燃料电池体系结构、监测系统及用于表征燃料电池堆中流体流的控制逻辑技术方案

公开了燃料电池体系结构、燃料电池堆监测系统以及用于检测燃料电池堆中的流体性质变化的控制逻辑。公开了一种用于检测燃料电池系统中的流体的流性质变化的方法。该方法包括：例如通过系统分析或访问查找表来确定燃料电池系统的电压变化与流体的流性质之间的相关性；以及从电压‑性质相关性确定与流体的性质变化对应的校准电压降。该方法监测系统电压(例如，在稳定状态下操作的燃料电池堆的移动平均电压)，以及例如当阳极排出阀打开时检测系统电压中的电压大小变化。响应于电压大小变化大于校准电压降，生成指示检测到流性质变化的信号。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池体系结构、监测系统及用于表征燃料电池堆中流体流的控制逻辑引言本公开通常涉及用于将气态氢基燃料转化为电力的燃料电池系统。更具体地，本公开的各方面涉及监测系统和用于表征从燃料电池堆的阳极体积到阴极体积的流体流的相关控制算法。目前生产的机动车辆(诸如现代汽车)初始就配备有动力系，该动力系操作以推进车辆并为车载电子设备供电。包含并且常常被误分类为车辆传动系的动力系通常包括原动机，该原动机通过多速动力变速器向车辆的最终驱动系统(例如，差速器、车轴和车轮)传递驱动动力。汽车通常由往复活塞式内燃机(ICE)提供动力，这是因为其立即可用性和相对便宜的成本、重量轻以及整体效率。作为一些非限制性示例，这种发动机包括两冲程和四冲程压缩点火(CI)柴油机、四冲程火花点火(SI)汽油机、六冲程体系结构和旋转式发动机。另一方面，混合动力车辆和电动车辆利用诸如电动发电机的替代动力源来推进车辆并且最小化对发动机的动力依赖并因此提高整体燃料经济性。混合动力电动和全电动车辆动力系采取各种体系结构，其中一些利用燃料电池系统为一个或多个电动牵引电机提供动力。燃料电池是通常由接收氢气(H2)的阳极、接收氧气(O2)的阴极以及介于阳极与阴极之间的电解质构成的电化学设备。引发电化学反应以在阳极处氧化氢分子以产生自由质子(H+)，然后自由质子穿过电解质以便在阴极处用氧化剂(诸如氧气)还原。具体地，氢气在阳极催化剂层中在氧化半电池反应中被催化分裂，产生自由氢质子和电子。这些氢质子穿过电解质到阴极，在阴极处氢质子与阴极中的氧和电子反应生成水。然而，来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在被传送到阴极之前通过诸如电机或电池的负载被重新导向。汽车应用中通常采用的燃料电池设计利用固体聚合物电解质膜(PEM)(也称为“质子交换膜”(PEM))在阳极与阴极之间提供离子传输。质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常采用固体聚合物电解质(SPE)质子传导膜(诸如全氟磺酸膜)来分离产物气体并除了传导质子之外还提供电极的电绝缘。阳极和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的非常分散的催化颗粒，诸如铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的侧面上以形成阳极催化层和阴极催化层。阳极催化层、阴极催化层和电解质膜的组合限定了膜电极组件(MEA)，在该膜电极组件中，阳极催化剂和阴极催化剂被支撑在离子传导固体聚合物膜的相对面上。为了产生用于为机动车辆供电所需的电力，通常将多个燃料电池串联或并联地组合成燃料电池堆以实现更高的输出电压并允许更强的电流消耗。例如，用于汽车的典型燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。这些燃料电池堆接收反应气体作为阴极输入，通常作为环境空气流或由压缩机强制通过所述堆的浓缩气态氧流。在正常操作期间，所述堆消耗不定量的氧气；一些剩余氧气作为阴极排出气体输出，其可能包括水作为堆的副产物。燃料电池堆还接收氢气或富含氢气的反应气体作为流入所述堆的阳极侧的阳极输入。氢气在阳极流道内的分布通常基本上保持恒定以用于适当的燃料电池堆操作。在一些操作模式中，将补充氢气供给到燃料电池堆中，使得阳极气体均匀地分布以实现堆输出负载。然而，由于这种额外的氢气输入，阳极排出物中的氢气量可能会增加，这可能导致系统效率降低。由于非常快速的氢氧化反应动力学和较低的氢气质量传递，堆电压通常对氢浓度不敏感。因此，除氢气不足事件外，堆电压通常不会因氢浓度的变化而显示出显著的变化。同样地，交流阻抗响应通常对阳极中的氢浓度表现出很小敏感性或不敏感。由于这种感知的不敏感性，堆电压在历史上不被用来推断燃料电池的阳极室和阴极室中的氢浓度或氧浓度。相反，已知的方法将实际气体流量与模拟阀门流量进行比较以推断气体浓度，或者采用专用电子传感器来检测这种浓度。然而，由于系统泄漏和操作条件波动(例如，温度、电流密度、相对湿度、压力等)，流量比较具有有限的精度。根据专用感测电子设备，氮和氢传感器是非常昂贵的部件，并且对于估计燃料电池状态(诸如在系统的使用寿命期间确定燃料电池系统的各部分中的氢浓度或氧浓度)是相对不可靠的设备。
技术实现思路
