专利名称：燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的控制检测方法
技术领域：
本发明总体上涉及燃料电池系统，更具体地，涉及启动燃料电池系统的方法。
背景技术
启动用于汽车应用的燃料电池系统涉及在可靠性、耐用性、以及到可接受的驶离 为止的时间(启动时间长度)之间的平衡。可靠性涉及确保在膜两侧上的整个活性区域上 存在充足的反应物，从而使得能够支持全电流。这必须在没有超出氢排放要求的情况下被 实现。诸如硬件布局、硬件可靠性、或者寒冷的周围环境状况之类的因素也会对成功启动燃 料电池系统的策略产生影响。
耐用性涉及空气/H2前沿在阳极上的正确徙动。在通过电池的空气/ 前沿速度 与电池退化之间的相关性已经被确定。为了减小电池退化的影响，该前沿速度必需增大。然 而，在汽车应用中，增大前沿速度受到氢排放要求的限制。
在各种情形中，期望为了消费者满意度而减少启动时间长度。此外，这还受到氢排 放要求的限制，并且由于反应物的非均勻流动特性还受到将反应物充分且均勻地供应到堆 的活性区域的能力的限制。
在正常的启动中，对于可靠性、耐用性、以及启动时间长度的顾虑是大致相同的。 在典型的启动策略中，系统内的初始气体成分被要求作为到控制的输入，从而使得系统能 够决定最优的方法来进行启动。
图1-2示出了燃料电池系统的一个实施例和正常的启动方法。在2007年9月21 日提交的标题为 “Method for Fast and Reliable Fuel CellSystem Mart-ups” 的美国 申请11/859，300中对该系统和方法更加充分地进行了描述，通过引用将其并入本文。许多 其它实施例也是可能的。
图1示出了燃料电池系统10，其包括第一分离的燃料电池堆12和第二分离的燃料 电池堆14。压缩机16通过阴极输入管线18经由常闭的阴极输入阀20给堆12和14提供 阴极输入空气。阴极排气从分离的堆12通过管线M输出，并且阴极排气从分离的堆14通 过管线沈输出，其中阴极排气被混合到单一的阴极输入管线观中。常闭的阴极背压阀30 控制阴极排气穿过管线观的流动。在输入管线18和输出管线观之间的阴极旁通管线32 允许阴极输入空气旁路通过堆12和14。常闭的旁通阀34对阴极空气是否旁路通过堆12 和14进行控制。如果阀20和30都关闭而阀34打开，则来自压缩机16的空气将旁路通过 堆12和14。通常，阴极加湿单元(未示出)将设置在阴极输入管线18内的合适位置处。
在该布置中，堆12和14使用了阳极流动变换，其中阳极反应物气体以本领域技术 人员所熟知的方式以预定周期穿过堆12和14来回流动。喷射器38通过阳极管线42将来 自氢气源40的氢气喷射到分离的堆12，喷射器44以交替的顺序通过阳极管线48将来自氢气源40的氢气喷射到分离的堆14。连接器管线M连接堆12和14的阳极侧。
水分离器60耦接至连接器管线54，并且收集位于堆12和14之间的阳极气体流中 的水。可以使用常闭的排泄阀62，其周期性打开以通过管线64将水排至阴极排气管线观。 此外，阳极排气清扫阀66可以设置在连接管线M中。
如上所述，期望周期性地对堆12和14的阳极侧进行排放，以去除否则可能稀释氢 气并影响电池性能的氮气。为此目的而设置了常闭的排放阀50和52。当命令阳极排放时， 排放阀50或52打开从而使被排放的阳极排气被送到阴极排气管线观，这取决于当前氢气 流动的方向。具体地，如果当排放被触发时氢气正从源40被喷射到分离的堆12中，那么排 放阀52打开。类似地，如果当排放被触发时氢气正从源40被喷射到分离的堆14中那么， 排放阀50打开。在正常的排放持续期间，该流动变换通常将发生若干次，从而使得排放阀 50和52与该流动变换合拍地也必需打开和关闭若干次。
燃料电池堆12和14生成电流。在正常的堆操作期间，由堆12和14生成的电流 被用来驱动系统负载，例如，车辆上的电牵引系统(ETS)56。在关停序列期间，由堆12和14 生成的电流可以被用来对电池58充电，或者由其它系统部件消耗，以及被电阻68消耗。
