專利名稱：基于燃料電池系統中的陽極壓力響應的流量估計的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于確定流出封閉系統的流量的方法，更具體而言，涉及一種確定流出燃料電池系統的陽極子系統的陽極氣體的流量的方法，其中，該方法確定由多個壓力測量值形成的壓力線的斜率并將該斜率用于流量計算。
背景技術：
氫是一種非常有吸引力的燃料，因為它是清潔的，并且能夠用于在燃料電池中有效地產生電。氫燃料電池是一種包括陽極和陰極以及它們之間的電解質的電化學裝置。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處分離產生自由的質子和電子。質子通過電解質到達陰極。質子在陰極催化劑處與氧和電子反應產生水。來自陽極的電子不能夠通過電解質，因此在被送到陰極之前被弓I導通過負載來做功。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種流行的汽車燃料電池。PEMFC大致包括固態聚合物電解質質子導電膜，諸如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括細分的催化性顆粒，通常是鉬(Pt)，擔載在碳顆粒上，并與離子聚合物混合。催化性混合物沉積在膜的相對側。陽極催化性混合物、陰極催化性混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA制造起來比較昂貴，并且需要特定的條件以便有效操作。通常在燃料電池堆中組合若干燃料電池以產生所需的功率。例如，用于車輛的典型的燃料電池堆可能具有兩百或更多的堆置的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體， 通常是在壓縮機作用下強制通過堆的空氣流。并不是所有的氧都由堆消耗，一些空氣被輸出為可能包括作為堆副產物的水的陰極排氣。燃料電池堆還接收陽極氫輸入氣體，其流入堆的陽極側。燃料電池堆包括位于堆中的若干MEA之間的一系列雙極板，雙極板和MEA位于兩端板之間。對于堆中的相鄰的燃料電池，雙極板包括陽極側和陰極側。在雙極板的陽極側提供有陽極氣流通道，其允許陽極反應氣體流到相應的MEA。在雙極板的陰極側提供有陰極氣流通道，其允許陰極反應氣體流到相應的MEA。一個端板包括陽極氣流通道，另一個端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板由導電材料制成，諸如不銹鋼或導電復合物。端板將燃料電池產生的電導出堆。雙極板還包括冷卻流體流過的流通道。正如本領域技術人員所熟知的，必須精確地確定通過燃料電池系統的陽極子系統中的泄放閥、排放閥以及可能的其它閥的流率以便了解何時關閉特定閥。傳統的閥孔口模型相當有效，但受制于部件與部件的不同，因為模型假設孔口的有效面積。另外，孔口模型計算還要求入口壓力和出口壓力之間的不同以確定流量。對于某些已知系統而言，該壓力差的大小與壓力傳感器的誤差是同階的，這可能導致大的估計誤差。受讓給本申請的受讓人并通過引用而結合于本文的在2009年12月11日提交的題目為 Injector Flow Measurement for Fuel Cell Applications” 的美國專利申請號 12/636276中公開了一種用于確定通過燃料電池系統的閥的流量的方法。在噴射器脈沖之前和噴射器脈沖之后測量陽極子系統壓力，并且確定壓力之間的差。使用該壓力差、陽極子系統的體積、理想氣體常數、陽極子系統溫度、在噴射事件期間燃料電池堆的反應消耗的燃料、以及通過燃料電池堆的燃料電池中的膜的燃料穿透來確定通過閥的流量。’ 276申請中流量的確定采用兩個壓力測量值，該兩個壓力測量值可能被壓力讀取的噪聲所影響并且不對壓力測量的有效性提供反饋。
發明內容
根據本發明的教導，公開了一種方法，其用于確定流出陽極子系統的陽極氣體的流量。該方法包括提供預先確定的采樣時間段上的預先確定采樣時間的壓力測量值并且采用壓力測量值計算限定了從時間段的開始至時間段的結束的壓力變化的線的斜率。然后， 壓力線的斜率用于流量公式以確定流出陽極子系統的氣體量，該氣體可以通過閥或通過系統泄漏。此外，本發明還涉及以下技術方案。1. 一種用于確定流出燃料電池系統的陽極子系統的陽極氣體的流量的方法，所述方法包括
限定用于確定流量的時間段；
在所述時間段期間的多個預先確定的時間間隔處測量所述陽極子系統中的壓力； 利用壓力測量值來計算代表所述時間段期間所述陽極子系統中的壓力變化的壓力線的斜率；以及
利用所述壓力線的斜率來確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量。2.如技術方案1所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量包括確定通過泄放閥的流量，所述泄放閥排放來自所述陽極子系統的陽極排氣。3.如技術方案1所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量包括確定通過排放閥的流量，所述排放閥將水排出所述陽極子系統。4.如技術方案1所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量包括確定在所述陽極子系統中是否存在泄漏。5.如技術方案1所述的方法，其中，在預先確定的時間間隔處測量壓力包括在所述時間段期間大約每三毫秒測量壓力。6.如技術方案1所述的方法，其中，所述陽極子系統包括將陽極排氣從燃料電池堆的輸出引導至所述燃料電池堆的陽極輸入的再循環線路。
7.如技術方案1所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量還包括使用所述陽極子系統的體積和所述陽極子系統的溫度。8.如技術方案7所述的方法，其中，所述燃料電池系統包括燃料電池堆，并且其中，確定流出所述陽極子系統的流量還包括使用理想氣體常數、燃料電池堆電流和所述堆中的燃料電池的數量。9.如技術方案8所述的方法，其中，確定所述流量包括使用以下公式其中η是流量(moles/sec) I是所述壓力線的斜率，V是單位為升的陽極子系統體積，R是理想氣體常數(8. 315 Kpa-L/mol-K), T是陽極子系統溫度(K)，I是堆電流，Ncell是堆中電池的數量，F是法拉第常數(96485 A-s/mole)。 10.如技術方案1所述的方法，其中，計算壓力線的斜率包括使用以下公式
