專利名稱：用于燃料電池系統(tǒng)的陽極回路觀測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明大體上涉及用于確定燃料電池系統(tǒng)的陽極再循環(huán)回路中
氫的濃度的系統(tǒng)和方法，更具體而言，涉及用于確定燃料電池系統(tǒng)的陽極 再循環(huán)回路中氫的濃度以便知道何時(shí)提供氮釋放的系統(tǒng)和方法，其中，該 方法包括使用基于系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。
背景技術(shù)：
0002由于氫清潔無污染并可被用來在燃料電池中高效地生產(chǎn)電能，它 已成為非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，包括陽極和 陰極，兩極之間設(shè)有電解質(zhì)。陽極接收氫氣，陰極接收氧或者空氣。氫氣 在陽極分離產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰 極與氧和電子反應(yīng)生成水。陽極的電子不能穿過電解質(zhì)，因此它們在被送 到陰極之前被導(dǎo)經(jīng)負(fù)栽以進(jìn)行工作。
0003質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是很流行的車用燃料電池。PEMFC 通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟化磺酸膜。陽極和陰極 通常包括磨碎的催化劑顆粒，通常為鉑(Pt)，其被支持在碳顆粒上并與 離聚物混合。催化劑混合物放置在膜的相對側(cè)。陽極催化劑混合物、陰極 催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA) 。 MEA制造起來相對昂 貴并且高效工作的話需要一定的條件。
0004通常將若干燃料電池組合起來構(gòu)成燃料電池堆以便生成所期望 的能量。例如，典型的車用燃料電池堆可具有200個(gè)或更多的堆疊在一起 的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)氣體，該氣體通常為由壓縮機(jī) 驅(qū)使而穿過電池堆的空氣流。并非所有的氧都被電池堆消耗掉， 一些空氣 被作為陰極廢氣輸出，該廢氣可包括作為電池堆副產(chǎn)品的水。燃料電池堆 還接收陽極氫反應(yīng)氣體，其流入電池堆的陽極側(cè)。電池堆也包括有冷卻流 體流經(jīng)的流動通道。
0005燃料電池堆包括一系列設(shè)置在電池堆的若干MEA之間的流場板或 雙極板。對于電池堆中相鄰的燃料電池，雙極板包括陽極側(cè)和陰極側(cè)。陽 極反應(yīng)氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上，其允許陽極氣體流到MEA的陽極側(cè)。陰極反應(yīng)氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，其允許陰極
氣體流到MEA的陰極側(cè)。雙極板也包括有冷卻流體流經(jīng)的流動通道。0006所期望的是，在燃料電池堆中，氫在陽極流動通道中的分布基本 上恒定以便燃料電池堆正常工作。因此，本領(lǐng)域中公知的做法是，為使電 池堆具備一定的輸出負(fù)栽而輸入多于所需量的氫到燃料電池堆中以使陽
極氣體分布恰當(dāng)。然而，由于這種要求，陽極廢氣中氫的含量也非常高， 若這種氫被排出則會導(dǎo)致低的系統(tǒng)效率。此外，足量的氫排放到環(huán)境中， 會由于氫的爆炸特性而導(dǎo)致一些問題。因此，本領(lǐng)域中公知的做法是，使 陽極廢氣再循環(huán)回到陽極輸入以便重新利用排出的氫，0007MEA是通透的，因此允許電池堆的陰極側(cè)的空氣里的氮滲透通過 MEA并聚集在電池堆的陽極側(cè)，這在業(yè)界被稱作氮跨界(nitrogen cross-over)。燃料電池堆的陽極側(cè)的氮會稀釋氫，使得如果氮的濃度增 加到超出一定百分比，例如50%，燃料電池堆則會變得效率更低、不穩(wěn)定 或可能出現(xiàn)故障。本領(lǐng)域中公知的做法是，在燃料電池堆的陽極氣體輸出 處設(shè)置放泄閥以便從電池堆的陽極側(cè)去除氮。放出的氫可被送到任何合適 的位置，例如送到轉(zhuǎn)換器中或環(huán)境中。
0008為了使燃料電池堆在優(yōu)化條件下工作以及最大限度地提高系統(tǒng) 的性能，陽極再循環(huán)氣體中的氫需要達(dá)到足夠的量和一定的再循環(huán)速率。 然而，目前還沒有適合燃料電池系統(tǒng)的用于潮濕環(huán)境中的氫濃度傳感器或 者流速傳感器。因此，不可能對工作參數(shù)再循環(huán)流量和陽極氫濃度進(jìn)行直 接控制。

發(fā)明內(nèi)容