在一个系统关停序列中，压缩机16停止，阀20和30关闭以便密封堆12和14的 阴极侧。使氢气流动继续，从而使得堆12和14中任何剩余的氧气都被消耗掉。由堆12和 14所生成的电流被传送到电池58。当堆功率减小到另一预定水平时，接触器断开，从而使 堆负载切换到电阻68。具体地，一旦电压已经降低到固定的截止电压，则堆负载被切换到电 阻68。截止电压可以是DC/DC变换器(未示出)的下限，或功率装置的下限。电池负载的 目的是消耗和/或存储能量，否则这些能量将以另外的方式被浪费掉。这还减少了电阻负 载的能量消耗需求。
一旦已经从堆12和14中消耗掉氧气，则关掉氢气流动，并且阀50、52、62和66都 被关闭以便密封堆12和14的阳极侧。当系统10以这种方式关停时，堆12和14在阴极侧 和阳极侧中都包括了 N2/H2混合物。随着时间消逝，空气也将泄漏到堆12和14中，并且堆 12和14中的氢将开始消耗氧。另外，氢还将缓慢地泄漏到堆12和14外。因此，堆12和 14内的气体成分将随着时间而从氮气中富含氢的混合物变化到水和空气的混合物。
用于在启动时对堆12和14进行清扫的氢气量可以基于堆12和14的阳极侧容积， 堆12和14的温度，以及堆12和14内的压力来加以计算。进入到堆12和14中的氢气流 量应当粗略为一个阳极容积。如果流入到堆中的氢气量不够充足，则一些燃料电池可能依 然含有H2/02前沿(front)。如果太多的氢气流入到第一堆中，则过多的氢气将被浪费到排 气中，并且可能通过压缩进入到第二堆中，导致迟滞的氢/空气前沿，从而致使电压下降过 多。用于堆12和14中每一个的回路容积均被计算，并且该信息在启动期间被与氢气流率 组合在一起以确定用于第一堆的清扫时间。
图2A-B是流程图70，其示出了用于快速且可靠地启动燃料电池系统10的方法，特 别是在冷启动期间。在框72处，压缩机16启动，用于对氢输出进行稀释的目的。系统启动 的初始部分包括启动压缩机16以提供用于氢气的稀释空气，该氢气作为启动序列的结果 而聚集在排气中。然后，算法在决策块74处作为堆12和14已经被关停的时间的结果来确 定堆12和14是否被填充以空气，并且如果确定了其已被填充以空气，则在框76处使用集 管清扫来开始对阳极集管的冲洗。这提供了用于在堆冲洗之前从堆12和14的集管中去除4空气和氮的技术。在集管已经被清扫之后，堆冲洗提供了穿过阳极流场的大流率的氢气，以 最小化由于氢/空气前沿所致的启动下降，如上所述那样。
然后，算法通过同时打开排泄阀62使得到堆12和14的阳极流继续，以便在框78 处继续用氢气填充阳极集管流动通道。在该流动过程中，同时使用喷射器38和44，以便使 氢气均勻地流动穿过堆12和14。所有大的阀在该阶段都关闭以便允许良好受控的、低流率 的氢气喷射。那些被打开的阀通常都具有小的开口。可替代地，大的阀可以以脉宽调制方 式来使用，以便有效地提供小的阀的作用。氢气喷射器38和44通常都基于堆12和14的 阳极出口压力被控制。然而，在该情形中，喷射器38和44将切换模式至流量控制，其中对 流量进行计量，从而在与阴极排气混合时不会导致排气排放超出预定的氢气浓度的情况下 使得该流量尽可能高。因此，氢流率将基于阴极稀释流而实时变化。
如果在决策块74处没有用空气填充堆，那么算法在框76处跳过堆冲洗步骤，并直 接行进到在框78处的提供阳极流的步骤。
同时，应当存在峰值阳极压力以限制喷射器流38和44。换言之，阴极排气流率需 要是已知的，而阳极流率则将基于喷射器占空比来估计。喷射器38和44应当被控制，以便 生成尽可能高的流量，并且该流量产生小于预定阈值的排放，从而使得阳极压力不超出预 定压力，例如150kPa。该流量的持续时间是基于这样的函数来确定的，该函数以自从上次关 停以来的时间作为输入，并且输出应当流过的氢气的最小阳极容积数。
然后，算法在决策块80处确定这是否是第一次通过启动回路，以及是否执行过阳 极侧冲洗。如果这些条件都满足，那么算法在框82处使阴极空气旁路绕过堆12和14并持 续以一定的阳极流动持续时间，例如，一半的阳极流动持续时间。当使阴极空气旁路绕过堆 12和14时，可能渗透穿过膜的额外的空气并不被添加到阴极。换言之，期望在空气被引入 到阴极侧之前，采用氢气完全填充阳极侧，从而使得氢气渗透穿过膜而不是空气，以便减小 在堆12和14的阳极侧上的氢/空气前沿。
