本发明专利技术涉及燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的控制检测方法。具体地，描述了一种用于在燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的检测方法。在一个实施例中，该方法包括开始到阳极的氢气流动以对阳极进行加压；打开阳极流动阀；确定阳极压力是否超出了阳极压力阈值；如果阳极压力超出阳极压力阈值，那么在第一预定时间后使能阳极流量设定点检测；使用阳极流量设定点检测来监测阳极流量设定点；确定阳极流量设定点是否超出阳极流量设定点阈值；以及，如果阳极流量设定点超出阳极流量设定点阈值，那么在第二预定时间后关闭阳极流动阀。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术总体上涉及燃料电池系统，更具体地，涉及启动燃料电池系统的方法。
技术介绍
启动用于汽车应用的燃料电池系统涉及在可靠性、耐用性、以及到可接受的驶离 为止的时间(启动时间长度)之间的平衡。可靠性涉及确保在膜两侧上的整个活性区域上 存在充足的反应物，从而使得能够支持全电流。这必须在没有超出氢排放要求的情况下被 实现。诸如硬件布局、硬件可靠性、或者寒冷的周围环境状况之类的因素也会对成功启动燃 料电池系统的策略产生影响。耐用性涉及空气/H2前沿在阳极上的正确徙动。在通过电池的空气/ 前沿速度 与电池退化之间的相关性已经被确定。为了减小电池退化的影响，该前沿速度必需增大。然 而，在汽车应用中，增大前沿速度受到氢排放要求的限制。在各种情形中，期望为了消费者满意度而减少启动时间长度。此外，这还受到氢排 放要求的限制，并且由于反应物的非均勻流动特性还受到将反应物充分且均勻地供应到堆 的活性区域的能力的限制。在正常的启动中，对于可靠性、耐用性、以及启动时间长度的顾虑是大致相同的。 在典型的启动策略中，系统内的初始气体成分被要求作为到控制的输入，从而使得系统能 够决定最优的方法来进行启动。图1-2示出了燃料电池系统的一个实施例和正常的启动方法。在2007年9月21 日提交的标题为 “Method for Fast and Reliable Fuel CellSystem Mart-ups” 的美国 申请11/859，300中对该系统和方法更加充分地进行了描述，通过引用将其并入本文。许多 其它实施例也是可能的。图1示出了燃料电池系统10，其包括第一分离的燃料电池堆12和第二分离的燃料 电池堆14。压缩机16通过阴极输入管线18经由常闭的阴极输入阀20给堆12和14提供 阴极输入空气。阴极排气从分离的堆12通过管线M输出，并且阴极排气从分离的堆14通 过管线沈输出，其中阴极排气被混合到单一的阴极输入管线观中。常闭的阴极背压阀30 控制阴极排气穿过管线观的流动。在输入管线18和输出管线观之间的阴极旁通管线32 允许阴极输入空气旁路通过堆12和14。常闭的旁通阀34对阴极空气是否旁路通过堆12 和14进行控制。如果阀20和30都关闭而阀34打开，则来自压缩机16的空气将旁路通过 堆12和14。通常，阴极加湿单元(未示出)将设置在阴极输入管线18内的合适位置处。在该布置中，堆12和14使用了阳极流动变换，其中阳极反应物气体以本领域技术 人员所熟知的方式以预定周期穿过堆12和14来回流动。喷射器38通过阳极管线42将来 自氢气源40的氢气喷射到分离的堆12，喷射器44以交替的顺序通过阳极管线48将来自氢气源40的氢气喷射到分离的堆14。连接器管线M连接堆12和14的阳极侧。 水分离器60耦接至连接器管线54，并且收集位于堆12和14之间的阳极气体流中 的水。可以使用常闭的排泄阀62，其周期性打开以通过管线64将水排至阴极排气管线观。 此外，阳极排气清扫阀66可以设置在连接管线M中。如上所述，期望周期性地对堆12和14的阳极侧进行排放，以去除否则可能稀释氢 气并影响电池性能的氮气。为此目的而设置了常闭的排放阀50和52。当命令阳极排放时， 排放阀50或52打开从而使被排放的阳极排气被送到阴极排气管线观，这取决于当前氢气 流动的方向。具体地，如果当排放被触发时氢气正从源40被喷射到分离的堆12中，那么排 放阀52打开。类似地，如果当排放被触发时氢气正从源40被喷射到分离的堆14中那么， 排放阀50打开。在正常的排放持续期间，该流动变换通常将发生若干次，从而使得排放阀 50和52与该流动变换合拍地也必需打开和关闭若干次。燃料电池堆12和14生成电流。在正常的堆操作期间，由堆12和14生成的电流 被用来驱动系统负载，例如，车辆上的电牵引系统(ETS)56。在关停序列期间，由堆12和14 生成的电流可以被用来对电池58充电，或者由其它系统部件消耗，以及被电阻68消耗。在一个系统关停序列中，压缩机16停止，阀20和30关闭以便密封堆12和14的 阴极侧。使氢气流动继续，从而使得堆12和14中任何剩余的氧气都被消耗掉。由堆12和 14所生成的电流被传送到电池58。