专利名称：在关闭和启动时估计燃料电池系统中的氢浓度估计值的在线方法
技术领域：
本发明总体涉及一种在系统关闭和启动时估计燃料电池系统中的氢和/或氮浓 度的系统和方法，更特别地，涉及一种在系统关闭和启动时估计燃料电池系统中的氢和/ 或氮浓度的系统和方法，其包括将燃料电池系统分为阳极流场和管道容积，阴极流场容积、 阴极集管和管道容积，并且计算氢，氮，氧和/或水的进出这些容积的通量。2、相关技术的讨论氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它清洁，且能够在燃料电池有效地产生电。氢 燃料电池是一种电化学元件，其包括一个阳极和一个阴极以及它们之间的电解质。阳极接 受氢气，阴极接受氧气或空气。氢气在阳极中被分离产生自由质子和电子。质子穿过电解 质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生反应产生水。阳极的电子不能穿过电解质，因 此它们在被送到阴极之前被定向穿过一个负载而进行做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种很普遍的车用燃料电池。PEMFC—般包括一 个固体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极细的催化颗粒， 通常为钼(Pt)，以碳颗粒为载体并且混合有离子聚合物。催化混合物沉积在薄膜的相对面 上。阳极催化混合物、阴极催化混合物的组合以及膜的组合限定了膜电极组(MEA)。膜电极 组件制造相对比较昂贵，并且有效的工作需要一定的条件。几个燃料电池通常被组合形成一燃料电池堆，用以产生所需的电能。例如，用于汽 车的燃料电池堆装置，通常有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接受一阴极输入反 应气体，特别通过压缩机强制通过电池堆的空气流。不是所有的氧被堆所消耗，一些空气被 作为阴极排出气而排出，阴极排出气也可能包括作为堆副产品的水。燃料电池堆也接受阳 极的氢反应气体，流入堆的阳极一侧。堆也包括冷却液体流的流道。燃料电池堆包括一系列双极板，其安置在堆中的几个膜电极组件之间，双极板和 膜电极组件安置在两个端板之间。双极板包括用于堆中相邻的燃料电池的一个阳极侧和一 个阴极侧。阳极气流通道提供在双极板的阳极侧，使得阳极反应气体流过相应MEA。阴极气 流通道提供在双极板的阴极侧，使得阴极反应气体流过相应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，例如不锈钢或导电复合 物。端板将燃料电池产生的电传导出堆外。双极板也包括冷却液流过的流道。系统启动时，假设自上一次的关闭已经经过了足够的时间，则在上次关闭时残留 在堆中的氢的大部分已经扩散出堆外，并且阳极和阴极气流通道通常都会被空气充满。系 统启动时当氢导入阳极气流通道时，氢推动空气排出阳极气流通道产生氢/空气前体穿过 阳极气流通道。如文献中所描述的，在阳极侧存在的氢/空气前体与阴极侧的空气结合引6起一系列的化学反应的发生，导致在MEA的阴极侧的碳载体的消耗，因此减少了在燃料电 池堆中膜电极组件的寿命。例如，已经显示的那样，在系统启动时没有处理氢/空气前体的 退化效应，在这种方式下，大约100个关闭和启动循环即可毁坏燃料电池堆。一种已知的能大大减少在系统启动时的空气/氢前体、从而减少催化剂腐蚀的技 术，是减少在充满空气的阳极和阴极的情况下的启动频率。