0009根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種系統(tǒng)和方法，其用于基于用來確 定再循環(huán)后的氣體中氫的濃度的模型，來控制燃料電池系統(tǒng)的陽極再循環(huán) 回路中的氮放泄閥。該方法包括測量經(jīng)過再循環(huán)泵后的壓力降和測量流 經(jīng)再循環(huán)回路的再循環(huán)后氣體的溫度。該方法還包括為再循環(huán)氣體中氫
的百分比設(shè)定任意值和計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降。該方法還包 括計(jì)算流經(jīng)電池堆的陽極側(cè)的再循環(huán)氣體的體積流量，該體積流量是所 計(jì)算出的經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降、再循環(huán)氣體中氫的百分比、所 測得的溫度和所測得的壓力的函數(shù)，該方法還包括利用所計(jì)算出的體積 流量、所測得的壓力降和再循環(huán)泵的速度來計(jì)算流經(jīng)再循環(huán)回路的再循環(huán)氣體的密度；以及隨后利用所計(jì)算出的密度、所測得的溫度和所測得的壓 力降來確定再循環(huán)氣體中氫的新百分比。該方法利用所測得的壓力、經(jīng)過 再循環(huán)回路中水分離器后的壓力降、和經(jīng)過再循環(huán)回路中管道系統(tǒng)后的壓 力降來計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降。
0010從下面的描述和所附權(quán)利要求中，并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它特 征將變得顯而易見。


0011圖l是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中陽極再循環(huán)回路的 示意圖，該回路使用一種控制技術(shù)來控制再循環(huán)泵的速度和放泄閥；
0012圖2為關(guān)系圖，其中橫軸代表體積變化，豎軸代表經(jīng)過陽極入口
和出口后的壓力變化，示出了基于陽極再循環(huán)氣體中氮的增加而發(fā)生的壓
力變化和體積變化；
0013圖3為關(guān)系圖，其中橫軸表示質(zhì)量變化，豎軸表示經(jīng)過再循環(huán)泵 后的壓力變化，示出了氣體密度隨著再循環(huán)氣體中氮的量的變化而變化；
0014圖4為關(guān)系圖，其中橫軸表示流量系數(shù)，豎軸表示壓力系數(shù)，示 出了氫再循環(huán)氣體的工作區(qū)域；
0015圖5為關(guān)系圖，其中橫軸表示體積變化，豎軸表示經(jīng)過再循環(huán)泵 后的壓力變化；以及0016圖6為關(guān)系圖，其中橫軸表示體積變化，豎軸表示壓力變化。
具體實(shí)施例方式
0017本發(fā)明涉及用于確定燃料電池系統(tǒng)中陽極再循環(huán)泵的速度的方 法，對本發(fā)明的實(shí)施例的論述實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的，絕不是用來限制本 發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用或使用。
0018圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的示意圖。來自氫源 14的氫氣被提供給混合節(jié)點(diǎn)16，隨后在管線18上被送到燃料電池堆12的陽 極側(cè)。陽極廢氣在管線20上從燃料電池堆12輸出并被送至放泄閥26。再循 環(huán)泵30將陽極廢氣經(jīng)閥26泵送到混合節(jié)點(diǎn)16以便與來自源14的新鮮氫混 合，從而構(gòu)成陽極再循環(huán)回路。需要控制再循環(huán)回路中的壓力，使其大約 等于電池堆12的陰極側(cè)的壓力。來自源14的新鮮氫和再循環(huán)后的陽極廢氣 在混合節(jié)點(diǎn)16處的恰當(dāng)混合設(shè)定了電池堆12的陽極側(cè)的壓力。0019如上所述，來自燃料電池堆12的陰極側(cè)的跨界氮稀釋了陽極側(cè)的 氫，這影響了電池堆的性能。因此，需要周期性地釋放陽極廢氣以減少再 循環(huán)的氮的量。在釋放氮期間，控制閥26以將陽極廢氣從再循環(huán)回路切換 到廢氣管線28上。使陽極氣體的再循環(huán)速率適應(yīng)燃料電池的負(fù)載和氫添加 氣體的流量，這對于支持水管理和減少燃料電池系統(tǒng)上的寄生負(fù)載是有益 處的。
0020為了監(jiān)測陽極氣體再循環(huán)，在系統(tǒng)10中設(shè)置了各種傳感器。具體 來說，壓力傳感器36在管線20上測量陽極再循環(huán)回路中的壓力，壓力傳感 器40測量經(jīng)過再循環(huán)泵30后的壓力。另外，溫度傳感器38在管線18上測量 再循環(huán)回路中再循環(huán)氣體的溫度。再者，聚水器32從陽極廢氣中去除副產(chǎn) 品水。再循環(huán)回到輸入管線18的陽極廢氣中存在的水蒸汽有助于所必需的 電池堆膜的增濕。控制器34基于下文的論述來控制來自源14的新鮮氫的 量、泵30的速度以及放泄閥26的狀態(tài)?？刂破?4也接收來自壓力傳感器36 和40、以及溫度傳感器38的測量信號。
