專利名稱：使用空氣流量反饋延遲管理燃料電池功率增加的方法
使用空氣流量反饋延遲管理燃料電池功率增加的方法 ,員域本發明涉及一種燃料電池系統的運行方法。尤其是，本發明涉及使用空氣質量流量(mass flow)反饋延遲管理^^料電池系統中的功率增加的方法。 背景財在大多數燃料電池系統中，BL縮機提供壓縮空氣至鵬料電池組。擁有足夠 的用于燃料電池反應的空氣是相當重要的，并且表征為"陰極化學計量"，其 中在低電流密度時典型地需要較高的值(例如5)，在高電流密度時典型地需要 較低的值(例如1.8)。在這樣的系統中，具有感應離開壓縮機并iaA燃料電池 組的空氣質量流量的裝置是重要的，例如空氣質量流量傳感器。控制系統通常采用這個流量信息并連同背壓閥位置一起改變壓縮機的速 度，以達到所需要的空氣質量流量和m燃料電池組中的空氣壓力。通常使用 例如燃料電池組電流、燃料電池組中電池的數目和在這個電池組電流下所需要 的陰極化學計量的已知的因素，計算所需要的空氣質量流量和空氣壓力。在這樣的燃料電池系統中，控制系統通常允許空氣質量流量傳麟一檢測 到所需的空氣質量流量，外部電路就立即將電流從染料電池系統提取出來。在 空氣質量流量傳繊進行測量的位置和燃料電池反應區(reaction site)需要空氣 的位置之間的體積和間距，未得到考慮。因此，在所需空氣質量流量實際上出 現在反應區之前，電流就流出燃料電池組。在反應區的空氣的短缺可能弓胞在反應區的陰極化學計量急劇下降，并導im低陰極化學計量敏感的電池中的電壓顯著下降。陶氐的電池電壓可能至少引起功率管理電路限制功率輸出并可能 反向(例如，負電壓)，弓胞大的惡化。空氣的短缺對電流提取瞬變M^呈(draw 攀transients)是特別有害的。現有技術的系統不考慮在空氣質量流量儀表進行 觀懂的位置和空氣-氫氣實際上發生反應的位置之間的間距和體積。需要開發一種管理燃料電池功率增加的方法，該方法考慮了空，量流量 傳感器和反應區之間的體積和距離，從而確保在皿料電池組提取電流之前所需的空氣質量流量已經至噠反應區。 發明內容根據本發明，已經驚喜地發現一種管理燃料電池功率增加的方法，該方法 考慮了空氣質量流量傳 和反應區之間的體積和距離，從而確保在纖料電 池組提取電流之前所需的空氣質量流量已經到達反應區。這個方法確保貫穿向上瞬變(up4ransient)過程，在反應區總是滿足陰極化學計量要求。由于確保了 這些，通過防止每一個對陰極化學計魏感的電池由于沒有充足的空氣而降低 電壓，使電池組的穩定性提高。第二，但同樣重要，效果是防止陰極空氣不足 而導致加速電壓陶氐。在一個實施例中，4OT空氣M反饋E^管:M料電池功率增加的方法包括確定在壓縮機和陰極出口之間燃料電池系統的氣流影響特性；確定壓縮機 和陰極出口之間的空氣質量自；確定壓縮機和陰極出口之間的燃料電池系統 的氣壓；根據所述氣流影響特性、所述空氣質量^和所述氣壓，計算空氣流 量反饋延遲；將外部電路從電池組提取電流延遲空氣流量反饋延遲的量。


根據以下結合附圖的優選實施例的詳細描述，對本領域技術人員而言上述特性以及本發明的其他優點將變得容易理解，其中附圖1是根據本發明實施例的燃料電池系統的示意圖；以及附圖2以時間為x軸，比較了在圖1中示出的燃料電池系統的陰極側的實際空氣質量流量與基于外電路提取的電流的陰極側所需的空氣質量流量。
具體實施方式
以下是詳細描述和附圖描述，并且示出了發明的多種具體實施例。該描述 和附圖使本領域技術人員實施并使用本發明，并不希望以任何形式限制本發明 的范圍。對于所公開的方法，所提供的步驟實質上是示例性的，因此步驟的順 序不是必需的或關鍵的。現在參照圖1，示出了具有輔助部件的燃料電池系統的基本布局；實際有 多種可能的變型。示出了集^燃料電池系統中并由多個獨立的相互串聯和/或并聯的燃料電池組成的燃料電池組10的示意性圖示。燃料電池組10的所有獨立的燃料電池的陽極側以本領域公知的方式連接在一起，所得到的電池組的陽極側用附圖標記12指示。