专利名称：用于降低燃料电池汽车启动时间的前馈燃料控制算法的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种方法，用于在系统启动时的增压阶段期间监测燃料电池堆的阳极子系统内的压力，并且尤其涉及一种方法，用于在系统启动时的增压阶段期间监测燃料电池系统的阳极子系统内的压力，该方法包括，确定在增压阶段期间已经输送给阳极子系统的氢气的摩尔数、知晓增压阶段开始时阳极子系统中的压力、使用通用气体常数、知晓氢气温度以及知晓阳极子系统的容积。
背景技术：
氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且可用于高效地在燃料电池中产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及它们之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极解离生成自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生反应生成水。阳极的电子不能通过电解质，因此在送至阴极之前被弓I导通过负载以做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种普遍用于汽车的燃料电池。PEMFC总体上包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常含有微细催化剂粒子(通常为钼(Pt))，该催化剂粒子被支撑在碳粒子上并与离聚物相混合。该催化剂混合物沉积在膜的两侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物与膜的组合形成了膜电极组件 (MEA)0 MEA的制造比较昂贵并且需要一定的条件进行有效运行。通常把多个燃料电池组合成燃料电池堆来产生所需电力。例如，用于汽车的一种典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆积的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为由压缩机强制通过电池堆的空气流。不是所有氧气都被电池堆消耗掉，一些空气作为阴极废气排出，该废气可能含有作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢反应气体。电池堆还包括流动通道，冷却液流过这些通道。燃料电池堆包括位于电池堆的多个MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两个端板之间。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。阳极气体流动通道设在双极板的阳极侧，允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设在双极极的阴极侧，允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板有阳极气体流动通道，另一个端板有阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。 端板把燃料电池产生的电传导出电池堆。双极板还包括流动通道，冷却液流过这些通道。为了在燃料电池系统启动期间向双极板中的阳极流动通道提供氢气的均勻氢分布，通常必需通过净化阀快速地将气体净化出阳极集管。当氢气充满阳极集管时，使阳极压力保持接近恒定以抑制氢气进入电池堆是很重要的。为了确保阳极集管净化阶段期间的精确且稳定的压力控制，必须在氢气到达电池堆之前提高阳极子系统中的压力。通常在就在阳极集管净化阶段之前的增压阶段期间进行压力提升。由于在阳极集管净化期间阳极集管净化阀出口的压力与电池堆阴极废气压力相关，所以必须把阳极压力增大到大大高于阴极废气压力以便提供迅速的启动。阳极集管净化阀的尺寸规定了增压阶段终止时的期望压力。应当使达到开始阳极集管净化阶段时所需压力所需的时间最少以减少启动时间。阳极集管净化阶段可以在阳极已经达到高于阴极废气压力的期望压力时就开始。 为了降低系统启动时间，在阳极增压阶段期间要求很高的氢气流率。已有阳极压力传感器的局限性是确定何时开始净化阳极集管的因素。例如，一种典型的压力传感器具有约250 毫秒的响应时间，这个时间比分配给增压阶段和作为两个第二启动序列的一部分的其他燃料电池系统要求的时间更长。已经表明增压阶段的终止直接由压力传感器测量识别出。由于低压力传感器响应和系统控制器的循环时间，实际的最终压力通常大于期望的。压力超调量是喷射器流率的函数。阳极增压阶段期间的压力超调量是不容许的，因为氢气可能进入电池堆的阳极工作区的湿端。为了实现增压阶段的精确终止，必须降低氢气的流率。然而，限制喷射器流率会增加启动时间。因此，必须在不超过期望压力的情况下非常快地把阳极子系统压力提高到期望值。然而，如上所述，通常采用的那些压力传感器不能足够快速地对提高的阳极压力做出响应，并且通常超出期望压力。这个问题的一种解决方法是在启动期间限制阳极压力，这会增加启动时间，以便压力传感器能够更精确地追踪阳极子系统中增加的压力。然而，将更希望的是在没有压力超调量的情况下在启动时有快速的氢气流到达电池堆。