数的最小所需过量燃料比140。在一些实施例中，燃料电池系统10要求处于或高于最小所需过量燃料比140的燃料量。在其它实施例中，燃料电池系统10可要求目标水或湿度水平，这可影响过量燃料比(λ)140。过量燃料比(λ)140在燃料电池系统10的整个操作范围内可为平坦的，除了在低电流密度108处，诸如在过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150处或以下的电流密度108处。备选地或附加地，过量燃料比(λ)140可随着电流密度108中的变化而变化。在一些实施例中，高于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150的过量燃料比(λ)140可在从约1.3至约1.9的范围内，包括其中包括的任何比率。在一个优选实施例中，高于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150的过量燃料比(λ)140可在约1.4至约1.6的范围内，包括其中包括的任何比率或比率范围。
在一些实施例中，燃料电池系统10的过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150可处于0.2 A/cm2或为约0.2 A/cm2。在其它实施例中，过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150可处于不同的电流密度108。例如，过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150可处于在约0.05 A/cm2至约0.4 A/cm2的范围内的电流密度108，包括其中包括的任何电流密度108或电流密度108范围。在一个优选实施例中，过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150可为约0.1 A/cm2或约0.2A/cm2。过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150可取决于燃料电池20或燃料电池堆12的操作条件。
在一个实施例中，如果燃料电池20或燃料电池堆12在过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150以下操作，则可保持通过阳极204的最小体积流率以冲洗出可能在燃料电池20或燃料电池堆12中形成的任何液态水。在低流率(例如，低于约0.2 A/cm2或低于约0.1 A/cm2)下，燃料电池20或燃料电池堆12中可能存在水淹。如果最小体积流率低于过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150，则燃料电池20或燃料电池堆12的劣化率可增加。
文丘里管或喷射器230可在燃料电池系统10中使用。文丘里管或喷射器230可尺寸设计成使得燃料电池系统10在特定电流密度108下可不需要诸如鼓风机的再循环泵220的辅助。不使用再循环泵或鼓风机220可导致寄生负载中的减少，如由图2的曲线170和180所示。曲线170示出在没有文丘里管或喷射器230的情况下由再循环泵或鼓风机220输送的流量的一部分。曲线180示出了对应的寄生负载。寄生负载可随着电流密度中的增加而增加，如由曲线180所示，因为再循环泵或鼓风机220能够以与燃料电池20或燃料电池堆12中的压力损失成比例和/或与燃料电池20或燃料电池堆12中的次级流226的所需流率成比例的容量工作。
燃料电池20或燃料电池堆12最初可在高电流密度138下、在高操作温度和压力下操作，使得在此初始操作条件下的燃料电池负载高。燃料电池负载限定为：
负载=堆功率=电流×燃料电池或燃料电池堆电压=电流密度×燃料电池面积×燃料电池或燃料电池堆电压
当对功率的负载需求迅速减少或削减时，燃料电池20或燃料电池堆12可处于减负载状态，从而要求燃料电池20或燃料电池堆12减少输送的电流。
在燃料电池20或燃料电池堆12中的瞬态操作期间，燃料电池20或燃料电池堆12中的操作压力可基于燃料电池20或燃料电池堆12的操作温度中的变化而变化。例如，在减负载期间，燃料电池系统10可具有对应于可大于其稳态操作压力(P_AIM_SS)的瞬态操作压力(P_AIM_TRS)的操作压力。在一些实施例中，即使在低电流密度108下，瞬态操作压力(P_AIM_TRS)也可等于最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110。在负载接受期间，电流密度108中的增长率是有限的，并且稳态操作压力(P_AIM_SS)可等于阳极入口歧管压力(PAIM)。
在一个实施例中，燃料电池20或燃料电池堆12的操作压力可优化在使燃料电池20或燃料电池堆12能够高效操作与在所选操作压力下操作所需的寄生负载(例如，空气压缩机、鼓风机和/或泵的寄生负载)之间的平衡。在一些实施例中，操作温度、操作压力和/或过量空气比140可保持针对燃料电池20或燃料电池堆12操作的目标相对湿度(RH)。操作温度、操作压力和/或过量空气比140可通过以针对在阴极208处的相对湿度(RH)的特定值为目标来确定。
过量空气比类似于过量燃料比140来限定，但是指阴极208侧流(即空气中的过量O2)。过量空气比、压力和温度的组合一起用来控制在阴极208侧上的湿度，该湿度继而影响在阳极204(H2)侧上的水含量。在一个实施例中，可使用随电流密度变化的温度、压力和过量空气比来控制在阴极208侧上的湿度。在一些实施例中，过量空气比可为约2.0。在其它实施例中，过量空气比可在约1.7至约2.1的范围内，包括其中包括的任何比率或比率范围。在一些其它实施例中，在加压操作下，过量空气比可在约1.8至约1.9的范围内，包括其中包括的任何比率或比率范围。过量空气比可增加到低于空气阈值流，以保持体积流率足够高，从而防止在阴极208侧上的燃料电池20或燃料电池堆12中的水淹。
目标相对湿度(RH)可通过结合操作压力和操作温度使用加湿设备来保持。例如，可在燃料电池20或燃料电池堆12的阴极208侧上使用加湿设备。如果指定了燃料电池20或燃料电池堆12的目标相对湿度(RH)和目标操作压力，则可确定用于燃料电池20或燃料电池堆12操作的目标温度。
