用于FCS排出和排放的阳极集管排放阀的智能使用的智能燃料电池系统和控制逻辑技术方案

提出了具有用于从燃料电池堆的阳极集管中排空水的逻辑的智能燃料电池系统（FCS）、制造/使用所述系统的方法以及配备有所述系统的车辆。一种操作FCS的方法包括确认FCS正在运行的系统控制器，并且一旦确认，接收排出请求以从阳极的排气输出中去除排气。响应于所述排出请求，所述控制器确定指示由阳极排出阀完成的先前排出请求的总排出阀使用量（TBVU），并且然后确定所述TBVU是否小于最大排出阀使用量（MBVU）。如果是，则控制器响应性地命令排出阀从阳极排气装置中排出废气。如果TBVU不小于MBVU，则控制器命令集管排放阀从阳极排气装置中排出废气并从阳极集管中排放水。中排出废气并从阳极集管中排放水。中排出废气并从阳极集管中排放水。

【技术实现步骤摘要】
用于FCS排出和排放的阳极集管排放阀的智能使用的智能燃料电池系统和控制逻辑


[0001]本公开总体上涉及用于将富氢燃料转化为电能的电化学燃料电池系统。更具体地，本公开的各方面涉及用于从燃料电池堆的部分去除过量水的主动阀系统。

技术介绍

[0002]当前生产的机动车辆、诸如现代汽车最初配备了操作成用于推进车辆并为车辆的车载电子设备提供动力的动力传动系。例如，在汽车应用中，车辆动力传动系通常以原动机为代表，该原动机通过自动或手动换档的动力传输将驱动扭矩传递到车辆的最终驱动系统（例如差速器、车轴、角模块、车轮等）。汽车历来由往复活塞式内燃发动机（ICE）组件提供动力，因为它易于使用且成本相对低廉、重量轻且整体效率高。作为一些非限制性示例，这样的发动机包括压缩点火（CI）柴油发动机、火花点火（SI）汽油发动机、二冲程、四冲程和六冲程架构以及旋转式发动机。另一方面，混合动力电动和全电动车辆（统称为“电动车辆”）利用替代动力源来推进车辆，并且因此最小化或消除对基于化石燃料的发动机的牵引动力的依赖。
[0003]混合动力电动和全电动动力传动系采用各种架构，其中一些利用燃料电池系统为一个或多个电力牵引马达提供必要的动力。燃料电池是一种电化学装置，通常由接收氢气（H2）的阳极、接收氧气（O2）的阴极和介于阳极和阴极之间的电解质组成。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+），然后将该质子转移通过电解质以供在阴极处用氧化剂（诸如氧气）进行还原。特别地，氢气在阳极催化剂层中的氧化半电池反应中被催化分解以产生自由氢质子和电子。这些氢质子通过电解质到达阴极，在那里氢质子与阴极中的氧和电子发生反应，从而形成各种堆副产物。然而，来自阳极的电子不能通过电解质；这些电子通过负载重新定向，诸如车辆的牵引马达或需要高压（HV）发电的非车辆负载，然后再发送到阴极。
[0004]汽车应用中常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”）以在阳极和阴极之间提供离子迁移。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，以在质子的传导之外分离产物气体并提供电极的电绝缘。阳极和阴极通常包括精细分散的催化颗粒，诸如铂，其被支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。这种催化混合物沉积在膜的侧面以形成阳极层和阴极层。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），其中阳极催化剂和阴极催化剂被支撑在离子导电固体聚合物膜的相对面上。
[0005]为了产生为机动车辆供电所需的电力，许多燃料电池被组装成燃料电池堆，以实现更高的输出电压并允许更大的电流消耗。例如，用于汽车的典型燃料电池堆可能具有超过两百个堆叠的燃料电池。这些燃料电池堆接收反应气体作为阴极输入，通常作为计量流的环境空气或由压缩机强制进入堆的浓缩气态氧。在正常操作期间，堆不会消耗可量化的氧气质量；一些剩余的氧气作为阴极废气输出，其中可能包括作为堆副产物的水。燃料电池
堆还接收氢气或富氢反应气体作为流入堆的阳极侧的阳极输入。对于适当的燃料电池堆操作，阳极流动通道内的氢气分布通常保持基本恒定。在一些操作模式中，补充氢气被馈入燃料电池堆，从而使阳极气体均匀分布以实现校准的堆输出负载。此外，燃料电池堆可以以保持MEA处于湿润状态的方式操作；供应给燃料电池堆的气体可以被加湿以防止膜组件的干燥和破裂。燃料电池堆产生的排气可能包括水蒸气、液态水、空气、低水平的废氢气和氮气，以及其他痕量元素。

