专利名称：基于燃料电池系统中的阳极压力响应的流量估计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定流出封闭系统的流量的方法，更具体而言，涉及一种确定流出燃料电池系统的阳极子系统的阳极气体的流量的方法，其中，该方法确定由多个压力测量值形成的压力线的斜率并将该斜率用于流量计算。
背景技术：
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的，并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分离产生自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂处与氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能够通过电解质，因此在被送到阴极之前被弓I导通过负载来做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的汽车燃料电池。PEMFC大致包括固态聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化性颗粒，通常是钼(Pt)，担载在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化性混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化性混合物、阴极催化性混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA制造起来比较昂贵，并且需要特定的条件以便有效操作。通常在燃料电池堆中组合若干燃料电池以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可能具有两百或更多的堆置的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体， 通常是在压缩机作用下强制通过堆的空气流。并不是所有的氧都由堆消耗，一些空气被输出为可能包括作为堆副产物的水的阴极排气。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，其流入堆的阳极侧。燃料电池堆包括位于堆中的若干MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两端板之间。对于堆中的相邻的燃料电池，双极板包括阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供有阳极气流通道，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧提供有阴极气流通道，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电导出堆。双极板还包括冷却流体流过的流通道。正如本领域技术人员所熟知的，必须精确地确定通过燃料电池系统的阳极子系统中的泄放阀、排放阀以及可能的其它阀的流率以便了解何时关闭特定阀。传统的阀孔口模型相当有效，但受制于部件与部件的不同，因为模型假设孔口的有效面积。另外，孔口模型计算还要求入口压力和出口压力之间的不同以确定流量。对于某些已知系统而言，该压力差的大小与压力传感器的误差是同阶的，这可能导致大的估计误差。受让给本申请的受让人并通过引用而结合于本文的在2009年12月11日提交的题目为 Injector Flow Measurement for Fuel Cell Applications” 的美国专利申请号 12/636276中公开了一种用于确定通过燃料电池系统的阀的流量的方法。在喷射器脉冲之前和喷射器脉冲之后测量阳极子系统压力，并且确定压力之间的差。使用该压力差、阳极子系统的体积、理想气体常数、阳极子系统温度、在喷射事件期间燃料电池堆的反应消耗的燃料、以及通过燃料电池堆的燃料电池中的膜的燃料穿透来确定通过阀的流量。’ 276申请中流量的确定采用两个压力测量值，该两个压力测量值可能被压力读取的噪声所影响并且不对压力测量的有效性提供反馈。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种方法，其用于确定流出阳极子系统的阳极气体的流量。该方法包括提供预先确定的采样时间段上的预先确定采样时间的压力测量值并且采用压力测量值计算限定了从时间段的开始至时间段的结束的压力变化的线的斜率。然后， 压力线的斜率用于流量公式以确定流出阳极子系统的气体量，该气体可以通过阀或通过系统泄漏。此外，本发明还涉及以下技术方案。1. 一种用于确定流出燃料电池系统的阳极子系统的阳极气体的流量的方法，所述方法包括
限定用于确定流量的时间段；
在所述时间段期间的多个预先确定的时间间隔处测量所述阳极子系统中的压力； 利用压力测量值来计算代表所述时间段期间所述阳极子系统中的压力变化的压力线的斜率；以及
利用所述压力线的斜率来确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量。2.如技术方案1所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量包括确定通过泄放阀的流量，所述泄放阀排放来自所述阳极子系统的阳极排气。3.如技术方案1所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量包括确定通过排放阀的流量，所述排放阀将水排出所述阳极子系统。4.如技术方案1所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量包括确定在所述阳极子系统中是否存在泄漏。5.如技术方案1所述的方法，其中，在预先确定的时间间隔处测量压力包括在所述时间段期间大约每三毫秒测量压力。6.如技术方案1所述的方法，其中，所述阳极子系统包括将阳极排气从燃料电池堆的输出引导至所述燃料电池堆的阳极输入的再循环线路。
