专利名称：控制燃料电池系统中的燃料输送喷射器的适应性方法
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一例如聚全氟磺酸膜。阳极电极和阴极电极或催化剂层通常包括催化颗粒粉末一通常是支撑在碳粒子上并且与离子聚合物混合的钼(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勻的反应物湿度分布。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一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一例如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(Kv)，所述最大流量系数(Kv)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Kv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
权利要求
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。
2.如权利要求1所述的方法，还包括将喷射器流量比例因数存储在斌中。
3.如权利要求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。
4.如权利要求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。
5.如权利要求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。
6.如权利要求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。
7.如权利要求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。
8.如权利要求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= Λ·/ ·(! + kpe + fcj j:edt + ka Jj[ Iii J(" e du]dt)其中.cp I Ncell P V e—2f ~ RT并且其中是比例因数、Iifl是假定线性喷射器响应的喷射器流量设定值、冬是比例增益、A1 jf edt是第一积分增益、Att J0tI h J0uCdM |d￡是第二积分增益、/是电池堆电流、AfceW是燃料电池堆中的电池数量、厂是阳极压力、r是阳极容积、r是阳极气体温度、厂是法拉第常数并且是通用气体常数。
9.一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。
10. 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。
全文摘要
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。
文档编号H01M8/04GK102237536SQ20111011658
公开日2011年11月9日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年5月6日
发明者C. 迪菲奥雷 D., W. 伯利 D., 弗罗斯特 P. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司