專利名稱：基于氣體濃度模型的在駐車過程中氫氣噴射的反饋控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請總體涉及用于確定何時將氫氣噴射到燃料電池組的陽極側(cè)的系統(tǒng)和方法， 特別地，涉及當(dāng)汽車停止時，用于確定何時將氫氣噴射到與燃料電池汽車相關(guān)的燃料電池組的陽極側(cè)的系統(tǒng)和方法，這里該系統(tǒng)和方法基于氫氣濃度模型和相關(guān)的噴射器算法確定何時噴射氫氣。
背景技術(shù)：
氫氣是非常讓人感興趣的燃料，因?yàn)槠淝鍧嵅⑶夷軌蛴糜谠谌剂想姵刂懈咝У禺a(chǎn)生電能。氫燃料電池是包括陽極和陰極以及在二者中間的電解質(zhì)的電化學(xué)設(shè)備。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或者空氣。氫氣在陽極催化劑處分解產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰極催化劑處與氧氣和電子反應(yīng)，產(chǎn)生水。來自于陽極的電子不能穿過電解質(zhì)，因此在被送到陰極之前被引導(dǎo)通過負(fù)載以執(zhí)行做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是常用的汽車燃料電池。PEMFC通常包括固態(tài)的聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極電極，或者催化劑層，典型地包括細(xì)微地分開的催化粒子，通常為鉬(Pt)，其被支撐在碳顆粒上并且與離子交聯(lián)聚合物混合。催化混合物沉積在膜的相對兩側(cè)上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合，限定出膜電極組件(MEA)。每個MEA通常被夾在兩個薄片狀的多孔材料，即氣體擴(kuò)散層(GDL)之間， 氣體擴(kuò)散層用于保護(hù)膜的機(jī)械完整性，并且有助于一致的反應(yīng)物濕度擴(kuò)散。MEAs的制備相對昂貴，并且其有效操作需要特定的條件。通常，將若干個燃料電池組合在燃料電池組中，用于產(chǎn)生需要的功率。例如，典型的用于汽車的燃料電池組可能具有兩百個或者更多的堆疊的燃料電池。燃料電池組接收陰極輸入氣體，通常地為通過壓縮機(jī)驅(qū)動通過電池組的空氣流。燃料電池組還接收流入電池組的陽極側(cè)的陽極氫氣輸入氣體。并不是全部的氧氣都被電池組消耗掉，一部分空氣被作為陰極廢氣輸出，其中可包括作為電池組中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物的水。燃料電池組包括一系列的位于電池組內(nèi)的若干個MEAs之間的雙極板，其中雙極板和MEAs位于兩個端部板之間。雙極板包括陽極側(cè)和陰極側(cè)流動分配器，或者流動場，用于電池組中相鄰的燃料電池。在雙極板的陽極側(cè)上提供有陽極氣體流動通道，該通道允許陽極反應(yīng)氣體流至相應(yīng)的MEA。在雙極板的陰極側(cè)上提供有陰極氣體流動通道，該通道允許陰極反應(yīng)氣體流至相應(yīng)的MEA。一個端部板包括陽極氣體流動通道，另外一個端部板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端部板使用導(dǎo)電材料制備，例如不銹鋼，或者導(dǎo)電的復(fù)合物。端部板將燃料電池產(chǎn)生的電能傳導(dǎo)到電池組外部。雙極板還包括冷卻流體流動通過的流動通道。在汽車應(yīng)用中，在汽車的整個使用壽命以及燃料電池系統(tǒng)的壽命中，有大量的啟動和停止循環(huán)，每次循環(huán)都會如上文所述產(chǎn)生空氣/氫氣鋒。一個普通汽車在整個使用壽命中會經(jīng)歷40，000次啟動/停止循環(huán)。由于空氣/ 氫氣鋒可能產(chǎn)生的電勢，啟動和停止循環(huán)會損壞燃料電池系統(tǒng)，下文中將進(jìn)行討論并且已證實(shí)的最優(yōu)的損壞緩解在每次啟動和停止循環(huán)仍然會引起大約2到5 μ V的退化。