当堆功率减小到另一预定水平时，接触器断开，从而使 堆负载切换到电阻68。具体地，一旦电压已经降低到固定的截止电压，则堆负载被切换到电 阻68。截止电压可以是DC/DC变换器(未示出)的下限，或功率装置的下限。电池负载的 目的是消耗和/或存储能量，否则这些能量将以另外的方式被浪费掉。这还减少了电阻负 载的能量消耗需求。一旦已经从堆12和14中消耗掉氧气，则关掉氢气流动，并且阀50、52、62和66都 被关闭以便密封堆12和14的阳极侧。当系统10以这种方式关停时，堆12和14在阴极侧 和阳极侧中都包括了 N2/H2混合物。随着时间消逝，空气也将泄漏到堆12和14中，并且堆 12和14中的氢将开始消耗氧。另外，氢还将缓慢地泄漏到堆12和14外。因此，堆12和 14内的气体成分将随着时间而从氮气中富含氢的混合物变化到水和空气的混合物。用于在启动时对堆12和14进行清扫的氢气量可以基于堆12和14的阳极侧容积， 堆12和14的温度，以及堆12和14内的压力来加以计算。进入到堆12和14中的氢气流 量应当粗略为一个阳极容积。如果流入到堆中的氢气量不够充足，则一些燃料电池可能依 然含有H2/02前沿(front)。如果太多的氢气流入到第一堆中，则过多的氢气将被浪费到排 气中，并且可能通过压缩进入到第二堆中，导致迟滞的氢/空气前沿，从而致使电压下降过 多。用于堆12和14中每一个的回路容积均被计算，并且该信息在启动期间被与氢气流率 组合在一起以确定用于第一堆的清扫时间。图2A-B是流程图70，其示出了用于快速且可靠地启动燃料电池系统10的方法，特 别是在冷启动期间。在框72处，压缩机16启动，用于对氢输出进行稀释的目的。系统启动 的初始部分包括启动压缩机16以提供用于氢气的稀释空气，该氢气作为启动序列的结果 而聚集在排气中。然后，算法在决策块74处作为堆12和14已经被关停的时间的结果来确 定堆12和14是否被填充以空气，并且如果确定了其已被填充以空气，则在框76处使用集 管清扫来开始对阳极集管的冲洗。这提供了用于在堆冲洗之前从堆12和14的集管中去除4空气和氮的技术。在集管已经被清扫之后，堆冲洗提供了穿过阳极流场的大流率的氢气，以 最小化由于氢/空气前沿所致的启动下降，如上所述那样。然后，算法通过同时打开排泄阀62使得到堆12和14的阳极流继续，以便在框78 处继续用氢气填充阳极集管流动通道。在该流动过程中，同时使用喷射器38和44，以便使 氢气均勻地流动穿过堆12和14。所有大的阀在该阶段都关闭以便允许良好受控的、低流率 的氢气喷射。那些被打开的阀通常都具有小的开口。可替代地，大的阀可以以脉宽调制方 式来使用，以便有效地提供小的阀的作用。氢气喷射器38和44通常都基于堆12和14的 阳极出口压力被控制。然而，在该情形中，喷射器38和44将切换模式至流量控制，其中对 流量进行计量，从而在与阴极排气混合时不会导致排气排放超出预定的氢气浓度的情况下 使得该流量尽可能高。因此，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于在燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的检测方法，包括：开始到阳极的氢气流动以对所述阳极进行加压；打开阳极流动阀；确定阳极压力是否超出阳极压力阈值；如果所述阳极压力超出所述阳极压力阈值，则在第一预定时间后使能阳极流量设定点检测；使用所述阳极流量设定点检测来对阳极流量设定点进行监测；确定所述阳极流量设定点是否超出阳极流量设定点阈值；以及如果所述阳极流量设定点超出所述阳极流动设定点阈值，则在第二预定时间后关闭所述阳极流动阀。
【技术特征摘要】
US 2009-10-8 61/249872;US 2010-2-10 12/7033091.一种用于在燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的检测方法，包括开始到阳极的氢气流动以对所述阳极进行加压；打开阳极流动阀；确定阳极压力是否超出阳极压力阈值；如果所述阳极压力超出所述阳极压力阈值，则在第一预定时间后使能阳极流量设定点 检测；使用所述阳极流量设定点检测来对阳极流量设定点进行监测；确定所述阳极流量设定点是否超出阳极流量设定点阈值；以及如果所述阳极流量设定点超出所述阳极流动设定点阈值，则在第二预定时间后关闭所 述阳极流动阀。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一预定时间高达大约2秒。3.如权利要求1所述的方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：SE莱尔纳，A乔扈里，SG格贝尔，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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