使用浓度传感器修正渗透不确定性的方法

摘要

本发明涉及使用浓度传感器修正渗透不确定性的方法。具体地，一种用于确定燃料电池堆的阳极侧中氮的积累速率的方法。所述方法包括确定阳极回路中氮的浓度和确定阳极回路中氮的摩尔数。所述方法还包括确定阳极回路中的氮的积累速率并且使用阳极回路中确定的氮的积累速率确定燃料电池堆中通过燃料电池薄膜阳极回路的氮的渗透因子。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于确定氮气至阳极子系统的渗透速率的系统和方法，更特别地涉及一种用于使用气体浓度传感器来确定进入阳极子系统的氮的渗透速率以及将确定的氮的渗透速率与期望的氮渗透模型相比较以根据需要调整阳极排出计划表的系统和方法。

背景技术

氢由于其干净并且可用于在燃料电池中有效地产生电，因而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是电-化学装置，其包括阳极和阴极以及在其间的电解液。阳极接收氢气并且阴极接收氧或空气。氢气在阳极被分解以产生自由的氢质子并且电子。氢质子通过电解液到阴极。氢质子与阴极中的氧和电子起反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解液，并且因此在被送到阴极之前直接通过负荷执行作业。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种车辆流行的燃料电池。PEMFC通常包括固相聚合物电解质质子传导薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极典型地包括精细地分开的催化剂粒子，通常为支承在碳粒子上并且与离聚物混合的铂（Pt）。催化剂混合物沉积在薄膜的相对侧上。阳极催化剂混合物，阴极催化剂混合物和薄膜的组合限定了薄膜电极组件（MEA）。MEA需要用于有效工作的某些条件。

几个燃料电池典型地组合在燃料电池堆中以产生所需的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地由压缩机增压通过电池堆的空气流。不是所有氧被电池堆消耗并且一些空气作为阴极排气被输出，其可以包括作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆典型地包括位于电池堆的几个MEA之间的串联的双极板，其中双极板和MEA布置在两个端板之间。双极板包括用于电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道设置在允许阳极反应性气体流向各自的MEA的双极板的阳极侧上。阴极气体流动通道设置在允许阴极反应性气体流向各自的MEA的双极板的阴极侧上。一个端板包括阳极气体流动通道，并且另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由有传导性的材料制成，例如不锈钢或传导的合成物。端板将由燃料电池产生的电流传导出电池堆。双极板还包括冷却液流动的流动通道。

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通过其渗透并且收集在电池堆的阳极侧中，在工业中称作氮气渗透。尽管阳极侧压力可以壁阴极侧压力高，阴极侧分压力将使得氧和氮气渗透通过薄膜。渗透的氧在阳极催化剂的存在下减少，但燃料电池堆的阳极侧中渗透的氮将氢稀释。如果氮浓度增加超过某一百分比，例如50%，燃料电池堆变得不稳定并且可能产生故障。

本领域中公知的是在阳极提供排出阀将燃料电池堆的排气输出，以将氮从电池堆的阳极侧除去。本领域中还公知的是使用模型估计阳极侧的氮的摩尔分数以确定何时执行阳极侧或阳极子系统的排放。然而，模型估计可能包含误差，尤其是当燃料电池系统的部件随时间发生老化时。如果阳极氮摩尔分数估计比实际氮摩尔分数显著地高，则燃料电池系统将排出比所需要的更多的阳极气体，即，将浪费燃料。如果阳极氮摩尔分数估计壁实际氮摩尔分数显著地低，则系统将不会排出足够的阳极气体并且可能缺乏燃料电池的反应物，这可能损坏燃料电池堆中的电极。

如上所讨论的，燃料电池系统的性能将受进入阳极和阴极上的电池堆的气体的成分的影响。在燃料电池的正常工作期间，来自阴极侧的氮渗透通过薄膜到阳极侧，这将稀释燃料浓度。如果阳极侧中存在过多的氮或水，则电池电压可能减少。气体浓度传感器可以用来测量给定子系统内的气体浓度，然而，燃料电池薄膜的健康的状态可以仅使用渗透速率确定。因此，本领域中需要一种策略以基于通过燃料电池薄膜的诸如氮的气体的渗透速率中的变化调整阳极排出计划表。

发明内容

本发明公开了一种用于确定燃料电池系统中燃料电池堆的阳极侧中氮的积累速率的方法，其包括确定阳极回路中氮的浓度和确定阳极回路中氮的摩尔数。所述方法还包括确定阳极回路中的氮的积累速率并且使用阳极回路中确定的氮的积累速率确定燃料电池堆中通过燃料电池薄膜阳极回路的氮的渗透因子。