以相似的方式，采用本領域公知的方式將電池組的所 有電池的陰極側連接在一起，所得到的電池組的陽極側用附圖標記14指示。各 禾中燃料電池系統的運行是本領域公知的；在共有專利No 6,849,352中可以發現 一個實施例。因此，在描述中將僅說明與本發明相關的燃料電池系統的工作。Sfc描述的具體實施例中，燃料電池系統包含控制系統16。控制系統16 經由線18連接到電動機20。電動機20與rai機22耦合在一起。壓縮機22經 由空氣供應線路26與燃料電池組10的陰，SA口 24流體相通。線26是密封的 通道，其具有已知的氣流影響特性，例如靜態體積、距離、內部粗糙度、層流 和/或湍流效應。空氣質量流量傳感器30設置在壓縮機22和加濕器28之間的線26中。空 ，量流量傳感器30經由線32連接到控制系統16。空氣質量流量傳感器30 是具有已知的氣流影響特性的機電裝置，所述氣流影響特性例如為粗糙度、層 流和/或湍流艦。、皿傳感器31連接到壓縮機22和燃料電池組10的陰極出口 48之間的線 26。,傳 31經由線52連接到控制系統16。溫度傳感器31可以是具有已 知的氣流影響特性的電氣或機電裝置，所述氣流影響特性例如為粗糙度、層流 和/或湍流效應。力口濕器28設置在空氣質量流量傳 30和陰lgA口 24之間的線26中。 力口濕器單元28由多個制蟲的元件組成，這些元件都具有已知的例如粗糙度、層 流和/或湍流效應的氣流影響特性。財卜，在其他實施例中其他部件可以設置在空氣質量流量傳感器30和陰極 入口 24之間的線26中或者連接到該線26。燃料電池組10的陰極側14包含以本領域公知的方式連接的多個單獨的燃 料電池的陰極。在陰極入口 24和陰極出口 48之間旨制蟲的燃料電池具有多 >^§道，其，具有己知的例如靜態體積、距離、內部粗糙度、層流和/或湍流效應的氣流影響特性。背壓閥29連接到燃料電池組的陰極出口 48上。背壓閥29與壓縮機22和 燃料電池組10的陰極側14之間的線26連接也是理想的。背壓閥29經由線54連接至啦制系統I6。背壓閥29是機電裝置，其具有已知的例如粗糙度、層流和 /或湍流效應的氣流影響特性。氣體壓力傳繊33連接到燃料電池組10的陰極出口 48。氣體壓力傳繊 33連接壓縮機22和燃料電池組10的陰極側14之間的線26也是理想的。氣體 壓力傳感器33經由線50連接到控制系統16。氣體壓力傳感器33是機電裝置， 其具有已知的例如粗糙度、層流和/或湍流效應的氣流影響特性。外部電路34經由線36電連接燃料電池組10的陰極側14，并且經由線38 電連接燃料電池組10的陽極側12。外部電路34經由線40連接到控制系統16。在操作中，空氣經由線42進入、并被由電動機20驅動的壓縮機22壓縮， 經由線26供應iliiM料電池組10的陰極入口 24到陰極出口 48。空氣到 料 電池組10的陰，SA口 24所需的時間的量受線26的氣流影響特性影響，所述氣 流影響特性例如是線26的靜態體積、距離、內部粗糙度、層流和/或湍流效應。 空氣到達燃料電池組20的陰極入口 24所需的時間的量還受設置在線26中以及 連接到線26的部件的氣流影響特性影響，例如包含但不限于空氣質量流量傳感 器30 、氣#^傳繊31禾咖濕器28的粗茅驗、層流和/或湍流效應。空氣 從陰極入口 24 fi^lj陰極出口 48所需的時間 料電池組10的陰極側14上 所述多個通道的氣流影響特性(靜態體積、距離、內部粗糙度、層流和/或湍流 效應)影響。可以i!31空氣質量流量傳感器30測量空，量流量，并且空氣質量流量經 由線32通信到控制系統16。氣體溫度可以通過氣^MJS傳感器31測量，并且經由線52通信到控制系 統16。氣體壓力M31氣體壓力傳/iH 33測量，并且經由線50通信到控制系統16。 M31經由線18控制電動機20，控制系統16可以影響空氣壓縮機22旋轉 的速度，因此影響空氣壓縮機22傳送的空，量流量。