CN101728556B - 用于燃料电池***中主气流测量装置故障时的补救措施的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池***中主气流测量装置故障时的补救措施的方法。提供一种用于在测量从压缩机到电池组的阴极输入的气流的气流计故障时控制压缩机的速度的***和方法。在检测到气流计故障时，算法首先停止用于控制阴极压力和流量的主反馈控制算法，并且将阴极排气阀设定到全开位置。压缩机的速度由开环设定值控制并且来自压缩机的气流通过使用压缩机出口压力和压缩机速度的模型来估计。通过计算所需的阴极气流与经模型化的压缩机输出流量之间的差来确定阴极旁通阀位置。然后通过使用阀特性和压缩机出口压力来调节旁通阀的位置。所估计出的到电池组的气流用于控制最大电池组电流。

Description

用于燃料电池***中主气流测量装置故障时的补救措施的方法
技术领域
本发明总体涉及一种用于阴极输入流量计故障时控制到燃料电池组的气流的***和方法，且更具体地涉及用于在燃料电池***中，在用于测量气流的流量计故障时通过提供对压缩机的开环控制来控制阴极输入空气到燃料电池组的流动的***和方法。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为它清洁并且能够用于有效地在燃料电池中产生电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及介于阳极和阴极之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中分解从而产生自由的氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子在阴极与氧和电子发生反应从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此在被送到阴极之前被引导通过负载而做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常见的车用燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括支撑在碳粒子上并与离聚物混合的细粒状催化粒子，其通常为铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的相对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造成本相对比较昂贵并且需要用于有效操作的某些条件。
若干燃料电池通常组合在燃料电池组中以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池组可具有200或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体，该输入气体通常为在压缩机的作用下被迫流过燃料电池组的空气流。并非所有的氧气都被燃料电池组消耗，一些空气作为阴极排出气体输出，所述阴极排出气体可能包含作为燃料电池组副产物的水。燃料电池组还接收流入燃料电池组的阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池组包括一系列位于燃料电池组中的若干MEA之间的双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于燃料电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上以允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上以允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，并且另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由例如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将由燃料电池产生的电导出燃料电池组。
对于燃料电池***的运行来说，供给到燃料电池组的阴极侧的合适的空气流测量和控制是至关重要的。如果太多的空气被传送到电池组，那么能量被浪费并且电池组中的燃料电池可能变得太干，从而影响其寿命。太少的空气被传送到电池组可能因氧不足而导致燃料电池不稳定。因此，燃料电池***典型地在阴极输入管线中采用气流计，以提供对到燃料电池组的空气流的准确测量。如果气流计故障，那么典型地必须切断燃料电池***，因为不足够准确地了解传送给燃料电池组的空气的量可能对***部件具有有害作用。
为了增加燃料电池***的可靠性，希望在主阴极气流测量装置故障时继续操作***，并且在不引起对***或电池组部件的长期损害的情况下维持可接受的性能水平。
发明内容
根据本发明的教导，公开一种用于在测量从燃料电池***中的压缩机到电池组的阴极输入的气流的气流计故障时控制所述压缩机的速度的***和方法。在检测到气流计故障时，算法首先停止用于控制阴极压力和流量的主反馈控制算法，并且将阴极排气阀设定到全开位置。接着，压缩机的速度通过开环设定值被控制并且来自压缩机的气流通过使用压缩机出口压力和压缩机速度的模型来估计。通过计算所需的阴极气流与经模型化的压缩机输出流量之间的差来确定阴极旁通阀位置。然后通过使用阀特性和压缩机出口压力来调节旁通阀的位置。所估计出的到电池组的气流用于控制最大电池组电流。
本发明的额外特征将从下面的详细描述和所附权利要求中并且结合附图变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的燃料电池***的示意性框图，所述燃料电池***采用用于在气流计故障时控制阴极输入压缩机的速度的过程；以及
图2是示出用于响应于气流计的故障控制压缩机的速度的过程的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例的讨论本质上仅是示范性的，并且决不以任何方式限制本发明或其应用或使用，本发明涉及一种用于响应于气流计的故障而控制阴极空气压缩机的***和方法。
图1是燃料电池***10的示意性框图，所述燃料电池***10包括燃料电池组12。燃料电池***10还包括由马达16驱动的压缩机14，压缩机14在阴极输入管线18上提供气流到燃料电池组12的阴极侧。温度传感器20测量进入电池组12的阴极输入空气的温度，并且RH传感器22测量进入电池组12的阴极输入空气的相对湿度。阴极输入空气的湿度由水蒸气转移(WVT)单元24提供，水蒸气转移(WVT)单元24接收阴极排放管线26上的阴极排气，所述阴极排气典型地具有100％或更大的湿度。来自阴极排气的水和水蒸气在WVT单元24中被使用以加湿在输入管线18上提供的阴极输入空气。阴极排放管线26中的压力传感器48测量电池组12的阴极侧的压力。阴极排气从WVT单元24在***输出管线28上输出并且受到阴极排气阀30的控制。对于在可能不希望加湿阴极输入空气时的那些时候，可在旁通管线32上通过旁通阀34绕WVT单元24引导阴极输入空气。
由于受到压缩机14的压缩，来自压缩机14的阴极输入空气被传送到换热器36，换热器36降低阴极输入空气的温度。此外，在例如冷启动的某些时间期间，换热器36可将热提供给阴极输入空气以更迅速地加热燃料电池组12。在压缩机14的输出处的压力传感器50测量压缩机14的出口压力。来自换热器36的阴极输入空气被传送通过例如质量流量计的气流测量装置38，气流测量装置38测量到电池组12的阴极输入空气的流量。如本领域技术人员所熟知的，到电池组12的阴极输入空气的流量需要受到严格控制以提供合适的阴极化学计量，使得不将过多的空气提供给电池组12，过多的空气可能对电池组12中的燃料电池内的膜具有不利的干燥作用，或者太少的空气可能因氧不足而导致燃料电池不稳定。温度传感器40测量阴极输入气流的温度以控制换热器36，并且阀42控制流入WVT单元24或在旁通管线32上经旁路绕过WVT单元24的阴极空气的量。
基于电池组电流需要和电池组压力控制从压缩机14到电池组12的阴极侧的空气流量。通常不可能通过得以调节压缩机14来提供对于希望的阴极化学计量的精确空气量。因此，提供阴极旁通阀44来按比例地控制经旁路绕过电池组12的或通过换热器36流动到电池组12的阴极输入空气的量。经旁路绕过电池组12的阴极空气流动通过旁通管线46并且直接流到***输出管线28。
如上所述，必须了解对于合适的电池组运行来说流到燃料电池组12的阴极气流量。因此，如果气流测量装置38故障，那么希望具有可确定出到燃料电池组12的气流的低效运行(fallback)情形。根据本发明的实施例，万一气流测量装置38故障，算法首先停止用于控制到燃料电池组12的压力和流量的主反馈控制算法，并且将阴极排气阀30设定到全开位置。并且，通过从查询表中用于具体电池组功率需求的开环设定值来设定压缩机14的速度，以及通过使用压缩机出口压力和压缩机速度的模型来估计来自压缩机14的气流。旁通阀44的位置通过计算根据开环设定值的所需的压缩机流量与经模型化的压缩机输出流量之间的差来确定。阀44的位置通过使用阀特性和压缩机出口压力来调节。由此产生的估计出的到电池组的电池组气流用于控制最大电池组电流。
图2是示出用于如上所述在气流测量装置38的故障时控制到燃料电池组12的阴极侧的气流的过程的流程图。在框62处气流控制算法检测到气流测量装置故障，并且然后在框64处断开主气流控制算法。然后在框66处算法将阴极排气阀30设定到其全开位置。然后在框68处算法确定从电池组12的功率需求。基于所述功率需求，在框70处算法通过使用开环控制设定值和查询表控制压缩机14的速度。因为到电池组12的气流将取决于阴极压力，所以压缩机14的开环控制是压缩机14的速度与压缩机14的出口压力的组合。因此，在框72处开环控制算法将基于压缩机14的速度和出口压力对压缩机流量进行估计或建模，从而给出更准确的气流读数。如果流量超过功率需求所必需的，那么在框74处，可基于阀特性使用阴极旁通阀44通过打开该阀44来调节气流从而减少供给到电池组12的流量。减少供给到电池组12的流量可用于怠速的应用。
前面的讨论仅公开并描述了本发明的示范性实施例。在不偏离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，从这些讨论和从附图和所附权利要求，本领域技术人员将很容易认识到可以在其中做出各种变化、改型和改变。

