控制燃料电池系统中的燃料输送喷射器的适应性方法

摘要

本发明涉及控制燃料电池系统中的燃料输送喷射器的适应性方法，具体提供一种用于适应性地控制燃料电池系统中的燃料输送喷射器的方法，该方法包括确定燃料输送喷射器的前馈偏置、确定燃料输送喷射器的喷射器流量设定值、监测电池堆电流、确定燃料电池堆的瞬态压力校正值以及校正喷射器流量设定值。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于在燃料电池系统中控制燃料输送的适应性方法，更具体地涉及一种用于控制燃料输送喷射器的适应性方法，该方法包括确定输送燃料的估计值与消耗燃料的估计值之间的误差以更准确地确定燃料电池系统中的燃料流量设定值。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的并且可用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及介于两者之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂处离解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与氧气以及电子在阴极催化剂处反应以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此被引导穿过负载以便在被发送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜－例如聚全氟磺酸膜。阳极电极和阴极电极或催化剂层通常包括催化颗粒粉末－通常是支撑在碳粒子上并且与离子聚合物混合的铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的相反侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定膜电极组件(MEA)。每一个膜电极组件通常都夹在两片多孔性材料的气体扩散层(GDL)之间，所述气体扩散层保护膜的机械完整性而且还帮助形成均匀的反应物湿度分布。膜电极组件制作成本比较昂贵而且需要某些条件来进行有效操作。

若干燃料电池通常组合在一个燃料电池堆中以生成期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有200或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常是在压缩机作用下穿过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆还接收流入到电池堆阳极侧的阳极输入氢气。不是所有氧气都被燃料电池堆消耗，一些空气作为阴极排出气体被排出，所述阴极排出气体可包括作为发生在燃料电池堆中的化学反应的副产品的水。

燃料电池堆包括定位在燃料电池堆中的若干膜电极组件之间的一系列双极板，其中双极板和膜电极组件定位在两个端板之间。对燃料电池堆中的相邻燃料电池而言，双极板包括阳极侧和阴极侧流量分配器或流场。设置在双极板阳极侧上的阳极气流通道允许阳极反应气体流向相应的膜电极组件。设置在双极板阴极侧上的阴极气流通道允许阴极反应气体流向相应的膜电极组件。一个端板包括阳极气流通道，而另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料－例如不锈钢或导电复合材料制成。端板将燃料电池产生的电流传导出燃料电池堆。双极板还包括冷却流体流过其中的流动通道。

现有燃料电池系统软件通过使用具有前馈控制的控制器保持燃料电池堆的压力来控制阳极氢燃料的喷射。控制器的输出用以通过采用以每秒摩尔数为单位的燃料流量设定值来保持燃料电池堆的阳极侧压力。下面将更详细地描述的基于燃料电池堆的被保持压力的估计喷射器流量用于估计燃料电池堆中的氮气浓度、氮气流出流量、电池堆阳极压差、阳极流的水平衡和阳极气体成分，此外还用于检测阳极子系统中的泄漏。调谐不佳的喷射器流量导致在系统所使用的氮气模型中产生大的误差－例如10%的流量误差可导致所使用氮气模型中20%的误差。因此，在燃料电池系统中准确地估计喷射器流量是重要的。

如上所述，压力控制器的输出用于确定以每秒摩尔数为单位的燃料流量设定值。为设定喷射器的占空因数，喷射器的最大流量用具有喷射器特性的声音孔模型（sonic orifice model）来计算，从而确定最大流量系数(K_v)，所述最大流量系数(K_v)被认为是100%占空因数下的流量系数。燃料流量设定值随后被除以计算出的最大喷射器流量从而确定占空因数。

使用最大燃料流量系数K_v本身就假定喷射器是完全线性的而且不具有打开和关闭流体效应。然而，实际的喷射器并不以这种方式运转。此外，正如任何生产零件一样，同样款式的喷射器并不完全相同，而且生产零件的磨损程度也不相同。由此，在喷射器的寿命期间，喷射器可能偏离其标称规格。所有这些与标称喷射器的潜在差异可导致计算出的喷射器流量的显著差异。进一步，因为现有控制软件使用喷射器流量来确定氮气流出流量、电池堆阳极压差、阳极流的水平衡和阳极气体成分，所以喷射器流量是重要的。因此，在本领域中需要一种适应性的喷射器模型，该喷射器模型能够捕获单个喷射器中的改变和差异。

