[发明专利]用于低频离散输出的阳极喷射器控制算法

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于控制燃料电池系统内的喷射器的系统和方法，并且更具体地涉及一种用于通过使用离散输出控制燃料电池系统内的喷射器以使得可以精确控制喷射器占空比的系统和方法。

背景技术

氢气因为其清洁并且能够被用于在燃料电池内高效发电而成为一种很有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极并在其间具有电解质的电化学装置。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂中离解以生成自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂中与氧气和电子反应以生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此被引导流过负载以做功，然后再送往阴极。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用燃料电池。PEMFC主要包括固相聚合物电解质质子传导膜例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常但并不总是包括被细磨的催化剂颗粒，一般是高活性催化剂例如通常是碳颗粒上承载并且与离子交联聚合物相混合的铂(Pt)。催化剂混合物沉积在膜的相对两侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。MEA制造相对昂贵并且需要一定的条件才能有效工作。

在燃料电池堆内通常将几块燃料电池加以组合以生成所需功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可以具有200块或更多块堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强行压入堆内并通过的空气流。电池堆并不消耗所有的氧气，且部分空气被输出作为阴极排气，其中可以包含作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢气输入气体。

燃料电池堆包括位于电池堆内几个MEA之间的一连串双极板，其中双极板和MEA位于两块端板之间。双极板包括用于电池堆内相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场设置在双极板的阳极侧以允许阳极反应气体流至相应的MEA。阴极气体流场设置在双极板的阴极侧以允许阴极反应气体流至相应的MEA。一块端板包括阳极气体流道，而另一块端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料例如不锈钢或导电的复合材料制成。端板将由燃料电池生成的电力导出电池堆。双极板还包括流过冷却流体的流道。

燃料电池堆内的膜需要有足够的含水量以使跨越膜的离子电阻足够低从而有效地传导质子。膜增湿可以源于电池堆的副产物水或外部加湿。流过电池堆中流道的反应物对电池膜具有干燥作用，这在反应物流的入口处最为明显。但是，在流道内累积的水滴可能会阻止反应物从中流过，并且可能因为反应气体的低流速而造成电池故障，由此影响电池堆的稳定性。反应气体流道内以及气体扩散层(GDL)中累积的水在电池堆的低输出负载下特别容易造成故障。

在一种已知类型的燃料电池系统中，氢气燃料由喷射器注入燃料电池堆的阳极侧。通过调节喷射器流量匹配消耗的氢气来控制喷射器以保持阳极子系统内的期望压力。通常这是用脉宽调制(PWM)控制信号实现的，在其中定义占空比和频率并由控制器中的固件生成用于期望脉冲的控制信号。但是，依赖的PWM固件具有一些缺点。例如，在上升瞬态期间希望不必等待压力反馈就立刻喷射氢气以避免电池缺氢。某些PWM固件要求在上一命令之后必须经历一定时间才能生成下一个脉冲。

而且，PWM控制信号在需要缩短脉冲时例如在燃料电池堆电流输出的下降瞬态期间却不能做到这一点。因此，在本领域内对于更加精确地控制燃料电池系统中喷射器的占空比存在需求，其中控制机构能够在低时间分辨率内提供离散输出。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于控制燃料电池系统内的喷射器的系统和方法。所述方法提供用于至少一个预定占空比的多种喷射器脉宽并且针对所述多种喷射器脉宽中的每一种确定喷射器关闭时间。所述方法还根据所提供的每一种喷射器脉宽确定所述至少一个预定占空比的误差并且使用具有所述至少一个预定占空比的最小误差的喷射器脉宽。

本发明的附加特征将根据以下结合附图的说明内容和所附权利要求而变得显而易见。

本发明还提供了如下方案：

方案1. 一种用于控制燃料电池系统内的喷射器的方法，所述方法包括：

设定用于至少一个预定占空比的喷射器脉宽；

根据喷射器脉宽确定所述至少一个预定占空比的喷射器关闭时间；

改变用于所述至少一个预定占空比的喷射器脉宽；

根据改变的喷射器脉宽确定所述至少一个预定占空比的喷射器关闭时间；

重复改变用于所述至少一个预定占空比的喷射器脉宽的步骤以使得将多个喷射器脉宽用于所述至少一个预定占空比；