在燃料电池系统中使用比例控制阀的操作系统和方法技术方案

本公开涉及在燃料电池堆系统中使用比例控制阀的操作系统和方法。所述燃料电池堆系统可包括：燃料电池堆，其包括具有阳极入口和阳极出口的阳极以及具有阴极入口和阴极出口的阴极；和控制阀，其控制进入阳极的燃料的流量。燃料的流量可基于横跨阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口中的任何两个测量的压差。极入口和阴极出口中的任何两个测量的压差。极入口和阴极出口中的任何两个测量的压差。

【技术实现步骤摘要】
在燃料电池系统中使用比例控制阀的操作系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用本非临时申请要求2021年6月25日提交的美国临时专利申请序列号63/215,072根据35 U.S.C.
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119(e)和任何其它适用的法律或法规的权益和优先权，该申请的全部公开内容在此以引用方式明确并入本文中。


[0002]本公开涉及在燃料电池或燃料电池堆系统中使用比例控制阀的系统和方法。

技术介绍

[0003]交通工具和/或动力系使用燃料电池或燃料电池堆来满足其动力需求。燃料电池和/或燃料电池堆可包括但不限于磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(也称为聚合物交换膜燃料电池(PEMFC))或固体氧化物燃料电池(SOFC)。
[0004]燃料电池或燃料电池堆系统可包括多个燃料电池或燃料电池堆。燃料电池或燃料电池堆系统可通过发生在燃料电池或燃料电池堆中的电化学反应生成以直流电(DC)形式的电力。燃料处理器将燃料转换成能够由燃料电池或燃料电池堆使用的形式。如果燃料电池或燃料电池堆系统由诸如甲醇、汽油、柴油或气化煤的富氢常规燃料提供功率，则重整器可将烃类转化为氢和碳化合物的气体混合物或重整产品。然后，重整产品可转化为二氧化碳，纯化并再循环回到燃料电池或燃料电池堆中。
[0005]诸如氢或烃类的燃料通过场流板被导引到燃料电池或燃料电池堆的一侧上的阳极，而来自空气的氧被导引到燃料电池或燃料电池堆的另一侧上的阴极。在阳极处，诸如铂催化剂的催化剂导致氢分裂成正氢离子(质子)和带负电荷的电子。在聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)的情况中，聚合物电解质膜(PEM)允许带正电荷的离子通过PEM流到阴极。带负电荷的电子沿着外部环路被引导到阴极，产生电路和/或电流。在阴极处，电子和带正电荷的氢离子与氧结合以形成水，水从燃料电池或燃料电池堆中流出。
[0006]阳极和阴极之间的压差需要高于最小值，以防止在阳极料流(stream)和阴极料流之间的气体混合，和/或避免膜电极组件(MEA)上或燃料电池的电解质上的机械应力。机械调节器典型地用来控制到阳极的新燃料的流量，并保持阳极和阴极之间的压差。然而，由于其机械设计，机械调节器在改变阳极和阴极之间的目标压差方面提供了最小的灵活性。机械调节器机械设计的刚性提出了一定的挑战。例如，当通过机械调节器的(多个)阀的燃料的流量变化时，机械调节器可允许压差中的变化(例如，下降)。此外，机械调节器必须考虑对反共振比(ISR)的敏感性，反共振比表征燃料电池或燃料电池堆系统对下游压力的敏感性。
[0007]为了克服上述挑战，比例控制阀可用来控制到阳极的新燃料的流量，监测燃料电池或燃料电池堆中的阳极和阴极之间的压差，和/或保持燃料电池或燃料电池堆中的阳极和阴极之间的压差。本公开提供了使用比例控制阀来克服与在燃料电池或燃料电池堆系统中比例控制阀的使用相关的本领域中已知的当前挑战的系统和方法。