机械调节器250是控制阀254，其可用来控制新燃料202的流，该流也被称为初级流、初级质量流、初级燃料或到阳极204的动力流。在阳极204和阴极208处的气体料流(例如，阳极入口料流222和空气206)之间的压差可向机械调节器250中的控制器252提供输入信号256。
机械调节器250的控制器252可确定阳极入口料流222通过阳极204处的阳极入口212的流量。控制阀254可为比例控制阀或注射器。在其它实施例中，控制阀256可包括控制控制阀254的打开或关闭的内阀258、线圈255或螺线管257。来自燃料电池20或燃料电池堆12的阳极204和/或阴极208的输入信号256可为物理信号256或虚拟(例如，电子)信号256。该信号可为本领域中已知的任何类型的通信或计算机信号256。
可基于操作压力(例如，阳极压力)来控制初级燃料202的流率或初级流率以匹配燃料电池堆12中的燃料消耗。在一些实施例中，假设所有其它参数相等，当燃料消耗与阳极204处的新燃料进料相匹配时，阳极204中的压力可稳定。由于机械调节器250的功能基于阳极204和阴极208之间的压差，因此在使用机械调节器250时需要保持目标压差。在一些实施例中，在阴极208处的压力经由阴极侧控制器282来控制和/或保持在目标水平。
机械调节的方法(诸如通过采用致动器282)可使用来自阴极/空气入口216的压力信号281来控制质量流并在燃料电池堆12的阴极208侧上保持适当的压力。在一些实施例中，来自阴极208侧的压力信号218被输入到机械调节器250。在一些实施例中，可通过使用来自阴极208侧的压力信号281和测量一个或多个阳极204侧条件来控制阳极204侧质量流和阳极204侧压力。
来自阴极208侧的压力信号281可改变机械调节器250中的内阀258的位置，以控制通过机械调节器250的质量流，并保持阳极204和阴极208之间的目标压差。作用在机械调节器250上的输入信号256实际上是作用在隔膜257或机械调节器250的其它零件上的压差。不可进行压差的其它直接测量。在阳极204处的单点压力可计算为阴极208侧压力加上在阳极204处的气体料流(例如，222)和在阴极208处的气体料流(例如，206)之间的压差。
文丘里管或喷射器230可使用横跨阳极气体再循环(AGR)环路224的流动压力来抽取次级流226，其也称为次级质量流、夹带流或再循环流。在一些实施例中，阳极气体再循环环路224可包括文丘里管或喷射器230、燃料电池堆12和次级入口232(诸如包括在文丘里管或喷射器230中的吸入室234中的入口)、和/或与文丘里管或喷射器230和/或燃料电池堆12相关联的其它管道、阀、通道、歧管。再循环泵或鼓风机220可增加或减少横跨AGR环路224的压差。
燃料电池系统10可要求目标水或湿度水平，其可驱动饱和次级流226的流动。然后，饱和次级流226可驱动初级流202，使得目标过量燃料比(λ)140可依赖于目标水或湿度水平。
文丘里管或喷射器230可被要求在所需的过量燃料比(λ)140下稳健地操作和/或工作以输送所需的初级流202。再循环泵或鼓风机220的操作特性可不同于文丘里管或喷射器230。次级流可在次级入口压力(PS)和次级入口温度(TS)下通过吸入室234中的次级入口232进入文丘里管或喷射器230。
燃料电池系统10的调节比(turn down ratio)限定为文丘里管或喷射器230的最大容量与文丘里管或喷射器230的最小容量的比率。燃料电池系统10可设计成使文丘里管或喷射器230的调节比最大化。因此，使文丘里管或喷射器230的调节比最大化也用来使与再循环泵(鼓风机)220相关联的尺寸和寄生负载最小化。
在一个实施例中，如在图4中所示的燃料电池系统11中所图示，可使用比例控制阀310代替机械调节器250。比例控制阀310是电子控制的，并且可比机械调节器250在控制阳极204处的单点压力方面提供更大的灵活性。比例控制阀310可用来控制燃料电池系统11中的初级流202。当由于操作电流密度160中的变化而存在压差中的变化时，或者当燃料电池系统10/11处于瞬态条件下时，由比例控制阀310提供的灵活性可能是有利的。
例如，比例控制阀310可有利地允许主动管理压差，可避免下降问题，和/或提供在不同操作条件下操作燃料电池堆12方面的灵活性。例示性操作条件可包括但不限于操作电流密度、操作压力、操作温度、操作相对湿度、燃料供应压力、燃料供应温度、所需的次级流、喷射系数、寄生负载限制、功率需求、阳极气体再循环环路224中的压力损失、文丘里管或喷射器230性能和/或效率、再循环泵或鼓风机220性能和/或效率、燃料密度、吹扫流以及阻塞或未阻塞(例如，没有阻塞)的流动条件。
控制阀254、诸如机械调节器250、比例控制阀310或注射器(未示出)可尺寸设计成允许可能需要的最大燃料流率。在一些实施例中，所需的最大燃料流率可包括燃料电池堆12内消耗的燃料加上由于吹扫流而从燃料电池系统10/11损失的任何燃料。燃料电池系统10/11可吹扫少量燃料(例如，约10%)。在其它实施例中，该系统可吹扫流过燃料电池堆12的多于或少于约10%的燃料。燃料的吹扫流可为瞬时的，或者可在固定或变化的时间间隔发生。因此，燃料的所需质量流率可比当系统10/11不吹扫任何燃料时的质量流率高约10%。
在一个实施例中，系统10/11的控制阀254可精确地控制新燃料流202，并保持燃料电池堆12的阳极204和阴极208之间的压差。在阳极204侧处的目标压力(PANODE)可取决于在阴极208侧处的压力(PCATHODE)和偏压(ΔPBIAS)。
PANODE = PCATHODE + ΔPBIAS　　　　　　　　　　　　　(1)
在一个实施例中，在阳极204侧处测量的压力(PAN_MEASURED)可不同于目标阳极压力(PANODE)。在阳极204和阴极208之间的压差(ΔP)如下面那样地确定。
ΔP = PAN_MEASURED- PCATHODE = PAN_MEASURED- PANODE + ΔPBIAS　　　　(2)
在一个实施例中，燃料(例如，H2)通过诸如具有流量调节器84的H2储罐82的燃料供应系统80供应到燃料电池系统10/11。可在控制阀256(例如，机械调节器250、比例控制阀310或注射器)的上游控制燃料供应压力(PCV)。燃料供应压力(PCV)保持在从约7 bara至约20 bara的范围内的恒定值，包括其中包括的任何压力或压力范围。在例示性实施例中，燃料供应压力(PCV)保持在约12 bara的恒定值。来自燃料供应系统80的燃料流率中可能存在一些变化，使得在系统10/11中可能存在下降。
