專利名稱：控制燃料電池系統(tǒng)中陽(yáng)極側(cè)再循環(huán)泵的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明大體上涉及控制燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極再循環(huán)回路中再循
環(huán)泵的速度的方法，更具體而言，涉及控制燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極再循環(huán)回
的方法，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(wú)污染并可被用來(lái)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(yáng)極和 陰極，兩極之間設(shè)有電解質(zhì)。陽(yáng)極接收氫氣，陰極接收氧或者空氣。氬氣 在陽(yáng)極分離產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)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(yáng)極的電子不能穿過(guò)電解質(zhì)，因此它們?cè)诒凰?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(yáng)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(duì)側(cè)。陽(yáng)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(lái)相對(duì)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(lái)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(guò)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(yáng)極氫反應(yīng)氣體，其流入電池堆的陽(yáng)極側(cè)。電池堆也包括有冷卻流 體流經(jīng)的流動(dòng)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(chǎng)板或 雙極板。對(duì)于電池堆中相鄰的燃料電池，雙極板包括陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。陽(yáng) 極反應(yīng)氣體流動(dòng)通道設(shè)置在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上，其允許陽(yáng)極氣體流到ME A的陽(yáng)極側(cè)。陰極反應(yīng)氣體流動(dòng)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(dòng)通道。0006所期望的是，在燃料電池堆中，氫在陽(yáng)極流動(dòng)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)載而輸入多于所需量的氫到燃料電池堆中以使陽(yáng) 極氣體分布恰當(dāng)。然而，由于這種要求，陽(yáng)極廢氣中氫的含量也非常高， 若這種氫被排出則會(huì)導(dǎo)致低的系統(tǒng)效率。此外，足量的氫排放到環(huán)境中， 會(huì)由于氫的爆炸特性而導(dǎo)致一些問(wèn)題。因此，本領(lǐng)域中公知的做法是，使 陽(yáng)極廢氣再循環(huán)回到陽(yáng)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(guò) MEA并聚集在電池堆的陽(yáng)極側(cè)，這在業(yè)界被稱作氮跨界(nitrogen cross-over)。燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的氮會(huì)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(huì)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(yáng)極氣體輸出 處設(shè)置放泄閥以便從電池堆的陽(yáng)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(yáng)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(méi)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(duì)工作參數(shù)再循環(huán)流量和陽(yáng)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(kāi)了一種系統(tǒng)和方法，其基于預(yù)先確定的 添加到再循環(huán)后的陽(yáng)極氣體中新鮮氫的比值來(lái)控制燃料電池系統(tǒng)中陽(yáng)極 再循環(huán)回路中再循環(huán)泵的速度。該方法包括測(cè)量經(jīng)過(guò)再循環(huán)泵后的壓力降 和測(cè)量流經(jīng)再循環(huán)回路的再循環(huán)后的氣體的溫度。該方法還包括計(jì)算經(jīng)過(guò) 燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的再循環(huán)后氣體的體積流量，該體積流量是所計(jì)算出 的經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降、再循環(huán)后的氣體中氫的百分比、所測(cè) 得的溫度和所測(cè)得的壓力的函數(shù)。該方法利用所測(cè)得的壓力、經(jīng)過(guò)再循環(huán) 回路中水分離器后的壓力降、以及經(jīng)過(guò)再循環(huán)回路中管道系統(tǒng)后的壓力降 來(lái)計(jì)算經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降。從經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)的再循環(huán)
7后氣體的體積流量、所測(cè)得的壓力降和泵的速度來(lái)計(jì)算再循環(huán)后氣體的密 度。該方法從再循環(huán)后氣體的密度、所測(cè)得的溫度和所測(cè)得的壓力來(lái)計(jì)算 再循環(huán)氣體中氫的百分比。通過(guò)循環(huán)計(jì)算再循環(huán)后氣體中氫的百分比，可 提供經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)的體積流量和密度、再循環(huán)回路中再循環(huán)速率的 精確值。
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(jiàn)。


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(yáng)極再循環(huán)回路的 示意圖，該回路使用一種控制技術(shù)來(lái)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(guò)陽(yáng)極入口 和出口后的壓力變化，示出了基于陽(yáng)極再循環(huán)氣體中氮的增加而發(fā)生的壓 力變4匕和體積變^f匕；
