在關閉和啟動時估計燃料電池系統中的氫濃度估計值的在線方法

2023-06-04 04:52:46 4

專利名稱：在關閉和啟動時估計燃料電池系統中的氫濃度估計值的在線方法
技術領域：
本發明總體涉及一種在系統關閉和啟動時估計燃料電池系統中的氫和/或氮濃 度的系統和方法，更特別地，涉及一種在系統關閉和啟動時估計燃料電池系統中的氫和/ 或氮濃度的系統和方法，其包括將燃料電池系統分為陽極流場和管道容積，陰極流場容積、 陰極集管和管道容積，並且計算氫，氮，氧和/或水的進出這些容積的通量。2、相關技術的討論氫是一種非常有吸引力的燃料，因為它清潔，且能夠在燃料電池有效地產生電。氫 燃料電池是一種電化學元件，其包括一個陽極和一個陰極以及它們之間的電解質。陽極接 受氫氣，陰極接受氧氣或空氣。氫氣在陽極中被分離產生自由質子和電子。質子穿過電解 質到達陰極。質子在陰極中與氧和電子發生反應產生水。陽極的電子不能穿過電解質，因 此它們在被送到陰極之前被定向穿過一個負載而進行做功。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種很普遍的車用燃料電池。PEMFC—般包括一 個固體聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括極細的催化顆粒， 通常為鉬(Pt)，以碳顆粒為載體並且混合有離子聚合物。催化混合物沉積在薄膜的相對面 上。陽極催化混合物、陰極催化混合物的組合以及膜的組合限定了膜電極組(MEA)。膜電極 組件製造相對比較昂貴，並且有效的工作需要一定的條件。幾個燃料電池通常被組合形成一燃料電池堆，用以產生所需的電能。例如，用於汽 車的燃料電池堆裝置，通常有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接受一陰極輸入反 應氣體，特別通過壓縮機強制通過電池堆的空氣流。不是所有的氧被堆所消耗，一些空氣被 作為陰極排出氣而排出，陰極排出氣也可能包括作為堆副產品的水。燃料電池堆也接受陽 極的氫反應氣體，流入堆的陽極一側。堆也包括冷卻液體流的流道。燃料電池堆包括一系列雙極板，其安置在堆中的幾個膜電極組件之間，雙極板和 膜電極組件安置在兩個端板之間。雙極板包括用於堆中相鄰的燃料電池的一個陽極側和一 個陰極側。陽極氣流通道提供在雙極板的陽極側，使得陽極反應氣體流過相應MEA。陰極氣 流通道提供在雙極板的陰極側，使得陰極反應氣體流過相應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製成，例如不鏽鋼或導電複合 物。端板將燃料電池產生的電傳導出堆外。雙極板也包括冷卻液流過的流道。系統啟動時，假設自上一次的關閉已經經過了足夠的時間，則在上次關閉時殘留 在堆中的氫的大部分已經擴散出堆外，並且陽極和陰極氣流通道通常都會被空氣充滿。系 統啟動時當氫導入陽極氣流通道時，氫推動空氣排出陽極氣流通道產生氫/空氣前體穿過 陽極氣流通道。如文獻中所描述的，在陽極側存在的氫/空氣前體與陰極側的空氣結合引6起一系列的化學反應的發生，導致在MEA的陰極側的碳載體的消耗，因此減少了在燃料電 池堆中膜電極組件的壽命。例如，已經顯示的那樣，在系統啟動時沒有處理氫/空氣前體的 退化效應，在這種方式下，大約100個關閉和啟動循環即可毀壞燃料電池堆。一種已知的能大大減少在系統啟動時的空氣/氫前體、從而減少催化劑腐蝕的技 術，是減少在充滿空氣的陽極和陰極的情況下的啟動頻率。