因此，超過40，000次的啟動和停止循環(huán)產(chǎn)生的全部的退化可能超過100mV。然而，通過在燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時不允許空氣進(jìn)入燃料電池組，在隨后的重新啟動過程中的損壞就可以減輕或者避免。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，未反應(yīng)的氫氣保留在燃料電池組的陽極側(cè)。這些氫氣能夠擴(kuò)散穿過或者越過膜，然后與陰極側(cè)的氧氣反應(yīng)。隨著氫氣擴(kuò)散到陰極側(cè)，電池組的陽極側(cè)的總壓力就減小了，這里壓力有可能減小到低于大氣壓力。這個壓力差能夠?qū)⒖諝鈴拇髿庵形氲诫姵亟M的陽極側(cè)。空氣還有可能通過擴(kuò)散從陰極進(jìn)入陽極。當(dāng)空氣進(jìn)入電池組的陽極側(cè)，就會產(chǎn)生空氣/氫氣鋒，空氣/氫氣鋒在陽極側(cè)產(chǎn)生短路，造成氫離子從陽極側(cè)的充滿氫氣的部分向著陽極側(cè)的充滿空氣的部分側(cè)向流動。該電流與膜的高的側(cè)向離子電阻結(jié)合，產(chǎn)生膜兩側(cè)的很大的側(cè)向電壓降( 0.5V)。這在與陽極側(cè)的充滿空氣的區(qū)域相對的且與電解質(zhì)膜相鄰的陰極側(cè)之間產(chǎn)生局部的高的電勢，該高的電勢將驅(qū)使快速的碳腐蝕，并且引起電極的碳層變薄。這將削弱對催化劑顆粒的支撐，從而降低燃料電池的性能。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，氣體繼續(xù)滲透穿過膜，直到在膜的兩側(cè)氣體成分的分壓相同。氫氣從陽極穿過膜到達(dá)陰極的擴(kuò)散率大約三倍于氮?dú)鈴年帢O到達(dá)陽極的速度。與相對慢的氮?dú)夥謮旱钠胶庀啾?，較高的氫氣擴(kuò)散速度實(shí)現(xiàn)快的氫氣分壓的平衡。氣體擴(kuò)散率的不同引起陽極子系統(tǒng)絕對壓力的下降，直到陰極氫氣分壓達(dá)到陽極氫氣分壓的值。通常， 燃料電池組的陽極側(cè)在較高的氫氣濃度下工作，例如高于60%，大體積的富氫氣體存在于電池組的陽極外部的陽極集管和陽極管道內(nèi)。隨著陽極絕對壓力的下降，更多的氫氣從陽極子系統(tǒng)中被抽出，進(jìn)入電池組的陽極流動場。系統(tǒng)關(guān)閉后氫氣分壓平衡的凈效果是至少在系統(tǒng)關(guān)閉后的一些時間內(nèi)，燃料電池組的陰極側(cè)氫氣濃度隨著時間而增加。在系統(tǒng)啟動時，壓縮機(jī)啟動，但是從陰極離開燃料電池組的氫氣的濃度必須被限制，以不違反排放要求。因此，隨著燃料電池的陰極充滿新鮮空氣，離開電池組的陰極側(cè)的富氫氣體必須被稀釋。為了滿足啟動時間和噪音的要求，需要優(yōu)化電池組陰極的填充時間。因?yàn)殛帢O的流動是受限于壓縮機(jī)可達(dá)到的功率，所以填充方法必須對總壓縮機(jī)流動速度內(nèi)的變化具有魯棒性。在系統(tǒng)啟動時，假定從前次關(guān)閉后已經(jīng)過了足夠長的時間，上次關(guān)閉時剩余在電池組中的氫氣中的大部分已經(jīng)擴(kuò)散到電池組外，陰極和陽極的流動通道內(nèi)都基本上充滿了空氣。當(dāng)系統(tǒng)啟動，氫氣被引入到陽極流動通道內(nèi)時，氫氣將空氣從陽極流動通道推出，從而產(chǎn)生移動通過陽極流動通道的氫氣/空氣鋒。在陽極側(cè)氫氣/空氣鋒的存在再加上陰極側(cè)上的空氣，會引起一系列的電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，這些反應(yīng)造成MEA的陰極側(cè)上碳支撐體的消耗，由此降低了燃料電池組內(nèi)MEAs的壽命。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在不解決系統(tǒng)啟動時的氫氣/空氣鋒的退化效果的情況下，大約100次停止和啟動循環(huán)就能以這種方式損壞燃料電池組。