[发明专利]用于具有脉冲干扰的电子压力调节器系统的先进控制算法

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于调节来自高压气体罐系统的气流的系统和方法，更具体地，涉及用于调节来自高压气体罐系统的气流的系统和方法，其中该方法提供了电子压力调节器和注射器之间的同步控制，该注射器把气体注入燃料电池堆的阳极侧。

背景技术

氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且可用于高效地在燃料电池中产生电。汽车工业在作为车辆的动力源的氢燃料电池系统的发展中投入了显著的资源。这样的车辆比今天的采用内燃机的车辆会是更有效的并产生较少排放。燃料电池车辆预计在不久的将来在汽车市场中的普及程度将会快速增加。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种普遍用于汽车的燃料电池。PEMFC总体上包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地但不总是包括精细分开的催化剂粒子（通常是高活性催化剂，例如铂（Pt）），该催化剂粒子被支撑在碳粒子上并与离聚物相混合。该催化剂混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物与膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA的制造比较昂贵并且需要一定的条件进行有效运行。

多个燃料电池典型地在燃料电池堆中组合来产生所需电力。例如，用于车辆的一种典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地为由压缩机推动通过电池堆的空气流。不是所有氧气都被电池堆消耗掉，一些空气作为阴极排气输出，该排气可能含有作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢输入气体。在一个已知类型的燃料电池系统中，氢气燃料被一个或多个注射器注入燃料电池堆的阳极侧。注射器基于脉宽调制(PWM)控制信号控制用于特定电池堆电流密度的注射燃料量，该控制信号控制注射器的打开和关闭。

燃料电池堆包括位于电池堆的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场设在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流场设在双极极的阴极侧上，其允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板把燃料电池产生的电传导出电池堆。双极板还包括流动通道，冷却流体流过这些通道。

通常，用于燃料电池系统的氢气在罐系统中以高压储存，该罐系统包括在车辆上的一个或多个互连的压力容器，以提供燃料电池堆所需的氢气。容器内的压力可以为700 bar或更大。在一个已知设计中，压力容器包括内部塑料内衬，其提供用于氢气的气密密封，和外部炭纤维复合层，其提供容器的结构的整体性。

储氢系统典型地包括至少一个压力调节器，其作为用于储氢系统运行所需的各种大量阀、仪表和配件的部件，该系统将氢气的压力从容器中的高压减小到适用于燃料电池堆的常压。各种压力调节器在本领域中已知地提供此功能，包括机械压力调节器和电子压力调节器。

大多数燃料电池系统采用一个或多个注射器以用于注射减压氢气进入燃料电池堆的阳极侧。注射器典型地被脉宽调制(PWM)信号控制，该信号具有一定的占空比和频率，其提供用于命令电池堆电流密度的氢气的预期质量流量。不过，响应于PWM信号的注射器的打开和关闭引起在注射器和压力调节器之间的阳极气体容积中的振荡或干扰，这降低了压力调节器的性能。

发明内容

根据本发明的教导，公开了用于在压力调节器和注射器之间的空间内调节压力的系统和方法，所述注射器把氢气注入燃料电池堆的阳极侧。所述方法包括延迟脉冲信号的复制，所述脉冲信号控制注射器的预定时间周期的打开和关闭并且从查找表提供偏移信号，其由到燃料电池堆的氢气流的预期平均质量流量和在来自压力调节器的氢气流上游位置处的压力确定。当延迟脉冲注射器信号是高的时候，所述方法选择偏移信号作为控制压力调节器的压力调节器控制信号，当延迟脉冲注射器是低的时候，所述方法选择为0或接近0的任意值作为压力调节器控制信号。压力调节器控制信号可以被速率限制以减少顶峰振荡。比例积分控制器基于空间中的预期压力和空间内的实际压力之间的差产生压力误差信号，并且将压力误差信号加到压力调节器控制信号以进行压力修正。

通过下面的描述和所附权利要求，结合附图将明显看出本发明的更多特征。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种用于控制压力调节器的方法，所述压力调节器调节气流，所述方法包括：

提供气体源；

使用至少一个注射器将气体流从所述源注射进入装置；以及