实现该目的的方法是使阳极和 阴极处于氮/氢环境中。可是，氢或者将最终扩散出阳极外，或者被慢慢回到堆中的氧气消 耗掉。因此，为了能够延长减少催化剂腐蚀的能力，当系统关闭时将氢周期性的注入堆中。 因为在系统关闭时，大部分的氮保留在阴极侧，原因是氧被燃料电池的反应消耗，氮和氢是 在系统关闭后燃料电池堆中在阳极和阴极侧平衡的主要元素。这就不允许包括氧气的空气 形成空气/氢前体。当燃料电池关闭时，气体持续渗透穿过膜，直到气体成分分压力在膜的两边平衡。 氢从阳极到阴极穿过膜的扩散率大约是氮从阴极到阳极扩散率的三倍。与氮分压力的相对 慢的平衡相比，较高的氢扩散率等同于氢分压力的快的平衡。在气体扩散率的差异引起阳 极子系统的绝对压力下降，直到阴极氢分压力达到阳极氢分压力。特别地，燃料电池堆的阳 极侧在高氢浓度下运行，比如高于60%，并且大容积的富氢气体存在于堆的阳极外的阳极 集管和阳极管道中。当阳极绝对压力下降时，更多的氢被抽出阳极子系统进入堆的阳极流 场。在系统关闭后氢分压力平衡的最终结果是在燃料电池堆阴极侧氢浓度随时间增 加，至少是在关闭后的一段时间内。在系统启动时，压缩机启动，但是存在于燃料电池堆中 来自阴极的氢浓度必须被限制以致于不违背排放要求。因此，当燃料电池的阴极充满新鲜 空气时，留在堆的阴极侧的富氢气体必须被稀释。为了满足启动时间和噪音的要求，需要优 化堆阴极的填充时间。因为阴极流通过压缩机的可用功率而被限制，所以填充方法对整个 压缩机流率中的变化必须具有鲁棒性。期望在系统启动期间预测或估计在燃料电池系统中阳极和阴极中氢的量，从而使 得启动策略满足排放要求同时最大化的可靠性和最小化的启动时间。通常希望氢浓度的估 计值对关闭和停机时间相关的功能具有鲁棒性，并且考虑了膜中气体的渗透以及来自外部 源的空气侵入。同时，估计算法必须足够简单，以能设置在一个自动控制器中，计算量足够 小以至能在没有延迟启动的情况下完成。在燃料电池堆启动时确定阳极和阴极中的氢浓度将会带来尽可能快的启动时间， 因为非必要时系统控制不需要提供额外的稀释空气。进一步，确定的氢浓度提供更可靠的 启动，因为将会知道阳极中需要补充的氢的数量。这对于从待机状态或关闭关闭的中间的 启动尤其有意义，在待机状态或关闭的中间时氢浓度可能相对高。进一步，氢浓度的已知改善耐久性，因为当在堆中的氢浓度不已知时，典型的启动 策略对于注入目的会假设最坏情况的氢百分比而对于稀释目的会假设有100%的氢。在这 些情况下，初始阳极氢冲洗将会比如果知道堆被空气充满时变慢。腐蚀的比率与初始氢的 流率成比例。因此，不能准确的知道氢的浓度，这些事件中的每一个将会具有比必要的更多 的损坏性。同时，已知氢浓度能改善效率，因为在启动之前对阳极和阴极中氢浓度更准确的 确定将会导致更有效的启动决定和氢使用的潜在减少。例如，如果知道启动时堆内没有氢，7则将降低稀释空气。进一步，已知氢浓度提供更稳健的启动。如果过早关闭或由于故障传 感器而关闭，所述算法能使用物理限制为阳极和阴极中的氢提供上下限。

发明内容