0021基于以上論述，所希望的是，控制器34能夠知道何時(shí)向廢氣管線 28提供陽極廢氣釋放，并且能夠在不使用氫濃度傳感器和再循環(huán)流量傳感 器的情況下確定泵30的速度以提供再循環(huán)后的氫和新鮮氫的恰當(dāng)混合以 滿足電池堆負(fù)載等。根據(jù)本發(fā)明，開發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，用于確定再循環(huán) 回路中氫的濃度和再循環(huán)泵30的恰當(dāng)速度。如果再循環(huán)回路中氫的濃度 降至低于預(yù)定值，例如70%,那么控制器34將使放泄閥26打開一段預(yù)定的 時(shí)間以減少氮的量。在一個(gè)實(shí)施例中，所期望的再循環(huán)速率是基于某些系 統(tǒng)參數(shù)的。因此，如果再循環(huán)速率顯示再循環(huán)回路中有太多再循環(huán)后的陽 極氣體，那么控制器34將降低泵30的速度。同樣，如果控制器34確信再循 環(huán)后的陽極氣體含有太多新鮮氫，那么它將提高泵30的速度。被引入再循 環(huán)回路中的新鮮氫的量取決于電池堆的負(fù)載。
0022圖2所示的圖中，橫軸代表氫再循環(huán)氣體的體積流量變化，豎軸 代表經(jīng)過電池堆12的入口和出口后的陽械氣體的壓力變化。圖2顯示，對 于再循環(huán)回路中的相同體積流量的陽極再循環(huán)氣體，經(jīng)過電池堆12的入口 和出口后的壓力隨著陽極再循環(huán)氣體中的氮的增加而沿著線50上行，這是 由于再循環(huán)氣體粘度的提高所造成的。下面的方程(1) - (10)示出了經(jīng) 過電池堆12的入口和出口后的壓力變化傘和經(jīng)過電池堆12的體積流量的 變化 以及再循環(huán)氣體中氫的濃度之間的關(guān)系。<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，
以及，
(4)
(5)
(6)
在方程(i) - (6)申；/t為常量幾^r參數(shù)，義^管子粗糙度引起的壓力
降損失系數(shù)，A為泵30的水力直徑，p為氣體密度，伊為流量系數(shù)，為平
均氣體速度，7為運(yùn)動粘度，/為管子長度，及e為雷諾數(shù)，J為管子的面積，
f/為管子的周長，y為分子氣體分?jǐn)?shù)分量(molecular gas fraction component) , A為基于電池堆設(shè)計(jì)的預(yù)定常量，;為再循環(huán)氣體的動態(tài)粘 度。如本領(lǐng)域中所公知的，動態(tài)粘度^/是再循環(huán)氣體的氣體分?jǐn)?shù)力和溫度r 的函數(shù)。
0023為了基于該模型確定再循環(huán)泵30的速度，需對再循環(huán)泵30進(jìn)行繪 標(biāo)(be mapped)。圖3所示的圖中，橫軸表示再循環(huán)氣體的質(zhì)量流量的變 化，豎軸表示經(jīng)過泵30后的壓力降，此值由壓力傳感器40測得。隨著泵30 的速度w或再循環(huán)氣體的密度/ 的增加，由于氮的含量沿著線52變化，經(jīng)過 再循環(huán)泵30的再循環(huán)氣體的質(zhì)量流量和經(jīng)過泵30后的壓力降之間的關(guān)系 在此圖中示出。
0024基于經(jīng)過泵30后的壓力降和經(jīng)過泵30的再循環(huán)氣體的質(zhì)量流量 之間的關(guān)系，可如下定義壓力系數(shù)^
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中， m (".￡>.;r) p.("-D-;r)<formula>formula see original document page 9</formula>以及，
;1
r—1
、/v
_1
(9)
其中，F(xiàn)為比等熵熵增(specific isentropic entropy rise)，即氣體被壓
縮時(shí)泵30對氣體做的功，A為比焓，o為氣體在泵出口處的速度，o為氣體
在泵入口處的速度，w為泵30的速度，M為泵30中葉輪的旋轉(zhuǎn)速度，i)為泵
30中葉輪的直徑，/7為經(jīng)過泵30后的壓力降，以及/ 為再循環(huán)氣體的密度。 再循環(huán)氣體的密度p是再循環(huán)氣體中氫的濃度和壓力^的函數(shù)。
0025對于小的壓力比，比焓A可被簡化為
J"生
(10)
0026此外，基于經(jīng)過泵30后的壓力降和經(jīng)過泵30的再循環(huán)氣體的質(zhì)量 流量之間的關(guān)系，可如下定義流量系數(shù)cp。密度p^下給定
p = ， (11)
特定氣體(specific gas )的分子量M『如下給定