其中，ti是獲取壓力測量值的時間，t是采樣時間的平均值，Pi是特定采樣時間處的壓力測量值，F是采樣時間段期間所有測量的壓力的平均值。11.如技術方案1所述的方法，其中，利用所述壓力線斜率來確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量包括確定所述壓力線是否以預先確定的閾值之內擬合為直線。12.如技術方案11所述的方法，其中，確定所述壓力線是否擬合到直線包括使用以下公式
其中，ti是獲得壓力測量值的時間，t是采樣時間的平均值，Pi是特定采樣時間處的壓力測量值，F是所述采樣時間段期間所有測量的壓力的平均值。13.如技術方案1所述的方法，其中，限定用于確定流量的時間段包括限定將氫氣噴射進入燃料電池堆的陽極側的噴射事件之間的時間段。14. 一種用于確定流出燃料電池系統的陽極子系統的陽極氣體的流量的方法，所述燃料電池系統包括燃料電池堆，所述方法包括
限定用于確定流量的時間段，其中，所述時間段位于氫氣被噴射進入所述燃料電池堆的陽極側的噴射事件之間；
在所述時間段期間的多個預先確定的時間間隔處測量所述陽極子系統中的壓力； 利用壓力測量值來計算代表所述時間段期間所述陽極子系統中的壓力變化的壓力線斜率；
確定所述壓力線是否以預先確定的閾值之內擬合為直線；以及利用所述壓力線的斜率、所述陽極子系統的體積和所述陽極子系統的溫度來確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量。15.如技術方案14所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量包括確定通過泄放閥或排放閥的流量，所述泄放閥排放來自所述陽極子系統的陽極排氣，所述排放閥將水排出所述陽極子系統。16.如技術方案14所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流
權利要求
1.一種用于確定流出燃料電池系統的陽極子系統的陽極氣體的流量的方法，所述方法包括限定用于確定流量的時間段；在所述時間段期間的多個預先確定的時間間隔處測量所述陽極子系統中的壓力；利用壓力測量值來計算代表所述時間段期間所述陽極子系統中的壓力變化的壓力線的斜率；以及利用所述壓力線的斜率來確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量。
2.如權利要求1所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量包括確定通過泄放閥的流量，所述泄放閥排放來自所述陽極子系統的陽極排氣。
3.如權利要求1所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量包括確定通過排放閥的流量，所述排放閥將水排出所述陽極子系統。
4.如權利要求1所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量包括確定在所述陽極子系統中是否存在泄漏。
5.如權利要求1所述的方法，其中，在預先確定的時間間隔處測量壓力包括在所述時間段期間大約每三毫秒測量壓力。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述陽極子系統包括將陽極排氣從燃料電池堆的輸出引導至所述燃料電池堆的陽極輸入的再循環線路。
7.如權利要求1所述的方法，其中，確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量還包括使用所述陽極子系統的體積和所述陽極子系統的溫度。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述燃料電池系統包括燃料電池堆，并且其中，確定流出所述陽極子系統的流量還包括使用理想氣體常數、燃料電池堆電流和所述堆中的燃料電池的數量。
9.一種用于確定流出燃料電池系統的陽極子系統的陽極氣體的流量的方法，所述燃料電池系統包括燃料電池堆，所述方法包括限定用于確定流量的時間段，其中，所述時間段位于氫氣被噴射進入所述燃料電池堆的陽極側的噴射事件之間；在所述時間段期間的多個預先確定的時間間隔處測量所述陽極子系統中的壓力；利用壓力測量值來計算代表所述時間段期間所述陽極子系統中的壓力變化的壓力線斜率；確定所述壓力線是否以預先確定的閾值之內擬合為直線；以及利用所述壓力線的斜率、所述陽極子系統的體積和所述陽極子系統的溫度來確定流出所述陽極子系統的陽極氣體的流量。
10.一種用于確定流出封閉系統的氣體的流量的方法，所述方法包括限定用于確定流量的時間段；在所述時間段期間的多個預先確定的時間間隔處測量所述封閉系統中的壓力；利用壓力測量值來計算代表所述時間段期間所述封閉系統中的壓力變化的壓力線的斜率；以及利用所述壓力線的斜率來確定流出所述封閉系統的氣體的流量。
全文摘要
本發明涉及一種用于確定流出陽極子系統的陽極氣體的流量的方法。該方法包括提供預先確定的采樣時間段上的預先確定采樣時間處的壓力測量值并且采用壓力測量值計算限定了從時間段的開始至時間段的結束的壓力變化的線的斜率。然后，壓力線的斜率用于流量公式以確定流出陽極子系統的氣體量，該氣體可以通過閥或通過系統泄漏。
文檔編號G01F1/34GK102538880SQ201110423019
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優先權日2010年12月17日
發明者D.C.迪菲奧爾, J.比布拉赫 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司
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