一種已知的能夠在系統(tǒng)啟動時顯著減輕空氣/氫氣鋒，從而減輕催化侵蝕的技術(shù)是減少陽極和陰極都充滿空氣時的啟動頻率。實(shí)現(xiàn)這個的一個方案是將陽極和陰極留在氮?dú)?氫氣環(huán)境中。然而，氫氣最終會要么擴(kuò)散到陽極外面，要么被緩慢地返回到電池組中的氧氣消耗掉。因此，為了延長減輕催化侵蝕的能力，在系統(tǒng)是關(guān)閉狀態(tài)時可周期性地將氫氣噴射到電池組中。因?yàn)樵谙到y(tǒng)關(guān)閉時，氮?dú)饣旧媳Ａ粼陉帢O側(cè)，由于氧氣被燃料電池反應(yīng)消耗掉，所以在系統(tǒng)關(guān)閉后，氮?dú)夂蜌錃馐窃谌剂想姵亟M的陰極和陽極側(cè)保持平衡的主要
5成分?？赡芡ㄟ^管路擴(kuò)散進(jìn)入陰極的任何氧氣都將被過量的氫氣消耗，延緩了陰極和陽極內(nèi)氧氣的聚集。這種延緩?fù)ǔ⒆柚蛊茐男缘目諝?氫氣鋒。希望在系統(tǒng)啟動的過程中預(yù)測或者估計在燃料電池系統(tǒng)的陽極和陰極內(nèi)的氫氣的量，來實(shí)現(xiàn)在最大化可靠性和最小化啟動時間的同時滿足排放需求的啟動策略。通常可期望的是氫氣濃度估算器相對于與關(guān)閉和停止時間相關(guān)的功能具有魯棒性并且考慮氣體的膜滲透性和來自外部源的空氣侵入。同時，估計算法必須足夠簡單從而能以足夠小的計算量的方式設(shè)置在汽車控制器中，從而能不延遲啟動地完成該算法。在啟動時確定燃料電池組的陽極和陰極內(nèi)氫氣的濃度將實(shí)現(xiàn)最快的可能啟動時間，因?yàn)楫?dāng)不必要時，系統(tǒng)控制不需要提供過量的稀釋空氣。而且，氫氣濃度的獲知提供更可靠的啟動，因?yàn)閷佬枰a(bǔ)充的陽極內(nèi)的氫氣的量。這與從待機(jī)狀態(tài)，或者從關(guān)閉狀態(tài)中間開始的啟動狀態(tài)特別相關(guān)，此時氫氣的濃度可相對較高。而且，獲知?dú)錃鉂舛瓤商岣吣途眯?，因?yàn)楫?dāng)電池組中有未知的氫氣濃度時，，典型的啟動策略可能需要假定用于噴射目的的氫氣的最差情況百分比和用于稀釋目的的100% 的氫氣。在那種情況下，相比于如果已知電池組充滿了空氣的情況下，最初的陽極氫氣氣流會比較慢。當(dāng)電池組充滿空氣時，侵蝕的速度正比于最初氫氣的流動速度。因此，在沒有準(zhǔn)確地獲知?dú)錃獾臐舛鹊那闆r下，這些事件的每一個都可能造成不必要的損害。。同樣，氫氣濃度的獲知提供改善的效率，因?yàn)樵趩忧案_的確定陽極和陰極中氫氣的濃度，將導(dǎo)致更有效地啟動決定和氫氣使用的潛在減少。例如，如果已知電池組是在其中沒有氫氣的條件下啟動的，就可以降低稀釋空氣流動速度。而且，氫氣濃度的獲知可提供更魯棒的啟動。在倉促停止或者存在失效傳感器時的停止的情況下，算法可利用物理限制以對在陰極和陽極內(nèi)的氫氣提供上限和下限。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時，對何時使氫氣噴射到現(xiàn)有的系統(tǒng)中的燃料電池組的陽極側(cè)內(nèi)的確定通?；跁r間。特別地，燃料電池系統(tǒng)控制器的啟動基于固定的時間表，并且每次控制器啟動，其將自上次啟動時的時間與氫氣噴射時間表進(jìn)行比較。如果控制器已經(jīng)關(guān)閉的時間超過時間表的噴射時間，則實(shí)施氫氣噴射。通常，噴射時間表是通過查詢表經(jīng)驗(yàn)地確定的， 該表根據(jù)電池組的物理參數(shù)來修正，例如壓力，溫度等，這些參數(shù)從上次成功的系統(tǒng)關(guān)閉時獲得。噴射的氫氣通過壓力控制，當(dāng)電池組的壓力超過標(biāo)定閾值時，噴射停止。上文中記載的用于確定何時提供氫氣噴射的技術(shù)具有很多的不足。特別地，每個燃料電池系統(tǒng)都是不同的，具有不同的部件變化。而且，系統(tǒng)操作是隨著燃料電池組的使用時間變化的。同樣，大氣條件也影響燃料電池系統(tǒng)的操作。進(jìn)一步地，陽極子系統(tǒng)的泄露確定了氫氣以多快的速度從陽極移出。