发明内容

根据本发明的教导，公开一种用于适应性地控制燃料输送喷射器的方法，该燃料输送喷射器将氢气燃料输送至燃料电池系统中的燃料电池堆。该方法包括确定燃料输送喷射器的前馈偏置（feed-forward bias）、确定燃料输送喷射器的喷射器流量设定值、监测电池堆电流、确定电池堆的瞬态压力校正值和校正喷射器流量设定值。

方案1. 一种用于适应性地控制燃料输送喷射器的方法，该燃料输送喷射器输送氢燃料至燃料电池系统中的燃料电池堆，所述方法包括：

确定所述燃料输送喷射器的前馈流量偏置；

确定所述喷射器的流量设定值；

校正所述喷射器的流量设定值以确定校正的流量设定值；

确定所述喷射器的最大流动速率；

基于所述校正的流量设定值和所述最大流动速率来确定所述喷射器的占空因数；以及

使用所述占空因数来控制所述喷射器将燃料喷射到燃料电池堆中。

方案2. 如方案1所述的方法，还包括将喷射器流量比例因数存储在斌中。

方案3. 如方案1所述的方法，其中确定燃料输送喷射器的前馈流量偏置包括监测电池堆电流以及确定燃料电池堆中的阀门损失和瞬态压力校正值。

方案4. 如方案1所述的方法，其中确定喷射器的流量设定值包括将所述前置流量偏置与来自燃料电池堆的压力设定值和压力反馈进行比较。

方案5. 如方案1所述的方法，其中校正喷射器的流量设定值以确定校正的流量设定值包括确定燃料电池堆的氢消耗量和燃料电池堆的瞬态压力。

方案6. 如方案1所述的方法，其中确定喷射器的最大流动速率包括确定喷射器的最大流量系数、氢气供给压力和氢气供给温度。

方案7. 如方案1所述的方法，还包括生成所述流量设定值的比例因数，该比例因数被传送以用于确定占空因数从而确保当所述燃料电池系统被密封时喷射器模型中的不准确性不会传播到流量设定值。

方案8. 如方案7所述的方法，其中校正喷射器流量设定值包括通过下述公式提供比例因数：

其中：

并且其中是比例因数、是假定线性喷射器响应的喷射器流量设定值、k_p是比例增益、是第一积分增益、是第二积分增益、I 是电池堆电流、Ncell 是燃料电池堆中的电池数量、P 是阳极压力、V 是阳极容积、T 是阳极气体温度、F 是法拉第常数并且R 是通用气体常数。

方案9. 如方案8所述的方法，其中是短周期误差。

方案10. 如方案8所述的方法，其中是长周期误差。

方案11. 一种用于适应性地控制燃料输送喷射器的方法，该燃料输送喷射器输送氢燃料至燃料电池系统中的燃料电池堆，所述方法包括：

确定燃料输送喷射器的前馈流量偏置；

确定所述燃料输送喷射器的喷射器流量设定值；

监测燃料电池系统中的电池堆电流；

确定燃料电池堆的瞬态压力校正值；以及

校正所述喷射器流量设定值。

方案12. 如方案11所述的方法，还包括将喷射器流量比例因数存储在斌中。

方案13. 如方案11所述的方法，其中确定燃料输送喷射器的前馈流量偏置包括监测电池堆电流以及确定燃料电池堆中的阀门损失和瞬态压力校正值。

方案14. 如方案11所述的方法，其中确定喷射器流量设定值包括将所述前置流量偏置与来自燃料电池堆的压力设定值和压力反馈进行比较。

方案15. 如方案11所述的方法，其中校正流量设定值包括确定燃料电池堆的氢消耗量和瞬态压力。

方案16. 如方案11所述的方法，还包括生成所述流量设定值的比例因数以确保当所述燃料电池系统被密封时喷射器模型中的不准确性不会传播到流量设定值。

方案17. 如方案16所述的方法，其中校正喷射器流量设定值包括通过下述公式提供比例因数：

其中：

并且其中是比例因数、是假定线性喷射器响应的喷射器流量设定值、k_p是比例增益、是第一积分增益、是第二积分增益、I 是电池堆电流、Ncell 是燃料电池堆中的电池数量、P 是阳极压力、V 是阳极容积、T 是阳极气体温度、F 是法拉第常数并且R 是通用气体常数。

