用于具有同时负载跟踪的燃料电池堆流量控制的系统和方法技术方案

本发明专利技术描述了燃料电池堆气流控制的优化。在一些方面，基于期望的氧气流速将至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作该燃料电池堆，确定由该燃料电池堆产生的堆电流，该堆电流与该阴极流量致动器的该致动时的操作对应，计算离开该燃料电池堆的氧气流速，将离开该燃料电池堆的该氧气流速与离开该燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较，以及响应于该氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改该阴极流量致动器中的至少一个的致动。所修改的致动减小所期望的氧气流速与离开该燃料电池堆的该氧气流速之间的差异。

System and method of flow control for fuel cell stack with simultaneous load tracking

【技术实现步骤摘要】
用于具有同时负载跟踪的燃料电池堆流量控制的系统和方法
技术介绍
本公开涉及燃料电池系统，更具体地讲，涉及用于优化的燃料电池堆气流控制的系统和方法。燃料电池在许多应用中都用作电源。具体地讲，提出了将燃料电池用于汽车中代替内燃机。燃料电池以单个燃料电池的堆叠形式提供，以提供期望水平的电力。为了以期望的阴极化学计量操作燃料电池堆，基于在类似系统之间共享的初始控制模型来选择性地致动阴极流量致动器。然而，通过燃料电池堆流的确定气流的准确性受到许多瞬态和非瞬态干扰(诸如，冰堵塞、碎屑堵塞以及由制造公差引入的零件间变化)的影响。在初始控制模型中没有考虑这些干扰。为了优化通过燃料电池堆的气流的测量，通常将流速传感器添加到一个或两个流中以考虑由扰动引入的流速差异。
技术实现思路
期望的是减少系统所采用的部件，同时优化燃料电池堆内的反应物流量控制的准确性以考虑各种干扰。这些干扰可包括瞬态干扰(诸如，冰堵塞)、基本非瞬态干扰(诸如，碎屑堆积)以及非瞬态干扰(诸如，由制造和装配公差引起的零件间变化)。有利地，根据本公开的系统和方法使用叠堆作为传感器方法在燃料电池堆的操作期间提供准确的堆叠气流。根据本公开的各方面，一种方法包括：基于期望的氧气流速将至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作燃料电池堆；经由至少一个控制器确定由燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与至少一个阴极流量致动器的所述致动时的操作对应；经由所述至少一个控制器基于所述堆电流计算离开所述燃料电池堆的氧气流速；经由所述至少一个控制器将离开所述燃料电池堆的所述氧气流速与离开燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较；以及响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述阴极流量致动器中的至少一个的致动，以减小所期望的氧气流速与离开所述燃料电池的所述氧气流速之间的差异。根据本公开的各方面，一种燃料电池系统包括：阴极流路；燃料电池堆，所述燃料电池堆包括限定所述阴极流路的一部分的阴极侧；至少一个阴极流量致动器，所述至少一个阴极流量致动器流体地设置在所述阴极流路中；和至少一个控制器，所述至少一个控制器可操作地联接到所述至少一个阴极流量。所述至少一个阴极流量致动器被选择性地致动以改变通过所述阴极侧的氧气流量。所述至少一个控制器被配置为：基于期望的氧气流速将所述至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作所述燃料电池堆；确定由所述燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与所述阴极流量致动器的所述致动时的操作对应；基于所述堆电流计算离开所述燃料电池堆的氧气流速；将离开所述燃料电池堆的氧气流速与离开所述燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较；以及响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述阴极流量致动器中的至少一个的致动，以减小所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的所述氧气流速之间的差异。根据本公开的各方面，一种电力系统(诸如，车辆或固定电力系统)包括燃料电池系统。该燃料电池系统包括：阴极流路；燃料电池堆，所述燃料电池堆包括限定所述阴极流路的一部分的阴极侧；至少一个阴极流量致动器，所述至少一个阴极流量致动器流体地设置在所述阴极流路中；和至少一个控制器，所述至少一个控制器可操作地联接到所述至少一个阴极流量致动器。所述至少一个阴极流量致动器被选择性地致动以改变通过所述阴极侧的氧气流量。所述至少一个控制器被配置为：基于期望的氧气流速将所述至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作所述燃料电池堆；确定由所述燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与所述阴极流量致动器的所述致动时的操作对应；基于所述堆电流计算离开所述燃料电池堆的氧气流速；将离开所述燃料电池堆的所述氧气流速与离开所述燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较；以及响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述阴极流量致动器中的至少一个的致动，以减小所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的所述氧气流速之间的差异。根据本公开的其他方面，该方法还可包括：反复确定所产生的堆电流；计算所述氧气流速；将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较；并修改所述至少一个阴极流量致动器中的所述至少一个的致动或所述至少一个阴极流量致动器中的另一个的致动，直到所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的氧气流速之间的所述差异低于预定阈值。根据本公开的其他方面，该控制器可被进一步配置为：反复确定所产生的堆电流；计算所述氧气流速；将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较；并修改所述至少一个阴极流量致动器中的至少一个的致动或所述至少一个阴极流量致动器中的另一个的致动，直到所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的氧气流速之间的所述差异低于预定阈值。根据本公开的其他方面，修改所述至少一个阴极流量致动器中的至少一个的致动包括修改阴极背压阀的致动。根据本公开的其他方面，修改所述至少一个阴极流量致动器中的至少一个的致动包括修改阴极旁路阀的致动。根据本公开的其他方面，基于堆电流计算氧气流速包括使用以下公式：其中R是理想气体常数，T是所述燃料电池堆的温度，I是所述堆电流，nc是所述燃料电池堆中的燃料电池数，是从相应通道到相应电极的氧气输送阻力，是输入到燃料电池堆的氮的摩尔分数，F是法拉第常数，Acell是燃料电池的有效面积，ptot是输入到所述燃料电池堆的阴极侧的压力，是输入到所述燃料电池堆的氧气的摩尔分数，RH是所述燃料电池堆的相对湿度，以及psat是饱和压力。根据本公开的其他方面，以电压控制模式操作燃料电池堆包括以低阴极化学计量进行的操作。根据本公开的其他方面，低阴极化学计量为约1。当结合附图时，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点，将从以下对用于执行本公开的最佳模式的详细描述中变得显而易见。附图说明附图是例示性的，并非旨在限制由权利要求限定的主题。示例性方面在下文具体实施方式中讨论并在附图中示出，其中：图1是根据本公开各方面的燃料电池系统的示意图；图2是图1的系统内的信号和输入的示意图；图3是使用叠堆作为传感器方法来优化气流控制的方法的流程图；图4A和图4B是从比较燃料电池系统收集的数据的柱状图；并且图5A和图5B是使用叠堆作为传感器方法从示例性燃料电池系统收集的数据的柱状图。具体实施方式根据本公开的系统和方法优化了燃料电池堆的阴极侧内的确定反应物流量的准确性，而不将单个传感器设置在燃料电池堆流和旁路流两者内。根据本公开的系统和方法通过使用从燃料电池堆收集的现有数据将燃料电池堆用作传感器以提供气流反馈。根据本公开的系统和方法可拒绝由于瞬态干扰(诸如，冰堵塞)引起的流量变化。此外，根据本公开的系统和方法可用于优化叠堆控制的稳健性，以确定和考虑由零件间变化引起的气流变化。此外，根据本公开的系统和方法可用于优化负载跟踪能力的准确性。图1示出了车辆10内的燃料电池系统100的示意图。燃料电池系统100包括燃料源102、氧化剂源104、燃料电池堆106和控制器108。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，所述方法包括：/n基于期望的氧气流速将至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作燃料电池堆；/n经由至少一个控制器确定由所述燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与所述至少一个阴极流量致动器的所述致动时的操作对应；/n经由所述至少一个控制器基于所述堆电流计算离开所述燃料电池堆的氧气流速；/n经由所述至少一个控制器将离开所述燃料电池堆的所述氧气流速与离开所述燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较；以及/n响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述阴极流量致动器中的至少一个的致动，以减小所期望的氧气流速与离开所述燃料电池的所述氧气流速之间的差异。/n