同樣，由于壓力不是氫氣濃度的指示，所以在每次壓力控制的噴射時，氫氣的濃度可能不同。因此，用于一個系統(tǒng)的用來確定氫氣噴射的時間表可能不適用于另外的燃料電池系統(tǒng)-因?yàn)樵诎才畔麓螄娚渲?，一個系統(tǒng)中的氫氣可能低于預(yù)定的閾值，例如15%。2009年10月9日提交的，發(fā)明名稱為“在關(guān)閉和啟動時燃料電池系統(tǒng)內(nèi)氫氣濃度的估計”的美國臨時專利申請No. 61/2504 ，公開了一種用于估計燃料電池組內(nèi)氫氣的量的系統(tǒng)和方法。該方法定義燃料電池組和電池組的體積為包括陽極流動場和陽極管道體積、陰極流動場體積和陰極集管和管道體積的離散的體積。該方法在燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時， 估計陽極流動場和陽極管道體積內(nèi)、陰極流動場體積和陰極集管和管道體積內(nèi)的氫氣和/或氮?dú)獾牧?。該方法還在燃料電池系統(tǒng)啟動時，估計陽極流動場和陽極管道體積內(nèi)的氫氣和/或氮?dú)獾牧?、陰極流動場體積內(nèi)的氫氣的量和陰極集管和管道體積內(nèi)的氫氣的量。這些值都基于關(guān)于氫氣、氮?dú)狻駳夂脱鯕獾耐ㄟ^擴(kuò)散、對流、泄露以及膜滲透的運(yùn)動的假定來估計的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種當(dāng)燃料電池汽車停止時，用于確定何時向與燃料電池汽車相連的燃料電池組的陽極側(cè)噴射氫氣的系統(tǒng)和方法，其中所述確定是基于氣體濃度模型。該方法包括使用氣體濃度模型來估計燃料電池組中陽極側(cè)的氫氣的濃度，并且確定所述估計的氫氣濃度是否小于第一預(yù)定閾值。如果所述估計的氫氣小于所述閾值，則從氫氣源向所述陽極側(cè)噴射氫氣。在氫氣噴射過程中，所述方法比較所述估計的陽極側(cè)的氫氣濃度和期望的濃度，并且產(chǎn)生二者之間的誤差信號。如果所述誤差信號大于第二預(yù)定閾值，則算法繼續(xù)向燃料電池組的陽極側(cè)噴射氫氣。本發(fā)明的更多的特征將會通過下文中的說明書和權(quán)利要求書，結(jié)合附圖得以清楚說明。本申請還提供了下述方案方案1. 一種用于確定當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，何時向燃料電池系統(tǒng)的陽極內(nèi)噴射氫氣的方法，所述方法包括對所述陽極中氫氣的濃度進(jìn)行估計；對所述陽極內(nèi)的所述估計的氫氣濃度是否低于預(yù)定的閾值進(jìn)行確定；并且如果所述陽極內(nèi)所述估計的氫氣濃度低于所述閾值，則在所述燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，使得從氫氣源向所述陽極內(nèi)噴射氫氣。方案2.如方案1所述的方法，其中對所述陽極中氫氣的濃度進(jìn)行估計包括使用氣體濃度模型。方案3.如方案2所述的方法，進(jìn)一步包括在氫氣的噴射過程中，向所述氣體濃度模型提供噴射開始時間信號和噴射激活時間信號，從而確定所述陽極內(nèi)的所述氫氣的濃度。方案4.如方案1所述的方法，其中使得氫氣噴射到所述陽極內(nèi)包括計算噴射器的工作周期以及在所述工作周期操作所述噴射器來噴射氫氣。方案5.如方案4所述的方法，進(jìn)一步包括確定所述陽極內(nèi)期望的氫氣的量與所述陽極內(nèi)所述估計的氫氣的量之間的誤差，并且根據(jù)所述誤差提供氫氣摩爾流量設(shè)置點(diǎn)來控制噴射的氫氣的量。方案6.如方案1所述的方法，進(jìn)一步包括通過比較期望的氫氣濃度與所述估計的所述氫氣濃度以確定所述期望的氫氣濃度與所述估計的濃度之間的差別是否大于預(yù)定的閾值，來確定何時終止氫氣向所述陽極內(nèi)的噴射。方案7.如方案1所述的方法，其中對所述陽極中氫氣的濃度進(jìn)行估計包括將氫氣的濃度估計為摩爾流率。方案8.如方案1所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)是在汽車上的，并且所述方法是在所述汽車停止時，促使所述氫氣噴射到所述陽極內(nèi)。