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(guò)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(guò)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(yáng)極再循環(huán)泵的速度的方 法，對(duì)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(lái)限制本 發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用或^^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(lái)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(yáng) 極側(cè)。陽(yáng)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(yáng)極廢氣經(jīng)閥26泵送到混合節(jié)點(diǎn)16以便與來(lái)自源14的新鮮氫混 合，從而構(gòu)成陽(yáng)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(lái)自源14的新鮮氬和再循環(huán)后的陽(yáng)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(yáng)極側(cè)的壓力。0019如上所述，來(lái)自燃料電池堆12的陰極側(cè)的跨界氮稀釋了陽(yáng)極側(cè)的氬，這影響了電池堆的性能。因此，需要周期性地釋放陽(yáng)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(yáng)極廢氣從再循環(huán)回路切換到廢氣管線28上。使陽(yáng)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(duì)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(cè)陽(yáng)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(lái)說(shuō)，壓力傳感器36在管線20上測(cè)量陽(yáng)極再循環(huán)回路中的壓力，壓力傳感器40測(cè)量經(jīng)過(guò)再循環(huán)泵30后的壓力。另外，溫度傳感器38在管線18上測(cè)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(yáng)極廢氣中去除副產(chǎn)品水。再循環(huán)回到輸入管線18的陽(yáng)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(lái)控制來(lái)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(lái)自壓力傳感器36和40、以及溫度傳感器38的測(cè)量信號(hào)。
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(yáng)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)栽等。根據(jù)本發(fā)明，開(kāi)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(kāi)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(yáng)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(yáng)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)回路中的新鮮氬的量取決于電池堆的負(fù)栽。
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(guò)電池堆12的入口和出口后的陽(yáng)概氣體的壓力變化。圖2顯示，對(duì)于再循環(huán)回路中的相同體積流量的陽(yáng)極再循環(huán)氣體，經(jīng)過(guò)電池堆12的入口和出口后的壓力隨著陽(yáng)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(guò)電池堆12的入口和出口后的壓力變化傘和經(jīng)過(guò)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
a 。
Z P —2
/V = ^ — 二.w
《2
其中，
A = p
(1)
(2)
以及，
從這個(gè):
(3)
其中，
以及，
—1
(4)
(5)
(6)
在方程(i) - (6) A為常量幾^r參數(shù)，；i^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，/ 為氣體密度，伊為流量系數(shù)，；為平
均氣體速度，T為運(yùn)動(dòng)粘度，/為管子長(zhǎng)度，及e為雷諾數(shù)，爿為管子的面積，
i/為管子的周長(zhǎng)，j^為分子氣體分?jǐn)?shù)分量(molecular gas fractioncomponent) ， 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(dòng)態(tài)粘度。如本領(lǐng)域中所公知的，動(dòng)態(tài)粘度^/是再循環(huán)氣體的氣體分?jǐn)?shù)j;,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(duì)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(guò)泵30后的壓力降，此值由壓力傳感器40測(cè)得。隨著泵30的速度"或再循環(huán)氣體的密度p的增加，由于氮的含量沿著線52變化，經(jīng)過(guò)再循環(huán)泵30的再循環(huán)氣體的質(zhì)量流量和經(jīng)過(guò)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(guò)泵30后的壓力降和經(jīng)過(guò)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)w
其中，
『
2T
2Ap
(7)<formula>formula see original document page 11</formula>以及，
<formula>formula see original document page 11</formula>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(duì)氣體做的功，A為比焓，Q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，Z)為泵30中葉輪的直徑，/7為經(jīng)過(guò)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p的函數(shù)。
0025對(duì)于小的壓力比，比焓/i可被簡(jiǎn)化為
<formula>formula see original document page 11</formula>
0026此外，基于經(jīng)過(guò)泵30后的壓力降和經(jīng)過(guò)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。密度一下給定
<formula>formula see original document page 11</formula>特定氣體(specific gas )的分子量M『如下給定