结合附图，从以下说明书和所附的权利要求中本发明的附加特征将会变得显而易见。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种为了燃料电池系统中的燃料电池堆调整阳极排出策略的方法，所述方法包括：

确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度；

确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的摩尔数；

确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率；

使用燃料电池系统的阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子；

将确定的氮的渗透因子与氮的期望的渗透因子相比较以确定氮渗透增益；以及

如果已经得到了氮渗透增益的预定阈值，为了燃料电池系统调整阳极排出策略。

2. 根据方案1所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度包括使用至少一个传感器来确定阳极回路中的气体的浓度。

3. 根据方案1所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率包括观察发生在排出事件之间的阳极回路中的氮的摩尔累积。

4. 根据方案1所述的方法，其中使用阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子包括使用等式：

其中是渗透因子，AA是电池的有效面积，是燃料电池堆内电池的数目，是用于制成每个电池的薄膜的薄膜材料的薄膜厚度，是阳极进口的氮的浓度，是电池堆的阳极侧中氮的积累速率，是阴极子系统的压力，是阴极进口中氮的浓度，以及是阴极出口中氮的浓度。

5. 根据方案4所述的方法，其中阴极进口氮浓度和阴极出口氮浓度是假定值或测量值。

6. 根据方案1所述的方法，其中氮的期望的渗透因子是基于模型估计的。

7. 一种为了燃料电池系统中的燃料电池堆调整阳极排出策略的方法，所述方法包括：

基于通过燃料电池堆中的燃料电池的阳极侧与阴极侧之间的燃料电池薄膜的期望的氮的渗透因子提供阳极排出计划表；

确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度；

确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的摩尔数；

确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率；

确定通过燃料电池薄膜从燃料电池堆的阴极侧到燃料电池堆的阳极侧的氮的渗透因子；

将确定的氮的渗透因子与氮的期望的渗透因子相比较以确定氮渗透增益；以及

如果已经得到了氮渗透增益的预定阈值，为了燃料电池系统调整阳极排出策略。

8. 根据方案7所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度包括使用至少一个传感器确定阳极回路中的气体的浓度。

9. 根据方案7所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率包括观察发生在排出事件之间的阳极回路中氮的摩尔累积。

10. 根据方案7所述的方法，其中使用阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子包括使用等式：

其中是渗透因子，AA是电池的有效面积，是燃料电池堆内电池的数目，是用于制成每个电池的薄膜的薄膜材料的薄膜厚度，是阳极进口的氮的浓度，是电池堆的阳极侧中氮的积累速率，是阴极子系统的压力，是阴极进口中氮的浓度，以及是阴极出口中氮的浓度。

11. 根据方案10所述的方法，其中阴极进口氮浓度和阴极出口氮浓度是假定值或测量值。

12. 根据方案7所述的方法，其中氮的期望的渗透因子是基于模型估计的。

13. 根据方案7所述的方法，其中阳极排出策略的调整量取决于已经得到的氮渗透增益的预定阈值。

14. 一种用于确定燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧中的氮的积累速率的方法，所述方法包括：

确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度；

确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的摩尔数；

确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率；以及

使用燃料电池堆的阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子。

15. 根据方案14所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的浓度包括使用至少一个传感器确定阳极回路中的气体的浓度。

16. 根据方案14所述的方法，其中确定燃料电池系统的阳极回路中的氮的积累速率包括观察发生在排出事件之间的氮的摩尔累积。

17. 根据方案14所述的方法，其中使用阳极回路中确定的氮的积累速率来确定通过燃料电池堆中的燃料电池薄膜的氮的渗透因子包括使用等式：

其中是渗透因子，AA是电池的有效面积，是燃料电池堆内电池的数目，是用于制成每个电池的薄膜的薄膜材料的薄膜厚度，是阳极进口的氮的浓度，是电池堆的阳极侧中氮的积累速率，是阴极子系统的压力，是阴极进口中氮的浓度，以及是阴极出口中氮的浓度。