方案18. 如方案17所述的方法，其中是短周期误差。

方案19. 如方案17所述的方法，其中是长周期误差。

方案20. 一种用于适应性地控制燃料输送喷射器的方法，该燃料输送喷射器输送氢燃料至车辆燃料电池系统的燃料电池堆，所述方法包括：

通过监测燃料电池堆的电流以及确定燃料电池堆中的阀门损失和瞬态压力校正值来确定前馈流量偏置；

通过将所述前馈流量偏置与来自燃料电池堆的压力设定值和压力反馈进行比较来确定所述燃料输送喷射器的流量设定值；

通过将确定的喷射器流量设定值与燃料电池堆的氢消耗量以及燃料电池堆的瞬态压力校正值进行比较来校正所述燃料输送喷射器的流量设定值以确定校正的流量设定值，其中当所有阳极阀门都关闭时，所述流量设定值被调节以使其与燃料电池堆的氢消耗量和瞬态压力校正值匹配；

将所述流量设定值的比例因数存储在斌中；

生成校正的喷射器流量，该校正的喷射器流量被传送下去以用于确定喷射器占空因数；

使用喷射器的最大流量系数、氢气供给压力和氢气供给温度来确定喷射器的最大流动速率；

基于校正的流量设定值和喷射器的最大流动速率来确定所述燃料输送喷射器的占空因数；以及

使用所述占空因数来控制喷射器将燃料喷射到燃料电池堆中。

通过结合附图来参阅下面的描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得清楚。

附图说明

图1是燃料电池系统的示意方框图；以及

图2是控制燃料电池系统中的喷射器的适应性方法的流程图。

具体实施方式

下面对涉及用于对输送氢燃料至燃料电池系统中的燃料电池堆的喷射器进行控制的适应性方法的、本发明的实施方式的论述本质上仅是示例性的，决非用于限制本发明或者其应用或用途。

图1是燃料电池系统10的示意方框图，该燃料电池系统包括具有阳极侧和阴极侧的燃料电池堆12。喷射器20将氢从阳极输入管线16上的氢气源14喷射到燃料电池堆12的阳极侧中。喷射器20可以是适用于本文所述目的的任何喷射器、喷射器／注射器或喷射器组。温度传感器26测量阳极输入管线16中的氢的温度，而且压力传感器28测量阳极输入管线16中的氢的压力。在该实施方式中，燃料电池系统10采用阳极再循环，其中阳极再循环气体从燃料电池堆12输出并且经由阳极再循环管线18通过喷射器20再循环回阳极输入管线16。阳极再循环管线18上的压力传感器42监测燃料电池堆12的阳极侧中的压力。排出管线22中设置有阀门24，而且为所属领域技术人员充分理解的是，该阀门24基于安排周期性地打开以排空水并从燃料电池堆12的阳极侧去除氮。压缩机30提供空气流至阴极输入管线34上的燃料电池堆12的阴极侧，而且阴极排出气体管线36接收来自燃料电池堆12的阴极排气。

如上所述，本领域中需要一种适应性的喷射器模型，该喷射器模型能够捕获单个喷射器中的改变和差异从而弥补早先用于燃料输送的方法的不足之处。图2是示出了适应性喷射器控制算法的实施方式的流程图50，该适应性喷射器控制算法能够适用于单个喷射器的特性。在下述情形时采用该算法：当阳极侧作为闭合系统运转时－即当所有阀门－例如阀门24关闭时，当燃料电池系统10以稳定状态运转时，其中喷射器20仅添加与保持期望压力所消耗数量的一样多的燃料。

前馈偏置计算在方框52处基于三个输入被确定：(1)电流，所述电流与氢的消耗量关联；(2)阀门损失，所述阀门损失是基于在系统10的阳极子系统中有没有任何阀门打开来确定的压力损失；(3)瞬态校正值，所述瞬态校正值是基于由压力传感器42测量的燃料电池堆12的瞬态压力的压力校正值。流量偏置通过这三个输入被确定，所述流量偏置是用于将燃料电池堆12保持在期望压力下的估计的氢气期望流量。基于预定的压力设定值、燃料电池系统10的压力反馈和在方框52处计算的流量偏置，所述算法在方框54处确定喷射器20的流量设定值应该是什么。