方案9.如方案1所述的方法，其中當(dāng)燃料電池系統(tǒng)控制器基于預(yù)定的啟動時間表啟動時實(shí)施該方法。方案10. —種用于確定當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，何時向燃料電池系統(tǒng)的陽極內(nèi)噴射氫氣的方法，所述方法包括使用氣體濃度模型對所述陽極內(nèi)的氫氣的濃度進(jìn)行估計；對所述估計的氫氣的濃度是否低于第一預(yù)定的閾值進(jìn)行確定；如果所述陽極內(nèi)所述估計的氫氣的濃度低于所述第一閾值，則在所述燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，使得從氫氣源向所述陽極內(nèi)噴射氫氣；對所述估計的氫氣的濃度與期望的氫氣的濃度進(jìn)行比較，并且產(chǎn)生兩者之間的誤
差信號；對所述誤差信號是否大于第二預(yù)定閾值進(jìn)行確定；將所述誤差信號轉(zhuǎn)化為設(shè)置點(diǎn)的值；使用噴射器模型將摩爾流量的所述設(shè)置點(diǎn)的值轉(zhuǎn)化為噴射器工作周期值；和如果所述誤差信號下降到低于所述第二預(yù)定閾值，則停止氫氣的噴射。方案11.如方案10所述的方法，進(jìn)一步包括在氫氣的噴射過程中，向所述氣體濃度模型提供噴射開始時間信號和噴射激活時間信號，以確定所述陽極內(nèi)的所述氫氣的濃度。方案12.如方案10所述的方法，其中當(dāng)燃料電池系統(tǒng)控制器基于預(yù)定的啟動時間表啟動時實(shí)施該方法。方案13. —種用于確定當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，何時向燃料電池系統(tǒng)的陽極內(nèi)噴射氫氣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于對所述陽極內(nèi)的氫氣的濃度進(jìn)行估計的裝置；用于對所述陽極內(nèi)的所述估計的氫氣的濃度是否低于預(yù)定的閾值進(jìn)行確定的裝置；以及用于如果所述陽極內(nèi)所述估計的氫氣的濃度小于所述閾值，則在燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時使得從氫氣源向所述陽極內(nèi)噴射氫氣的裝置。方案14.如方案13所述的系統(tǒng)，其中所述用于對所述陽極內(nèi)的氫氣的濃度進(jìn)行估計的裝置包括使用氣體濃度模型。方案15.如方案14所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于在氫氣的噴射過程中，向所述氣體濃度模型提供噴射開始時間信號和噴射激活時間信號，以確定所述陽極內(nèi)的所述氫氣的濃度的裝置。方案16.如方案13所述的系統(tǒng)，其中所述用于使得向所述陽極內(nèi)噴射氫氣的裝置計算噴射器的工作周期并且在該工作周期操作所述噴射器來噴射氫氣。方案17.如方案16所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于對所述陽極內(nèi)期望的氫氣的量與所述陽極內(nèi)的所述估計的氫氣的量之間的誤差進(jìn)行確定，并且根據(jù)該誤差提供氫氣摩爾流量設(shè)置點(diǎn)以控制噴射的氫氣的量的裝置。方案18.如方案13所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于通過對期望的氫氣濃度與所述估計的氫氣濃度進(jìn)行比較，以確定所述期望的氫氣濃度與所述估計的濃度之間的差別是否大于預(yù)定的閾值，從而確定何時終止氫氣向所述陽極內(nèi)的噴射的裝置。
方案19.如方案13所述的系統(tǒng)，其中所述用于對所述陽極內(nèi)的氫氣的濃度進(jìn)行估計的裝置將氫氣的濃度估計為摩爾流率。方案20.如方案13所述的系統(tǒng)，其中所述燃料電池系統(tǒng)是在汽車上的，并且所述系統(tǒng)在所述汽車停止時，使得所述氫氣噴射到所述陽極內(nèi)。