技术实现思路

[0006]本文介绍的是具有用于选择性地从燃料电池堆的阳极集管排空水的伴随控制逻辑的智能燃料电池系统（FCS）、制造方法和操作所述系统的方法，以及配备有所述系统的机动车辆。例如，公开了用于智能使用阳极集管排放阀以消除对用于阳极集管排放的倾斜角传感器的依赖的系统和方法。在代表性的燃料电池架构中，有三个主动流体阀端口连接到阳极堆的下游：阳极出口排出（AOB）阀、阳极集水槽排放（ASD）阀和阳极集管排放（AHD）阀。AOB阀可以是常闭电子阀，其流体连接到堆或阳极出口下游的集水槽容积并且可选择性地致动以将氮气从阳极排气装置排出到阴极或排气装置的氧气入口管路。同样地，ASD阀可以是常闭电子阀，其流体连接到阳极集水槽容积的下游并且可选择性地致动以将水从集水槽排放到阴极入口或排气出口管路。相反，AHD阀可以是常闭电子阀，其流体连接到阳极排气集管并且可选择性地致动以将积水从集管清除到阴极入口或排气出口管路。
[0007]在FCS操作期间，系统监测阳极电极内的氢浓度以优化系统效率并避免阳极“缺H
2”。如果检测到的氢浓度低于系统校准的最低H2水平（例如，~75%），则会产生排出请求以从阳极排气装置中排放氮气，直到氢浓度升至最低H2水平以上。现有的燃料电池系统采用专用的阳极排出阀来满足所有排出请求。然而，在代表性的燃料电池架构中，AOB阀用于服务于预先限定的最大数量（N
BR
）的连续排出请求（X
BR
）；对于随后的排出请求（X
BR
=N
BR
+1），AHD阀被激活以从阳极排气装置中排出氮气，并且伴随排放来自集管的积水。这样做既可以防止水在阳极排气集管中过度积聚，又可以排放足够量的氮气以确保阳极处有足够的氢浓度。通过这种方法，燃料电池系统消除了对用于确定何时排放阳极集管的车载倾斜角传感器的任何依赖。在FCS的最大操作功率下，AHD阀可以代替ASD阀满足所有排出请求，例如，以最小化与打开排出阀可能导致的电压骤降相关的功率损失，例如，如果AOB阀打开到阴极入口。
[0008]至少一些所公开构思的附带益处包括智能燃料电池系统架构和控制方案，其通过消除昂贵且不可靠的倾斜角传感器来提高系统效率同时降低系统成本。通过在系统操作期间定期从阳极集管中排放积水，而不是等待FCS倾斜或关闭触发以进行集管吹扫，燃料电池的耐用性得到了提高，而不会影响系统效率。所公开的FCS控制技术还可有助于降低系统复杂性，同时避免用于预测阳极集管中的水量的专用控制逻辑的创建、模拟和构思验证（PoC）的时间和费用。其他附带的好处可以包括在燃料电池系统的最大功率操作模式期间，通过消除在最大功率下打开排出阀（例如如果AOB阀打开到阴极入口）引起的电压骤降，减轻系统功率损失。
[0009]本公开的各方面涉及燃料电池控制系统、系统控制逻辑和用于燃料电池系统的选择性排出和排放的闭环反馈控制技术。在示例中，提出了一种用于操作包含燃料电池堆的燃料电池系统的方法，该燃料电池堆具有一个或多个燃料电池，每个燃料电池具有阳极、阴
极和夹在阳极和阴极之间的膜。FCS还包括流体连接到一个或多个阳极的阳极出口端口的阳极出口，以及流体连接到一个或多个阳极的阳极集管。该代表性方法以任何顺序和与任何上述和以下公开的选项和特征的任何组合包括：例如经由本地或远程系统控制器接收指示燃料电池系统当前正在运行的FCS模式信号；在接收到FCS模式信号之后，例如经由系统控制器接收排出请求以从阳极出口中的阳极排气装置中去除废气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种操作燃料电池系统（FCS）的方法，所述燃料电池系统包括：具有阳极、阴极和膜的燃料电池，连接到所述阳极的阳极出口端口的阳极出口，以及连接到所述阳极的阳极集管，所述方法包括：经由系统控制器接收指示所述燃料电池系统正在运行的FCS模式信号；在接收到所述FCS模式信号后，经由所述系统控制器接收排出请求，以从所述阳极出口中的阳极排气装置中去除废气；响应于接收到所述排出请求，经由所述系统控制器确定总排出阀使用（TBVU）次数等于阳极排出阀完成的用于从所述阳极排气装置中去除废气的先前排出请求的总和；经由所述系统控制器使用系统存储设备确定所述TBVU次数是否小于最大排出阀使用（MBVU）次数；响应于所述TBVU次数小于所述MBVU次数，经由所述系统控制器向所述阳极排出阀发送第一命令信号以从所述阳极排气装置中排出废气；以及响应于所述TBVU次数不小于所述MBVU次数，经由所述系统控制器向集管排放阀发送第二命令信号以从所述阳极排气装置中排出废气并从所述阳极集管中排放水。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阳极排出阀选择性地将所述阳极出口流体联接到连接到阴极入口端口的阴极入口，通过所述阴极入口端口将氧气馈送到所述阴极中，并且其中，所述集管排出阀选择性地将所述阳极集管流体联接到连接到阴极出口端口的阴极出口，阴极排气通过所述阴极出口端口从所述阴极排空。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述FCS模式信号进一步指示所述燃料电池系统的同时通电，所述方法进一步包括响应于所述燃料电池系统的同时通电将所述TBVU次数...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓峰，S，
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：