控制系統還可以經由線 54影響背壓閥29的位置，因雌響燃料電池系統的陰極側14的氣體壓力。通 過影響所傳送的空氣質量流量和 料電池系統的陰極側14上的氣體壓力，控 制系統16可以在燃料電池系統陰極側14實現所需的空氣質量流量和壓力。使 用例如電池組電流、電池的數目、該電池組電流所需的陰極化學計量的已知的 變量，計算所需的空氣質量流量和燃料電池系統的陰極側14的壓力。氫氣以本領域公知的方式經由線44傳遞到陽極側12。本領域公知的反應 ^!t料電池10的陰極側14中的空氣和陽極側12中的氫之間產生，該反應釋放 出經由線38 i!51外部電路34提取的電子。iftA燃料電池組10的陰極側14的氣體的壓力和空氣質量流量影響陰極側 14中空氣和陽極側12中氫之間的電子釋放反應的速率，因此影響可由外部電路 34 MP斗電池組10提取的電壓和電流。控制系統16將釆用經由線32接收到空，量流量反饋，經由線50接收到 氣體壓力反饋，經由線52接收至愾^ag反饋，以及已知的線26的靜態^f只 和距離對空氣流的影響，已知的燃料電池組10的陰極入口 24和陰極出口 48之 間的多個通道的靜態體積和距離對空氣流的影響，計算反饋延遲46 (圖2)。而且，在計算反饋延遲時控制系統可以使用補充因素。線26和陰極入口 24和陰極出口 48之間的多個通道的附加的氣流影響特性可以用作計算反饋延 遲的因素，所述氣流影響特性例如為內部粗糙度、幾何結構、對氣流的層流和/ 或湍流效應。例如空氣質量流量傳感器、氣1^M傳感器、背壓閥、加濕器的 設置在線26中或連接到線26的部件的氣流影響特性，也可以用作計算反饋延 遲46時的輸入。反饋延遲46是控制系統16延遲外部電路34皿料電池組10提取電流的 時間量。當反饋延遲46之后達到所需要的空氣質量流量時，控制系統16可以 經由線40影響外部電路34使其從燃料電池組10中提取電流。反饋延遲計算是實時的，以使控制系統瞬時調整電流提取。執行反饋延E46是為了補償空氣質量流量傳感器30和燃料電池組10的陰 極出口 48之間的距離和體積，確保在外部電路34從燃料電池組10中提取電流 時，所需的空氣質量流量實際上雜于燃料電池組10的陰極出口48處。反饋 延遲46還能補償設置于線26中皿接到線26的部件的空氣流量限娜寺性。在不脫離本發明的范圍的情況下，控制系統16還能夠或另外能利用在線 50上的氣壓信號和在線52上的氣溫信號作為在確定延遲46時的輸入。在不脫 離本發明范圍的情況下，控制系統16能進一步把氣團的層流和/或湍流^iS考慮、 圖2顯示了實際的燃料電池組io的陰極側1/的空氣質A量流i與基于由外部電路34實P示提取的電池組電流的陰極側14所需的空氣質量流量的比較圖。在向上瞬變期間所提取的電池組電流的安培(y軸)值與時間(x軸)的關系圖 M^56顯示。沒有延遲的反應點上的空氣流的值(y軸)與時間的關系圖通 過線58顯示。基于電池組電流的在反應點上所需的空，量流量的值(y軸) ffl3S線60顯示。延遲46纟 保燃料電池組10的陰極側14上的充足的空氣。iIM，描述， 一個本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內可以 容易的理解本發明的要點特性，并可以對本發明做出多種變化和改變以適應其 多種用法和條件。
權利要求
1.一種使用空氣流量反饋延遲管理燃料電池系統中燃料電池功率增加的方法，該方法包含以下步驟a.確定供應空氣的壓縮機和燃料電池組的陰極出口之間的燃料電池系統的空氣流路徑的氣流影響特性；b.確定在壓縮機和陰極出口之間的空氣流路徑中的空氣質量流量；c.確定在陰極側上燃料電池系統的氣壓；以及d.根據所述氣流影響特性、所述空氣質量流量以及所述氣壓，計算空氣流量反饋延遲；e.延遲外部電路從燃料電池組提取電流，延遲量為空氣流量反饋延遲的量。
2. 根據權利要求1的方法，包含ilil建豐辦壓縮豐腿接至i燃料電池組的陰極 入口的線、以及陰極入口和陰極出口之間的多個通道的距離和靜態體積，執行 所述步驟a.。