控制阀256上游的燃料供应温度(TCV)可根据诸如温度、压力和/或相对湿度的周围条件而变化。燃料供应温度(TCV)可从约-20°C至约100°C变化，包括其中包括的任何温度或温度范围。燃料电池系统10/11可能需要被保护以免受由于周围条件中的变化引起的燃料供应温度(TCV)中的变化的影响。
控制阀256可基于某个燃料定尺寸压力(P_CV_MIN)和某个燃料定尺寸温度(T_CV_SZ)来设计尺寸。在一些实施例中，如果燃料供应压力(PCV)高于燃料定尺寸压力(P_CV_MIN)，则在操作期间控制阀256(例如，机械调节器250)内部的内阀258的位置可减小控制阀256开度。如果燃料供应温度(TCV)低于燃料定尺寸温度(T_CV_SZ)，也可能发生这种情况。
燃料供应压力(PCV)可保持绝对或近似恒定。阳极进气歧管压力(PAIM)可随着燃料流率降低。在其它实施例中，如由PCV -PAIM确定的燃料供应压力(PCV)和阳极入口歧管压力(PAIM)之间的差值可随着初级流202的流率而增加。在一些实施例中，燃料供应系统80下游的控制阀256的内阀258开度可尺寸设计成使得控制阀256的内阀258开度可在内阀258孔口处的阻塞流条件下操作。因此，可直接基于控制阀256位置来控制初级流202的流率，并且流率可对任何下游压力不敏感。
压力恢复因子(PRF)在高初级流条件下可能是重要的，诸如当操作电流密度160接近最高电流密度138时，诸如在图2中展示的约1.6 Amps/cm2处。压力恢复因子(PRF)如下面那样地确定。
PRF = √[(P1-P2)/(P1-PVC)]　　　　　　　　　　(3)
P1是在控制阀256上游测量的上游压力，诸如燃料供应压力(PCV)。P2是在控制阀256下游测量的下游压力。如果燃料电池系统10/11不具有文丘里管或喷射器230，P2是阳极入口歧管压力(PAIM)，或者如果系统10/11具有文丘里管或喷射器230，P2是主喷嘴入口压力(PO)。主喷嘴入口压力(PO)是在文丘里管或喷射器230的主喷嘴236处的压力。PVC是在诸如机械调节器250的控制阀256的缩流断面259处的压力。
如果压力恢复因子(PRF)等于1，则下游压力(P2)等于上游压力(P1)除以1.9。在一些实施例中，如果操作系统10/11不具有文丘里管或喷射器230，则系统10/11的阳极入口歧管压力(PAIM)等于上游压力(P1)除以1.9。在其它实施例中，如果燃料电池系统10/11具有文丘里管或喷射器230，则燃料电池系统10/11的主喷嘴入口压力(PO)等于上游压力(P1)除以1.9。在一些实施例中，燃料电池系统10/11的主喷嘴入口压力(PO)可影响文丘里管或喷射器230的主喷嘴(“喷嘴”)236的定尺寸。
在燃料电池系统10/11的最高初级燃料流下的压力恢复因子(PRF)可用来确定：(a)燃料定尺寸压力(P_CV_MIN)，其可为针对给定最大主喷嘴入口压力(PO_MAX)所需的最小燃料供应压力和/或(b)在给定燃料定尺寸压力(P_CV_MIN)下的最大主喷嘴入口压力(PO_MAX)，该给定燃料定尺寸压力可为最小燃料供应压力。文丘里管或喷射器230的主喷嘴236可尺寸设计成在空压力条件(PEMPTY)下输送包括吹扫流在内的所需的燃料流。
空压力条件(PEMPTY)包括当主喷嘴入口压力(PO)等于或约等于最大主喷嘴入口压力(PO_MAX)时的条件。最大主喷嘴入口压力(PO_MAX)取决于压力恢复因子(PRF)和燃料定尺寸压力(P_CV_MIN)。在一些实施例中，空压力(PEMPTY)可大于或小于约12 bara。在其它实施例中，空压力(PEMPTY)可为12 bara或为约12 bara。
控制阀256(例如，机械调节器250、比例控制阀310或注射器)的反共振比(ISR)对于测量和/或确定压差条件可能也是重要的。反共振比(ISR)表征控制阀256上的力平衡对下游压力(P2)的敏感性。如果燃料电池系统10/11不具有文丘里管或喷射器230，则下游压力(P2)是阳极入口歧管压力(PAIM)。如果燃料电池系统10/11具有文丘里管或喷射器230，则下游压力(P2)是主喷嘴入口压力(PO)。
反共振比(ISR)可对燃料电池系统10/11具有可测量和/或明显的影响。反共振比(ISR)可帮助减少当处于诸如在20 bara或约20 bara的高压差条件下时控制阀中的泄漏。如果控制阀256包括圆顶调节机械阀250，则反共振比(ISR)可在通过控制阀256的流中引入非线性性，因为它与圆顶负载压差有关。
例如，在高电流密度138(例如，约1.6 Amps/cm2)下，下游压力(P2，诸如PAIM)可高于在低电流密度139下的下游压力(P2)，基于操作条件，低电流密度139小于或为约燃料电池系统10/11的临界电流密度(i_LO_CR)130。即使偏压(ΔPBIAS)保持相同，诸如在2.5 bara或约2.5 bara的高下游压力(P2)也可增加机械调节器250中的内阀258开度。因此，通过机械阀250的质量流量可更高。较高的偏压(ΔPBIAS)可在高电流密度138条件(例如，约1.6 Amps/cm2)下产生。
在瞬态条件下，当下游压力(P2，诸如PAIM)在基于操作条件的低电流密度139(例如，小于临界电流密度(i_LO_CR)130)下保持在2.5 bara或约2.5 bara时，由于ISR效应，燃料电池系统10/11中的质量流率可高于当燃料电池系统10/11在稳态下操作时的质量流率。机械阀250的选择和/或尺寸设计可考虑、补偿或基于由于反共振比(ISR)而引入的非线性性来操作，以确保在燃料电池系统10/11的整个操作范围内保持目标偏压(PBIAS)。
压力的不准确测量可导致气体扩散，造成在阳极204侧上的污染物气体的高浓度、燃料电池堆12的效率降低和/或燃料电池堆12中的更高的吹扫速率。如果由于在阳极204或阴极208处的不准确压力测量而允许较高的压差，则可能存在对燃料电池堆12的机械损伤(例如，MEA 22疲劳和/或失效)。这在使用比例控制阀310时尤其重要，因为当使用机械调节器250时，测量阳极204和阴极208之间的有效压差而不是测量在阳极204处的单点压力和在阴极208处的单点压力。可选择机械调节器250的弹簧强度以确保机械调节器250能够测量压差。