一旦阴极空气已经旁路绕过堆12和14，并持续预定的阳极容积流量，则算法在框 84处使阴极空气流动穿过堆12和14，用于阳极流的剩余部分。如果这不是第一次通过控 制回路或者在框76处没有发生堆冲洗，那么算法直接行进到框86处使阴极空气穿过堆12 和14。
接着，算法使阳极流动继续，并且在框88处使耦接至堆12和14的下拉电阻68接 合以作为负载，直到两个条件中的一个被满足时为止，该两个条件即最小电池电压大于预 定电压值(例如700mV)，或者已经过去了预定的时间段(例如，10秒)。通过将负载放置在 堆12和14上，在堆12和14上将存在电压降，其更接近地匹配系统10中耦接到高压电池 58的高压总线(未示出)。具体地，通过耦接辅助负载至燃料电池堆，算法使用对所应用负 载的堆电压响应来评定氢和氧是否已经被充分地分布到全部燃料电池。该步骤是算法通过 确保最低电池电压足够高或者在阳极流动通道内有足够的氢气以使得堆12和14的操作稳 定从而提供快速且可靠的启动的方式之一。如果堆12和14是健康的，并且不存在问题，那 么算法将非常快速地行进通过控制回路的这些步骤。然而，如果堆12和14已经显著老化， 或由于某些其它原因而退化，那么算法在启动序列期间进行等待的时间段将提供用于堆12 和14以稳定的方式启动的更好情形。
一旦最小电池电压大于预定电压值或者预定时间段已经过去，那么算法在框90处闭合到高压总线的堆接触器，以使堆12和14操作在系统10的正常负载下。然后，算法 在框92处使堆12和14加载以尽量多的燃料电池系统部件，就像其能够达到的堆12和14 的最大限制那样，并持续以预定时间段(通常大约1秒到2秒，但是该时间段也能够高达7 秒或更多)，以测试堆12和14，看看它们是否将正常操作。
然后，算法在决策块94处确定最小电池电压是否已经降低到预定电压(例如 400mV)。如果在堆12或14中的最小电池电压低于预定电压，那么启动的可靠性减小。那 么，算法将行进到在框96处最小化从堆12和14中允许吸取的最大功率，从而试图将电池 电压升高到预定值之上。
在决策块98处，算法还确定最小电池电压是否已经下降到另一更低的预定电 压之下(例如200mV)，或者最小电池电压的下降速率已超出了预定电压下降速率，例如 IOOOmV/秒。如果这两个条件都未满足，那么算法返回到框92以使堆12和14再次试图将 最小电池电压升高到第一预定电压值之上。
如果在决策块94处最小电池电压不低于第一预定电压值，那么分离的堆12或14 可以正确操作。在决策块100处，算法然后确定从堆12和14中允许的最大功率是否小于 预定值，例如90kW。如果最大的堆功率低于预定值，那么堆12和14在启动序列期间还没有 足够快地升高其最大功率输出，这意味着堆12和/或14可能还不可用。
如果在决策块98处最小电池电压小于第二预定电压值或者最小电池电压下降速 率大于预定电压下降速率，或者在决策块100处堆12和14还没有抵达最大允许功率，那么 算法在决策块102处确定电池58是否能够支持另一次通过启动序列的循环。如果具有足 够的电池功率并且通过循环的迭代数量小于预定值(例如8次)，那么在框104处使堆接 触器断开。此外，在框106处，算法将从电池58吸取的最大功率限制到某些预定的最大值 (例如，20kW)，或者限制到可用的最大电池功率，选择其中更小的一个。算法然后在框78处 行进到给堆12和14提供阳极流的步骤，其中在决策块80处对是否是第一次通过循环的回 答是“否”，从而增加通过循环进行迭代的数目。
如果在决策块I02处电池58不能支持另一次通过循环的迭代或者已经达到通过 循环进行迭代的最大数目，那么系统10在框108处被置于允许车辆操作但具有受限功率的 降低性能模式，使得车辆能够被驱动到服务站或其它安全地点。