3. 根據權利要求2的方法，包含艦建模連接壓縮機到陰極入口的線、陰極 入口和陰極出口之間的多個通道、設置在連接壓縮機和陰極出口的線的部件的 粗糙度、幾何結構、以及層流和/或湍流效應，執行所述步驟a.。
4. 一種使用空氣流量反饋延遲管 料電池系統中燃料電池功率增加的方 法，該方、 ^&含以下步驟空氣 徑的^流影響"性；'、>:、、、 、、'、"、、v 、b. 確定陰極出口處所需的空氣質量流量以提供預定的從燃料電池組輸出的 電流；c. 確定所述空氣M徑上預定點處的實際空氣質量流量； d根據所述實際空氣質量流量和氣流影響特性，計算空氣流量反饋延遲；以及e.延遲外部郵各增加從燃料電池組提取的電流，延遲量為空氣流量反饋延遲
5.根據權禾腰求4的方法，包含fflil確定連接在壓縮機和燃料電池組的陰極 入口之間的線的靜M積、距離、內部粗糙度以及層流和/或湍流效應中的至少一個，執微步驟a.。
6. 根據權利要求4的方法，包含鵬確定連接^M料電池組的陰極出口和陰 豐SA口之間的多個鵬的靜態體積、距離、內部粗糙度以及層流和域湍流效應 中的至少一個，執行所述步驟a。
7. 根據權禾腰求4的方法，包含艦確定連接在所述氣i^各徑中的空氣質量 流量傳感器的內部粗糙度以及層流禾P/或湍流效應中的至少一個，執行所述步驟 a.。
8. 根據權利要求4的方法，包含艦確定連接在所述氣淑各徑中的背壓閥的 內部粗糙度以及層流和/或湍流效應中的至少一個，執行所述步驟a.。
9. 根據權利要求4的方法，包含Sil確定連接^^述氣^S各徑中的氣體壓力 傳 的內部粗糙度以及層流禾口/或湍流效應中的至少一個，執行所述步驟a.。
10. 根據權利要求4的方法，包含通過確定連接^^f述氣流路徑中的溫度傳 感器的內部粗糙度以及層流和/或湍流效應中的至少一個，執行所述步驟a.。
11. 根據權利要求4的方法，包含通過確定連接^^ 述氣流路徑中的加濕器 的內部粗糙度以及層流和/湍流效應中的至少一個，執行所述步驟a.。
12. 根據權利要求4的方法，包含在所述預定點處在所述氣流路徑中連接有 空氣質量流量傳感器的情況下，執行所述步驟c.。
13. 根據權禾腰求4的方法，包含通過根據燃料電池組的陰極的實際空氣質 量流量、氣體溫度、氣體壓力和靜態體積計算空氣流量反饋延遲，執行所述步 驟d。
14. 一種使用空氣流量反饋延遲管理燃料電池系統中燃料電池功率增加的 方法，該方法包含以下步驟-3.確定燃料電池系統中預定點^^需的空氣質量流量；b. 確定燃料電池系統中預定點處的實際空氣質量流量；c. 根據所需空，量流量和實際空，量流量，計算空氣流量反饋延遲； d延遲外部電路增力口纖料電池組提取的電流，延遲量為所述空氣流量反饋延遲的量。
15. 根據權禾腰求14的方法,包含通,生在供應空氣的壓縮機和燃料電池 組的陰極出口之間的燃料電池系統的空氣流路徑的氣流影響特性的經驗模型， 執行所述步驟c.。
16. 根據權禾腰求14的方法,包含在燃料電池系統中具有連接在預定點處的 空氣質量流量傳感器的情況下，執行所述步驟b.。
17. 根據權禾腰求14的方法，還包含確定燃料電池系統中預定點處的實際氣 壓的步驟，以及通過根據所需空氣質量流量、實際空氣質量流量和該實際氣壓 計算空氣流量反饋皿來執行所述步驟c.。
全文摘要
一種使用空氣流量反饋延遲管理燃料電池功率增加的方法。該方法包含以下步驟確定燃料電池系統中預定點處所需的空氣質量流量，確定燃料電池系統中預定點處的實際空氣質量流量，根據所需空氣質量流量和實際空氣質量流量計算空氣流量反饋延遲，延遲外電路增加從燃料電池組提取的電流，延遲量為空氣流量反饋延遲的量。
文檔編號H01M8/04GK101237058SQ20071030352
公開日2008年8月6日 申請日期2007年9月29日 優先權日2006年9月29日
發明者A·B·阿爾普, D·A·阿瑟 申請人:通用汽車環球科技運作公司