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本篇日本豐田汽車(chē)專(zhuān)利提出了一種新型的燃料電池系統(tǒng)陽(yáng)極排氣閥控制策略。該系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)或估計(jì)排氣閥上游分水器內(nèi)部的壓力變化，獲得壓力變化的積分值。通過(guò)根據(jù)積分值確定排氣閥的開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)，確保所需的排放氣體量在不同工況下符合陽(yáng)極氫氣或氮?dú)鉂舛鹊囊蟆?br />
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種廣泛應(yīng)用于車(chē)輛領(lǐng)域的燃料電池技術(shù)。PEMFC主要由固態(tài)聚合物電解質(zhì)——質(zhì)子交換膜構(gòu)成，如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極通常包含精細(xì)均勻分布的催化劑顆粒，常見(jiàn)的是鉑(Pt)，這些顆粒支撐在碳顆粒上，并與離子聚合物混合。催化劑混合物被沉積在膜的兩側(cè)。陽(yáng)極催化層、陰極催化層和膜的組合形成了膜電極組件(MEA)。

質(zhì)子交換膜(PEM)在燃料電池中起著將陰極和陽(yáng)極兩側(cè)的反應(yīng)氣體分隔的基本作用。然而，質(zhì)子交換膜并不能完全阻止氣體的傳輸。在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中，陰極側(cè)空氣中的氮?dú)夂推渌麣怏w雜質(zhì)會(huì)逐漸滲透到陽(yáng)極側(cè)。即使陽(yáng)極側(cè)的壓力可能略高于陰極側(cè)的壓力，陰極側(cè)雜質(zhì)氣體的分壓也會(huì)導(dǎo)致空氣中的氣體通過(guò)膜擴(kuò)散滲透。

隨著工作時(shí)間的增加，氮?dú)獾入s質(zhì)氣體在陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)逐漸積聚，稀釋了氫燃料氣體。如果氮?dú)鉂舛仍黾拥揭欢ò俜直纫陨?，例?0%，則會(huì)嚴(yán)重影響燃料電池堆的運(yùn)行。因此，通常在燃料電池堆的陽(yáng)極循環(huán)回路中設(shè)置排氮閥(purging valve)，用于從陽(yáng)極側(cè)排出氮?dú)夂推渌s質(zhì)氣體。

01

存在問(wèn)題

燃料電池系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高氫氣的利用效率和電堆的反應(yīng)性能，會(huì)把陽(yáng)極“堆出”的多余“廢氫”通過(guò)循環(huán)泵或引射器進(jìn)行循環(huán)。循環(huán)“廢氫”和進(jìn)氣端的新氫混合并再次進(jìn)入電堆進(jìn)行反應(yīng)。基于引射器技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)氫氣路進(jìn)氫循環(huán)模塊如圖1所示。

氫氣路進(jìn)氫循環(huán)模塊

在電堆陽(yáng)極出口，我們一般需要安裝分水器，同時(shí)集成一個(gè)或兩個(gè)閥來(lái)定周期打開(kāi)、關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)電堆陽(yáng)極側(cè)的排水和/或排氮。圖1是具有集成排氮/排水閥的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。該燃料電池系統(tǒng)不包括排氮閥，通過(guò)安裝在分水器儲(chǔ)水罐中的排放閥(discharge valve)來(lái)執(zhí)行排水和排氮功能。

在燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)打開(kāi)位于儲(chǔ)水罐底部的排放閥，可以將儲(chǔ)水罐中積聚的水排出到燃料電池系統(tǒng)的外部。常規(guī)技術(shù)中，可以使用液位傳感器測(cè)量?jī)?chǔ)水罐中積聚水的液位，并根據(jù)液位測(cè)量值來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們可以通過(guò)使用液位傳感器來(lái)測(cè)量排出的水量，但當(dāng)排放閥充當(dāng)排氮閥時(shí)，同樣需要精確控制排放的燃料氣體量。如果燃料氣體的排放量不足以達(dá)到所需量，燃料氣體中的氫濃度可能無(wú)法完全恢復(fù)，反之，如果排放量超過(guò)所需量，將浪費(fèi)相應(yīng)的燃料氣體，從而導(dǎo)致燃料消耗的惡化。