圖1是燃料電池系統(tǒng)的示意性的框圖。圖2是示出了在氣體濃度模型和用于確定何時提供氫氣的噴射的噴射算法之間的信號交換的框圖。圖3是示出了基于氣體濃度模型的氫氣噴射的反饋控制的系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式下面針對涉及使用氣體濃度模型確定當(dāng)燃料電池汽車停止時何時向與燃料電池汽車相連的燃料電池組的陽極側(cè)提供氫氣噴射的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明的實(shí)施例的描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，決不帶有限制本發(fā)明或者其應(yīng)用或用途的目的。圖1是包括燃料電池組12的燃料電池系統(tǒng)10的平面圖。壓縮機(jī)14在陰極輸入線16上向燃料電池組12的陰極側(cè)提供壓縮空氣。陰極廢氣在陰極廢氣線18上從燃料電池組12中輸出。噴射器32從氫氣源36，例如高壓罐，在陽極輸入線34上將氫氣噴射到燃料電池組12的陽極側(cè)。來自于燃料電池組12的陽極廢氣在再循環(huán)線沈上再循環(huán)回到噴射器32。在本領(lǐng)域中已知的，有必要周期性地泄放陽極廢氣以從電池組12的陽極側(cè)的去除氮?dú)狻榇?，在陽極廢氣線觀內(nèi)提供用于此目的的泄放閥30，這里被泄放的陽極廢氣與線 18上的陰極廢氣組合，以用于將陽極廢氣中的氫氣稀釋到低于易燃點(diǎn)和/或排放限制。如下文中將要詳述的，本發(fā)明使用現(xiàn)有技術(shù)中已知類型的氣體濃度模型(GCM)，例如在‘4 申請中公開的那種，來確定當(dāng)系統(tǒng)10處于關(guān)閉狀態(tài)時，何時向燃料電池組12的陽極側(cè)提供氫氣的噴射。在燃料電池組12處于關(guān)閉狀態(tài)時在期望的時間將氫氣噴射到燃料電池組12的陽極側(cè)，以試圖使如上文中所述可能在燃料電池組12內(nèi)產(chǎn)生的氫氣/空氣鋒最少化。圖2是示出了該設(shè)計的概括視圖的系統(tǒng)40的框圖。系統(tǒng)40包括氣體濃度模型塊 42和氫氣駐車算法塊M。氣體濃度模型確定陽極子系統(tǒng)中氫氣的濃度，通常作為摩爾分?jǐn)?shù)，并且將該濃度估計值在線46上作為信號m0lFr_AnH2ESt提供給算法塊44。算法確定陽極子系統(tǒng)內(nèi)氫氣的濃度是否小于預(yù)定的閾值百分比，例如5%，并且如果是，就通過在線48 上向噴射器32提供噴射器工作周期信號DC_Anlnj以啟動氫氣噴射。當(dāng)噴射程序已經(jīng)啟動， 算法在線50上提供噴射開始信號bJEInParkStrt，并且當(dāng)正在噴射時在線52上提供氫氣噴射激活信號bJEInParkActv到氣體濃度模型，從而使得陽極子系統(tǒng)內(nèi)的氫氣濃度可在基于工作周期信號DC_Anlnj的噴射過程中被更新。圖3是用于在汽車停止的狀態(tài)過程中一旦觸發(fā)了氫氣噴射后控制該氫氣噴射的控制結(jié)構(gòu)60的框圖。結(jié)構(gòu)60包括用于接收期望的氫氣濃度信號反饋線66上的通過氣體濃度模型確定的當(dāng)前估計的氫氣濃度信號^？的求和結(jié)62，其中期望的氫氣濃度信
9號Gdw顯示了將要在線64上噴射到陽極的期望的氫氣的量。估計的氫氣濃度值是上文中提到的摩爾分?jǐn)?shù)信號m0lFr_AnH2ht。來自于求和結(jié)72的期望的濃度值與估計的濃度值之間的差別或者誤差提供給比例積分(PI)控制器68，來確定誤差是否大于預(yù)定的閾值，并且如果是，還應(yīng)該向陽極子系統(tǒng)中噴射多少氫氣來將誤差減小到低于該閾值。當(dāng)誤差降到低于該閾值時，則因?yàn)楣烙嫐錃鉂舛戎礵f與期望的氫氣濃度值^'“相同或者大致相
同，而停止氫氣噴射。在該實(shí)施例中，PI控制器68提供數(shù)量設(shè)置點(diǎn);^2，例如摩爾流量，質(zhì)量