根据本发明的教导，公开了一种在系统启动和关闭时估计燃料电池堆和堆容积中 氢和/或氮的数量的系统和方法。此方法定义了燃料电池堆和堆容积为离散的容积，包括 阳极流场和阳极管道容积，阴极流场容积和阴集管和管道容积。此方法估计当燃料电池系 统关闭时，在阳极流场和阳极管道容积、阴极流场容积和阴极集管和管道容积中氢和/或 氮的量。此方法也估计在系统启动时，阳极流场和阳极管道容积中氢和/或氮的数量，在阴 极流场容积中氢的数量，以及在阴极集管和管道容积中氢的数量。这些值在阳极流场和阴 极流场之间的压力不平衡的系统启动的第一阶段期间以对系统关闭时阳极流场和阳极管 道容积，阴极流场容积和阴极集管和管道容积中氢和氮的估计为基础。该方法在阳极流场 和阴极流场容积处于压力平衡时的系统启动的第二阶段过程中，也基于在第一阶段中阳极 流场和管道容积、阴极流场容积和阴极集管和管道容积中氢和氮数量的估计值估计在阳极 流场和管道容积以及阴极流场容积中氢的数量。现有的描述使用两个阴极容积和一个阳极 容积。依赖于阴极和阳极的几何构造，可能需要额外的容积。如果必要的时候此方法可因 其他的情况进行修改。本发明其它的特征将由下面的说明和附加的权利要求，以及结合所附的附图
进行 清晰的说明。本发明也提供了下面的解决方案方案1、一种在关闭、启动或任意过渡状态期间估计燃料电池系统中氢和/或氮浓 度的方法，该方法能够用于调度氢气流和空气流以满足排放、耐久性和效率的要求，所述的 燃料电池系统包括燃料电池堆、阳极管道、阴极管道和阴极堆集管，所述的燃料电池堆包括 阳极流场和阴极流场，所述的方法包括定义燃料电池系统为离散的容积，包括阳极流场和阳极管道容积，阴极流场容积 以及阴极集管和管道容积；当燃料电池系统关闭时，估计阳极流场和阳极管道容积、阴极流场容积和阴极集 管和管道容积中氢和氮的数量；在阳极流场和阴极流场间的压力不平衡的系统启动的第一阶段期间，以在系统关 闭时阳极流场和阳极管道容积，阴极流场容积和阴极集管和管道容积中氢和氮数量的估计 为基础，估计当燃料电池系统启动时，在阳极流场和阳极管道容积中氢和氮的数量，阴极流 场容积中氢的数量以及阴极集管和管道容积中氢的数量；以及在阳极流场和阴极流场的氢和氮的分压力已经平衡的系统启动的第二阶段过程 中，以第一阶段中对阳极流场和管道容积、阴极流场容积以及阴极集管和管道容积中的氢 和氮的估计值为基础，估计在阳极流场和管道容积以及阴极流场容积中氢的数量。方案2、根据方案1的方法，当燃料电池系统正被关闭时估计在阳极流场和阳极管 道容积、阴极流场容积以及阴极集管和管道容积中氢和氮的数量，考虑了从阴极流场容积 到阳极流场和阳极管道容积的氮的渗透流动，从阳极流场和阳极管道容积到阴极流场容积 的氢的渗透流动，从阴极流场容积到阴极集管和管道容积的氢的扩散和对流，以及在阴极流场容积与阴极集管和管道容积之间氮的对流。方案3、根据方案2的方法，阳极氮的摩尔数由下面的方程确定rt2 (A- + 1) = nfn (k) - (nN2(k) * Δ/)其中，是阳极氮摩尔数，力W2(幻是在时间t(k)时氮的摩尔流率，At是时间步 长；氢渗透流率由下面的方程确定nH2(k) = C]HP.i2(k)~!fa2(k))其中，W”-是总的氢流率，《2和K2分别是在阳极和阴极中氢气体的分压力，C1是 氢从阳极到阴极的渗透系数；氮渗透流动由下面的方程确定 Ν2 (k) = C2 * (ΡΓ ㈨—Pea"⑷)其中，力W2⑷是从阳极到阴极的氢摩尔流率，C2是氢从阳极到阴极的渗透系数并且 是膜特性和局部条件的函数，if 2和P^2分别是在阳极和阴极中氢的分压力；由于扩散力SL 引起的氢流率由下面的方程确定rillXK) 二 C3 * (yi2md(k)-yi2plumb(k))其中，C3是氢的有效扩散系数，其包括自然对流混合效应以及分子扩散效应，分别 地，C是阴极流场容积中的阴极流场氢摩尔分数，yi2plumb是阴极管道容积中的阴极管道 氢摩尔分数；从阴极流场到阴极管道的由对流引起的氢的流率由下面的方程确定O.) = (nH\k)-nN2-nHDlM>”Hc“d(k、其中，#2(幻和力分别是氢和氮从阳极的渗透；氮在阴极管道和阴极流场之间 的对流简单地由下式得出nNc2am (k) = nCaffld (k) - TiicIffld {k)其中，是阴极流场氮摩尔数，是阴极流场氢摩尔数，n。