實現該目的的方法是使陽極和 陰極處於氮/氫環境中。可是，氫或者將最終擴散出陽極外，或者被慢慢回到堆中的氧氣消 耗掉。因此，為了能夠延長減少催化劑腐蝕的能力，當系統關閉時將氫周期性的注入堆中。 因為在系統關閉時，大部分的氮保留在陰極側，原因是氧被燃料電池的反應消耗，氮和氫是 在系統關閉後燃料電池堆中在陽極和陰極側平衡的主要元素。這就不允許包括氧氣的空氣 形成空氣/氫前體。當燃料電池關閉時，氣體持續滲透穿過膜，直到氣體成分分壓力在膜的兩邊平衡。 氫從陽極到陰極穿過膜的擴散率大約是氮從陰極到陽極擴散率的三倍。與氮分壓力的相對 慢的平衡相比，較高的氫擴散率等同於氫分壓力的快的平衡。在氣體擴散率的差異引起陽 極子系統的絕對壓力下降，直到陰極氫分壓力達到陽極氫分壓力。特別地，燃料電池堆的陽 極側在高氫濃度下運行，比如高於60%，並且大容積的富氫氣體存在於堆的陽極外的陽極 集管和陽極管道中。當陽極絕對壓力下降時，更多的氫被抽出陽極子系統進入堆的陽極流 場。在系統關閉後氫分壓力平衡的最終結果是在燃料電池堆陰極側氫濃度隨時間增 加，至少是在關閉後的一段時間內。在系統啟動時，壓縮機啟動，但是存在於燃料電池堆中 來自陰極的氫濃度必須被限制以致於不違背排放要求。因此，當燃料電池的陰極充滿新鮮 空氣時，留在堆的陰極側的富氫氣體必須被稀釋。為了滿足啟動時間和噪音的要求，需要優 化堆陰極的填充時間。因為陰極流通過壓縮機的可用功率而被限制，所以填充方法對整個 壓縮機流率中的變化必須具有魯棒性。期望在系統啟動期間預測或估計在燃料電池系統中陽極和陰極中氫的量，從而使 得啟動策略滿足排放要求同時最大化的可靠性和最小化的啟動時間。通常希望氫濃度的估 計值對關閉和停機時間相關的功能具有魯棒性，並且考慮了膜中氣體的滲透以及來自外部 源的空氣侵入。同時，估計算法必須足夠簡單，以能設置在一個自動控制器中，計算量足夠 小以至能在沒有延遲啟動的情況下完成。在燃料電池堆啟動時確定陽極和陰極中的氫濃度將會帶來儘可能快的啟動時間， 因為非必要時系統控制不需要提供額外的稀釋空氣。進一步，確定的氫濃度提供更可靠的 啟動，因為將會知道陽極中需要補充的氫的數量。這對於從待機狀態或關閉關閉的中間的 啟動尤其有意義，在待機狀態或關閉的中間時氫濃度可能相對高。進一步，氫濃度的已知改善耐久性，因為當在堆中的氫濃度不已知時，典型的啟動 策略對於注入目的會假設最壞情況的氫百分比而對於稀釋目的會假設有100%的氫。在這 些情況下，初始陽極氫衝洗將會比如果知道堆被空氣充滿時變慢。腐蝕的比率與初始氫的 流率成比例。因此，不能準確的知道氫的濃度，這些事件中的每一個將會具有比必要的更多 的損壞性。同時，已知氫濃度能改善效率，因為在啟動之前對陽極和陰極中氫濃度更準確的 確定將會導致更有效的啟動決定和氫使用的潛在減少。例如，如果知道啟動時堆內沒有氫，7則將降低稀釋空氣。進一步，已知氫濃度提供更穩健的啟動。如果過早關閉或由於故障傳 感器而關閉，所述算法能使用物理限制為陽極和陰極中的氫提供上下限。

發明內容