<formula>formula see original document page 11</formula>
其給出體積流量K如下:<formula>formula see original document page 11</formula>
其中R為氣體常數(shù)。從這個(gè)<formula>formula see original document page 11</formula>其中，丘給出了特定氣體的實(shí)際分?jǐn)?shù)。這給出了<formula>formula see original document page 11</formula>
0027圖4所示的圖中，橫軸表示流量系數(shù)p，豎軸表示壓力系數(shù)y，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c,道^，這取決于系統(tǒng)的測(cè)試測(cè)量值。經(jīng)過(guò)再循環(huán)泵30后的壓力降4^由傳感器40測(cè)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，其采用離心旋轉(zhuǎn)原理來(lái)去除水，并具有湍流。經(jīng)過(guò)分離器32后的壓力降4v岸器可由拋物線關(guān)系來(lái)確定。從這些值中，從入口管線18到出口管線20經(jīng)過(guò)電池堆12的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降傘賄可如下確定
^P銜拔<7 _ c夢(mèng)道-統(tǒng)^ 〈J Pjt _ (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(guò)電池堆12的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降和流經(jīng)電池堆12的陽(yáng)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(guò)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(cè)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^是流經(jīng)再循環(huán)泵30的再循環(huán)氣體的密度/7,溫度傳感器38所測(cè)得的溫度r、以及壓力傳感器36所測(cè)得的壓力p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，w，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(yáng)極側(cè)的再循環(huán)氣體的體積流量F,體積流量K是經(jīng)過(guò)陽(yáng)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j^、溫度傳感器38所測(cè)得的溫度r、以及壓力傳感器36所測(cè)得的壓力/7的函數(shù)。
0031利用流經(jīng)電池堆12的體積流量F來(lái)確定經(jīng)過(guò)水分離器32后的壓力降4^、"?；诜匠?17)，利用經(jīng)過(guò)水分離器32后的壓力降4pw器、經(jīng)過(guò)管道系統(tǒng)后的壓力降0遽^、和所測(cè)得的經(jīng)過(guò)再循環(huán)泵30后的壓力降4^來(lái)確定經(jīng)過(guò)陽(yáng)極入口和出口后的壓力降傘賄。然后，利用經(jīng)過(guò)陽(yáng)極入口和出口后的壓力降來(lái)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(cè)得的壓力降和泵30的速度w,利用電池堆體積流量r來(lái)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(lái)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K來(lái)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jw和流經(jīng)電池堆12的再循環(huán)氣體的體積流量F。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;w來(lái)確定何時(shí)需要打開(kāi)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(lái)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(kāi)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(shí)到，可對(duì)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，其基于預(yù)先確定的添加到再循環(huán)后的氫中的新鮮氫的比值來(lái)確定燃料電池堆的陽(yáng)極再循環(huán)回路中再循環(huán)泵的速度，所述方法包括測(cè)量經(jīng)過(guò)再循環(huán)泵后的壓力降；測(cè)量流經(jīng)再循環(huán)回路的陽(yáng)極再循環(huán)氣體的溫度；向再循環(huán)回路中添加新鮮氫；計(jì)算經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降；計(jì)算經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)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(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降、再循環(huán)氣體中氫的百分比、所測(cè)得的溫度和所測(cè)得的壓力的函數(shù)；以及利用所計(jì)算出的體積流量和被添加到再循環(huán)回路中的新鮮氫的量來(lái)確定泵的速度以實(shí)現(xiàn)預(yù)定比值。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中，計(jì)算經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降 包括利用所測(cè)得的壓力。
3. 權(quán)利要求2的方法，其中，計(jì)算經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降 包括確定和利用經(jīng)過(guò)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(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降 包括確定和利用經(jīng)過(guò)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(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降 包括利用方程其中，4p賄是經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降，Q道"是經(jīng)過(guò)再循環(huán)回 路中管道系統(tǒng)后的壓力降，4^是所測(cè)得的經(jīng)過(guò)泵后的壓力降，傘為、 處覆是經(jīng)過(guò)水分離器后的壓力降。
6. 權(quán)利要求1的方法，還包括利用所計(jì)算出的體積流量、所測(cè)得的壓力降和泵的速度來(lái)計(jì)算流經(jīng)再循環(huán)回路的再循環(huán)氣體的密度.