类似地，如果燃料电池系统10/11包括比例控制阀310，则可由比例控制阀310的一个或多个控制器302向致动器304发出信号，以将比例控制阀310的内阀306保持在特定位置。特定位置可由控制器302确定。比例控制阀310可与文丘里管或喷射器230结合使用。比例控制阀310的一个或多个控制器302可测量、考虑或校正当喷射器230的主喷嘴236没有阻塞时的非线性动态变化。比例控制阀310的一个或多个控制器302可测量、考虑或校正当喷射器230的主喷嘴236被阻塞时的非线性动态变化。发送到致动器304的信号312可受反共振比(ISR)的影响。
在一个实施例中，比例控制阀310的一个或多个控制器302可主动考虑比例控制阀310位置对下游压力(P2)的敏感性。一个或多个控制器302可主动地考虑在低电流条件139下主喷嘴236不再阻塞的情况。比例控制阀310的一个或多个控制器302可主动地确定致动器304命令或信号312，以基于燃料电池系统10/11的操作条件将比例控制阀310的内阀306开度移动到将输送期望的质量流率的位置。当文丘里管或喷射器230在主喷嘴236被阻塞的情况下操作时，比例控制阀310的一个或多个控制器302可转变为线性动态变化。
当使用比例控制阀310作为燃料电池系统10/11的控制阀256时，重要的考虑是确保在阳极204处的单点压力和在阴极208处的单点压力的准确测量。如果在阳极204处的单点压力和在阴极208处的单点压力没有被准确地测量，则在阳极204处和在阴极208处的压力不能由比例控制阀310的一个或多个控制器302准确地控制。在阳极204和阴极208处的单点压力可为绝对压力或表压。
诸如主喷嘴入口压力(PO)的下游压力(P2)可基于可压缩气体方程和/或文丘里管或喷射器230的配置来预测。下游压力(P2)可针对阻塞喷嘴条件来预测。在其它实施例中，下游压力(P2)可针对未阻塞喷嘴条件来预测。
比例控制阀310可包括双控制环路320。比例控制阀310可包括内部控制环路322和外部控制环路324。内部控制环路322可使用比例控制阀310周围的压力来确定发送到与比例控制阀310相关联的致动器304的一个或多个信号312。在一些实施例中，内部控制环路322可为基于使用目标燃料(例如，H2)流率估计的下游压力(P2)的开环方法。内部控制环路322可使用基于虚拟估计的力平衡和/或ISR补偿来生成发送到与比例控制阀310相关联的致动器304的信号312。
在本操作方法的一个例示性实施例中，如图5中所示，步骤540、550、560和570可包括外部控制环路324。目标阳极压力(P)可在步骤540中确定。实际阳极压力(PAN_MEASURED)可在步骤550中测量。
前馈动力学模型可在步骤560中实现。前馈动力学模型可呈传递函数的形式。传递函数可通过利用经典的系统辨识技术来确定。比例积分控制器572可在步骤570中实现。本步骤的目标是校正燃料电池系统10/11中的建模中的任何误差。
在一个例示性实施例中，如图5中所示，步骤510、520、530、580、590和592可包括内部控制环路322。在步骤510中，诸如堆电流、燃料供应压力(PCV)和/或燃料供应温度(TCV)的堆操作条件可用来确定有效燃料电池堆面积(AC)。在步骤520中，使用映射来将有效堆面积(AC)变换为电流密度。
在一些实施例中，映射基于在实际比例控制阀310上收集的数据。在其它实施例中，映射可为以有效堆面积(AC)作为输入并以在比例控制阀310的螺线管317处测量的电流密度作为输出的表的形式。在一些其它实施例中，映射可基于一个或多个回归方程。在一个实施例中，比例控制阀310的反共振比(ISR)可在步骤530中确定。
在一个实施例中，电流密度到电压的变换发生在步骤580中。可确定驱动所需电流密度通过比例控制阀310的螺线管317所需的电压。在一些实施例中，通过利用螺线管317的电参数(诸如螺线管电阻、漏电阻、磁化电感、螺线管电流命令、阀位移的时间导数和/或螺线管电流的时间导数)来确定电压。在其它实施例中，可确定驱动所需电流密度通过比例控制阀310的不同机械部件(例如，阀、线圈等)所需的电压和该机械部件的电参数。
电压可被变换成电信号312，该电信号312可被输入到比例控制阀310。在一个例示性实施例中，在步骤590中，电压可被变换成脉宽调制(PWM)信号591。在一些实施例中，电压到脉宽调制(PWM)信号591可通过尺度方程完成。在其它实施例中，电压到脉宽调制(PWM)信号591可计算如下。
PWM占空比=100*(电压/最大电源电压)(百分比)　　　　　　　(4)
在步骤594中实现脉宽调制(PWM)信号设备驱动器592。在一些实施例中，脉宽调制(PWM)信号设备驱动器592可呈电子设备的形式。脉宽调制(PWM)信号设备驱动器592可为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。脉宽调制(PWM)信号设备驱动器592的占空比可被调整以满足百分比脉宽调制(PWM)信号占空比。
比例控制阀310可补偿燃料供应温度(TCV)。在一些实施例中，燃料供应温度(TCV)可由物理和/或虚拟传感器318确定，并且可基于来自燃料供应系统80的信息(例如，周围条件等)。在其它实施例中，燃料供应温度(TCV)可从燃料电池系统10/11中的燃料管理系统210确定。
包括燃料管理系统210的燃料电池系统10/11内的温度可表示燃料供应温度(TCV)。燃料供应温度(TCV)可从包括燃料管理系统210的燃料电池系统10/11内的温度估计。外部控制环路324可使用经由测量阳极入口歧管压力(PAIM)的压力变送器319(例如，PT-1006)测量的压力来施加校正。压力变送器319可向与比例控制阀310相关联的一个或多个控制器302发送一个或多个信号312。
比例控制阀310可设计成在燃料(例如，H2)通过比例控制阀310的最大的初级流率下(例如，在阻塞条件下)实现显著的压力恢复。比例控制阀310可设计成提供在给定可用的H2储罐82(例如，燃料箱)分数下的最大主喷嘴入口压力(PO_MAX)。比例控制阀310可设计成提供在给定的最大主喷嘴入口压力(PO_MAX)下的最大可用H2储罐82(例如，燃料箱)分数。