根據本發明的教導，公開了一種在系統啟動和關閉時估計燃料電池堆和堆容積中 氫和/或氮的數量的系統和方法。此方法定義了燃料電池堆和堆容積為離散的容積，包括 陽極流場和陽極管道容積，陰極流場容積和陰集管和管道容積。此方法估計當燃料電池系 統關閉時，在陽極流場和陽極管道容積、陰極流場容積和陰極集管和管道容積中氫和/或 氮的量。此方法也估計在系統啟動時，陽極流場和陽極管道容積中氫和/或氮的數量，在陰 極流場容積中氫的數量，以及在陰極集管和管道容積中氫的數量。這些值在陽極流場和陰 極流場之間的壓力不平衡的系統啟動的第一階段期間以對系統關閉時陽極流場和陽極管 道容積，陰極流場容積和陰極集管和管道容積中氫和氮的估計為基礎。該方法在陽極流場 和陰極流場容積處於壓力平衡時的系統啟動的第二階段過程中，也基於在第一階段中陽極 流場和管道容積、陰極流場容積和陰極集管和管道容積中氫和氮數量的估計值估計在陽極 流場和管道容積以及陰極流場容積中氫的數量。現有的描述使用兩個陰極容積和一個陽極 容積。依賴於陰極和陽極的幾何構造，可能需要額外的容積。如果必要的時候此方法可因 其他的情況進行修改。本發明其它的特徵將由下面的說明和附加的權利要求，以及結合所附的附圖
進行 清晰的說明。本發明也提供了下面的解決方案方案1、一種在關閉、啟動或任意過渡狀態期間估計燃料電池系統中氫和/或氮濃 度的方法，該方法能夠用於調度氫氣流和空氣流以滿足排放、耐久性和效率的要求，所述的 燃料電池系統包括燃料電池堆、陽極管道、陰極管道和陰極堆集管，所述的燃料電池堆包括 陽極流場和陰極流場，所述的方法包括定義燃料電池系統為離散的容積，包括陽極流場和陽極管道容積，陰極流場容積 以及陰極集管和管道容積；當燃料電池系統關閉時，估計陽極流場和陽極管道容積、陰極流場容積和陰極集 管和管道容積中氫和氮的數量；在陽極流場和陰極流場間的壓力不平衡的系統啟動的第一階段期間，以在系統關 閉時陽極流場和陽極管道容積，陰極流場容積和陰極集管和管道容積中氫和氮數量的估計 為基礎，估計當燃料電池系統啟動時，在陽極流場和陽極管道容積中氫和氮的數量，陰極流 場容積中氫的數量以及陰極集管和管道容積中氫的數量；以及在陽極流場和陰極流場的氫和氮的分壓力已經平衡的系統啟動的第二階段過程 中，以第一階段中對陽極流場和管道容積、陰極流場容積以及陰極集管和管道容積中的氫 和氮的估計值為基礎，估計在陽極流場和管道容積以及陰極流場容積中氫的數量。方案2、根據方案1的方法，當燃料電池系統正被關閉時估計在陽極流場和陽極管 道容積、陰極流場容積以及陰極集管和管道容積中氫和氮的數量，考慮了從陰極流場容積 到陽極流場和陽極管道容積的氮的滲透流動，從陽極流場和陽極管道容積到陰極流場容積 的氫的滲透流動，從陰極流場容積到陰極集管和管道容積的氫的擴散和對流，以及在陰極流場容積與陰極集管和管道容積之間氮的對流。方案3、根據方案2的方法，陽極氮的摩爾數由下面的方程確定rt2 (A- + 1) = nfn (k) - (nN2(k) * Δ/)其中，是陽極氮摩爾數，力W2(幻是在時間t(k)時氮的摩爾流率，At是時間步 長；氫滲透流率由下面的方程確定nH2(k) = C]HP.i2(k)~!fa2(k))其中，W」-是總的氫流率，《2和K2分別是在陽極和陰極中氫氣體的分壓力，C1是 氫從陽極到陰極的滲透係數；氮滲透流動由下面的方程確定 Ν2 (k) = C2 * (ΡΓ ㈨—Pea"⑷)其中，力W2⑷是從陽極到陰極的氫摩爾流率，C2是氫從陽極到陰極的滲透係數並且 是膜特性和局部條件的函數，if 2和P^2分別是在陽極和陰極中氫的分壓力；由於擴散力SL 引起的氫流率由下面的方程確定rillXK) 二 C3 * (yi2md(k)-yi2plumb(k))其中，C3是氫的有效擴散係數，其包括自然對流混合效應以及分子擴散效應，分別 地，C是陰極流場容積中的陰極流場氫摩爾分數，yi2plumb是陰極管道容積中的陰極管道 氫摩爾分數；從陰極流場到陰極管道的由對流引起的氫的流率由下面的方程確定O.) = (nH\k)-nN2-nHDlM>」Hc「d(k、其中，#2(幻和力分別是氫和氮從陽極的滲透；氮在陰極管道和陰極流場之間 的對流簡單地由下式得出nNc2am (k) = nCaffld (k) - TiicIffld {k)其中，是陰極流場氮摩爾數，是陰極流場氫摩爾數，n。