如果在决策块100处最大容许功率大于预定值，那么算法在框110处修改对有多 少阳极容积的氢气已经流到阳极流场中进行识别的查找表。如果所需阳极流的量更高，那 么在用于系统的软件中对该表进行永久的更新。以这样的方式，在未来可以将启动时间延 长到距离上一次关停的新的时间，但是系统的可靠性则被改善。基本上，该表随着堆的老化 而被更改。一旦该表被更新，那么算法将转到全系统操作，并且在框112处开始阳极流动变 换。
燃料电池系统的成功启动要求当电流被吸取时，在阳极的活性区域处存在有氢 气。在阴极的活性区域处还必需存在空气。当FCS处于关闭状态中时，氢气不是主动受控 的，氮气和空气将逐渐进入到阳极中。这样，为了确保在活性部位处有可用的氢以便用于吸 取电流，在启动期间必需将氮气和空气从阳极系统中清扫出去。
如上所述，一种从阳极中去除氮气和空气的当前方法是已知为阳极清扫的功能。 当正确执行时，氢气代替了系统中现有的气体。该操作旨在被快速地执行，并且使气体均勻地流动。然而，因为硬件约束(例如，非均勻流动和氢排放要求)的缘故，理想的情形通常 不可达到。
阳极冲洗方法在启动序列期间从子堆中清扫出空气和氮气。氢气从喷射器单元进 入到堆中，并进入到集管底部。在完成集管清扫之后，通常执行阳极冲洗以提供氢气到所有 电池的同时流动。阳极阀被打开，从而允许氢气流动穿过堆，从而有效地将非反应物从流场 中清扫出去。氢气填充堆的底部。在一些仅具有效率较差的集管清扫的情形中，氢气可以 在抵达顶部电池之前抵达阳极阀。由于在排气中的可用的受限稀释，以及高的阳极流率，所 以阳极阀必需在通过该阀的氢气浓度变得太高之前关闭。然而，此时阳极可能尚未被完全 充分清扫。
因此，需要一种启动方法，其具有改善的冲洗功能。 发明内容
描述了一种用于在燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的检测方法。在一个 实施例中，该方法包括开始到阳极的氢气流动以对阳极进行加压；打开阳极流动阀；确定 阳极压力是否超出了阳极压力阈值；如果阳极压力超出阳极压力阈值，那么在第一预定时 间后使能阳极流量设定点检测；使用阳极流量设定点检测来监测阳极流量设定点；确定阳 极流量设定点是否超出阳极流量设定点阈值；以及，如果阳极流量设定点超出阳极流量设 定点阈值，那么在第二预定时间后关闭阳极流动阀。
本发明还提供了以下方案
1. 一种用于在燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的检测方法，包括
开始到阳极的氢气流动以对所述阳极进行加压；
打开阳极流动阀；
确定阳极压力是否超出阳极压力阈值；
如果所述阳极压力超出所述阳极压力阈值，则在第一预定时间后使能阳极流量设 定点检测；
使用所述阳极流量设定点检测来对阳极流量设定点进行监测；
确定所述阳极流量设定点是否超出阳极流量设定点阈值；以及
如果所述阳极流量设定点超出所述阳极流动设定点阈值，则在第二预定时间后关 闭所述阳极流动阀。
2.如方案1所述的方法，其中，所述第一预定时间高达大约2秒。
3.如方案1所述的方法，其中，所述第二预定时间高达大约1秒。
4.如方案1所述的方法，其中，进一步包括如果所述阳极压力没有超出所述阳极 压力阈值，则当边界条件被超出时关闭所述阳极流动阀。
5.如方案4所述的方法，其中，所述边界条件包括第三预定时间。
6.如方案4所述的方法，其中，所述边界条件包括阳极容积。
7.如方案1所述的方法，其中，进一步包括如果所述阳极流量设定点没有超出所 述阳极流量设定点阈值，则当边界条件被超出时关闭所述阳极流动阀。
8.如方案7所述的方法，其中，所述边界条件包括第三预定时间。
9.如方案7所述的方法，其中，所述边界条件包括阳极容积。
10.如方案1所述的方法，其中，所述阳极压力阈值处于大约140kPa到大约 200kPa的范围中。
11.如方案1所述的方法，其中，所述阳极流量设定点阈值处于大约0. lmol/s到大 约0. 3mol/s的范围中。
12. 一种用于在燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的检测方法，包括