【技术特征摘要】
20180821 US 16/1071981.一种方法，所述方法包括：
基于期望的氧气流速将至少一个阴极流量致动器的致动初始化为初始状态，以在电压控制模式下操作燃料电池堆；
经由至少一个控制器确定由所述燃料电池堆产生的堆电流，所述堆电流与所述至少一个阴极流量致动器的所述致动时的操作对应；
经由所述至少一个控制器基于所述堆电流计算离开所述燃料电池堆的氧气流速；
经由所述至少一个控制器将离开所述燃料电池堆的所述氧气流速与离开所述燃料电池堆所期望的氧气流速进行比较；以及
响应于所述氧气流速与所期望的氧气流速不同，修改所述阴极流量致动器中的至少一个的致动，以减小所期望的氧气流速与离开所述燃料电池的所述氧气流速之间的差异。


2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
反复确定所产生的堆电流，计算所述氧气流速，将所述氧气流速与所期望的氧气流速进行比较，并修改所述至少一个阴极流量致动器中的所述至少一个的致动或所述至少一个阴极流量致动器中的另一个的致动，直到所期望的氧气流速与离开所述燃料电池堆的所述氧气流速之间的所述差异低于预定阈值。


3.根据权利要求1所述的方法，其中修改所述至少一个阴极流量致动器中的至少一个的致动包括修改阴极背压阀的致动。


4.根据权利要求1所述的方法，其中修改所述至少一个阴极流量致动器中的至少一个的致动包括修改阴极旁路阀的致动。


5.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述堆电流计算所述氧气流速包括使用以下公式：



其中R是理想气体常数，T是所述燃料电池堆的温度，I是所述堆电流，nc是所述燃料电池堆中的燃料电池数，是从相应通道到相应电极的氧气输送阻力，是输入到所述燃料电池堆的氮的摩尔分数，F是法拉第常数，Acell是所述燃料电池的有效面积，ptot是输入到所述燃料电池堆的阴极侧的压力，是输入到所述燃料电池堆的氧气的摩尔分数，RH是所述燃料电池堆的相对湿度，以及psat是饱和压力。


6.根据权利要求1所述的方法，其中以所述电压控制模式操作所述燃料电池堆包括以低阴极化学计量进行的操作。


7.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
阴极流路；
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括限定所述阴极流路的一部分的阴极侧；
至少一个阴极流量致动器，所述至少一个阴极流量致动器流体地设置在所述阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·伊达马纳，S·E·加西亚，J·J·盖拉多，J·M·埃伦伯格，
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