18. 根据方案17所述的方法，其中阴极进口氮浓度和阴极出口氮浓度是假定值或测量值。

19. 根据方案14所述的方法，其中氮的期望的渗透因子是基于模型估计的。

20. 根据方案14所述的方法，其中阳极排出策略的调整量取决于已经得到的氮渗透增益的预定阈值。

附图说明

图1是燃料电池系统的简化方框图；

图2是用于确定氮进入阳极子系统的渗透速率的算法的流程图；以及

图3是X轴是时间并且Y轴是阳极子系统中氮的摩尔数的曲线图，示出了当计算阳极子系统中的氮的摩尔数时修正压力变化的效果。

具体实施方式

本发明的实施例的以下讨论涉及的用于确定氮进入阳极子系统的渗透速率的系统和方法，其实质上仅仅是示例性的，并且并不以任何方式旨在限制本发明或其应用或使用。

图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的简化方框图。来自氢源14的氢气使用诸如喷射器/注射器的喷射器16提供至在阳极输入线路18上的燃料电池堆12的阳极侧，该喷射器在转让给本申请的受让人的、2008年1月22日公布的、标题为“Combination of Injector-Ejector for Fuel Cell Systems”的美国专利号No.7,320,840中描述并且其在此结合作为参考。在电池堆12的阳极侧的输出提供的阳极排出气体返回至阳极再循环线路20上的燃料电池堆12中。阳极输入线路18，喷射器16，电池堆12的阳极侧以及阳极再循环线路20是形成“阳极子系统”的全部部件并且阳极输入线路18和阳极再循环线路20形成本领域技术人员公知的“阳极回路”。从燃料电池堆10的阴极侧的氮渗透稀释了电池堆12的阳极侧中的氢，由此影响燃料电池堆性能。因此，需要使用排出阀26周期地将阳极排出气体从阳极子系统排出以减少阳极子系统中，即，燃料电池堆12的阳极侧中的氮的量。当排出阀26打开时，排出的阳极排气流过排出线路28。

阳极回路包括如转让给本申请的受让人并且在此结合作为参考的、2010年10月27日提交的、标题为“Anode Gas Composition Utilizing H2 Injection Pressure Wave Propagation Rates”的共同待决申请序列号No.12/913,324中所描述的由公知的距离间隔开的第一压力传感器22和第二压力传感器24。如系统10所示，压力传感器22和24可以位于在阳极再循环线路20中。然而，压力传感器22或24中的一个可以在喷射器16和电池堆12之间的位置位于阳极进口线路18中。此外，两个传感器22和24除了是压力传感器外，例如汽车的压力传感器，传感器22和24中的一个或两个可以是压电传感器，即，声传感器，如在转让给本申请的受让人并且在此结合作为参考的、2011年5月10日提交的、标题为“Acoustic Speed of Sound Measurement Using Bandpass Filtering of Automotive Pressure Sensors”的共同待决申请序列号No.13/104,671中所描述的。还提供了用于测量再循环线路20中的阳极气体的温度的温度传感器46。浓度传感器还可以由基于气体热传导的装置构成。

来自压缩机32的空气在线路34上提供到燃料电池堆12的阴极侧。来自燃料电池堆12的阴极气体输出到阴极气体线路36上。线路34，电池堆12的阴极侧和阴极气体线路36是“阴极子系统”的全部部件。混合装置38提供在线路36中，用于将来自电池堆12的阴极气体与来自线路28的排出的阳极排气混合。在可替换的实施例中，尽管为了清楚在该实施例中没有示出，混合装置38可以提供在线路34中用于将阴极气体与来自线路28的排出的阳极排气混合。阴极气体线路36中的压力传感器48测量电池堆12的阴极侧的压力。

如将在下文中更详细地论述的，控制器44监测燃料电池系统10的阳极子系统和阴极子系统的温度和压力，控制压缩机32的速度，控制来自喷射器16的氢向电池堆12的阳极侧的喷射，并且控制阳极排出阀26的位置。

测量给定子系统中气体成分的大多数传感器能够确定给定子系统内的气体浓度。阳极再循环线路中的气体浓度可以使用以下等式确定：

     (1)

其中是氮的浓度，是氮的摩尔数，是氢的摩尔数，是水的摩尔数。

为了修正燃料电池堆12中薄膜的渗透速率中的变化，重要的是将氮的摩尔累积从氮的浓度变化中分离出来。原因是在阳极子系统中将氮的摩尔累积从氮的浓度变化中分离出来是非常重要的，因为存在可以产生在估计阳极子系统中氮的浓度的模型与由传感器22和24测量的阳极子系统中氮的确定的浓度之间的浓度差的多个误差来源。此外，通过排出阀26的排出流动率误差可以在模型的氮浓度与来自传感器22和24的确定的氮浓度之间产生浓度误差，然而，燃料电池堆12中通过燃料电池的薄膜的氮的渗透速率不受该误差的影响。因此，燃料电池堆12中薄膜的健康状态可以仅适用通过薄膜的氮的渗透速率确定。基于渗透速率中的变化确定氮的渗透速率并且调整阳极排出计划表在下文中详细地论述。

因为在没有改变氮的摩尔数的情况下氮的浓度可以基于水和氢的摩尔数变化，该浓度效果必须在通过燃料电池堆12的薄膜的氮的渗透速率上作出的任何判断之前修正。通过解出氮的摩尔数并且应用理想气体定律，等式（1）变成：