affld是使用理想气 体定律估计的流场的总摩尔数，该定律假定加湿作用是恒定的，以及水的分压力能被从在 阳极和阴极两者中测得的总压力中减去，其中所述方程提供了在每一个容积内各处的材料 平衡，并且其中在每一个时间步长的结尾，根据各个种类的摩尔数和总摩尔数计算摩尔分 数。方案4、根据方案1的方法，其中在第一阶段中估计阳极流场和管道容积、阴极流 场容积以及阴极集管和管道容积中氢和氮的数量时，考虑了进入阳极流场和阳极管道容积 中的注入器泄漏流动，从阳极流场和管道容积到阴极流场容积的氢的渗透流动，从阴极流 场容积到阳极流场和管道容积的氮的渗透流动，从阴极流场容积到阴极集管和管道容积的 氢的扩散和对流流动以及在阴极流场容积与阴极集管和管道容积之间的氮的对流流动，并 且要考虑随时间改变的阳极压力。方案5、根据方案4的方法，其中氮的渗透流动由下面的方程确定W (k) = C2 * (PAN 2 (k) - If⑷)其中W2⑷是从阳极到阴极的氮摩尔流率，C2是氮从阳极到阴极的渗透系数，《2 和/=2分别是在阳极和阴极中氮气的分压力；氢的渗透流动由以下方程确定(k) 二 C3 * (冗2脚(k) - yHc:plumb (k))其中C3是氢的有效扩散系数，其包括自然对流混合效应以及分子扩散效应，分别地，Cl阴极流场容积中的阴极流场氢摩尔分数，yi2plumb是阴极管道容积中的阴极管道 氢摩尔分数；由对流引起的氢流率由以下方程确定(k) ^ ( 们(k) - 们(k) - nil ⑷)* C ㈨其中矿和Z2(A)分别是来自阳极的氢和氮的渗透；阴极管道容积和阴极流场 容积之间氮的对流由下面的方程隐含地推出“二 gid (k) = nCaffld (k) - H^2ffld (k)其中，^^是阴极流场氮摩尔数，《工^是阴极流场氢摩尔数，以及Iieaffld是流场的 总摩尔数，使用理想气体定律对总摩尔数进行估计；不包括水的分压力的阳极压力由下面 的方程确定_ PanW =
VAn其中VAn是阳极容积，R是理想气体常数，TStek(k)是堆温度；注入器的泄漏流动由 下面的方程确定/ pShdn 一 pWa keup \ . f, Γ ， a HlAnlnjIn "rAnInjIn ) yAnlnjIn/\n, 二-------、-RHTZ^ln)其中，是来自供应管线泄漏的氢的摩尔数，/^i和PltT分别是在关闭和启 动时供应管线的压力，VtoIiy.In是供应管线的容积，是供应管线的摄氏温度，R是理想气 体常数，其中如果自前一次关闭的时间足够短，注入器的泄漏是可观的，〃 I2(幻能够通过增 加泄漏的一部分而被修正。方案6、根据方案1的方法，其中在第二阶段估计阳极流场和管道容积以及阴极流 场容积中的氢浓度，包括考虑进入阳极流场和管道容积的氢的注入器泄漏流动、在阳极流 场和管道容积与阴极流场容积之间的氢流动，来自阴极流场容积的氢泄漏流动，从阴极流 场容积到阴极集管和管道容积的扩散的氢，从阴极集管和管道容积到阴极流场容积的氧扩 散和对流，以及由于热气体收缩而进入阴极集管和管道容积中的氧流动。