开始到阳极的氢气流动以对所述阳极进行加压；
打开阳极流动阀；
确定阳极压力是否超出阳极压力阈值；
如果所述阳极压力超出阳极压力阈值，则在第一预定时间后使能阳极流量设定点 检测；
如果所述阳极压力没有超出所述阳极压力阈值，则当边界条件被超出时关闭所述 阳极流动阀；
使用所述阳极流量设定点检测来对所述阳极流量设定点进行监测；
确定所述阳极流量设定点是否超出阳极流量设定点阈值；
如果所述阳极流量设定点超出所述阳极流量设定点阈值，则在第二预定时间后关 闭所述阳极流动阀；以及
如果所述阳极流量设定点没有超出所述阳极流量设定点阈值，则当所述边界条件 被超出时关闭所述阳极流动阀。
13.如方案12所述的方法，其中，所述第一预定时间高达大约2秒。
14.如方案12所述的方法，其中，所述第二预定时间高达大约1秒。
15.如方案12所述的方法，其中，所述边界条件包括第三预定时间。
16.如方案15所述的方法，其中，所述第三预定时间高达大约2秒。
17.如方案12所述的方法，其中，所述边界条件包括阳极容积。
18.如方案17所述的方法，其中所述阳极容积处于大约0到大约10个阳极容积的 范围中。
19.如方案12所述的方法，其中，所述阳极压力阈值处于大约140kPa到大约 200kPa的范围中。
20.如方案12所述的方法，其中，所述阳极流量设定点阈值处于大约0. lmol/s到 大约0. 3mol/s的范围中。
图1是燃料电池的示意性框图。
图2A-B是流程图，其示出了用于提供正常的燃料电池启动的过程。
图3是示出了在没有在前集管清扫策略情况下的当前阳极冲洗的图示。
图4是示出了在没有在前集管清扫情况下作为燃料电池系统关闭时间的函数的 氢气流和氢气浓度的图示。
图5是示出了在具有在前集管清扫策略情况下的阳极冲洗的图示。
图6是示出了在具有在前集管清扫情况下作为燃料电池系统关闭时间的函数的 氢气流和氢气浓度的图示。
图7是流程图，其示出了用于使能气体成分观测的过程。
具体实施方式
描述了一种用于在燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的检测方法。该方法 用于检测何时使能气体成分观测。该方法对关于使能准则的压力响应的特定部分进行识 别。一个部分是初始时的压力上升，其包括将压力反馈与压力设定点进行比较。阳极压力 设定点基于测试和系统需求被预先确定。阳极压力设定点是用于阳极冲洗的期望压力，其 期望为高，但其受到排放顾虑的限制。该方法有助于避免气体成分检测中的假阳性(false positives)。用于阳极压力设定点的测试包括执行功能和各个不同的压力设定点，以最优 化前沿速度和排放要求。该测试包括设定不同的压力设定点，并且以各种关闭时间值来执 行启动。
另一部分是恒定流动段，如通过阳极流量设定点的平坦部分所指示的那样。这指 示了压力上升已完成，并且通过阀的气体浓度仍未改变。该方法还包括边界条件，以免受可 能导致排放违规的误检测。边界条件是在燃料电池系统的正常操作限制之外的条件。边界 条件一般被用来触发某些类型的补救动作，以防止不期望的结果。边界条件确保了如果气 体成分检测发生故障，那么冲洗功能将结束，以便避免排放问题。边界条件可以被选择为， 例如，时间限制、所添加的总的氢气容积、或者这两者、或者某些其它操作条件。
相比于当前控制方法，该方法提供了更一致并且更完全的冲洗。该方法考虑到了 系统到系统的变化。另外，通过容积计数方法(其中阳极冲洗被执行以一定数量的阳极容 积，例如，一个阳极容积)，校准时间减少。当在堆被部分填充以氢气或者当集管清扫并未导 致各电池的流量都一样的情况下启动燃料电池系统时，排放条件可能被超出，或者可能存 在不充分的填充。气体成分检测提供了反馈，其能够被用来解决这些问题。
