GEN2阳极氢气浓度估算的验证和校正制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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，转让给本专利技术的受让人，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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专利技术的实施例的下述讨论，其本质仅仅是示例性的，而决不旨在限制本专利技术或其应用或使用。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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2015.09.23 US 14/8633471.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·D·佩斯，J·蔡，S·E·加西亚，E·迪科科，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US