本篇日本丰田汽车专利提出了一种新型的燃料电池系统阳极排气阀控制策略。该系统通过检测或估计排气阀上游分水器内部的压力变化，获得压力变化的积分值。通过根据积分值确定排气阀的开启时长，确保所需的排放气体量在不同工况下符合阳极氢气或氮气浓度的要求。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛应用于车辆领域的燃料电池技术。PEMFC主要由固态聚合物电解质——质子交换膜构成，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包含精细均匀分布的催化剂颗粒，常见的是铂(Pt)，这些颗粒支撑在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化剂混合物被沉积在膜的两侧。阳极催化层、阴极催化层和膜的组合形成了膜电极组件(MEA)。
质子交换膜(PEM)在燃料电池中起着将阴极和阳极两侧的反应气体分隔的基本作用。然而，质子交换膜并不能完全阻止气体的传输。在燃料电池运行过程中，阴极侧空气中的氮气和其他气体杂质会逐渐渗透到阳极侧。即使阳极侧的压力可能略高于阴极侧的压力，阴极侧杂质气体的分压也会导致空气中的气体通过膜扩散渗透。
随着工作时间的增加，氮气等杂质气体在阳极循环系统内逐渐积聚，稀释了氢燃料气体。如果氮气浓度增加到一定百分比以上，例如50%，则会严重影响燃料电池堆的运行。因此，通常在燃料电池堆的阳极循环回路中设置排氮阀(purging valve)，用于从阳极侧排出氮气和其他杂质气体。
01
存在问题
燃料电池系统在设计时，为了提高氢气的利用效率和电堆的反应性能，会把阳极“堆出”的多余“废氢”通过循环泵或引射器进行循环。循环“废氢”和进气端的新氢混合并再次进入电堆进行反应。基于引射器技术的燃料电池系统氢气路进氢循环模块如图1所示。
图1.基于引射器技术的燃料电池系统
氢气路进氢循环模块
在电堆阳极出口，我们一般需要安装分水器，同时集成一个或两个阀来定周期打开、关闭，实现电堆阳极侧的排水和/或排氮。图1是具有集成排氮/排水阀的燃料电池系统的结构图。该燃料电池系统不包括排氮阀，通过安装在分水器储水罐中的排放阀(discharge valve)来执行排水和排氮功能。
在燃料电池系统运行时，通过打开位于储水罐底部的排放阀，可以将储水罐中积聚的水排出到燃料电池系统的外部。常规技术中，可以使用液位传感器测量储水罐中积聚水的液位，并根据液位测量值来控制阀门的开启和关闭。
在该系统设计中，我们可以通过使用液位传感器来测量排出的水量，但当排放阀充当排氮阀时，同样需要精确控制排放的燃料气体量。如果燃料气体的排放量不足以达到所需量，燃料气体中的氢浓度可能无法完全恢复，反之，如果排放量超过所需量，将浪费相应的燃料气体，从而导致燃料消耗的恶化。
因此，在该燃料电池系统中，为了可靠地排放所需的燃料气体而不过多或不足，我们需要通过估算打开排放阀时排放的燃料气体量，并根据估算结果来控制排放阀的操作。
02
专利方案
本专利提出了一种新型的燃料电池系统阳极排放阀控制策略。在分水器储水罐内水排空后，该系统通过检测或估计排放阀上游分水器内部的压力变化，获得压力变化的积分值。通过根据积分值确定排放阀的开启时长，确保所需的燃料排放气体量在不同工况下符合阳极氢气或氮气浓度的要求。
该燃料电池系统包括一个作为控制装置的ECU，用于控制排放阀。安装在分水器中的压力传感器用于检测分水器内的压力，并连接到ECU的输入端。ECU根据来自压力传感器的检测信号，通过下述方法估算燃料气体的排放量。
图2是一个时序图，显示了排放阀的操作与分水器中压力变化之间的关系。如图2所示，分水器中的压力在排放阀打开后不会立即改变，而是在一段时间后开始改变。从排放阀的开启时间(t11)到分水器压力变化的开始时间(t12)的时间延迟表明储存在分水器中的水被排出。
实际上，在排水过程中，分水器内部的压力也会发生变化，但与阳极循环系统中的气体总量相比，储存的水量很小，因此与伴随的压力变化相比，由于水的排放导致的压力变化可以忽略不计。当水完全排空并且分水器与大气连通后，分水器内的压力发生显著变化。
图2.排放阀开启分水器内压力变化时序图
当排水完成并且分水器内部与大气连通时，随着燃料气体通过排气通道排出，分水器内的压力逐渐下降。此时燃料气体从循环系统排放到外部的排气量可以根据气分水器压力的降低值在时间上的积分值来表示。最终排气量由积分值(图2中阴影部分面积)表示，积分时间从排放阀的开启时间(t11)到关闭时间(t13)。
图3显示了一个实验的结果，用于确定从开启阀门时的分水器压力降低值的积分值(压力降低积分值)与燃料气体的排气量(气体排放量)之间的相关性。从该图中可以看出，压力降低积分值与气体排气量呈正比关系，可以通过获取压力降低积分值来准确估计气体排气量。此外，可以看出，压力降低积分值与气体排气量之间的比例关系不受分水器中存储水量的影响。在当前的燃料电池系统中，可以获得从阀门打开时的分水器压力的降低值，并通过对一段时间内的积分值估计燃料气体的排气量。
图3.分水器内压降积分值与排气量的关系
根据本实施例的排气量估算方法，可以准确估计排放阀开启后的排气量，而不受分水器中存储水量的影响。此外，可以在不需要昂贵的流量传感器等传感器的情况下实现对排气量的准确估算。ECU根据上述排气量估算方法来控制排放阀的操作。
