专利名称：用于检测压力控制的阳极中的孔流相变的方法
技术领域：
本发明大体上涉及用于检测从液体变为气体的相变的系统和方法，且尤其涉及一种用于检测通过阳极再循环排放/排泄阀从液体变为气体的相变以便阳极排放模型知道正从燃料电池堆的阳极侧排放的氮气量的系统和方法。
背景技术：
氢由于其干净且能被用来在燃料电池中高效地发电，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，且阳极和阴极之间具有电解质。阳极接收氢气，而阴极接收氧或空气。氢气在阳极分离以产生自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应以生成水。阳极的电子不能通过电解质，因此被弓I导通过负载以在被传送至阴极之前做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)为广泛用于车辆的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的细分催化剂颗粒，通常是钼(Pt)。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物以及膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。制造MEA相对昂贵且MEA 需要特定条件来进行有效操作。燃料电池堆中通常组合有若干燃料电池以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百个或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体， 通常为由压缩机迫使通过电池堆的空气流。氧并不全部由电池堆消耗掉，一部分空气作为阴极排气输出，阴极排气可包括作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢反应气体。该电池堆还包括冷却流体流经的流道。燃料电池堆包括位于电池堆中的若干MEA之间的一系列双极板，其中双极板和 MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道设置于双极板的阳极侧，允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流道设置于双极板的阴极侧，允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流道，且另一端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合物。端板传导由电池组的燃料电池产生的电力。双极板还包括冷却流体流经的流道。理想的是在燃料电池堆中的阳极流道内的氢的分布基本上是恒定的以便进行恰当的燃料电池堆操作。因此，现有技术中公知的是给燃料电池堆中输入比电池组的特定输出负载所需的更多的氢，以便阳极气体均勻地分布。但是，因为这个要求，阳极排气中氢的量比较可观，且如果氢被废弃的话将导致系统的低效率。此外，因为氢的可燃性，足量的氢气被排放到环境中会引起某些问题。因此，现有技术中公知的是使阳极排气再循环回到阳极输入以再使用排放的氢。MEA是多孔的，因此允许空气中的氮从电池堆的阴极侧渗透通过并收集在电池堆的阳极侧，这在工业上称为氮穿越(nitrogen cross-over)。燃料电池堆阳极侧的氮稀释氧，使得如果氮浓度增加超过特定百分比(诸如，50 % )，燃料电池堆会变得不稳定且可能失效。现有技术中公知的是在燃料电池堆的阳极气体输出处提供排放阀，以从电池堆阳极侧
去除氮。通常使用模型以基于燃料电池系统的运行参数(诸如电池堆电流密度、系统压力等)来计算燃料电池堆阳极侧中的氮浓度。如上所述，水是燃料电池堆运行的副产品。水被流经阳极流道的气体迫出该阳极流道。从燃料电池堆排出的水通常被收集在阳极排气流系统中水分离装置的收集槽中。设置在水分离器装置中的水位指示器指示何时收集槽装满，随后排水阀打开以使收集槽中的水排出到环境中。最近在本领域中提出，通过将阳极排放阀和阳极排水阀组合成单个阀来执行上述排放和排水的功能，从而降低燃料电池系统的复杂性。这个组合的排水和排放阀被提议定位于收集槽底部的水分离装置中。但是，当指令进行排放以去除电池堆阳极侧的氮时，在阳极排气中的气体能流动通过水分离装置中的阀之前必须首先去除收集槽中的水。为了使确定燃料电池堆阳极侧中氮的量的模型准确，需要知道从当排放/排水阀正在排水时至当该排放/排水阀正在排气时的相位转变，以便该模型知道氮正从电池堆阳极侧被去除。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，其确定通过水分离装置中的排放/ 排水阀从水至气的相变。燃料电池系统包括具有阳极侧和阴极侧的燃料电池堆。喷射器将氢气喷入燃料电池堆的阳极侧。水分离装置从燃料电池堆的阳极侧接收阳极排气，其中水分离装置包括集水槽。控制器控制喷射器和排放/排水阀，并通过将通过水分离装置的流量与通过喷射器的流量进行比较来确定排放/排水阀何时从排水转变为排放阳极排气。本发明提供下列技术方案。技术方案1 一种燃料电池系统，包括 燃料电池堆，其包括阴极侧和阳极侧；
喷射器，其用于将氢气喷入所述燃料电池堆的所述阳极侧；
水分离装置，其接收来自所述燃料电池堆的所述阳极侧的阳极排气，所述水分离装置包括水保持贮存器和排放/排水阀；和