流量，摩爾每秒，克每秒，等作為噴射過程中還需要向陽極子系統(tǒng)中提供的氫氣的量。盡管在該實(shí)施例中控制器68是PI控制器，但這只是一個非限定性的示例，其它類型的控制器， 例如繼電式控制器，前饋控制器等，也都是可用的。在上文的討論中，該過程噴射氫氣、連續(xù)地對氫氣濃度進(jìn)行積分、并且當(dāng)達(dá)到期望的氫氣濃度的時候停止噴射。該過程包括具有最初氫氣濃度和最終氫氣濃度設(shè)置點(diǎn)。使用理想氣體定律，在任何情況下都需要使用該定律，可以估計需要添加的氫氣的總克數(shù)。那么，這個量的氫氣可通過噴射器中的積分器來添加?？商娲?，還可以通過使用壓力的升高來提供該氫氣量，該壓力的升高直接與增加的氫氣的克數(shù)相關(guān)。因此，除了估計氫氣的量， 也可以測量壓力來確定流經(jīng)噴射器的氫氣流量。設(shè)置點(diǎn)的值;^提供給噴射器模型處理器70，其根據(jù)噴射器模型確定噴射器32的工作周期。換句話說，噴射器模型確定達(dá)到期望的設(shè)置點(diǎn)的值;^2的噴射器脈沖的持續(xù)時間和頻率。噴射器模型將該設(shè)置點(diǎn)的值;^轉(zhuǎn)化為施加到設(shè)備框62的工作周期信號DClnj，其
中設(shè)備框62代表燃料電池系統(tǒng)，并且提供陽極子系統(tǒng)中的估計的氫氣濃度值。因此，結(jié)構(gòu)60在燃料電池系統(tǒng)控制器啟動時，確定何時提供噴射的氫氣，并且持續(xù)多長時間。使用上文中討論的基于濃度的噴射控制相對于已知的基于時間的噴射控制的好處包括只有當(dāng)氫氣濃度低于一些最小的閾值的時候才實(shí)施噴射。例如，在系統(tǒng)關(guān)閉后的第六個小時，氫氣濃度可能是15%，此時本發(fā)明的基于濃度的控制就不用實(shí)施噴射。相反，基于濃度的噴射控制可以等待將來的燃料電池系統(tǒng)控制器啟動，此時陽極子系統(tǒng)中的氫氣濃度可能會更低?；跁r間的噴射控制可能啟動控制器并且實(shí)施噴射，而不考慮氫氣的濃度。 因此，本發(fā)明的基于濃度的噴射控制不但有利于節(jié)約燃料和電池消耗，而且影響下一次啟動的啟動時間和排放。而且，因?yàn)闅錃鉂舛鹊姆答?，基于濃度的噴射控制保證陽極的氫氣濃度在噴射后達(dá)到相同的水平，而無論最初的氫氣濃度如何。對于依靠壓力來停止噴射的基于時間的噴射，在噴射完成時陽極的氫氣濃度可能會不同。上文的討論僅僅公開和記載了本發(fā)明的典型的實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明的宗旨和權(quán)利要求所限定的范圍情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員從上述討論以及附圖和權(quán)利要求中可得到各種可實(shí)施的變化、修正和改變。
權(quán)利要求
1.一種用于確定當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，何時向燃料電池系統(tǒng)的陽極內(nèi)噴射氫氣的方法，所述方法包括對所述陽極中氫氣的濃度進(jìn)行估計；對所述陽極內(nèi)的所述估計的氫氣濃度是否低于預(yù)定的閾值進(jìn)行確定；并且如果所述陽極內(nèi)所述估計的氫氣濃度低于所述閾值，則在所述燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時， 使得從氫氣源向所述陽極內(nèi)噴射氫氣。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對所述陽極中氫氣的濃度進(jìn)行估計包括使用氣體濃度模型。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括在氫氣的噴射過程中，向所述氣體濃度模型提供噴射開始時間信號和噴射激活時間信號，從而確定所述陽極內(nèi)的所述氫氣的濃度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使得氫氣噴射到所述陽極內(nèi)包括計算噴射器的工作周期以及在所述工作周期操作所述噴射器來噴射氫氣。