附=w'AW
其給出體積流量K如下:
廠=
"燈
其中R為氣體常數(shù)。從這個(gè)
(12)
(13)
(14)
7 r
其中，丘給出了特定氣體的實(shí)際分?jǐn)?shù)。這給出了
(3 =
氛
D3. w
(15)
(16)
0027圖4所示的圖中，橫軸表示流量系數(shù)伊，豎軸表示壓力系數(shù)^，該 圖示出了這兩系數(shù)之間的標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)系。根據(jù)本發(fā)明，圖線56上的點(diǎn)54表示 再循環(huán)泵30的工作區(qū)域以提供繪標(biāo)(mapping)。
0028在再循環(huán)回路中，管道系統(tǒng)中的再循環(huán)氣體流通常為層流，并可 被分配恒定的壓力降Q遽M，這取決于系統(tǒng)的測試測量值。經(jīng)過再循環(huán)泵 30后的壓力降4^由傳感器40測量。在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，水分離器 32是一種旋風(fēng)型水分離器，其釆用離心旋轉(zhuǎn)原理來去除水，并具有湍流。經(jīng)過分離器32后的壓力降47》、岸薦可由拋物線關(guān)系來確定。從這些值中，從 入口管線18到出口管線20經(jīng)過電池堆12的陽極側(cè)后的壓力降4;賄可如下 確定
傘銜淡<7 - c粒系統(tǒng)J " P靈-傘分繊」 (17)0029基于再循環(huán)氣體中氮含量的增加，從圖2給出了經(jīng)過電池堆12的 陽極側(cè)后的壓力降和流經(jīng)電池堆12的陽極氣體體積流量之間的關(guān)系的電 池堆特性。圖5為再循環(huán)氣體中氮含量不斷增加情形下的關(guān)系圖，橫軸表 示流經(jīng)再循環(huán)泵30的體積流量，豎軸表示經(jīng)過再循環(huán)泵30后的壓力降。組 合圖2和圖5，給出示于圖6的關(guān)系圖。在線60上提供了所測量的壓力降， 并定義了工作點(diǎn)62。
0030基于上述模型，再循環(huán)氣體中氫部分的百分比j^2是流經(jīng)再循環(huán) 泵30的再循環(huán)氣體的密度p、溫度傳感器38所測得的溫度r、以及壓力傳感 器36所測得的壓力/;的函數(shù)。為了基于上述模型確定再循環(huán)氣體中氫部分 的百分比j;及2，向該算法中放入任意的氫百分比值，例如70%。利用這個(gè)百 分比，計(jì)算出流經(jīng)電池堆12的陽極側(cè)的再循環(huán)氣體的體積流量K，體積流 量K是經(jīng)過陽極入口和出口后的壓力降、再循環(huán)氣體中氫部分的百分比 y^、溫度傳感器38所測得的溫度r、以及壓力傳感器36所測得的壓力p的函 數(shù)》
0031利用流經(jīng)電池堆12的體積流量K來確定經(jīng)過水分離器32后的壓力 降4Pm器?；诜匠?17),利用經(jīng)過水分離器32后的壓力降4^岸器、經(jīng)過 管道系統(tǒng)后的壓力降Ci^m、和所測得的經(jīng)過再循環(huán)泵30后的壓力降4^ 來確定經(jīng)過陽極入口和出口后的壓力降4p賄。然后，利用經(jīng)過陽極入口和 出口后的壓力降來根據(jù)方程(4)確定電池堆體積流量F。之后，再結(jié)合壓 力傳感器40所測得的壓力降和泵30的速度w，利用電池堆體積流量F來確定 流經(jīng)再循環(huán)泵30的再循環(huán)氣體的密度/ 。接著，如上所述，利用密度/ 來確 定再循環(huán)氣體中氫部分的百分比J^2?？衫秒姵囟洋w積流量F來定義再循 環(huán)速率，其中用添加到節(jié)點(diǎn)16處的新鮮氫的體積流量除體積流量F。
0032由于該算法經(jīng)此閉環(huán)循環(huán)若干次，最終該算法將精確地計(jì)算出再
循環(huán)氣體中氫部分的百分比J^2和流經(jīng)電池堆12的再循環(huán)氣體的體積流量
K隨后，系統(tǒng)10將基于預(yù)定參數(shù)和泵30的速度w,利用再循環(huán)氣體中氫部 分的百分比j;^來確定何時(shí)需要打開放泄閥26以便去除氮，這樣就實(shí)現(xiàn)了所 期望的新鮮氫與再循環(huán)氣體的混合。0033以上論述描述了一些用來計(jì)算系統(tǒng)各種參數(shù)的具體公式和方程。 但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，還有其它計(jì)算所述各種參數(shù)的方法，包括 使用查詢表。