技术实现思路

[0008]包括本公开的实施例是为了满足这些和其它需求。
[0009]在本文中描述的本公开的一个方面中，燃料电池堆系统包括燃料电池堆和比例控制阀。燃料电池堆包括具有阳极入口和阳极出口的阳极和具有阴极入口和阴极出口的阴极。比例控制阀基于横跨阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口中的任何两个测量的压差来控制进入阳极的燃料的流量。
[0010]在第一方面中，压差可通过定位在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和定位在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器来测量。在该方面中，由在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器进行的测量可具有小于目标偏压的约25%的组合标准误差。目标偏压可基于燃料电池堆的操作条件。备选地或附加地，在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器可经历校准。校准可传送到比例控制阀的控制器。
[0011]备选地或附加地，比例控制阀的控制器能够以具有偏移的偏压为目标。可基于由第一和第二单点压力传感器进行的测量中的已知不确定性以及最小目标偏压来校准偏移。比例控制阀的控制器可包括内部控制环路和外部控制环路。内部控制环路可使用力平衡或反共振比(ISR)补偿方法。内部控制环路可为基于比例控制阀下游的压力的开环，并且可使用目标流率来估计。内部控制环路可通过使用物理或虚拟传感器来补偿燃料供应温度测量。
[0012]在第一方面中，第一压差可通过横跨阳极和阴极的压差传感器来测量。
[0013]在第一方面中，比例控制阀可配置成与喷射器(ejector)结合操作。比例控制阀可包括至少一个控制器，所述至少一个控制器在喷射器的主喷嘴被阻塞或未阻塞时校正非线性动态变化。
[0014]在本文中描述的本公开的第二方面中，一种在燃料电池或燃料电池堆中实现和/或控制比例控制阀的方法包括以下步骤：测量横跨燃料电池或燃料电池堆的阳极入口和阳极出口、阴极入口和阴极出口中的任何两个的压差；基于压差使燃料流过比例控制阀；和由一个或多个控制器控制比例控制阀操作。阳极包括阳极入口和阳极出口。阴极包括阴极入口和阴极出口。测量压差的步骤包括使用在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器。
[0015]在第二方面中，第一和第二单点压力传感器可具有小于目标偏压的约25%的组合标准误差。
[0016]在第二方面中，该方法还可包括：离线校准在阳极入口或阳极出口处的第一单点压力传感器和在阴极入口或阴极出口处的第二单点压力传感器，以确定校准值；和将校准值传送到比例控制阀的一个或多个控制器。
[0017]在第二方面中，该方法还可包括基于燃料电池或燃料电池堆的操作条件使用比例控制阀引入干扰。
[0018]在第二方面中，该方法还可包括：相对于彼此评估第一单点压力传感器和第二单点压力传感器；以及如果需要，则将校正引入比例控制阀。
[0019]在第二方面中，控制比例控制阀还可包括实现内部控制环路。内部控制环路可为
基于比例控制阀下游的压力的开环。该方法还可包括通过估计目标燃料流率来实现内部控制环路。内部控制环路可使用力平衡或反共振比(ISR)补偿方法。备选地或附加地，内部控制环路可通过使用物理或虚拟传感器来补偿燃料供应温度测量。
附图说明
[0020]当参考附图阅读以下详细描述时，本专利技术的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中贯穿附图相同的标记表示相同的部件，在附图中：图1A是包括连接到配套设施的一个或多个燃料电池堆的燃料电池系统的图示。
[0021]图1B是包括一个或多个燃料电池模块的燃料电池系统的图示。
[0022]图1C是燃料电池堆中的燃料电池的部件的图示。
[0023]图2是示出包括燃料电池或燃料电池堆的系统的操作曲线的图表。
[0024]图3是示出在燃料电池堆系统中与文丘里管或喷射器一起使用的机械调节器的示意图。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池堆系统，包括：燃料电池堆，其包括：阳极，其具有阳极入口和阳极出口，和阴极，其具有阴极入口和阴极出口，和比例控制阀，其基于横跨所述阳极入口、所述阳极出口、所述阴极入口和所述阴极出口中的任何两个测量的压差来控制进入所述阳极的燃料的流量。2.根据权利要求1所述的燃料电池堆系统，其中，所述压差由定位在所述阳极入口或所述阳极出口处的第一单点压力传感器和定位在所述阴极入口或所述阴极出口处的第二单点压力传感器测量。3.根据权利要求1所述的燃料电池堆系统，其中，所述第一压差由横跨所述阳极和所述阴极的压差传感器测量。4.根据权利要求1所述的燃料电池堆系统，其中，所述比例控制阀配置成与喷射器结合操作，并且其中，所述比例控制阀包括至少一个控制器，当所述喷射器的主喷嘴被阻塞或未阻塞时，所述至少一个控制器校正非线性动态变化。5.根据权利要求2所述的燃料电池堆系统，其中，由在所述阳极入口或阳极出口处的所述第一单点压力传感器和在所述阴极入口或阴极出口处的所述第二单点压力传感器进行的测量具有小于目标偏压的约25%的组合标准误差，其中，所述目标偏压基于所述燃料电池堆的操作条件。6.根据权利要求2所述的燃料电池堆系统，其中，在所述阳极入口或阳极出口处的所述第一单点压力传感器和在所述阴极入口或阴极出口处的所述第二单点压力传感器经历校准，并且其中，所述校准被传送到所述比例控制阀的控制器。7.根据权利要求2所述的燃料电池堆系统，其中，所述比例控制阀的控制器以具有偏移的偏压为目标，并且其中，所述偏移基于由所述第一单点压力传感器和第二单点压力传感器进行的测量中的已知不确定性以及最小目标偏压来校准。8.根据权利要求7所述的燃料电池堆系统，其中，所述比例控制阀的所述控制器包括内部控制环路和外部控制环路，并且其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：洁能氏公司，
类型：发明
国别省市：