利用电容模型的改进的阴极压力控制的制作方法
【专利摘要】本发明涉及利用电容模型的改进的阴极压力控制。通过阴极反压阀控制燃料电池堆压力的系统和方法。流量补偿值被用作瞬态操作条件期间的电容项以消灭在堆流设置点和实际堆流之间的差异。电容项是基于操作参数，包括堆压改变、堆冷却剂温度和堆体积。由电容项产生的额外流量可被馈送，与压降模型和阀位置模型一起提供对阀位置的更准确的预测。
【专利说明】利用电容模型的改进的阴极压力控制
【技术领域】
[0001]本发明概括地涉及控制燃料电池堆，并且更具体地涉及一种系统和方法，其用于在操作瞬变期间通过反压阀的操纵来控制阴极堆压，这种操纵将与燃料电池堆操作参数相关联的电容项考虑为提供更准确的阀位置指令的方式。
【背景技术】
[0002]燃料电池通过化学反应将燃料转化成可用的电能。这种能量产生装置的显著益处是它在不依赖作为中间步骤的燃料的情况下即可完成。照此，燃料电池相比内燃发动机(ICE)和相关的发电源具有若干环境优势。在典型的燃料电池中，例如质子交换膜或聚合物电解质膜(在任一种情况下，PEM), 一对被催化的电极由离子传递介质(例如，全氟磺酸或等同物)分离开。化学反应在通过其中一个电极(阳极)被引入的电离形式的气体还原剂(例如氢气，H2)穿过离子传递介质并与已经通过另一电极(阴极)被引入的电离形式的气体氧化剂(例如氧气，O2)混合时发生。在氢气的电离中被释放的电子以直流(DC)的形式通过外部电路前进到阴极，外部电路通常包括负载，在该负载处可做有用功。离子、电子和所供应的氧气在阴极处的混合产生作为良性副产品的水。由电流产生的发电可通过将数个这种燃料电池组合以形成燃料电池堆来增加。
[0003]辅助装备，例如压缩机和相关联的导管、阀、控制器等，被用于传递反应剂进出燃料电池堆，这作为维持在整个燃料电池系统中的反应剂的温度、压力、流速和其它操作特征的一种方式。不过，开发新的控制系统以精确地调节在燃料电池系统中使用的这些反应剂的压力仍具有挑战性和一定难度。这些挑战在瞬态操作条件期间尤其艰巨，在这种情况下通过反压阀的流动可允许与在这种瞬变期间阴极堆所要求的相比更大或更小的流量，这造成了对反压阀位置设置的不准确的预测。额外的系统复杂性，例如旁通阀、再循环阀等的使用，加剧了这些挑战，正如基于交通工具的应用那样，在这种情况下可靠性、重量和成本是重要的因素。
【发明内容】
[0004]根据本发明的教导，公开了用于控制燃料电池堆中的压力的设备和方法。根据本发明的第一方面，方法包括利用控制器生成命令信号，该命令信号可被用于控制燃料电池堆反压阀。控制器采用基于前馈控制策略(也被称为前馈部分)和基于反馈控制策略的要素以调节反压阀位置从而控制燃料电池堆压力。因此，虽然控制策略是基于前馈的，但是其仍可包括基于反馈的要素，例如堆压、堆空气流或总(即，堆加任何旁通)空气流，作为提供修正指令的方式。基于前馈的策略使用从一个或多个压降模型和反压阀位置模型馈送的输入。重要地，因为堆流设置点被用作作为反压阀设置的前馈控制的一部分的各项中的其中一项，所以本发明额外地包括堆电容模型，其用作堆流设置点的补偿项。这个电容项是有价值的，因为堆流设置点在堆压设置点变化或相关的瞬态操作条件期间会有误差。
[0005]在另一实施例中，燃料电池系统被公开。该系统包括燃料电池堆和多个阀以控制反应剂或相关的流体进出堆的流动。在特定的形式中，这些阀包括反压阀和旁通阀和再循环阀(例如用于压缩机排放的再循环)中的一个或多个。反压阀的进口被连接到燃料电池堆的出口，而旁通阀被构造成选择性地引导空气流绕过燃料电池堆以帮助满足阴极空气流设置点或相关的要求。系统还包括基于处理器的控制器以运行指令从而确定反压阀的更优位置。该指令利用一个或多个压降模型作为反压阀位置计算的输入。压降模型中的至少一个和反压阀位置模型使用作为堆流设置点补偿的修正器，该修正器由电容模型生成，作为提供对期望的反压阀位置的预测的方式，该预测比由组合的压降计算和单独的反压阀位置计算生成的组合指令所能实现的更准确。
[0006]在另一实施例中，燃料电池系统的控制器被公开。该控制器包括一个或多个处理器和存储器，该存储器与处理器信号通信以存储与调节反压阀的位置有关的指令，该反压阀被流体地连接到燃料电池堆的出口。指令(其可以是代码或者一个或多个模型的形式)使处理器控制燃料电池堆内的反应剂特征；指令包括阀位置模型、堆电容模型和一个或多个压降模型。这些模型协作使得在接收到与燃料电池堆内的操作瞬变有关的信息时，来自堆电容模型的输出(例如，输出信号)修正空气流控制信号，该空气流控制信号为阀位置模型和一个或多个压降模型中的至少一个所用，或者与阀位置模型和一个或多个压降模型中的至少一个协同地修正空气流控制信号。这个被修正的信号可构成命令信号的前馈部分，该命令信号被控制器使用以更新反压阀位置。额外的反馈项也可形成指令的一部分，并且可包括与堆空气流设置点、总(即，堆加旁通)空气流设置点等有关的信息。