控制器，其用于控制所述喷射器和所述排放/排水阀，所述控制器打开所述水分离装置中的所述排放/排水阀并确定何时所述排放/排水阀从排水转变为排放阳极排气。技术方案2 如技术方案1所述的系统，其中所述控制器将通过所述水分离装置的流量与通过所述喷射器的流量进行比较，以确定何时所述排放/排水阀从排水转变为排放所述阳极排气。技术方案3 如技术方案2所述的系统，其中所述控制器确定水分离装置流量值并将其与喷射器流量值进行比较，其中所述水分离装置流量值包括前馈项、流量偏项和通过所述排放/排水阀的预期流量项。技术方案4:如技术方案3所述的系统，其中所述控制器将所述水分离装置流量值和所述喷射器流量值相减，并将减后得到的值与阈值进行比较，其中如果所述减后得到的值低于所述阈值，所述控制器确定所述排放/排水阀正在排气。技术方案5 如技术方案4所述的系统，其中所述控制器利用下面的方程式来确定所述排放/排水阀是否已从排水转变为排气
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，其包括阴极侧和阳极侧；喷射器，其用于将氢气喷入所述燃料电池堆的所述阳极侧；水分离装置，其接收来自所述燃料电池堆的所述阳极侧的阳极排气，所述水分离装置包括水保持贮存器和排放/排水阀；和控制器，其用于控制所述喷射器和所述排放/排水阀，所述控制器打开所述水分离装置中的所述排放/排水阀并确定何时所述排放/排水阀从排水转变为排放阳极排气。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器将通过所述水分离装置的流量与通过所述喷射器的流量进行比较，以确定何时所述排放/排水阀从排水转变为排放所述阳极排气。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述控制器确定水分离装置流量值并将其与喷射器流量值进行比较，其中所述水分离装置流量值包括前馈项、流量偏项和通过所述排放/排水阀的预期流量项。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述控制器将所述水分离装置流量值和所述喷射器流量值相减，并将减后得到的值与阈值进行比较，其中如果所述减后得到的值低于所述阈值，所述控制器确定所述排放/排水阀正在排气。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述控制器利用下面的方程式来确定所述排放/排水阀是否已从排水转变为排气其中i是所述电池堆的电流密度，AA是所述电池堆中燃料电池的有效面积，Ncell是所述电池堆中燃料电池的数量，F是法拉第常数，是通过所述阀的预期气体流量，P是所述阳极中的压力，Vto是阳极子系统的容积，R是气体常数，T是温度且是所述喷射器流量。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器在氮累计模型中利用通过所述排放/排水阀的阳极排气的排放。
7.如权利要求1所述的系统，其中作为确定从排水至排气的转变的一部分，所述控制器确定电池堆上升功率转变。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述燃料电池系统包括阳极再循环管线，其将阳极排气从所述水分离装置再循环到所述喷射器。
9.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，其包括阴极侧和阳极侧； 喷射器，其用于将氢气喷射到所述燃料电池堆的所述阳极侧； 再循环管线，其用于将阳极排气从所述燃料电池堆的阳极输出再循环到所述喷射器； 水分离装置，其位于所述再循环管线中并接收来自所述阳极输出的所述阳极排气，所述水分离装置包括水保持贮存器和排放/排水阀；和控制器，其用于控制所述喷射器和所述排放/排水阀，所述控制器将通过所述水分离装置的流量与通过所述喷射器的流量进行比较，以确定何时所述排放/排水阀从排水转变为排放所述阳极排气，所述控制器在氮累计模型中利用所述阳极排气的排放。
10. 一种用于确定在燃料电池系统中从水流经排放/排水阀转变至气体流经所述排放 /排水阀的方法，所述方法包括利用喷射器将氢喷入燃料电池堆的阳极侧； 将阳极排气从所述燃料电池堆的阳极输出再循环到所述喷射器； 在水分离装置中从所述阳极排气中去除水，所述排放/排水阀位于所述水分离装置中；和将通过所述水分离装置的流量与通过所述喷射器的流量进行比较，以确定何时所述排放/排水阀从排水转变为排放所述阳极排气。
全文摘要
本发明涉及用于检测压力控制的阳极中的孔流相变的方法，提供了一种燃料电池系统，其通过水分离装置中的排放/排水阀来确定从水至气体的相变。该燃料电池系统包括具有阳极侧和阴极侧的燃料电池堆。喷射器将氢气喷入燃料电池堆的阳极侧。水分离装置从燃料电池堆阳极侧接收阳极排气，其中水分离装置包括水保持贮存器。控制器控制喷射器和排放/排水阀，并通过比较通过水分离装置的流量与通过喷射器的流量来确定排放/排水阀何时从排水转变为排放阳极排气。
文档编号G01N25/02GK102163728SQ201110043288
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月23日 优先权日2010年2月23日
发明者D·C·迪·富尔, P·弗罗斯特, R·森纳 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司