本文公开了车辆燃料电池体系结构、燃料电池堆监测系统和用于估计燃料电池状态(诸如检测燃料电池堆中的从阳极输送到阴极的从液体到气体和从固体到气体变化的体相流体)的相关控制逻辑。作为示例而非限制，提出了一种用于使用改进阳极阀流表征的燃料电池堆电压响应表征从阳极体积到阴极体积的流体流的新颖程序，以帮助优化堆效率并减少不期望的堆排放。在该示例中，当阳极阀打开时，液态水可以首先流过阀孔口，随后是气体流过孔口。通过监测堆电压并识别校准值的电压骤降事件，可以检测孔口处的体相流体性质变化，诸如液体到气体。当额外的氢气被输送到堆的阴极侧时会发生这种事件，这将通过燃烧在催化剂表面处稀释O2并消耗O2而相应地降低电极中的氧浓度。这种阴极电极处O2浓度的降低将降低燃料电池堆的电压。校准或模拟的电压降大小与阳极阀流有关，以表征阀门处的流体状态变化(液体到气体、气体到液体、气体到固体、固体到气体的体相性质变化)。对于至少一些所公开构思的伴随益处包括改进的系统可靠性、提高的堆效率、减少的堆排放以及降低的系统成本。例如，所公开的检测方法不需要专用感测设备或使用估计流量作为相检测的基础，而是监测系统电压变化以检测液体到气体或固体到气体的体相流体转变，从而提高可靠性和效率。这种方法通过减少与流量比较相关的精度缺失来提高系统可靠性，并通过消除专用感测设备来降低系统成本。即使系统压力传感器发生故障，也可以通过向系统提供流体特性反馈来实现改进的可靠性。在车辆在崎岖地形上行驶的运行状况期间，由于晃动液体可能产生“噪声”阀流信号；所公开的方法消除了这种信号噪声，从而提供更清晰的信号。其它伴随益处可以包括通过消除对物理传感器的依赖来最小化环境变化的影响和可替换部件故障。本公开的各方面涉及用于表征燃料电池堆中的流体流以及响应于例如用气态流体替换液体流体来调节系统操作的控制算法。例如公开了一种用于表征从阳极体积到阴极体积的流体流以确定一种流体状态到另一种流体状态(例如，液体到气体和气体到液体)的转变的方法。用于检测燃料电池系统中的流体的整体流性质变化的方法以任何顺序以及以任何所公开特征的任何组合包括：例如通过系统分析、系统建模和/或访问查找表，确定燃料电池系统的电压变化与流体的流性质变化之间的电压-性质相关性；从该电压-性质相关性确定与流体的体相流体性质转变相对应的校准电压降；监测燃料电池系统的系统电压(例如，计算在稳定状态下操作的燃料电池堆的移动平均电压)；例如当阳极排出阀打开时，检测系统电压中的电压大小变化；以及响应于电压大小变化大于模拟或校准电压降的确定，输出指示检测到流动流体性质变化的信号。该信号可以包括用于关闭阳极排出阀的命令信号和/或具有燃料电池系统的液态水分离器是空的或接近空的指示的信号。本公开的其它方面涉及具有根据任何所公开的性质检测程序调节的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的机动车辆。本文使用的“机动车辆”可以包括任何相关的车辆平台，诸如乘客车辆(燃料电池混合动力的、燃料电池电动的、完全或部分自主的乘客车辆等)、商用车辆、工业车辆、履带式车辆、越野和全地形车辆(ATV)、农场设备、船只、飞机等。根据所公开的性质-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测燃料电池系统中的流体的整体流性质变化的方法，所述方法包括：确定所述燃料电池系统的电压变化与所述流体的流性质变化之间的电压‑性质相关性；从所述电压‑性质相关性确定与所述流体的流性质变化对应的校准电压降；监测所述燃料电池系统的系统电压；检测所述系统电压中的电压大小变化；以及响应于所述电压大小变化大于所述校准电压降的确定，输出指示检测到所述流性质变化的信号。

【技术特征摘要】
2017.04.26 US 15/4979831.一种用于检测燃料电池系统中的流体的整体流性质变化的方法，所述方法包括：确定所述燃料电池系统的电压变化与所述流体的流性质变化之间的电压-性质相关性；从所述电压-性质相关性确定与所述流体的流性质变化对应的校准电压降；监测所述燃料电池系统的系统电压；检测所述系统电压中的电压大小变化；以及响应于所述电压大小变化大于所述校准电压降的确定，输出指示检测到所述流性质变化的信号。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括阳极阀，并且其中，确定所述电压-性质相关性包括：当所述阳极阀处于关闭状态时以及当所述阳极阀处于打开状态时，使所述燃料电池系统的电压变化与所述流体的流性质相关。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括具有阴极侧、阳极侧和阳极阀的燃料电池堆，并且其中，确定所述电压-性质相关性包括：当所述阳极阀打开时且在所述阳极侧上具有压力偏差的情况下，在所述燃料电池堆的稳态操作期间，使所述燃料电池系统的电压变化与所述流体的流性质相关。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述压力偏差在所述阳极侧上比所述阴极侧高约20至100千帕(kPa)。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括阳极阀，并且其中，监测所述系统电压包括：在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·J·格力亚朵，C·杜布瓦，X·王，M·辛哈，
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