方案7、根据方案6的方法，其中在阴极流场容积中残留的氢由下面的方程确定 ㈨=(Ae^'-卯-f ))其中，t是从第一阶段结尾开始计算的FCS关闭时间，C7是表示向外氢泄漏的可 调常数，C8是表示由于对流和扩散力从阴极管道容积侵入阴极流场容积的氧侵入的可调常 数；在阴极流场容积中氢的初始量由下面的方程确定,H 2Α =+其中〃^m(A)是在阶段一结束时在阴极流场容积中氢的数量；氢注入器泄漏流动 由下面的方程确定rr / pShdn _pWakeupAvjHl _ 、rAnInjIn — rAnInjIn ) yAnInjIn0061二RHTZnJIn) 其中VtoIiy_In是注入器上游阳极管线的容积，是关闭时在注入器上游的管线的10压力，Ρ Γ是启动时在注入器上游的管线的压力，R是理想气体常数， ；是启动时在注 入器上游的管线的温度；由于热气体收缩流动产生的氧侵入由下面方程确定
权利要求
1.一种在关闭、启动或任意过渡状态期间估计燃料电池系统中氢和/或氮浓度的方 法，该方法能够用于调度氢气流和空气流以满足排放、耐久性和效率的要求，所述的燃料电 池系统包括燃料电池堆、阳极管道、阴极管道和阴极堆集管，所述的燃料电池堆包括阳极流 场和阴极流场，所述的方法包括定义燃料电池系统为离散的容积，包括阳极流场和阳极管道容积，阴极流场容积以及 阴极集管和管道容积；当燃料电池系统关闭时，估计阳极流场和阳极管道容积、阴极流场容积和阴极集管和 管道容积中氢和氮的数量；在阳极流场和阴极流场间的压力不平衡的系统启动的第一阶段期间，以在系统关闭时 阳极流场和阳极管道容积，阴极流场容积和阴极集管和管道容积中氢和氮数量的估计为基 础，估计当燃料电池系统启动时，在阳极流场和阳极管道容积中氢和氮的数量，阴极流场容 积中氢的数量以及阴极集管和管道容积中氢的数量；以及在阳极流场和阴极流场的氧和氮的分压力已经平衡的系统启动的第二阶段过程中，以 第一阶段中对阳极流场和管道容积、阴极流场容积以及阴极集管和管道容积中的氢和氮的 估计值为基础，估计在阳极流场和管道容积以及阴极流场容积中氢的数量。
2.根据权利要求1的方法，当燃料电池系统正被关闭时估计在阳极流场和阳极管道容 积、阴极流场容积以及阴极集管和管道容积中氢和氮的数量，考虑了从阴极流场容积到阳 极流场和阳极管道容积的氮的渗透流动，从阳极流场和阳极管道容积到阴极流场容积的氢 的渗透流动，从阴极流场容积到阴极集管和管道容积的氢的扩散和对流，以及在阴极流场 容积与阴极集管和管道容积之间氮的对流。
3.根据权利要求2的方法，阳极氮的摩尔数由下面的方程确定 01) = 0)-(Z2 ㈨,其中，< 2是阳极氮摩尔数，Z2⑷是在时间t(k)时氮的摩尔流率，At是时间步长；氢 渗透流率由下面的方程确定俨㈨=C10)-/^2 ⑷)其中，^ff2是总的氢流率，^T和/^2分别是在阳极和阴极中氢气体的分压力，C1是氢从 阳极到阴极的渗透系数；氮渗透率由下面的方程确定 nN\k) = C1HPi\k)-P^{k))其中，^w2(幻是从阳极到阴极的氢摩尔流率，C2是氢从阳极到阴极的渗透系数并且是膜 特性和局部条件的函数，P=2和户2分别是在阳极和阴极中氢的分压力；由于扩散引起 的氢流率由下面的方程确定 ^η (k) = C3 * {yHJmd (k) — y^plumb (k))其中，C3是氢的有效扩散系数，其包括自然对流混合效应以及分子扩散效应，分别地， ο阴极流场容积中的阴极流场氢摩尔分数，α阴极管道容积中的阴极管道氢 摩尔分数；从阴极流场到阴极管道的由对流引起的氢的流率由下面的方程确定 o)=(作- o))”c 其中，力"20)和Z2(A)分别是氢和氮从阳极的渗透；氮在阴极管道和阴极流场之间的对流简单地由下式得出