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种方法，用于在系统启动时的在阳极净化之前的增压阶段期间监测燃料电池系统的阳极子系统中的压力。该方法包括在增压阶段期间提供氢气给阳极子系统，通常从一个或多个喷射器。该方法确定已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气，并且使用这个摩尔数来确定阳极子系统中的压力。该方法在所确定的压力大致等于期望压力时使用所确定的压力来停止增压阶段。在一个实施例中，期望压力、增压阶段开始时的阳极子系统初始压力、阳极子系统的容积、氢气的温度和通用气体常数被用来确定已经给阳极子系统输送了多少摩尔。在替换实施例中，输送给阳极子系统的摩尔数、阳极子系统的容积、增压阶段开始时的阳极子系统初始压力、氢气的温度和通用气体常数被用来生成与期望压力作比较的观测阳极压力。通过下面的描述和权利要求，结合附图
将明显看出本发明的更多特征。本发明还提供了如下方案
方案1. 一种用于在系统启动时的增压阶段期间把燃料电池系统的阳极子系统增压到期望压力的方法，所述方法包括
在增压阶段期间提供氢气给阳极子系统；
确定在增压阶段期间已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气；以及使用氢气摩尔数来确定阳极子系统中的压力。方案2.如方案1所述的方法，其中，使用氢气摩尔数来确定阳极子系统中的压力包括使用阳极子系统的容积和恒定的氢气流率。方案3.如方案1所述的方法，其中，确定已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气包括对氢气的摩尔流率积分。方案4.如方案3所述的方法，其中，使用氢气摩尔数来确定阳极子系统内的压力包括使用下列方程式
权利要求
1.一种用于在系统启动时的增压阶段期间把燃料电池系统的阳极子系统增压到期望压力的方法，所述方法包括在增压阶段期间提供氢气给阳极子系统；确定在增压阶段期间已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气；以及使用氢气摩尔数来确定阳极子系统中的压力。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使用氢气摩尔数来确定阳极子系统中的压力包括使用阳极子系统的容积和恒定的氢气流率。
3.如权利要求1所述的方法，其中，确定已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气包括对氢气的摩尔流率积分。
4.如权利要求3所述的方法，其中，使用氢气摩尔数来确定阳极子系统内的压力包括使用下列方程式
5.如权利要求1所述的方法，其中，确定已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气包括使用阀模型。
6.如权利要求1所述的方法，其中，使用氢气摩尔数来确定阳极子系统内的压力包括使用下列方程式
7.如权利要求6所述的方法，还包括比较观测到的压力与期望压力以确定阳极子系统压力是否处于期望压力。
8.如权利要求1所述的方法，其中，给阳极子系统提供氢气包括使用至少一个具有预定工作周期的喷射器，确定在增压阶段期间已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气包括使用喷射器的工作周期。
9.一种用于在系统启动时的增压阶段期间把燃料电池系统的阳极子系统增压到期望压力的方法，所述方法包括在增压阶段期间提供氢气给阳极子系统；确定已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气；使用阳极子系统中的压力、阳极子系统的容积、氢气温度和通用气体常数来确定阳极子系统中实际有的摩尔数；以及比较输送给阳极子系统的氢气摩尔数与阳极子系统中的摩尔数来确定阳极子系统中的压力是否已经达到期望压力。
10. 一种用于在系统启动时的增压阶段期间把燃料电池系统的阳极子系统增压到期望压力的方法，所述方法包括在增压阶段期间提供氢气给阳极子系统； 确定在增压阶段期间已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气； 使用所提供的摩尔数、阳极子系统的容积、增压阶段开始时阳极子系统的压力、氢气温度和通用气体常数来确定阳极子系统中的观测到的压力；以及比较观测到的压力与期望压力来确定阳极子系统的压力是否已经达到期望压力。
全文摘要
本发明涉及用于降低燃料电池汽车启动时间的前馈燃料控制算法。一种方法，用于在系统启动时在阳极净化之前的增压阶段期间监测燃料电池系统的阳极子系统中的压力。该方法包括在增压阶段期间提供氢气给阳极子系统，通常从一个或多个喷射器。该方法确定已经给阳极子系统提供了多少摩尔的氢气，并且使用这个摩尔数来确定阳极子系统中的压力。该方法在确定了的压力大致等于期望压力时使用确定了的压力来停止增压阶段。
文档编号H01M8/04GK102163725SQ20111003971
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月17日 优先权日2010年2月17日
发明者D·I·哈里斯, G·M·罗布, P·弗罗斯特 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司