0034前文的論述僅僅公開和描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技 術(shù)人員將從此論述和附圖以及權(quán)利要求中認(rèn)識到，可對本發(fā)明做出修改和 變形，而不偏離如權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種方法，用于確定燃料電池堆的陽極再循環(huán)回路中氫的濃度，所述方法包括測量經(jīng)過再循環(huán)泵后的壓力降；測量流經(jīng)再循環(huán)回路的陽極再循環(huán)氣體的溫度；為再循環(huán)氣體中氫的百分比設(shè)定任意值；計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降；計(jì)算流經(jīng)電池堆的陽極側(cè)的再循環(huán)氣體的體積流量，該體積流量是所計(jì)算出的經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降、再循環(huán)氣體中氫的百分比、所測得的溫度和所測得的壓力的函數(shù)；利用所計(jì)算出的體積流量、所測得的壓力降和再循環(huán)泵的速度來計(jì)算流經(jīng)再循環(huán)回路的再循環(huán)氣體的密度；以及利用所計(jì)算出的密度、所測得的溫度和所測得的壓力降來計(jì)算再循環(huán)氣體中氫的新百分比。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中，計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降 包括利用所測得的壓力。
3. 權(quán)利要求2的方法，其中，計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降 包括確定和利用經(jīng)過再循環(huán)回路中水分離器后的壓力降，所述水分離 器去除再循環(huán)氣體中的水。
4. 權(quán)利要求3的方法，其中，計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降 包括確定和利用經(jīng)過再循環(huán)回路中管道系統(tǒng)后的壓力降。
5. 權(quán)利要求4的方法，其中，計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降 包括利用方程傘歸<7 — c貧顆統(tǒng)^ " P靈—傘分離^其中，4 贈是經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降，CM,鍵是經(jīng)過再循環(huán)回 路中管道系統(tǒng)后的壓力降，4 殺是所測得的經(jīng)過泵后的壓力降， "是經(jīng)過水分離器后的壓力降。
6. 權(quán)利要求1的方法，其中，再循環(huán)氣體的密度根據(jù)以下方程計(jì)算》,,巧,其中，w為泵的速度，p為密度，/7為所測得的壓力，r為所測得的溫度， 房為氣體的分子量。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中，在若干次循環(huán)計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極 側(cè)后的壓力降、計(jì)算電池堆的陽極側(cè)的再循環(huán)氣體的體積流量、以及計(jì) 算再循環(huán)氣體的密度之后，提供再循環(huán)氣體中氫的百分比的精確值。
8. 權(quán)利要求1的方法，還包括若氫的百分比降至低于預(yù)定百分比則 打開再循環(huán)回路中的放泄閥以釋放再循環(huán)氣體。
9. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料電池堆；再循環(huán)回路，用于將電池堆的廢氣再循環(huán)到陽極入口； 新鮮氫的供給源；混合節(jié)點(diǎn)，用于將新鮮氫和再循環(huán)后的氣體混合； 再循環(huán)泵，用于將再循環(huán)氣體泵送通過再循環(huán)回路； 溫度傳感器，用于測量再循環(huán)回路中再循環(huán)氣體的溫度； 壓力傳感器，用于測量經(jīng)過再循環(huán)泵后的壓力降；以及 控制器，用于確定再循環(huán)氣體中氫的濃度，所述控制器為再循環(huán)氣 體中氫的百分比設(shè)定任意值；計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降；計(jì) 算流經(jīng)電池堆的陽極側(cè)的再循環(huán)氣體的體積流量，該體積流量是所計(jì)算 出的經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降、再循環(huán)氣體中氫的百分比、所測得的溫度和所測得的壓力的函數(shù)；利用所計(jì)算出的體積流量、所測得的 壓力降和再循環(huán)泵的速度來計(jì)算流經(jīng)再循環(huán)回路的再循環(huán)氣體的密度；以及利用所計(jì)算出的密度、所測得的溫度和所測得的壓力降來計(jì)算再循 環(huán)氣體中氫的新百分比。
10. 權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，控制器利用所測得的壓力計(jì)算經(jīng)過電 池堆的陽極側(cè)后的壓力降。