affld是使用理想氣 體定律估計的流場的總摩爾數，該定律假定加溼作用是恆定的，以及水的分壓力能被從在 陽極和陰極兩者中測得的總壓力中減去，其中所述方程提供了在每一個容積內各處的材料 平衡，並且其中在每一個時間步長的結尾，根據各個種類的摩爾數和總摩爾數計算摩爾分 數。方案4、根據方案1的方法，其中在第一階段中估計陽極流場和管道容積、陰極流 場容積以及陰極集管和管道容積中氫和氮的數量時，考慮了進入陽極流場和陽極管道容積 中的注入器洩漏流動，從陽極流場和管道容積到陰極流場容積的氫的滲透流動，從陰極流 場容積到陽極流場和管道容積的氮的滲透流動，從陰極流場容積到陰極集管和管道容積的 氫的擴散和對流流動以及在陰極流場容積與陰極集管和管道容積之間的氮的對流流動，並 且要考慮隨時間改變的陽極壓力。方案5、根據方案4的方法，其中氮的滲透流動由下面的方程確定W (k) = C2 * (PAN 2 (k) - If⑷)其中W2⑷是從陽極到陰極的氮摩爾流率，C2是氮從陽極到陰極的滲透係數，《2 和/=2分別是在陽極和陰極中氮氣的分壓力；氫的滲透流動由以下方程確定(k) 二 C3 * (冗2腳(k) - yHc:plumb (k))其中C3是氫的有效擴散係數，其包括自然對流混合效應以及分子擴散效應，分別地，Cl陰極流場容積中的陰極流場氫摩爾分數，yi2plumb是陰極管道容積中的陰極管道 氫摩爾分數；由對流引起的氫流率由以下方程確定(k) ^ ( 們(k) - 們(k) - nil ⑷)* C ㈨其中礦和Z2(A)分別是來自陽極的氫和氮的滲透；陰極管道容積和陰極流場 容積之間氮的對流由下面的方程隱含地推出「二 gid (k) = nCaffld (k) - H^2ffld (k)其中，^^是陰極流場氮摩爾數，《工^是陰極流場氫摩爾數，以及Iieaffld是流場的 總摩爾數，使用理想氣體定律對總摩爾數進行估計；不包括水的分壓力的陽極壓力由下面 的方程確定_ PanW =
VAn其中VAn是陽極容積，R是理想氣體常數，TStek(k)是堆溫度；注入器的洩漏流動由 下面的方程確定/ pShdn 一 pWa keup \ . f, Γ ， a HlAnlnjIn "rAnInjIn ) yAnlnjIn/\n, 二-------、-RHTZ^ln)其中，是來自供應管線洩漏的氫的摩爾數，/^i和PltT分別是在關閉和啟 動時供應管線的壓力，VtoIiy.In是供應管線的容積，是供應管線的攝氏溫度，R是理想氣 體常數，其中如果自前一次關閉的時間足夠短，注入器的洩漏是可觀的，〃 I2(幻能夠通過增 加洩漏的一部分而被修正。方案6、根據方案1的方法，其中在第二階段估計陽極流場和管道容積以及陰極流 場容積中的氫濃度，包括考慮進入陽極流場和管道容積的氫的注入器洩漏流動、在陽極流 場和管道容積與陰極流場容積之間的氫流動，來自陰極流場容積的氫洩漏流動，從陰極流 場容積到陰極集管和管道容積的擴散的氫，從陰極集管和管道容積到陰極流場容積的氧擴 散和對流，以及由於熱氣體收縮而進入陰極集管和管道容積中的氧流動。