[发明专利]用于降低燃料电池汽车启动时间的前馈燃料控制算法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种方法，用于在系统启动时的增压阶段期间监测燃料电池堆的阳极子系统内的压力，并且尤其涉及一种方法，用于在系统启动时的增压阶段期间监测燃料电池系统的阳极子系统内的压力，该方法包括，确定在增压阶段期间已经输送给阳极子系统的氢气的摩尔数、知晓增压阶段开始时阳极子系统中的压力、使用通用气体常数、知晓氢气温度以及知晓阳极子系统的容积。

背景技术

氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且可用于高效地在燃料电池中产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及它们之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极解离生成自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生反应生成水。阳极的电子不能通过电解质，因此在送至阴极之前被引导通过负载以做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种普遍用于汽车的燃料电池。PEMFC总体上包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常含有微细催化剂粒子（通常为铂（Pt）），该催化剂粒子被支撑在碳粒子上并与离聚物相混合。该催化剂混合物沉积在膜的两侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物与膜的组合形成了膜电极组件（MEA）。MEA的制造比较昂贵并且需要一定的条件进行有效运行。

通常把多个燃料电池组合成燃料电池堆来产生所需电力。例如，用于汽车的一种典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆积的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为由压缩机强制通过电池堆的空气流。不是所有氧气都被电池堆消耗掉，一些空气作为阴极废气排出，该废气可能含有作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢反应气体。电池堆还包括流动通道，冷却液流过这些通道。

燃料电池堆包括位于电池堆的多个MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆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在双极板的阳极侧，允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设在双极极的阴极侧，允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板有阳极气体流动通道，另一个端板有阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板把燃料电池产生的电传导出电池堆。双极板还包括流动通道，冷却液流过这些通道。

为了在燃料电池系统启动期间向双极板中的阳极流动通道提供氢气的均匀氢分布，通常必需通过净化阀快速地将气体净化出阳极集管。当氢气充满阳极集管时，使阳极压力保持接近恒定以抑制氢气进入电池堆是很重要的。为了确保阳极集管净化阶段期间的精确且稳定的压力控制，必须在氢气到达电池堆之前提高阳极子系统中的压力。通常在就在阳极集管净化阶段之前的增压阶段期间进行压力提升。由于在阳极集管净化期间阳极集管净化阀出口的压力与电池堆阴极废气压力相关，所以必须把阳极压力增大到大大高于阴极废气压力以便提供迅速的启动。阳极集管净化阀的尺寸规定了增压阶段终止时的期望压力。应当使达到开始阳极集管净化阶段时所需压力所需的时间最少以减少启动时间。

阳极集管净化阶段可以在阳极已经达到高于阴极废气压力的期望压力时就开始。为了降低系统启动时间，在阳极增压阶段期间要求很高的氢气流率。已有阳极压力传感器的局限性是确定何时开始净化阳极集管的因素。例如，一种典型的压力传感器具有约250毫秒的响应时间，这个时间比分配给增压阶段和作为两个第二启动序列的一部分的其他燃料电池系统要求的时间更长。

已经表明增压阶段的终止直接由压力传感器测量识别出。由于低压力传感器响应和系统控制器的循环时间，实际的最终压力通常大于期望的。压力超调量是喷射器流率的函数。阳极增压阶段期间的压力超调量是不容许的，因为氢气可能进入电池堆的阳极工作区的湿端。

为了实现增压阶段的精确终止，必须降低氢气的流率。然而，限制喷射器流率会增加启动时间。因此，必须在不超过期望压力的情况下非常快地把阳极子系统压力提高到期望值。然而，如上所述，通常采用的那些压力传感器不能足够快速地对提高的阳极压力做出响应，并且通常超出期望压力。这个问题的一种解决方法是在启动期间限制阳极压力，这会增加启动时间，以便压力传感器能够更精确地追踪阳极子系统中增加的压力。然而，将更希望的是在没有压力超调量的情况下在启动时有快速的氢气流到达电池堆。

发明内容