11. 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，還包括水分離器，用于去除再循環(huán)后氣體 中的水，所述控制器通過確定和利用經(jīng)過水分離器后的壓力降來計(jì)算經(jīng) 過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降。
12. 權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中，控制器通過確定和利用經(jīng)過再循環(huán)回路中管道系統(tǒng)后的壓力降來計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降。
13. 權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中，控制器通過利用以下方程來計(jì)算經(jīng) 過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降<formula>formula see original document page 3</formula>其中，4 賄是經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降，cf道^是經(jīng)過再循環(huán)回路中管道系統(tǒng)后的壓力降，4p殺是所測得的經(jīng)過泵后的壓力降，傘為、" 是經(jīng)過水分離器后的壓力降。
14.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，控制器根據(jù)以下方程計(jì)算再循環(huán)氣體的密度:》,,巧,其中，w為泵的速度，p為密度，； 為所測得的壓力，r為所測得的 溫度，膽為氣體的分子量。
15. 權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，控制器在若干次循環(huán)計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極側(cè)后的壓力降、計(jì)算再循環(huán)氣體的體積流量、以及計(jì)算再循環(huán) 氣體的密度之后，計(jì)算出再循環(huán)氣體中氫的濃度的精確值。
16. 權(quán)利要求9的系統(tǒng)，還包括放泄閥，若再循環(huán)氣體中氫的百分比 降至低于預(yù)定百分比則所述控制器打開放泄閥。
17. —種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料電池堆；再循環(huán)回路，用于將電池堆的廢氣再循環(huán)到陽極入口； 新鮮氫的供給源；混合節(jié)點(diǎn)，用于將新鮮氫和再循環(huán)后的氣體混合； 再循環(huán)泵，用于將再循環(huán)氣體泵送通過再循環(huán)回路； 溫度傳感器，用于測量再循環(huán)回路中再循環(huán)氣體的溫度； 壓力傳感器，用于測量經(jīng)過再循環(huán)泵后的壓力降；以及 控制器，用于計(jì)算再循環(huán)后的氣體中氫的濃度，所述控制器基于所 測得的溫度、所測得的壓力、流經(jīng)電池堆的再循環(huán)后氣體的體積流量、 經(jīng)過電池堆的陽極入口和出口后的壓力降、以及再循環(huán)后氣體的密度，利用一種模型來確定氫的濃度。
18. 權(quán)利要求17的系統(tǒng)，還包括水分離器，用于去除再循環(huán)后氣體 中的水，所述控制器利用經(jīng)過水分離器后的壓力降、經(jīng)過再循環(huán)回路 中管道系統(tǒng)后的壓力降、以及所測得的壓力來計(jì)算經(jīng)過電池堆的陽極 側(cè)后的壓力降。
19. 權(quán)利要求17的系統(tǒng)，還包括放泄閥，若再循環(huán)氣體中氫的百分 比降至低于預(yù)定百分比則所述控制器打開放泄閥。
全文摘要
用于燃料電池系統(tǒng)的陽極回路觀測器。本發(fā)明涉及用于控制燃料電池系統(tǒng)的陽極再循環(huán)回路中的放泄閥的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)通過計(jì)算經(jīng)過燃料電池堆的再循環(huán)后氣體的體積流量、經(jīng)過電池堆的陽極入口和出口后的壓力降、和再循環(huán)后氣體的密度，以及利用所測得的再循環(huán)后氣體的溫度、和所測得的經(jīng)過再循環(huán)泵后的壓力降，利用一種模型來確定再循環(huán)后的氣體中氫的濃度。
文檔編號H01M8/24GK101577339SQ200910140508
公開日2009年11月11日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者B·巴亞塞, V·福曼斯基 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司