通过比例控制阀310的流率可降低到低于最大的初级流率，并且在燃料电池系统10/11中可能不会发生显著的压力恢复。压力恢复的缺乏可能影响比例控制阀310上的力平衡。比例控制阀310中的致动器304可配置成响应于比例控制阀310上的力平衡中的任何变化。
在阳极204和阴极208处的不准确的压力测量可导致误差传播。在一个实施例中，单点压力传感器205、209可分别在阳极入口212和/或阴极入口216处使用。例如，如果使用诸如阳极侧压力传感器205和阴极侧压力传感器209的单点压力传感器来测量在阳极入口212(P1)和阴极入口216(P2)处的压力，则压差(ΔP)如下面那样地确定，并在表1中进一步描述。
ΔP = P1-P2　　　　　　　　　　　(5)
Figure DEST_PATH_IMAGE002
如表1中所示，即使单点压力传感器205、209是准确的，每次测量中的标准误差也可为+/-0.1 bara。此外，误差传播影响ΔP的准确测量。单点标准误差为0.034 bara。在95%置信度下ΔP中的不确定性如下面那样地确定。
ΔP= 0.1 +/-1 0.067 bar　　　　　　　　　　(6)
在一个实施例中，从包括阳极204和阴极208的燃料电池堆12的使用开始就可能存在测量在阳极204处(例如，在阳极入口212处)和阴极208处(例如，在阳极入口216处)的单点压力方面的这种误差，以及因此在准确地确定在阳极204侧和阴极208侧之间的压差(ΔP)方面的误差。在其它实施例中，测量在阳极204处(例如，在阳极入口212处)和阴极208处(例如，在阳极入口216)处的单点压力方面的误差可能随着传感器205、209随时间推移的老化和/或偏差(drift)而发生。
测量阳极204和阴极208之间的压差的压差传感器211可除了在阳极204和阴极208处的单点压力传感器之外或代替在阳极204和阴极208处的单点压力传感器使用。压差传感器211可设计成确保在阴极208侧上的空气206和阳极204侧上的阳极入口料流222(例如，燃料、氢气)之间没有混合。
在阳极204侧和阴极208侧处的单点压力传感器205、209的设计要求可考虑到在单点压力的每次测量期间的最小标准误差。这可在计算压差(ΔP)时最小化误差传播。在一些实施例中，可要求标准误差低于阈值，诸如在满量程的约0.5%至约1%内，使得误差减小到约1.0 kPa至约5 kPa以下。在其它实施例中，标准误差可小于目标偏压(PBIAS)的约25%。
在一个实施例中，可改变目标压差(ΔP)以考虑任何误差传播。改变目标压差(ΔP)可减少单点压力测量中任何误差的影响。然而，改变目标压差(ΔP)可增加燃料电池堆12上的应力。
在一个实施例中，在考虑了在感测压力中的任何不确定性和在包括比例控制阀310的一个或多个控制器302的控制系统330中的任何不确定性之后，可确定使阳极204和阴极208之间的混合最小化所需的最小目标偏压(PBIAS_MIN)。在一些实施例中，与标准误差相关联的目标偏压(PBIAS)和/或阈值可随操作条件而变化。在一些实施例中，与标准误差相关联的目标偏压(PBIAS)和/或阈值可为燃料电池系统10/11的总电流和/或电流密度108的函数。
例如，如果最小目标偏压(PBIAS_MIN)为约10 kPa，则比例控制阀310的一个或多个控制器302可以具有特定偏移的偏压(PBIAS)为目标。在一些实施例中，偏移可基于单点压力传感器205、209中的已知不确定性以如下方式校准。
PBIAS = PBIAS_MIN + POFFSET　　　　　　　　　(7)
在一个实施例中，如果最小可接受偏压是PBIAS_MIN，则为了考虑不确定性，可如下文那样地限定标称偏压。
PBIAS_NOM = PBIAS_MIN + POFFSET　　　　　　　　　(8)
PBIAS_SIGMA= Z x σ_dP_ERROR　　　　　　　　　　　(9)
对于95%的置信度，Z等于2，并且其中σ_dP_ERROR等于3.43 kPa
POFFSET = 6.8 kPa　　　　　　　　　　(10)
在一个实施例中，包括比例控制阀310的一个或多个控制器302的控制系统330可基于控制优先级来操作。可存在用来将控制优先级从一个级别升级到下一个级别的多个阈值级别。当燃料电池系统10/11变得更接近某个预定阈值限值时，比例控制阀310的一个或多个控制器302可升级比例控制阀310的响应，或者可改变比例控制阀310的需求。最小可接受偏压(PBIAS_MIN)可为约0.1 bara。偏压裕度(PBIAS_MARGIN)可如下面那样地确定。
PBIAS_MARGIN = PBIAS_MEASURED + PBIAS_MIN　　　　　　　　　(11)
如果偏压裕度(PBIAS_MARGIN)大于第一阈值，则一个或多个控制器302可根据正常或优先级一级响应进行响应。如果偏压裕度(PBIAS_MARGIN)大于第二阈值，则一个或多个控制器可根据升级的响应或优先级二级响应进行响应。如果偏压裕度(PBIAS_MARGIN)低于第二阈值，则一个或多个控制器可根据进一步升级的响应或优先级三级响应进行响应。
第一阈值可在从约5 kPa至约20 kPa的范围内，包括其中包括的任何阈值或阈值范围。第二阈值可为约2.5 kPa至约10 kPa，包括其中包括的任何阈值或阈值范围。第一阈值可低于5 kPa或高于20 kPa，包括其中包括的任何阈值或阈值范围。第二阈值可低于2.5kPa或大于10 kPa，包括其中包括的任何阈值或阈值范围。
吹扫阀340可配置成在某些条件下辅助燃料电池系统10/11中的降压。吹扫阀340可仅在需要时使用。例如，在一些实施例中，仅当燃料电池系统10/11的阈值超过预定系统阈值时，才可使用吹扫阀340。
比例控制阀310可允许在燃料电池系统10/11的稳态操作范围之外的短持续时间瞬变。比例控制阀310可跟踪燃料电池系统10/11不在稳态中工作的任何时间。比例控制阀310可限制与稳态条件的偏差。当实现比例控制阀310时，燃料电池系统10/11可使用基于可用体积、燃料消耗率、温度和/或压力的虚拟压力模型。虚拟压力模型可为仿真、计算机建模、远程数据，或者可基于单独系统的操作。
在燃料电池堆12的操作期间，可检查并相互比较在阳极204侧和阴极208侧的单点压力传感器205、209。如果需要，可将校正引入到单点压力传感器测量值。可通过相对于彼此评估和/或比较单点压力传感器205、209来确定校正。当在燃料电池堆12的空闲状态期间存在非常低或最小的空气206流量或阳极入口料流222流量时，可计算单点压力传感器测量值中的偏移。