7. 權(quán)利要求6的方法，其中，再循環(huán)氣體的密度根據(jù)以下方程計(jì)算r f 尺7其中，w為泵的速度，/ 為密度，/;為所測(cè)得的壓力，7為所測(cè)得的溫度，##為氣體的分子量。
8. 權(quán)利要求6的方法，還包括計(jì)算再循環(huán)氣體中氫的百分比，該百 分比為流經(jīng)再循環(huán)回路的再循環(huán)氣體的密度、所測(cè)得的溫度和所測(cè)得的 壓力的函數(shù)。
9. 權(quán)利要求8的方法，其中，在若干次循環(huán)計(jì)算再循環(huán)氣體中氫的 百分比、計(jì)算電池堆的陽(yáng)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，提供經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)的再循環(huán)氣體的體積流量 和再循環(huán)氣體中氫的百分比的精確值。
10. —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(yáng)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(guò)再循環(huán)回路； 溫度傳感器，用于測(cè)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(cè)量經(jīng)過(guò)再循環(huán)泵后的壓力降；以及 控制器，用于控制泵的速度以便控制添加到再循環(huán)后的氫中新鮮氫 的比值，所述控制器計(jì)算經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降；計(jì)算經(jīng)過(guò) 電池堆的陽(yáng)極側(cè)的再循環(huán)后氣體的體積流量，該體積流量是所計(jì)算出的 經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降、再循環(huán)氣體中氫的百分比、所測(cè)得的 溫度和所測(cè)得的壓力的函數(shù)；并且利用所計(jì)算出的體積流量來(lái)確定泵的 速度以實(shí)現(xiàn)預(yù)先確定的添加到再循環(huán)后的氫中的新鮮氫的比值。
11. 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中，控制器利用所測(cè)得的壓力計(jì)算經(jīng)過(guò) 電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降。
12. 權(quán)利要求11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(guò)確定和利用經(jīng)過(guò)水分離器后的壓力降來(lái)計(jì)算經(jīng) 過(guò)電池堆的陽(yáng)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(guò)確定和利用經(jīng)過(guò)再循環(huán) 回路中管道系統(tǒng)后的壓力降來(lái)計(jì)算經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降。
14. 權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中，控制器通過(guò)利用以下方程來(lái)計(jì)算經(jīng) 過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)后的壓力降傘銜淡=^ 一 c,敘一 "一傘分離^其中，4p賄是經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極倒后的壓力降，c^^是經(jīng)過(guò)再循環(huán)回路中管道系統(tǒng)后的壓力降，4^r是所測(cè)得的經(jīng)過(guò)泵后的壓力降，傘"-是經(jīng)過(guò)水分離器后的壓力降，
15, 權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中，控制器利用所計(jì)算出的體積流量、所測(cè)得的壓力降和杲的速度來(lái)計(jì)算流經(jīng)再循環(huán)杲的再循環(huán)氣體的密 度.
16. 權(quán)利要求15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 。德'一"其中，w為泵的速度，p為密度，p為所測(cè)得的壓力，r為所測(cè)得的 溫度，irr為氣體的分子量.
17. 權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中，控制器計(jì)算再循環(huán)氣體中氫的百分 比，該百分比為流經(jīng)再循環(huán)泵的再循環(huán)氣體的密度、所測(cè)得的溫度和 所測(cè)得的壓力的函數(shù).
18. 權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中，控制器在若干次循環(huán)計(jì)算再循環(huán)氣體中氫的百分比、計(jì)算電池堆的陽(yáng)極倒的再循環(huán)氣體的體積流量、以 及計(jì)算再循環(huán)氣體的密度之后，計(jì)算出經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極側(cè)的再循環(huán) 氣體的體積流量和再循環(huán)氣體中氫的百分比的精確值.
19. 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(yáng)極入口； 新鮮氨的供給源；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(guò)再循環(huán)回路； 溫度傳感器，用于測(cè)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(cè)量經(jīng)過(guò)再循環(huán)泵后的壓力降；以及 控制器，用于控制泵的速度以便控制添加到再循環(huán)后的氬中新鮮氬 的比值，所述控制器基于所測(cè)得的溫度、所測(cè)得的壓力、再循環(huán)后的 氣體中氫的濃度、經(jīng)過(guò)電池堆的再循環(huán)后氣體的體積流量、經(jīng)過(guò)電池 堆的陽(yáng)極入口和出口后的壓力降、以及再循環(huán)后的氣體的密度，利用一種模型來(lái)確定泵的速度.
20. 權(quán)利要求19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(guò)水分離器后的壓力降、經(jīng)過(guò)再循環(huán)回路 中管道系統(tǒng)后的壓力降、以及所測(cè)得的壓力來(lái)計(jì)算經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極 側(cè)后的壓力降。
全文摘要
控制燃料電池系統(tǒng)中陽(yáng)極側(cè)再循環(huán)泵的系統(tǒng)和方法?；陬A(yù)先確定的添加到再循環(huán)后的陽(yáng)極氣體中新鮮氫的比值來(lái)控制燃料電池系統(tǒng)中陽(yáng)極再循環(huán)回路中再循環(huán)泵的速度。該系統(tǒng)利用一種模型來(lái)確定經(jīng)過(guò)燃料電池堆的再循環(huán)后氣體的體積流量，從而基于所測(cè)得的再循環(huán)后氣體的溫度、所測(cè)得的經(jīng)過(guò)再循環(huán)泵后的壓力降、經(jīng)過(guò)電池堆的陽(yáng)極入口和出口后的壓力降、再循環(huán)后氣體中氫的百分比、以及再循環(huán)后氣體的密度來(lái)確定再循環(huán)速率。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101599547SQ20091014051
公開(kāi)日2009年12月9日 申請(qǐng)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(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司