方案7、根據方案6的方法，其中在陰極流場容積中殘留的氫由下面的方程確定 ㈨=(Ae^'-卯-f ))其中，t是從第一階段結尾開始計算的FCS關閉時間，C7是表示向外氫洩漏的可 調常數，C8是表示由於對流和擴散力從陰極管道容積侵入陰極流場容積的氧侵入的可調常 數；在陰極流場容積中氫的初始量由下面的方程確定,H 2Α =+其中〃^m(A)是在階段一結束時在陰極流場容積中氫的數量；氫注入器洩漏流動 由下面的方程確定rr / pShdn _pWakeupAvjHl _ 、rAnInjIn — rAnInjIn ) yAnInjIn0061二RHTZnJIn) 其中VtoIiy_In是注入器上遊陽極管線的容積，是關閉時在注入器上遊的管線的10壓力，Ρ Γ是啟動時在注入器上遊的管線的壓力，R是理想氣體常數， ；是啟動時在注 入器上遊的管線的溫度；由於熱氣體收縮流動產生的氧侵入由下面方程確定
權利要求
1.一種在關閉、啟動或任意過渡狀態期間估計燃料電池系統中氫和/或氮濃度的方 法，該方法能夠用於調度氫氣流和空氣流以滿足排放、耐久性和效率的要求，所述的燃料電 池系統包括燃料電池堆、陽極管道、陰極管道和陰極堆集管，所述的燃料電池堆包括陽極流 場和陰極流場，所述的方法包括定義燃料電池系統為離散的容積，包括陽極流場和陽極管道容積，陰極流場容積以及 陰極集管和管道容積；當燃料電池系統關閉時，估計陽極流場和陽極管道容積、陰極流場容積和陰極集管和 管道容積中氫和氮的數量；在陽極流場和陰極流場間的壓力不平衡的系統啟動的第一階段期間，以在系統關閉時 陽極流場和陽極管道容積，陰極流場容積和陰極集管和管道容積中氫和氮數量的估計為基 礎，估計當燃料電池系統啟動時，在陽極流場和陽極管道容積中氫和氮的數量，陰極流場容 積中氫的數量以及陰極集管和管道容積中氫的數量；以及在陽極流場和陰極流場的氧和氮的分壓力已經平衡的系統啟動的第二階段過程中，以 第一階段中對陽極流場和管道容積、陰極流場容積以及陰極集管和管道容積中的氫和氮的 估計值為基礎，估計在陽極流場和管道容積以及陰極流場容積中氫的數量。
2.根據權利要求1的方法，當燃料電池系統正被關閉時估計在陽極流場和陽極管道容 積、陰極流場容積以及陰極集管和管道容積中氫和氮的數量，考慮了從陰極流場容積到陽 極流場和陽極管道容積的氮的滲透流動，從陽極流場和陽極管道容積到陰極流場容積的氫 的滲透流動，從陰極流場容積到陰極集管和管道容積的氫的擴散和對流，以及在陰極流場 容積與陰極集管和管道容積之間氮的對流。
3.根據權利要求2的方法，陽極氮的摩爾數由下面的方程確定 01) = 0)-(Z2 ㈨,其中，< 2是陽極氮摩爾數，Z2⑷是在時間t(k)時氮的摩爾流率，At是時間步長；氫 滲透流率由下面的方程確定儼㈨=C10)-/^2 ⑷)其中，^ff2是總的氫流率，^T和/^2分別是在陽極和陰極中氫氣體的分壓力，C1是氫從 陽極到陰極的滲透係數；氮滲透率由下面的方程確定 nN\k) = C1HPi\k)-P^{k))其中，^w2(幻是從陽極到陰極的氫摩爾流率，C2是氫從陽極到陰極的滲透係數並且是膜 特性和局部條件的函數，P=2和戶2分別是在陽極和陰極中氫的分壓力；由於擴散引起 的氫流率由下面的方程確定 ^η (k) = C3 * {yHJmd (k) — y^plumb (k))其中，C3是氫的有效擴散係數，其包括自然對流混合效應以及分子擴散效應，分別地， ο陰極流場容積中的陰極流場氫摩爾分數，α陰極管道容積中的陰極管道氫 摩爾分數；從陰極流場到陰極管道的由對流引起的氫的流率由下面的方程確定 o)=(作- o))」c 其中，力"20)和Z2(A)分別是氫和氮從陽極的滲透；氮在陰極管道和陰極流場之間的對流簡單地由下式得出