当在燃料电池堆12的关闭状态期间空气206流量或阳极入口料流222流量非常小或没有时，可计算单点压力传感器测量值中的偏移。如果计算的偏移高于流量阈值，则可将校正引入到单点压力传感器测量值。可将校正引入到比例控制阀310。可将用于引入校正的流量阈值设置到当偏移大于测量值的约1%时。
当使用比例控制阀310时，可能引入干扰。如果阳极入口料流222流量增加，则通过校准在阳极204侧上的单点压力传感器205，可与阳极入口料流222流量中的增加成比例地增加阳极204侧压力。阳极204侧压力中的成比例增加可取决于燃料电池堆12的阳极204侧的尺寸。通过基于燃料电池堆12的操作条件将在阳极204侧处的单点压力传感器205校准到预期响应，可确定阳极204侧压力中的成比例增加。例如，反映传感器灵敏度的传感器响应的斜率可基于燃料电池堆12的操作条件来更新。
可进行在阳极204侧和阴极208侧上的单点压力传感器205、209的初始离线校准。在阳极204侧和阴极208侧上的单点压力传感器205、209的初始离线校准可通过条形码录入比例控制阀310的一个或多个控制器302中。在阳极204侧和阴极208侧上的单点压力传感器205、209的初始离线校准可以其它方式传送到比例控制阀310的一个或多个控制器302。
在试运转期间，维修工具可收集校准信息和/或将该信息传送到一个或多个控制器302。校准信息也可由一个或多个控制器302作为校准的一部分保留。维修工具可在固定的时间段内保持维修记录。
如果远程通信设备390可用，则可记录数据并将数据发送到数据库，在数据库中数据被分析。可将分析的数据发送回一个或多个控制器302以更新校准。可在一个或多个操作条件下检查和/或更新校准值。
如果单点压力传感器测量值在一时间段内变化，则可更新单点压力传感器校准。在诊断分析已经执行并且允许有充足的时间收集信息之后，可进行定期更新。更新之间的充足时间可为几小时、几天或几周。在其它实施例中，收集信息的充足时间可为几小时、几天或几周。在一些其它实施例中，可保持长期平均值，其中可在任何掉电或停电发生之前将信息保存在一个或多个控制器中。在一些实施例中，当在掉电期间保留信息时，可将信息转移到存储器位置。
在一个实施例中，单点压力传感器205、209可位于阳极入口212或阳极出口214处。在一个实施例中，单点压力传感器可位于阴极入口216或阴极出口218处。在一个实施例中，单点压力传感器205、209可位于阳极入口212和阴极入口216处。在其它实施例中，单点压力传感器205、209可位于阳极入口212和阴极出口218处。在一些实施例中，单点压力传感器205、209可位于阳极出口214和阴极入口216处。在一些另外的实施例中，单点压力传感器205、209可位于阳极出口214和阴极出口218处。压力传感器205、209的各种位置导致不同的优点和缺点。
在一个实施例中，可能需要代表性的偏压测量。代表性的偏压测量可为表示燃料电池或燃料电池堆12膜22将经历的应力的测量。它可能是作为驱动力的气体扩散过程。
压力传感器205、209的位置的选择可依赖于阴极208和阳极204流的配置。相应的料流(例如，阴极208流和阳极204流)的出口压力表示任一料流的最低压力。在一些实施例中，阴极208流和阳极204流可处于错流配置，并且在阴极入口216和阳极出口214压力与阳极入口212和阴极出口218压力之间的压差可为最大压差。
在其它实施例中，阴极流和阳极流可处于并流配置。阳极204和/或阴极208中的空间可用性也可确定传感器的位置。在一个优选实施例中，可使用在阳极204处的多于一个单点压力传感器205、209和/或在阴极208处的多于一个单点压力传感器。
比例控制阀310的一个或多个控制器302可存在于比例控制阀330的内部或外部。比例控制阀310的一个或多个控制器302可与燃料电池堆12功率模块的燃料管理系统210通信。一个或多个控制器302可与燃料电池系统10/11的其它部件通信，所述部件包括但不限于在比例控制阀310上的一个或多个致动器304、燃料电池堆210、再循环泵220、排气阀280和270、压力传输阀290、压力换能器240和文丘里管或喷射器230。由比例控制阀310的一个或多个控制器获得的数据或信息可有助于比例控制阀310的工作。由比例控制阀310的一个或多个控制器302获得的信息可基于燃料电池堆12的操作条件。
燃料电池系统10/11中比例控制阀310的一个或多个控制器302可使用一种或多种通信技术(例如，有线、无线和/或电力线通信)和相关联的协议(例如，以太网、InfiniBand®、Bluetooth®、Wi-Fi®、WiMAX、3G、4G LTE、5G等)与燃料电池系统10/11的部件通信。燃料电池系统10/11中的比例控制阀310的一个或多个控制器302可实时或自动地与燃料电池系统10/11的部件通信。在其它实施例中，燃料电池系统10/11中的比例控制阀310的一个或多个控制器302可在由用户手动操作之后与燃料电池系统10/11的部件通信。
本发明的以下描述的方面是预期的和非限制性的。
本发明的第一方面涉及一种包括燃料电池堆和比例控制阀的燃料电池堆系统。燃料电池堆包括具有阳极入口和阳极出口的阳极和具有阴极入口和阴极出口的阴极。比例控制阀基于横跨阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口中的任何两个测量的压差来控制进入阳极的燃料的流量。
本发明的第二方面涉及一种在燃料电池或燃料电池堆中实现和/或控制比例控制阀的方法，其包括以下步骤：测量横跨燃料电池或燃料电池堆的阳极入口和阳极出口、阴极入口和阴极出口中的任何两个的压差；基于压差使燃料流过比例控制阀；和由一个或多个控制器控制比例控制阀操作。阳极包括阳极入口和阳极出口。阴极包括阴极入口和阴极出口。测量压差的步骤包括使用在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器。
在本发明的第一方面中，压差可通过定位在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和定位在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器来测量。