7.如技术方案1所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量还包括使用所述阳极子系统的体积和所述阳极子系统的温度。8.如技术方案7所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，并且其中，确定流出所述阳极子系统的流量还包括使用理想气体常数、燃料电池堆电流和所述堆中的燃料电池的数量。9.如技术方案8所述的方法，其中，确定所述流量包括使用以下公式其中η是流量(moles/sec) I是所述压力线的斜率，V是单位为升的阳极子系统体积，R是理想气体常数(8. 315 Kpa-L/mol-K), T是阳极子系统温度(K)，I是堆电流，Ncell是堆中电池的数量，F是法拉第常数(96485 A-s/mole)。 10.如技术方案1所述的方法，其中，计算压力线的斜率包括使用以下公式
其中，ti是获取压力测量值的时间，t是采样时间的平均值，Pi是特定采样时间处的压力测量值，F是采样时间段期间所有测量的压力的平均值。11.如技术方案1所述的方法，其中，利用所述压力线斜率来确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量包括确定所述压力线是否以预先确定的阈值之内拟合为直线。12.如技术方案11所述的方法，其中，确定所述压力线是否拟合到直线包括使用以下公式
其中，ti是获得压力测量值的时间，t是采样时间的平均值，Pi是特定采样时间处的压力测量值，F是所述采样时间段期间所有测量的压力的平均值。13.如技术方案1所述的方法，其中，限定用于确定流量的时间段包括限定将氢气喷射进入燃料电池堆的阳极侧的喷射事件之间的时间段。14. 一种用于确定流出燃料电池系统的阳极子系统的阳极气体的流量的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，所述方法包括
限定用于确定流量的时间段，其中，所述时间段位于氢气被喷射进入所述燃料电池堆的阳极侧的喷射事件之间；
在所述时间段期间的多个预先确定的时间间隔处测量所述阳极子系统中的压力； 利用压力测量值来计算代表所述时间段期间所述阳极子系统中的压力变化的压力线斜率；
确定所述压力线是否以预先确定的阈值之内拟合为直线；以及利用所述压力线的斜率、所述阳极子系统的体积和所述阳极子系统的温度来确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量。15.如技术方案14所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量包括确定通过泄放阀或排放阀的流量，所述泄放阀排放来自所述阳极子系统的阳极排气，所述排放阀将水排出所述阳极子系统。16.如技术方案14所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流
权利要求
1.一种用于确定流出燃料电池系统的阳极子系统的阳极气体的流量的方法，所述方法包括限定用于确定流量的时间段；在所述时间段期间的多个预先确定的时间间隔处测量所述阳极子系统中的压力；利用压力测量值来计算代表所述时间段期间所述阳极子系统中的压力变化的压力线的斜率；以及利用所述压力线的斜率来确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量包括确定通过泄放阀的流量，所述泄放阀排放来自所述阳极子系统的阳极排气。
3.如权利要求1所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量包括确定通过排放阀的流量，所述排放阀将水排出所述阳极子系统。
4.如权利要求1所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量包括确定在所述阳极子系统中是否存在泄漏。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在预先确定的时间间隔处测量压力包括在所述时间段期间大约每三毫秒测量压力。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述阳极子系统包括将阳极排气从燃料电池堆的输出引导至所述燃料电池堆的阳极输入的再循环线路。
7.如权利要求1所述的方法，其中，确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量还包括使用所述阳极子系统的体积和所述阳极子系统的温度。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，并且其中，确定流出所述阳极子系统的流量还包括使用理想气体常数、燃料电池堆电流和所述堆中的燃料电池的数量。
9.一种用于确定流出燃料电池系统的阳极子系统的阳极气体的流量的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，所述方法包括限定用于确定流量的时间段，其中，所述时间段位于氢气被喷射进入所述燃料电池堆的阳极侧的喷射事件之间；在所述时间段期间的多个预先确定的时间间隔处测量所述阳极子系统中的压力；利用压力测量值来计算代表所述时间段期间所述阳极子系统中的压力变化的压力线斜率；确定所述压力线是否以预先确定的阈值之内拟合为直线；以及利用所述压力线的斜率、所述阳极子系统的体积和所述阳极子系统的温度来确定流出所述阳极子系统的阳极气体的流量。
10.一种用于确定流出封闭系统的气体的流量的方法，所述方法包括限定用于确定流量的时间段；在所述时间段期间的多个预先确定的时间间隔处测量所述封闭系统中的压力；利用压力测量值来计算代表所述时间段期间所述封闭系统中的压力变化的压力线的斜率；以及利用所述压力线的斜率来确定流出所述封闭系统的气体的流量。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定流出阳极子系统的阳极气体的流量的方法。该方法包括提供预先确定的采样时间段上的预先确定采样时间处的压力测量值并且采用压力测量值计算限定了从时间段的开始至时间段的结束的压力变化的线的斜率。然后，压力线的斜率用于流量公式以确定流出阳极子系统的气体量，该气体可以通过阀或通过系统泄漏。
文档编号G01F1/34GK102538880SQ201110423019
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月16日 优先权日2010年12月17日
发明者D.C.迪菲奥尔, J.比布拉赫 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司