4.根據權利要求1的方法，其中在第一階段中估計陽極流場和管道容積、陰極流場容 積以及陰極集管和管道容積中氫和氮的數量時，考慮了進入陽極流場和陽極管道容積中的 注入器洩漏流動，從陽極流場和管道容積到陰極流場容積的氫的滲透流動，從陰極流場容 積到陽極流場和管道容積的氮的滲透流動，從陰極流場容積到陰極集管和管道容積的氫的 擴散和對流流動以及在陰極流場容積與陰極集管和管道容積之間的氮的對流流動，並且要 考慮隨時間改變的陽極壓力。
5.根據權利要求4的方法，其中氮的滲透流動由下面的方程確定
6.根據權利要求1的方法，其中在第二階段估計陽極流場和管道容積以及陰極流場容 積中的氫濃度，包括考慮進入陽極流場和管道容積的氫的注入器洩漏流動、在陽極流場和 管道容積與陰極流場容積之間的氫流動，來自陰極流場容積的氫洩漏流動，從陰極流場容 積到陰極集管和管道容積的擴散的氫，從陰極集管和管道容積到陰極流場容積的氧擴散和 對流，以及由於熱氣體收縮而進入陰極集管和管道容積中的氧流動。
7.根據權利要求6的方法，其中在陰極流場容積中殘留的氫由下面的方程確定其中，t是從第一階段結尾開始計算的FCS關閉時間，C7是表示向外氫洩漏的可調常 數，C8是表示由於對流和擴散力從陰極管道容積侵入陰極流場容積的氧侵入的可調常數； 在陰極流場容積中氫的初始量由下面的方程確定其中^Lk(幻是在階段一結束時在陰極流場容積中氫的數量；氫注入器洩漏流動由下 面的方程確定/ pShdn _ ρ Wa ke up八 //2 — VrAnInjIn — rAnInjIn ) VAnInjIn其中νΑηΙιυ η是注入器上遊陽極管線的容積，是關閉時在注入器上遊的管線的壓 力，P=;是啟動時在注入器上遊的管線的壓力，R是理想氣體常數，廠二；是啟動時在注入 器上遊的管線的溫度；由於熱氣體收縮流動產生的氧侵入由下面方程確定β ='C2其中，是描述在系統中可供消耗所有氫的氧的摩爾數的轉向參數，假定隨著時間從 陰極管道容積侵入到陰極流場容積中；在陽極中殘留的氫的摩爾數假定與在陰極流場中的 氫的摩爾數有關，容積由下面的方程確定其中，νΑη和Vcaffld分別是陽極和陰極流場容積，假定氫和氮穿過膜的滲透速率比氫洩漏 和氧侵入的速率快很多。
8.根據權利要求1的方法，其中在第一階段中估計在陽極流場和陽極管道容積、陰極 流場容積和陰極集管和管道容積中氫和氮的數量，考慮了有意地向陽極流場內的氫注入。
9.一種在關閉、啟動或任何過渡狀態下估計燃料電池中的氫和/或氮濃度的方法，該 方法能用於調度氫流動和空氣流動以滿足排放、耐久性和效率的要求，所述的燃料電池系 統包括燃料電池堆、陽極管道、陰極管道和陰極堆集管，所述的燃料電池堆包括陽極流場和 陰極流場，所述的方法包括定義燃料電池系統為離散的容積，包括陽極流場和陽極管道容積，陰極流場容積和陰 極集管和管道容積；當燃料電池系統關閉時，估計陽極流場和陽極管道容積、陰極流場容積和陰極集管和 管道容積中氫和氮的數量；其中，在燃料電池系統關閉時估計陽極流場和陽極管道容積、陰 極流場容積和陰極集管和管道容積中氫和氮的數量，考慮了從陰極流場容積到陽極流場和陽極管道容積的氮的滲透流動、從陽極流場和陽極管道容積到陰極流場容積的氫的滲透、 從陰極流場容積到陰極集管和管道容積的氫的擴散和對流，以及在陰極流場容積和陰極集 管和管道容積之間的氮的對流；在陽極流場容積和陰極流場容積中的氫和氮的分壓力不平衡的系統啟動的第一階段 