通过阳极阀的氢浓度可以通过对阳极压力或流量响应进行监测来推定。该信息然 后可以被用来在启动期间优化阳极冲洗。在排出的氢气排放物不能被关于该排气中可用的 稀释空气量来进行控制之前，系统在通过冲洗阀的给定流量时仅能够容忍上升到某一氢气 浓度。如从压力流量响应推定那样的浓度相关性然后可以被用作进行控制决策的阈值。例 如，在 2009 年1月沘日提交的标题为“^stem and Methodfor Observing Anode Fluid Composition During Fuel Cell Systen^tart-邱”的美国申请 US20090361042 (律师备案 号P006394-FCA-CHE)中描述了用来基于传感器信号的分析来确定燃料电池系统中的流 体成分的系统和方法，在此通过引用将其并入本文。
该方法提供了改善的冲洗功能。该方法结合有检测程序，其利用了使用压力反馈 的气体浓度观测。反馈响应必需被正确处理，使得其不会导致假阳性，从而使该方法识别处 正确的响应，以便知道何时应采取行动。
图3示出了当前的阳极冲洗策略。在用于阳极冲洗的当前方法中，没有利用任何 检测。当冲洗容积计数超过被校准的阈值时，该功能结束。因为系统变化的缘故，所以该校 准通常是非常保守的，以便防止防止太多的氢进入到排气中。通常，这导致了效率不高的冲 洗，这样的冲洗需要更长的启动时间长度，以便允许使用更低流率的完全冲洗。
为了检测算法的利益的响应是通过信号名VeAPCC_dm0l_AnH2Sp指示的的直线， 其是用来计算传输到氢气喷射器的占空比的氢气流率设定点。有三种要素需要考虑，从而使得检测算法不会生成假阳性，并且使得其能够可靠地启动气体成分检测。这些要素已经 被分组为由括号1、2和3所指示的那样。括号1是阳极的初始加压，其中生成了高流率。 期望地，该高流率是由系统物理约束所允许的最高流率，所述系统物理约束由所允许的最 大阳极压力所限制，所述最大阳极压力受到材料限制和用于冲洗的阀的尺寸的影响。该高 流率减小了空气/ 前沿的共振时间。括号2是穿过阳极阀的气体成分发生改变的转变 点。气体成分在开始时多数为氮气或空气，而随着越来越多的氢气被引入到堆中将转变到 氢气。括号3是过多氢气流动穿过阀的区域，并且该过多的氢气不能在排气中被稀释以满 足排放要求。应当注意的是，随着通过阀的氢浓度增加，氢气流量设定点也增加以维持压力 设定点。随着气体成分从空气转变到氢气，由于穿过阀的气体成分的分子重量改变的缘故， 所以该响应发生。
—个方法的实施例以下述方式执行。当阳极冲洗功能被使能时，气体成分检测在 由括号1中标示出的响应部分期间保持禁用。使用压力反馈来对此进行控制，并且将其与 压力设定点进行比较，该压力设定点可以为固定值。一旦压力反馈满足其设定点，则引入时 间延迟以确保不会基于流量设定点信号(括号幻触发假阳性。该时间延迟确保了气体成分 检测不被使能，直到相对合适地进入到括号2中的时刻为止。然后，气体成分检测被使能， 以便检测流量设定点。当流量设定点超出一定阈值时，气体成分检测在阀上采取动作，或者 结束该功能。而且，为了确保信号中的噪声不会导致气体成分检测被过早触发，可以利用时 间延迟以确保流量设定点已经超出流量设定点阈值。时间延迟一般是较小的值，处于大约 100毫秒的量级。
流量设定点被校准以优化阳极冲洗，从而使得最大量的氢气已经被引入到系统 中，并且没有超出排气浓度要求。为了确定何时应当退出冲洗，在燃料电池系统上执行极限 测试，该燃料系统具有近似匹配车辆排气的排气。从该极限测试，基于来自排气中的氢传感 器的反馈可以确定退出阈值。如图4中所示，流量设定点阈值是在启动请求时刻时的初始 气体成分的函数。
当在阳极冲洗之前存在集管清扫步骤时，相同的检测方法可以是有效的。然而，其 可能需要不同的校准。在图5中示出了对具有在前集管清扫的阳极冲洗的响应。
尽管对于图5中所示的情形，流量设定点的响应并不确切相同，但是用于检测所 需的三个部分仍然是可用的。对该状况的调整可以被构建到算法中。作为参考，图6是在 集管清扫之后的阳极冲洗结束时相对于燃料电池系统关闭时间(初始气体成分)的流量设点ο
如图6中所见，在快速冲洗结束时的H2流量随着关闭时间值而稍微改变。这指示 了在该功能结束时穿过该阀的气体浓度的各种不同水平。在理想情形中，在该功能结束时 穿过阀的氢浓度将是相同的。然而，如果在阴极上存在高水平的氢气，则排放约束可能阻止 这种情形，因而限制了被排放的阳极氢气量。图6中的值是校准冲洗阈值的良好基准点。