在本发明的第一方面中，由在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器进行的测量可具有小于目标偏压的约25%的组合标准误差。目标偏压可基于燃料电池堆的操作条件。
在本发明的第一方面中，在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器可经历校准。校准可传送到比例控制阀的控制器。
在本发明的第一方面中，比例控制阀的控制器可以具有偏移的偏压为目标。可基于由第一和第二单点压力传感器进行的测量中的已知不确定性以及最小目标偏压来校准偏移。比例控制阀的控制器可包括内部控制环路和外部控制环路。内部控制环路可使用力平衡或反共振比(ISR)补偿方法。内部控制环路可为基于比例控制阀下游的压力的开环，并且可使用目标流率来估计。内部控制环路可通过使用物理或虚拟传感器来补偿燃料供应温度测量。
在本发明的第一方面中，第一压差可通过横跨阳极和阴极的压差传感器来测量。
在本发明的第一方面中，比例控制阀可配置成与喷射器结合操作。比例控制阀可包括至少一个控制器，所述至少一个控制器在喷射器的主喷嘴被阻塞或未阻塞时校正非线性动态变化。
在本发明的第二方面中，该方法还可包括：离线校准在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器，以确定校准值；和将校准值传送到比例控制阀的一个或多个控制器。该方法还可包括更新校准值以确定更新的校准值以及将更新的校准值传送到比例控制阀的一个或多个控制器。
在本发明的第二方面中，该方法还可包括基于燃料电池或燃料电池堆的操作条件使用比例控制阀引入干扰。
在本发明的第二方面中，该方法还可包括：相对于彼此评估第一单点压力传感器和第二单点压力传感器；以及如果需要，则将校正引入比例控制阀。
在本发明的第二方面中，测量第一压差可包括使用压差传感器来确定横跨阳极和阴极测量的压差。
在本发明的第二方面中，第一和第二单点压力传感器可具有小于目标偏压的约25%的组合标准误差。
在本发明的第二方面中，该方法还可包括基于燃料电池或燃料电池堆的操作条件识别目标压差。
在本发明的第二方面中，控制比例控制阀还可包括实现内部控制环路。内部控制环路可为基于比例控制阀下游的压力的开环。该方法还可包括通过估计目标燃料流率来实现内部控制环路。内部控制环路可使用力平衡或反共振比(ISR)补偿方法。内部控制环路可通过使用物理或虚拟传感器来补偿燃料供应温度测量。
在本发明的第二方面中，控制阀可配置成与喷射器结合操作。该方法还可包括当喷射器的主喷嘴被阻塞或没有阻塞时校正非线性动态变化。针对非线性动态变化的校正可由一个或多个控制器来实现。
在本发明的第二方面中，该方法还可包括比例控制阀的一个或多个控制器，所述控制器以具有偏移的偏压的目标。可基于第一和第二单点压力传感器的已知不确定性和最小目标偏压来校准偏移。
结合一个示例性实施例或方面图示或描述的特征可与本文中所述的任何其它实施例或方面的任何其它特征或元件组合。这种修改和变型旨在包括在本公开的范围内。此外，本领域技术人员将认识到，本领域技术人员公知的术语在本文中可能够互换地使用。
上述实施例和方面被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实践所要求保护的内容，并且应当理解，在不脱离权利要求书的精神和范围的情况下，可利用其它实施例，并且可进行逻辑、机械和电气改变。因此，详细描述不应在限制意义上被理解。
如本文中所用，以单数形式列举并且以单词“一个”或“一种”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明此类排除。
此外，对本发明描述的主题的“一个实施例”的引用并不旨在解释为排除也结合有所述特征的附加实施例的存在。单位、测量值和/或数值的指定数值范围包括、基本上由或由包括这些范围和/或端点或在这些范围和/或端点内的所有数值、单位、测量值和/或范围组成，无论这些数值、单位、测量值和/或范围是否在本公开中明确指定。
除非另有限定，本文使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。如本文中使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等不表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开来。术语“或”和“和/或”意味着包含性的，并且是指所列出的项中的任一个或全部。此外，术语“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接，并且可包括电气连接或联接，无论是直接的还是间接的。
此外，除非明确地相反地陈述，否则“包括”、“包含”或“具有”具有特定性质的元件或多个元件的实施例可包括不具有该性质的附加的此类元件。术语“包括”或“包含”是指组合物、化合物、制剂或方法，其为包含性的，并且不排除附加的元素、成分和/或方法步骤。术语“包括”也指本公开的组合物、化合物、制剂或方法实施例，其为包含性的，并且不排除附加的元素、成分或方法步骤。短语“由…组成”或“由…构成”是指排除任何附加元素、成分或方法步骤的存在的化合物、组合物、制剂或方法。
术语“由…组成”也指排除任何附加元素、成分或方法步骤的存在的本公开的化合物、组合物、制剂或方法。短语“基本上由…组成”或“基本上由…构成”是指这样的组合物、化合物、制剂或方法，其包括不会实质性地影响该组合物、化合物、制剂或方法的(多个)特性的附加元素、成分或方法步骤。短语“基本上由…组成”也指本公开的组合物、化合物、制剂或方法，其包括不会实质性地影响该组合物、化合物、制剂或方法步骤的(多个)特性的附加元素、成分或方法步骤。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言可用于修饰任何定量表示，任何定量表示在不导致与其相关的基本功能中的改变的情况下可容许地变化。因此，由诸如“约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制可被组合和/或互换。这样的范围被确定并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有说明。