[0007]本申请还提供了如下方案:
方案1.一种控制由燃料电池堆内的操作瞬变引起的压力的方法，该方法包括:
由至少一个处理器利用控制器生成对应反压阀的位置的命令信号，该反压阀被连接到燃料电池堆的出口，该命令信号包括前馈部分和反馈部分；
使用来自多个压降模型、阀位置模型和堆电容模型的输出确定前馈部分，其中堆电容模型修正了被用作所述多个压降模型和所述阀位置模型中的至少一个的输入的堆流设置点信号；
将前馈部分输入到所述控制器；
将反馈部分输入到所述控制器；以及
基于前馈部分和反馈部分在控制器内生成命令信号，使得反压阀的位置被改变。
[0008]方案2.如方案I所述的方法，其中，所述反馈部分是基于堆压反馈和堆压设置点之间的差计算的。
[0009]方案3.如方案2所述的方法，其中，到堆电容模型的输入包括对应燃料电池堆内的压力改变、燃料电池堆内的流温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力的值，所述预测压力基于所述堆压设置点和根据压缩机图的基于压缩机速度的最大允许压力。
[0010]方案4.如方案I所述的方法，其中，从堆电容模型的输出被用作阀位置模型和多个压降模型中的至少一个的输入。
[0011]方案5.如方案I所述的方法，还包括实时地生成命令信号。
[0012]方案6.如方案I所述的方法，其中，来自堆电容模型的堆流设置点信号的修正部分是根据下式基于理想气体定律:
【权利要求】
1.一种控制由燃料电池堆内的操作瞬变引起的压力的方法，该方法包括: 由至少一个处理器利用控制器生成对应反压阀的位置的命令信号，该反压阀被连接到燃料电池堆的出口，该命令信号包括前馈部分和反馈部分； 使用来自多个压降模型、阀位置模型和堆电容模型的输出确定前馈部分，其中堆电容模型修正了被用作所述多个压降模型和所述阀位置模型中的至少一个的输入的堆流设置点信号； 将前馈部分输入到所述控制器； 将反馈部分输入到所述控制器；以及 基于前馈部分和反馈部分在控制器内生成命令信号，使得反压阀的位置被改变。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述反馈部分是基于堆压反馈和堆压设置点之间的差计算的。
3.如权利要求2所述的方法，其中，到堆电容模型的输入包括对应燃料电池堆内的压力改变、燃料电池堆内的流温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力的值，所述预测压力基于所述堆压设置点和根据压缩机图的基于压缩机速度的最大允许压力。
4.如权利要求1所述的方法，其中，从堆电容模型的输出被用作阀位置模型和多个压降模型中的至少一个的输入。
5.如权利要求1所述的方法，还包括实时地生成命令信号。
6.如权利要求1所述的方法，其中，来自堆电容模型的堆流设置点信号的修正部分是根据下式基于理想气体定律:`
7.一种燃料电池系统，包括: 燃料电池堆； 与燃料电池堆的出口流体连通的反压阀； 和 控制器，其包括至少一个处理器、输入、和输出以及存储器，存储器被构造成存储与多个模型相关的指令，所述多个模型包括多个压降模型、堆电容模型和阀位置模型，所述多个模型被构造成使得，当由所述至少一个处理器执行时，它们使控制器生成命令信号以调节反压阀的位置，该命令信号包括前馈部分和反馈部分，其中前馈部分是使用来自阀位置模型的输出确定的，该输出已经由堆电容模型和所述多个压降模型中的至少一个修正。
8.如权利要求7所述的系统，其中，被修正的输出包括修正的堆流设置点信号。
9.如权利要求7所述的系统，其中，堆电容模型被构造成接收作为输入的对应燃料电池堆内的压力改变、燃料电池堆内的流温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力的值，所述预测堆压力基于堆压设置点和基于压缩机速度的最大允许压力。
10.一种用于燃料电池系统的控制器，包括: 至少一个处理器；以及存储器，其与所述至少一个处理器信号通信以存储指令，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器通过使用阀位置模型、堆电容模型和至少一个压降模型调节被连接到燃料电池堆的出口的反压阀的位置来控制燃料电池堆内的反应剂压力，所述阀位置模型、堆 电容模型和至少一个压降模型响应于燃料电池堆内的操作瞬变而协作，其中来自堆电容模型的输出修正了由所述阀位置模型和至少一个压降模型中的至少一个用作堆流控制信号的至少一个参数。
【文档编号】H01M8/04GK103779589SQ201310509711
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2012年10月25日
【发明者】Y.张, J.马斯罗 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司