随后流量设定值在方框56处通过适应性校正器被校正，这是通过将流量设定值与电池堆电流以及瞬态压力校正值相比较来实现的，所述电池堆电流与氢的消耗量相关，而瞬态压力校正值是基于由压力传感器42测量的燃料电池堆12的瞬态压力的压力校正值。当所有阳极阀门关闭时，调节流量设定值以使其与氢的消耗量和瞬态压力校正值匹配。来自方框56的校正的流量设定值随后用于在方框58处确定喷射器20的期望占空因数。喷射器20的期望占空因数是基于来自方框56的校正的流量设定值和来自方框60的最大燃料流量计算值来确定的。最大流量计算值是喷射器20能够实现的最大流量，而且是基于由压力传感器28测量的来自氢气源14的氢气供给压力、由温度传感器26测量的氢气供给温度以及基于喷射器20的孔的大小的最大流量系数K_v得出的。喷射器20的期望占空因数一旦确定，该喷射器占空因数就被燃料电池系统在方框62处采用。如上所述，当在方框62处以喷射器20的期望占空因数运转时，由压力传感器42测量的来自燃料电池系统10的压力反馈在方框54处被用作确定流量设定值的输入。

由此，适应性喷射器控制算法采用压力控制器的输出－即燃料流量设定值，并且如上所述，当满足某些条件时，将所述燃料流量设定值与电池堆电流以及电池堆瞬态压力比较。燃料流量设定值与电池堆电流以及瞬态压力之间的误差e  用于产生流量设定值的比例因数 －下面将更详细描述，该比例因数随后输送至占空因数计算器以确保当燃料电池系统被密封时喷射器模型中的不准确性不会传播到流量设定值。由此，喷射器流量的估计值的准确性被改进，从而使其他系统估计值－例如氮气浓度估计值和泄漏检测值具有更高的准确性。

由方框56处的算法确定的比例因数定义如下：

其中：

并且其中是比例因数、是假定线性流量喷射器响应的喷射器流量设定值、k_p是比例增益、是第一积分增益、是第二积分增益、I 是电池堆电流、Ncell是燃料电池堆12中的电池数量、P 是阳极压力、V 是阳极容积、T 是阳极气体温度、F 是法拉第常数并且R 是通用气体常数。

公式(1)本质上是用第二长周期积分器优化的比例积分。比例P的增益用于校正瞬态误差，第一积分i的增益校正短周期的稳定状态误差，而且第二积分器a的增益捕获长周期误差，即那些指示永久误差的误差－例如喷射器20的零件之间的偏差。在该算法中，每一步骤的a的增益、长周期误差都从i的增益、短周期误差中去除；以便稳定长周期误差并且保持算法不会过度调整(over－adapting)。如上所述，当阳极阀门打开时所述算法被停止。此外，所述算法仅在运行模式期间是有效的并且假定氢气串流（hydrogen crossover）最小或者是零。由此，阳极压力流量设定值表明向系统中喷射了多少燃料。还可在方框56处采用调整阈值，以便一旦实现所述调整阈值时就触发诊断工具从而使所述算法能够检测和减轻系统泄漏。

如上所述，现有的占空因数算法假定线性喷射器响应，该线性喷射器响应的假设不能充分代表实际运转的情况。如上所述，根据本发明，如果在方框56处由该算法进行的调整在流量曲线的不同点处是独有的，那么该算法可通过在按电流密度划分的斌（bin）中存储a增益的状态而被有效地使用，因为电流密度直接与流量成比例。由此，当燃料电池系统10上下移动流量曲线时－这可能是穿过喷射器20的流量的非线性所致，该适应性算法自行重置以使用来自相应储存器的校正值并且继续进行适应性调整。如所属领域技术人员公知的，斌（bin）是通过将二维平面划分为若干区域而使得能够进行高效的区域查询的数据结构，因而该数据结构使所述算法能够针对非线性进行调整。

前面的讨论仅是对本发明的示例性实施方式的公开和描述。通过这些讨论以及附图和权利要求，本领域技术人员将会容易地认识到，在不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变、改型和变型。