如本文所用，术语“可”和“可为”指示在一组情况内发生的可能性；拥有指定的特性、特征或功能；和/或通过表达与修饰的动词相关联的一种或多种能力、性能或可能性来修饰另一动词。因此，“可”和“可为”的使用指示修饰的术语显然适合、能够实现或适于所指示的容量、功能或用法，同时考虑到在一些情况下修饰的术语有时可能不适合、不能够实现或不适于所指示的容量、功能或用法。
应当理解，上面的描述旨在为说明性的，而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可单独地、一起或彼此组合地使用。此外，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本文阐述的本主题的教导，而不脱离其范围。虽然本文所述的材料的尺寸和类型旨在限定所公开的主题的参数，但是它们决不是限制性的，而是示例性实施例。在阅读以上描述后，许多其它实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，本文所述主题的范围应当参照所附权利要求以及这些权利要求所授权的等同物的全部范围来确定。
书面描述使用示例来公开本文阐述的主题的若干实施例，包括最佳模式，并且还使得本领域普通技术人员能够实践所公开的主题的实施例，包括制造和使用设备或系统以及执行方法。本文所述主题的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元件，则此类其它示例旨在落入权利要求书的范围内。
虽然本文中已经图示和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求书旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。

Claims (15)

1.一种燃料电池堆系统，包括：
燃料电池堆，其包括：
阳极，其具有阳极入口和阳极出口，和
阴极，其具有阴极入口和阴极出口，和
比例控制阀，其基于横跨所述阳极入口、所述阳极出口、所述阴极入口和所述阴极出口中的任何两个测量的压差来控制进入所述阳极的燃料的流量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆系统，其中，所述压差由定位在所述阳极入口或所述阳极出口处的第一单点压力传感器和定位在所述阴极入口或所述阴极出口处的第二单点压力传感器测量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆系统，其中，所述第一压差由横跨所述阳极和所述阴极的压差传感器测量。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆系统，其中，所述比例控制阀配置成与喷射器结合操作，并且其中，所述比例控制阀包括至少一个控制器，当所述喷射器的主喷嘴被阻塞或未阻塞时，所述至少一个控制器校正非线性动态变化。
5.根据权利要求2所述的燃料电池堆系统，其中，由在所述阳极入口或阳极出口处的所述第一单点压力传感器和在所述阴极入口或阴极出口处的所述第二单点压力传感器进行的测量具有小于目标偏压的约25%的组合标准误差，其中，所述目标偏压基于所述燃料电池堆的操作条件。
6.根据权利要求2所述的燃料电池堆系统，其中，在所述阳极入口或阳极出口处的所述第一单点压力传感器和在所述阴极入口或阴极出口处的所述第二单点压力传感器经历校准，并且其中，所述校准被传送到所述比例控制阀的控制器。
7.根据权利要求2所述的燃料电池堆系统，其中，所述比例控制阀的控制器以具有偏移的偏压为目标，并且其中，所述偏移基于由所述第一单点压力传感器和第二单点压力传感器进行的测量中的已知不确定性以及最小目标偏压来校准。
8.根据权利要求7所述的燃料电池堆系统，其中，所述比例控制阀的所述控制器包括内部控制环路和外部控制环路，并且其中，所述内部控制环路使用力平衡或反共振比(ISR)补偿方法。
9.一种在燃料电池或燃料电池堆中实现和/或控制比例控制阀的方法，包括：
测量横跨所述燃料电池或燃料电池堆的阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口中的任何两个的压差，
基于所述压差使燃料流过所述比例控制阀，和
由一个或多个控制器控制所述比例控制阀操作，
其中，阳极包括所述阳极入口和所述阳极出口，并且阴极包括所述阴极入口和所述阴极出口，并且
其中，测量所述压差包括使用在所述阳极入口或所述阳极出口处的第一单点压力传感器和在所述阴极入口或所述阴极出口处的第二单点压力传感器。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一单点压力传感器和第二单点压力传感器具有小于目标偏压的约25%的组合标准误差。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括：离线校准在所述阳极入口或所述阳极出口处的所述第一单点压力传感器和在所述阴极入口或所述阴极出口处的所述第二单点压力传感器，以确定校准值；和将所述校准值传送到所述比例控制阀的所述一个或多个控制器。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括基于所述燃料电池或燃料电池堆的操作条件使用所述比例控制阀引入干扰。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括：相对于彼此评估所述第一单点压力传感器和所述第二单点压力传感器；以及如果需要，则将校正引入所述比例控制阀。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，控制所述比例控制阀还包括实现内部控制环路，并且其中，所述内部控制环路是基于所述比例控制阀下游的压力的开环，并且其中，所述方法还包括通过估计目标燃料流率来实现所述内部控制环路。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述内部控制环路通过使用物理或虚拟传感器来补偿燃料供应温度测量。
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