因此，在該燃料電池系統(tǒng)中，為了可靠地排放所需的燃料氣體而不過(guò)多或不足，我們需要通過(guò)估算打開(kāi)排放閥時(shí)排放的燃料氣體量，并根據(jù)估算結(jié)果來(lái)控制排放閥的操作。

02

專(zhuān)利方案

本專(zhuān)利提出了一種新型的燃料電池系統(tǒng)陽(yáng)極排放閥控制策略。在分水器儲(chǔ)水罐內(nèi)水排空后，該系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)或估計(jì)排放閥上游分水器內(nèi)部的壓力變化，獲得壓力變化的積分值。通過(guò)根據(jù)積分值確定排放閥的開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)，確保所需的燃料排放氣體量在不同工況下符合陽(yáng)極氫氣或氮?dú)鉂舛鹊囊蟆?br />
該燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)作為控制裝置的ECU，用于控制排放閥。安裝在分水器中的壓力傳感器用于檢測(cè)分水器內(nèi)的壓力，并連接到ECU的輸入端。ECU根據(jù)來(lái)自壓力傳感器的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)下述方法估算燃料氣體的排放量。

圖2是一個(gè)時(shí)序圖，顯示了排放閥的操作與分水器中壓力變化之間的關(guān)系。如圖2所示，分水器中的壓力在排放閥打開(kāi)后不會(huì)立即改變，而是在一段時(shí)間后開(kāi)始改變。從排放閥的開(kāi)啟時(shí)間(t11)到分水器壓力變化的開(kāi)始時(shí)間(t12)的時(shí)間延遲表明儲(chǔ)存在分水器中的水被排出。

實(shí)際上，在排水過(guò)程中，分水器內(nèi)部的壓力也會(huì)發(fā)生變化，但與陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)中的氣體總量相比，儲(chǔ)存的水量很小，因此與伴隨的壓力變化相比，由于水的排放導(dǎo)致的壓力變化可以忽略不計(jì)。當(dāng)水完全排空并且分水器與大氣連通后，分水器內(nèi)的壓力發(fā)生顯著變化。

當(dāng)排水完成并且分水器內(nèi)部與大氣連通時(shí)，隨著燃料氣體通過(guò)排氣通道排出，分水器內(nèi)的壓力逐漸下降。此時(shí)燃料氣體從循環(huán)系統(tǒng)排放到外部的排氣量可以根據(jù)氣分水器壓力的降低值在時(shí)間上的積分值來(lái)表示。最終排氣量由積分值(圖2中陰影部分面積)表示，積分時(shí)間從排放閥的開(kāi)啟時(shí)間(t11)到關(guān)閉時(shí)間(t13)。

圖3顯示了一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，用于確定從開(kāi)啟閥門(mén)時(shí)的分水器壓力降低值的積分值(壓力降低積分值)與燃料氣體的排氣量(氣體排放量)之間的相關(guān)性。從該圖中可以看出，壓力降低積分值與氣體排氣量呈正比關(guān)系，可以通過(guò)獲取壓力降低積分值來(lái)準(zhǔn)確估計(jì)氣體排氣量。此外，可以看出，壓力降低積分值與氣體排氣量之間的比例關(guān)系不受分水器中存儲(chǔ)水量的影響。在當(dāng)前的燃料電池系統(tǒng)中，可以獲得從閥門(mén)打開(kāi)時(shí)的分水器壓力的降低值，并通過(guò)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的積分值估計(jì)燃料氣體的排氣量。

根據(jù)本實(shí)施例的排氣量估算方法，可以準(zhǔn)確估計(jì)排放閥開(kāi)啟后的排氣量，而不受分水器中存儲(chǔ)水量的影響。此外，可以在不需要昂貴的流量傳感器等傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣量的準(zhǔn)確估算。ECU根據(jù)上述排氣量估算方法來(lái)控制排放閥的操作。 

原標(biāo)題：燃料電池系統(tǒng)排氮閥開(kāi)啟時(shí)，排氣量如何有效估算？