期間，以在系統關閉時對陽極流場和陽極管道容積、陰極流場容積和陰極集管和管道容積 中氫和氮的估計為基礎，在系統啟動時估計在陽極流場和陽極管道容積中的氫和氮的數 量，陰極流場容積中氫的數量和陰極集管和管道容積中氫的數量，其中，在第一階段期間估 計陽極流場和管道容積、陰極流場容積以及陰極集管和管道容積中氫和氮的數量，考慮了 進入陽極流場和陽極管道容積中的注入器洩漏流動、從陽極流場和管道容積到陰極流場容 積的氫的滲透流動、從陰極流場容積到陽極流場和管道容積的氮的滲透流動、從陰極流場 容積到陰極集管和管道容積的氫的擴散和對流流動以及在陰極流場容積和陰極集管和管 道容積之間的氮的對流流動；以及在陽極流場和管道容積與陰極流場容積具有平衡的氫和氮的分壓力的系統啟動的第 二階段期間，以第一階段中陽極流場和管道容積、陰極流場容積和陰極集管和管道容積中 氫和氮的估計值為基礎，估計在陽極流場和管道容積以及陰極流場容積中氫的數量，其中 在第二階段期間估計陽極流場和管道容積以及陰極流場容積中的氫濃度，包括考慮進入陽 極流場和管道容積中的氫注入器洩漏流動、在陽極流場和管道容積與陰極流場容積之間的 氫流動、從陰極流場容積的氫的洩漏流動、從陰極流場容積到陰極集管和管道容積的擴散 的氫、從陰極集管和管道容積到陰極流場容積的氧的擴散和對流流動、和由於熱氣體收縮 流入陰極集管和管道容積的氧流動。
10. 一種在關閉、啟動或任何過渡狀態下估計燃料電池系統中的氫和/或氮濃度的系 統，該系統能用於調度氫和空氣流動以滿足排放、耐久性和效率的要求，所述的燃料電池系 統包括燃料電池堆、陽極管道、陰極管道和陰極堆集管，所述的燃料電池堆包括陽極流場和 陰極流場，所述的系統包括用於將燃料電池系統定義為三個容積的裝置，所述容積包括陽極流場和陽極管道容 積、陰極流場容積和陰極集管和管道容積；用於當燃料電池系統關閉時，估計陽極流場和陽極管道容積、陰極流場容積和陰極集 管和管道容積中氫和氮的數量的裝置；用於在陽極流場容積和陰極流場中的氫和氮的分壓力大約相同的系統啟動的第一階 段期間，以在系統關閉時陽極流場和陽極管道容積、陰極流場容積和陰極集管和管道容積 中氫和氮的估計為基礎，在系統啟動時估計在陽極流場和陽極管道容積中氫和氮的數量、 陰極流場容積中氫的數量和陰極集管和管道容積中氫的數量的裝置；以及用於在陽極流場和陰極流場容積處於壓力平衡的系統啟動的第二階段期間，以在第一 階段中陽極流場和管道容積、陰極流場容積和陰極集管和管道容積中氫和氮的估計值為基 礎，估計在陽極流場和管道容積以及陰極流場容積中氫的數量的裝置。
全文摘要
本發明涉及在關閉和啟動時估計燃料電池系統中的氫濃度估計值的在線方法。關閉一種估計在系統啟動和關閉時燃料電池堆以及堆體中氫和/或氮的數量的系統和方法。此方法定義燃料電池堆和堆體為離散體，其包括一陽極流場和陽極流場體、一陰極流場容積和陰極集管和管道容積。在第一階段期間當陽極和陰極之間氫部分壓力不平衡和在第二階段期間當陽極和陰極之間氫部分壓力平衡時，此方法通過考慮各種進出體中的流動，估計燃料電池系統關閉時陽極流場和陽極管道容積、陰極流場容積和陰極集管和管道容積中氫和/或氮的數量。
文檔編號G01N7/00GK102054999SQ20101057171
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月8日 優先權日2009年10月9日
發明者J·C·發格萊伊, J·N·洛夫裡亞, J·P·薩瓦多, S·加納帕思 申請人:通用汽車環球科技運作公司