图7是示出了用于使能气体成分检测的过程的流程图。在块200处开始快速冲洗。 紧接在在块205处构建压力。压力构建是阳极侧功能，以便对阳极进行加压，从而使得当阳 极流动阀打开时将发生高流率。一旦压力达到设定点，那么设置标志以指示该部分的功能 已经完成。
在块210处，系统确定阳极压力是否满足阳极压力设定点。阳极压力是设定点阈值一般处于大约HOkPa到大约200kPa的范围内。如果阳极压力设定点被满足，那么在块 215处系统等待以预定时间长度。该时间延迟用来识别位于压力上升部分之间的“谷”，并 且实现稳定的流动。该时间延迟由对所监测的信号进行测试以及对所监测信号的响应来确 定。理想地，该时间延迟应当足够长，使得由于压力上升缘故所致的激振效应(压力信号在 设定点周围的振荡)已经平息。排放要求是关于时间延迟的主要考虑。执行一系列的极限 测试，其中将阀故意保持打开并持续以比实际所需要长得多的时间。容积积分器报告已经 将多少阳极容积的氢气引入到了阳极中。当氢传感器报告例如2. 5%的值时，对应的冲洗容 积被用作校准值的基准。以许多不同的初始系统条件(例如，各种关闭时间值和温度)来 执行极限测试，以便获得时间延迟。该时间延迟还可以通过测量和计算信号斜率的算法来 确定。这将是更加复杂的实施方式。该时间延迟一般高达大约2秒。
在该时间延迟后，阳极流量设定点检测在块220处被使能。阳极流量设定点在块 225处被监测，以便确定阳极流量设定点何时开始增加，以便使用诸如在美国申请中描述的 方法来维持阳极中的压力。阳极流量设定点是基于阳极压力和阳极压力设定点之间的误 差。阳极流量设定点是预定值。随着分子量从空气7)改变到氢0.0)，流阻将减小。 因而，为了维持相同的压力，阳极流量设定点必需增加。气体浓度观测使用经由阳极流量设 定点的压力响应来对流阻中的减小进行监测。阳极流量设定点阈值一般处于大约0. Imol/ s (摩尔/秒)到大约0. 3mol/s的范围中。
在块230处，系统确定阳极流量设定点是否超出阈值水平。该阈值水平是基于排 放限制的，并且能够使用诸如在美国申请中所描述的方法来确定。关于阳极阀设定点的阈 值水平是基于排放限制来确定的。PI(比例积分)控制器监测阳极压力设定点相对于阳极 压力反馈的关系。该控制器使用两个信号之间的误差，并且输出命令喷射器的流量设定点， 从而使得压力设定点被实现。如果阳极流量设定点超出阈值，那么系统在块235处等待以 预定时间。该预定时间被经验性确定。快速冲洗功能在块245处结束。该预定时间一般高 达大约1秒，通常为大约0. 001秒到大约1秒。
如果在块230处阳极流量设定点没有超出阈值，那么系统行进到块M0，并且等 待，直到边界条件被超出时为止。该边界条件可以是冲洗容积阈值、最大时间阈值、或者这 两者、或者某些其它操作条件。边界条件时间限制一般高达大约2秒，通常为大约0. 25秒 到大约2秒。氢气容积的边界条件一般位于大约0到10个阳极容积的范围中，通常为0. 25 到10个阳极容积(1/1)。在块245处，快速冲洗功能结束。
如果在块210处阳极流量设定点未被满足，则系统行进到块对0，并且等待，直到 超出边界条件的冲洗容积阈值或最大时间阈值时为止。快速冲洗功能在块245处结束。
也可以通过对阳极流量设定点信号的即时导数进行监测来实现检测使能的准则。 压力上升可以具有陡峭的正斜率。一旦压力满足其设定点，那么斜率将显示出陡峭的负斜 率，并紧随以平坦或浅的斜率。这样，算法可以顺序地识别这些斜率，并确定使用压力传感 器的气体观测能够被使能。
此外，要注意的是，本文中关于实施例的部件被以特定方式“配置”，或具体化特定 属性，或以特定方式起作用的陈述均是与预期用途的陈述相对的结构性陈述。更具体地，本 文中对部件被“配置”的方式参考是指该部件的现有物理状况，同样地，也被认为是对部件 的结构因素的限定性陈述。
要注意的是，术语“以便”、“常常”、“通常”当在本文中被使用时，都不被用来限制 所要求保护的实施例的范围，也不暗示某些特征对于所要求保护的实施例的结构或功能而 言是关键的、必需的、或者甚至是重要的。相反，这些术语仅仅意在识别实施例的特定方面， 或者强调可以或者可以不用在特定实施例中的替代性或另外特征。