4.根据权利要求1的方法，其中在第一阶段中估计阳极流场和管道容积、阴极流场容 积以及阴极集管和管道容积中氢和氮的数量时，考虑了进入阳极流场和阳极管道容积中的 注入器泄漏流动，从阳极流场和管道容积到阴极流场容积的氢的渗透流动，从阴极流场容 积到阳极流场和管道容积的氮的渗透流动，从阴极流场容积到阴极集管和管道容积的氢的 扩散和对流流动以及在阴极流场容积与阴极集管和管道容积之间的氮的对流流动，并且要 考虑随时间改变的阳极压力。
5.根据权利要求4的方法，其中氮的渗透流动由下面的方程确定
6.根据权利要求1的方法，其中在第二阶段估计阳极流场和管道容积以及阴极流场容 积中的氢浓度，包括考虑进入阳极流场和管道容积的氢的注入器泄漏流动、在阳极流场和 管道容积与阴极流场容积之间的氢流动，来自阴极流场容积的氢泄漏流动，从阴极流场容 积到阴极集管和管道容积的扩散的氢，从阴极集管和管道容积到阴极流场容积的氧扩散和 对流，以及由于热气体收缩而进入阴极集管和管道容积中的氧流动。
7.根据权利要求6的方法，其中在阴极流场容积中残留的氢由下面的方程确定其中，t是从第一阶段结尾开始计算的FCS关闭时间，C7是表示向外氢泄漏的可调常 数，C8是表示由于对流和扩散力从阴极管道容积侵入阴极流场容积的氧侵入的可调常数； 在阴极流场容积中氢的初始量由下面的方程确定其中^Lk(幻是在阶段一结束时在阴极流场容积中氢的数量；氢注入器泄漏流动由下 面的方程确定/ pShdn _ ρ Wa ke up八 //2 — VrAnInjIn — rAnInjIn ) VAnInjIn其中νΑηΙιυ η是注入器上游阳极管线的容积，是关闭时在注入器上游的管线的压 力，P=;是启动时在注入器上游的管线的压力，R是理想气体常数，厂二；是启动时在注入 器上游的管线的温度；由于热气体收缩流动产生的氧侵入由下面方程确定β ='C2其中，是描述在系统中可供消耗所有氢的氧的摩尔数的转向参数，假定随着时间从 阴极管道容积侵入到阴极流场容积中；在阳极中残留的氢的摩尔数假定与在阴极流场中的 氢的摩尔数有关，容积由下面的方程确定其中，νΑη和Vcaffld分别是阳极和阴极流场容积，假定氢和氮穿过膜的渗透速率比氢泄漏 和氧侵入的速率快很多。
8.根据权利要求1的方法，其中在第一阶段中估计在阳极流场和阳极管道容积、阴极 流场容积和阴极集管和管道容积中氢和氮的数量，考虑了有意地向阳极流场内的氢注入。
9.一种在关闭、启动或任何过渡状态下估计燃料电池中的氢和/或氮浓度的方法，该 方法能用于调度氢流动和空气流动以满足排放、耐久性和效率的要求，所述的燃料电池系 统包括燃料电池堆、阳极管道、阴极管道和阴极堆集管，所述的燃料电池堆包括阳极流场和 阴极流场，所述的方法包括定义燃料电池系统为离散的容积，包括阳极流场和阳极管道容积，阴极流场容积和阴 极集管和管道容积；当燃料电池系统关闭时，估计阳极流场和阳极管道容积、阴极流场容积和阴极集管和 管道容积中氢和氮的数量；其中，在燃料电池系统关闭时估计阳极流场和阳极管道容积、阴 极流场容积和阴极集管和管道容积中氢和氮的数量，考虑了从阴极流场容积到阳极流场和阳极管道容积的氮的渗透流动、从阳极流场和阳极管道容积到阴极流场容积的氢的渗透、 从阴极流场容积到阴极集管和管道容积的氢的扩散和对流，以及在阴极流场容积和阴极集 管和管道容积之间的氮的对流；在阳极流场容积和阴极流场容积中的氢和氮的分压力不平衡的系统启动的第一阶段 