     (2)

其中阳极回路中的压力，单位为kPa，V是阳极体积，表示为升，R是理想气体常数（约为8.3144 kPa·L·mol^-1·K^-1），以及T为阳极流体温度，单位为开尔文。

使用等式（2），氮累积现在独立于燃料电池系统10的压力，并且因此氮累积可以与期望的氮的渗透速率相比较。通过观察在排出事件之间累积的氮的摩尔数，可能确定但的累积率。然而，为了调整阳极排出计划表，用于氮累积中的变化的修正的该水平仍然不足以精确地将氮模型与传感器测量相比较。在渗透因子可以计算出之前，一个最终的确定必须做出以精确地将氮模型与传感器测量相比较。为了计算渗透因子，使用以下等式。

     (3)

其中是渗透因子，AA是电池的有效面积，是燃料电池堆内电池的数目，是用于制成每个电池的薄膜的薄膜材料的薄膜厚度，是阳极进口的氮的浓度，是电池堆的阳极侧中氮的积累速率，其可以例如通过转让给本申请的受让人并且在此结合作为参考的、2010年12月17日提交的、标题为“Flow Estimation Based on Anode Pressure Response in Fuel Cell System”的、共同待决申请美国专利申请序列号No.12/971,982中描述的方法进行确定。是阴极子系统的压力，是阴极进口中的氮的浓度，其可以是测量或假定空气中氮的浓度，以及是阴极出口中氮的浓度，其可以是假定为燃料电池反应发生后阴极排气中期望的氮浓度，或可以是测量值。

从等式（3）得到的渗透因子可以直接地将氮渗透性的模型值与燃料电池堆12的阳极侧相比较以确定修正量，即，如果有，在需要的阳极排出计划表中调整。

图2是用于确定由于通过燃料电池堆12的薄膜的氮的渗透速率中的变化的渗透增益的算法的程序框图60。阳极出口氮浓度输出62提供至压力修正算法80以及渗透流动计算82。正如以上的讨论，阳极出口氮浓度可以使用传感器22和24确定。阳极回路压力输入64还提供至压力修正算法80和渗透流动计算82。阳极压力可以使用压力传感器22或24测量。测量阳极流体的温度的温度输入66输入到压力修正算法80中并且还输入到氮模型方框84中。

使用如以上的讨论的等式（1）和（2），阳极出口氮浓度输入62，阳极回路压力传感器输入64和温度传感器输入66用来确定燃料电池堆12的阳极侧中氮的积累速率，即，阳极回路中氮的积累速率。来自压力修正算法80的确定的氮的积累速率然后提供至渗透流动计算82。

阴极压力输入66，阴极进口氮浓度输入68和阴极出口氮浓度输入70提供至渗透流动计算82。使用输入62，64，66，68和70，如上所讨论的，通过电池堆12的薄膜的氮的渗透因子可以根据等式（3）确定。

如以上的讨论，温度输入66提供至氮模型方框84。可以测量或估计的、表示燃料电池堆12中的薄膜的含水率的拉姆达输入72还输入到氮模型方框84中以确定通过电池堆12的薄膜的氮的模型渗透因子。来自渗透流动计算82的确定的氮渗透因子和来自氮模型方框84的模型渗透因子可以提供至自适应控制器方框86。通过将来自渗透流动计算82确定的氮渗透因子与来自氮模型方框84的模型渗透因子相比较而确定的、来自自适应控制器方框86的渗透增益输出74提供至氮模型方框84以调整需要的阳极排出计划表。如果渗透增益超过预定阈值，例如预定百分比，阳极排出计划表将被调整。

图3示出了X轴为时间的两个曲线图。上方的曲线图在Y轴上示出了阳极子系统的氮的摩尔数，以及下方图标示出了阳极出口的氮的浓度。通过将下方曲线图与上方图标相比较，可以观察到阳极回路中修正氮浓度的效果。图3的上方曲线示出了基于阳极回路中确定的氮的摩尔数的修正氮模型的效果。使用了确定的氮的摩尔数的上方曲线是排放事件之间平滑增加的信号。使用了确定的氮浓度的上方曲线当系统压力增加时减少，其发生在图3中的约2,350秒。上方图标的斜率可以容易地确定，并且从斜率可以发现氮的渗透因子。因此，如以上的讨论的算法可以被用于自适应控制器以更精确地按需要修正排出时间。

上述讨论仅仅示例性地公开和描述了本发明的示例性的实施例。本领域技术人员将从这样的讨论以及附图和权利要求中很容易地理解到，在不背离以以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变，修改以及变化。