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括確定所述陽極內(nèi)期望的氫氣的量與所述陽極內(nèi)所述估計的氫氣的量之間的誤差，并且根據(jù)所述誤差提供氫氣摩爾流量設(shè)置點(diǎn)來控制噴射的氫氣的量。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括通過比較期望的氫氣濃度與所述估計的所述氫氣濃度以確定所述期望的氫氣濃度與所述估計的濃度之間的差別是否大于預(yù)定的閾值， 來確定何時終止氫氣向所述陽極內(nèi)的噴射。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對所述陽極中氫氣的濃度進(jìn)行估計包括將氫氣的濃度估計為摩爾流率。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)是在汽車上的，并且所述方法是在所述汽車停止時，促使所述氫氣噴射到所述陽極內(nèi)。
9.一種用于確定當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，何時向燃料電池系統(tǒng)的陽極內(nèi)噴射氫氣的方法，所述方法包括使用氣體濃度模型對所述陽極內(nèi)的氫氣的濃度進(jìn)行估計； 對所述估計的氫氣的濃度是否低于第一預(yù)定的閾值進(jìn)行確定； 如果所述陽極內(nèi)所述估計的氫氣的濃度低于所述第一閾值，則在所述燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，使得從氫氣源向所述陽極內(nèi)噴射氫氣；對所述估計的氫氣的濃度與期望的氫氣的濃度進(jìn)行比較，并且產(chǎn)生兩者之間的誤差信號；對所述誤差信號是否大于第二預(yù)定閾值進(jìn)行確定； 將所述誤差信號轉(zhuǎn)化為設(shè)置點(diǎn)的值；使用噴射器模型將摩爾流量的所述設(shè)置點(diǎn)的值轉(zhuǎn)化為噴射器工作周期值；和如果所述誤差信號下降到低于所述第二預(yù)定閾值，則停止氫氣的噴射。
10.一種用于確定當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時，何時向燃料電池系統(tǒng)的陽極內(nèi)噴射氫氣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于對所述陽極內(nèi)的氫氣的濃度進(jìn)行估計的裝置；用于對所述陽極內(nèi)的所述估計的氫氣的濃度是否低于預(yù)定的閾值進(jìn)行確定的裝置；以及用于如果所述陽極內(nèi)所述估計的氫氣的濃度小于所述閾值，則在燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉時使得從氫氣源向所述陽極內(nèi)噴射氫氣的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種當(dāng)汽車停止時，確定何時向與汽車連接的燃料電池組的陽極噴射氫氣的方法。該方法包括使用氣體濃度模型對燃料電池組的陽極側(cè)內(nèi)的氫氣濃度進(jìn)行估計，并且對估計的氫氣濃度是否低于第一預(yù)定閾值進(jìn)行確定。如果估計的氫氣濃度小于該閾值，則從氫氣源向陽極側(cè)噴射氫氣。當(dāng)氫氣被噴射，該方法將陽極內(nèi)的估計的氫氣濃度與期望的濃度相比較，并且產(chǎn)生一個兩者之間的誤差信號。如果該誤差信號大于第二預(yù)定閾值，算法繼續(xù)向燃料電池組的陽極側(cè)噴射氫氣。
文檔編號H01M8/04GK102255091SQ201110124279
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月5日
發(fā)明者J·N·羅夫里亞, J·P·薩爾瓦多, J·蔡, J·雍, S·加納帕蒂 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司