Claims (12)

1.一种用于控制到燃料电池组的气流的方法，所述方法包括：
检测出测量到所述燃料电池组的阴极侧的气流的气流测量装置已经故障；
响应于所述检测到的故障断开主气流控制算法；
将阴极排气阀设定到开位置；
确定从所述燃料电池组的功率需求；以及
使用开环控制来控制向所述电池组提供阴极气流的压缩机的速度，其中，控制压缩机的速度包括确定对于所述功率需求的压缩机的预定速度、基于压缩机的所述速度和压缩机的出口压力估计到所述燃料电池组的气流、以及如果对于所述功率需求来说所估计的流量太大则控制阴极旁通阀以减少阴极气流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定对于所述功率需求的压缩机的预定速度包括使用查询表来确定压缩机的速度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制阴极旁通阀包括计算根据所述预定速度的压缩机气流与所述估计的气流之间的差。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，控制阴极旁通阀包括确定阀特性来确定使所述旁通阀打开或关闭多少。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压缩机的出口压力通过压缩机的输出处的压力传感器来测量。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气流测量装置是质量流量计。
7.一种用于控制到燃料电池组的气流的***，所述***包括：
用于检测出测量到所述燃料电池组的阴极侧的气流的气流测量装置已经故障的装置；
用于响应于所述检测到的故障断开主气流控制算法的装置；
用于将阴极排气阀设定到开位置的装置；
用于确定从所述燃料电池组的功率需求的装置；以及
用于使用开环控制来控制向所述电池组提供阴极空气的压缩机的速度的装置，用于控制压缩机的所述装置包括：用于确定对于所述功率需求的压缩机的预定速度的装置、用于基于压缩机的所述速度和压缩机的出口压力估计到所述燃料电池组的气流的装置、以及用于如果对于所述功率需求来说所估计出的流量太大则控制阴极旁通阀以减少阴极气流的装置。
8.如权利要求7所述的***，其特征在于，用于确定对于所述功率需求的压缩机的预定速度的装置包括使用查询表来确定压缩机的速度。
9.如权利要求7所述的***，其特征在于，用于控制阴极旁通阀的装置包括用于计算根据所述预定速度的压缩机气流与所述估计的气流之间的差的装置。
10.如权利要求9所述的***，其特征在于，用于控制阴极旁通阀的装置包括用于确定阀特性来确定使所述旁通阀打开或关闭多少的装置。
11.如权利要求7所述的***，其特征在于，压缩机的出口压力通过压缩机的输出处的压力传感器来测量。
12.如权利要求7所述的***，其特征在于，所述气流测量装置是质量流量计。
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