为了描述和限定本文中的实施例的目的，要注意的是，本文使用术语“基本上”、 “显著地”、以及“大约”来表示不确定性的固有程度，其可归因于任何数量比较、值、测量、或 其它表述。术语“基本上”、“显著地”、以及“大约”在本文中还被用来表示数量表述可以从 所阐述的基准进行变化而不会导致讨论中的对象的基本功能变化的程度。
已经详细描述了本发明的实施例，并且通过参考本发明的具体实施例，各种可能 的修改和变型将变得明显，而不会背离所附权利要求中限定的实施例的范围。更具体地，尽 管本发明实施例的一些方面已经被看作是优选的或者特别有优势的，但是所设想的是，本 发明的实施例并不必被局限于这些优选方面。
权利要求
1.一种用于在燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的检测方法，包括开始到阳极的氢气流动以对所述阳极进行加压；打开阳极流动阀；确定阳极压力是否超出阳极压力阈值；如果所述阳极压力超出所述阳极压力阈值，则在第一预定时间后使能阳极流量设定点 检测；使用所述阳极流量设定点检测来对阳极流量设定点进行监测；确定所述阳极流量设定点是否超出阳极流量设定点阈值；以及如果所述阳极流量设定点超出所述阳极流动设定点阈值，则在第二预定时间后关闭所 述阳极流动阀。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一预定时间高达大约2秒。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二预定时间高达大约1秒。
4.如权利要求1所述的方法，其中，进一步包括如果所述阳极压力没有超出所述阳极 压力阈值，则当边界条件被超出时关闭所述阳极流动阀。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述边界条件包括第三预定时间。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述边界条件包括阳极容积。
7.如权利要求1所述的方法，其中，进一步包括如果所述阳极流量设定点没有超出所 述阳极流量设定点阈值，则当边界条件被超出时关闭所述阳极流动阀。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述边界条件包括第三预定时间。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述阳极压力阈值处于大约HOkI^a到大约200kPa 的范围中。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述阳极流量设定点阈值处于大约0.lmol/s到大 约0. 3mol/s的范围中。
全文摘要
本发明涉及燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的控制检测方法。具体地，描述了一种用于在燃料电池系统启动期间使能气体成分观测的检测方法。在一个实施例中，该方法包括开始到阳极的氢气流动以对阳极进行加压；打开阳极流动阀；确定阳极压力是否超出了阳极压力阈值；如果阳极压力超出阳极压力阈值，那么在第一预定时间后使能阳极流量设定点检测；使用阳极流量设定点检测来监测阳极流量设定点；确定阳极流量设定点是否超出阳极流量设定点阈值；以及，如果阳极流量设定点超出阳极流量设定点阈值，那么在第二预定时间后关闭阳极流动阀。
文档编号H01M8/04GK102034996SQ20101050820
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月8日
发明者A·乔扈里, S·E·莱尔纳, S·G·格贝尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司