期间，以在系统关闭时对阳极流场和阳极管道容积、阴极流场容积和阴极集管和管道容积 中氢和氮的估计为基础，在系统启动时估计在阳极流场和阳极管道容积中的氢和氮的数 量，阴极流场容积中氢的数量和阴极集管和管道容积中氢的数量，其中，在第一阶段期间估 计阳极流场和管道容积、阴极流场容积以及阴极集管和管道容积中氢和氮的数量，考虑了 进入阳极流场和阳极管道容积中的注入器泄漏流动、从阳极流场和管道容积到阴极流场容 积的氢的渗透流动、从阴极流场容积到阳极流场和管道容积的氮的渗透流动、从阴极流场 容积到阴极集管和管道容积的氢的扩散和对流流动以及在阴极流场容积和阴极集管和管 道容积之间的氮的对流流动；以及在阳极流场和管道容积与阴极流场容积具有平衡的氢和氮的分压力的系统启动的第 二阶段期间，以第一阶段中阳极流场和管道容积、阴极流场容积和阴极集管和管道容积中 氢和氮的估计值为基础，估计在阳极流场和管道容积以及阴极流场容积中氢的数量，其中 在第二阶段期间估计阳极流场和管道容积以及阴极流场容积中的氢浓度，包括考虑进入阳 极流场和管道容积中的氢注入器泄漏流动、在阳极流场和管道容积与阴极流场容积之间的 氢流动、从阴极流场容积的氢的泄漏流动、从阴极流场容积到阴极集管和管道容积的扩散 的氢、从阴极集管和管道容积到阴极流场容积的氧的扩散和对流流动、和由于热气体收缩 流入阴极集管和管道容积的氧流动。
10. 一种在关闭、启动或任何过渡状态下估计燃料电池系统中的氢和/或氮浓度的系 统，该系统能用于调度氢和空气流动以满足排放、耐久性和效率的要求，所述的燃料电池系 统包括燃料电池堆、阳极管道、阴极管道和阴极堆集管，所述的燃料电池堆包括阳极流场和 阴极流场，所述的系统包括用于将燃料电池系统定义为三个容积的装置，所述容积包括阳极流场和阳极管道容 积、阴极流场容积和阴极集管和管道容积；用于当燃料电池系统关闭时，估计阳极流场和阳极管道容积、阴极流场容积和阴极集 管和管道容积中氢和氮的数量的装置；用于在阳极流场容积和阴极流场中的氢和氮的分压力大约相同的系统启动的第一阶 段期间，以在系统关闭时阳极流场和阳极管道容积、阴极流场容积和阴极集管和管道容积 中氢和氮的估计为基础，在系统启动时估计在阳极流场和阳极管道容积中氢和氮的数量、 阴极流场容积中氢的数量和阴极集管和管道容积中氢的数量的装置；以及用于在阳极流场和阴极流场容积处于压力平衡的系统启动的第二阶段期间，以在第一 阶段中阳极流场和管道容积、阴极流场容积和阴极集管和管道容积中氢和氮的估计值为基 础，估计在阳极流场和管道容积以及阴极流场容积中氢的数量的装置。
全文摘要
本发明涉及在关闭和启动时估计燃料电池系统中的氢浓度估计值的在线方法。关闭一种估计在系统启动和关闭时燃料电池堆以及堆体中氢和/或氮的数量的系统和方法。此方法定义燃料电池堆和堆体为离散体，其包括一阳极流场和阳极流场体、一阴极流场容积和阴极集管和管道容积。在第一阶段期间当阳极和阴极之间氢部分压力不平衡和在第二阶段期间当阳极和阴极之间氢部分压力平衡时，此方法通过考虑各种进出体中的流动，估计燃料电池系统关闭时阳极流场和阳极管道容积、阴极流场容积和阴极集管和管道容积中氢和/或氮的数量。
文档编号G01N7/00GK102054999SQ20101057171
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月9日
发明者J·C·发格莱伊, J·N·洛夫里亚, J·P·萨瓦多, S·加纳帕思 申请人:通用汽车环球科技运作公司