[发明专利]用于燃料电池应用的喷射器流量测量

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于确定流入到燃料电池堆中的氢燃料的计量流量的方法，更具体而言，涉及用于确定通过脉冲式喷射器到达燃料电池堆的氢燃料的计量流量的方法，该方法使用了在脉冲喷射之前以及脉冲喷射之后的阳极子系统压力。

现有技术

氢是非常具有吸引力的燃料，因为它清洁且能够在燃料电池中被有效地用于产生电。氢燃料电池是这样的电化学装置，该电化学装置包括阳极和阴极，阳极和阴极之间具有电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或者空气。氢气在阳极催化剂处分离以产生自由的质子和电子。质子通过电解质至阴极。该质子在阴极催化剂处与氧和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因而这些电子被引导通过载荷从而在被送至阴极之前执行做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行的燃料电池。PEMFC通常包括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细碎的催化颗粒(通常是铂(Pt))，该催化颗粒支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化混合物沉积在该膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和该膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA制造起来相对较贵且需要特定的条件以有效操作。

通常在燃料电池堆中组合几个燃料电池以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或者更多叠置的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，该阴极输入气体通常为通过压缩机强迫通过所述堆的空气流。所述堆并未消耗所有的氧气，一些空气作为阴极废气输出，该阴极废气可以包括作为堆的副产物的水。燃料电池堆也接收阳极氢输入气体，该阳极氢输入气体流入该堆的阳极侧。

燃料电池堆包括一系列双极板，该双极板定位在该堆内的几个MEA之间，其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于堆内相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，该阳极气体流动通道允许阳极反应气体流动到各自的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，该阴极气体流动通道允许阴极反应气体流动到各自的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另外一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由例如不锈钢或者导电复合材料之类的导电材料制造。端板将燃料电池产生的电导出到该堆之外。双极板也包括冷却流体流经其中的流动通道。

在一些燃料电池系统设计中，利用一个或者更多个喷射器将来自高压气箱的氢燃料喷射到燃料电池堆的阳极侧内。该喷射器具有特定的孔口尺寸，且将根据需要用于所需的堆功率的氢气量而以特定的占空比操作。为了精确地控制和计量被传输到该堆中的氢燃料的量，燃料流量可以从燃料供给压力和温度以及喷射器孔口尺寸和占空比来计算。

为了减小燃料电池系统的成本和重量，特别是对汽车应用，希望消除尽可能多的部件。消除需要用于确定流动至燃料电池堆的阳极侧的燃料流量的压力和温度传感器是可以实现该目标的一种方式。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于确定从高压气箱通过脉冲喷射器流动至燃料电池堆的阳极侧的燃料流量的方法。恰在喷射器脉冲之前和紧随喷射器脉冲之后测量阳极子系统压力并确定压力之间的差。压力之间的差、阳极子系统的容积、理想气体常数、阳极子系统温度、在喷射事件期间由燃料电池堆内的反应所消耗的燃料、以及通过燃料电池堆的燃料电池内的膜的燃料穿过量(cross-over)被用于确定喷射器所喷射的氢气量。

本发明还包括以下方案：

方案1、一种用于确定通过脉冲装置的燃料流量的方法，所述脉冲装置将来自氢源的氢燃料提供至燃料电池堆的阳极侧，所述方法包括：

确定当所述装置打开时的装置事件；

确定恰在所述装置事件之前的所述燃料电池堆的阳极侧的压力；

确定紧随所述装置事件之后的所述燃料电池堆的阳极侧的压力；以及

使用紧随所述装置事件之后和恰在所述装置事件之前的压力之间的差来确定所述燃料流量。

方案2、根据方案1所述的方法，其中，确定所述阳极侧压力包括使用压力传感器。

方案3、根据方案1所述的方法，其中，所述脉冲装置为喷射器，所述装置事件为当所述喷射器打开时的喷射器事件。

方案4、根据方案3所述的方法，其中，确定所述喷射器事件包括确定所述喷射器的频率和占空比。

方案5、根据方案1所述的方法，其中，确定所述燃料流量还包括使用阳极子系统的容积和所述阳极子系统的温度。

方案6、根据方案5所述的方法，其中，确定所述燃料流量还包括使用理想气体常数、所述装置事件期间由所述堆消耗的燃料、以及在所述装置事件期间通过所述燃料电池堆的燃料电池内的膜的燃料穿过量。