診斷燃料電池溼化問題的方法

2023-06-02 01:46:46

診斷燃料電池溼化問題的方法
【專利摘要】本發明涉及用於確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作的系統和方法，RH傳感器測量提供給燃料電池堆的陰極入口空氣的相對溼度，HFR電路測量燃料電池堆水含量。所述方法提供通過WVT單元的陰極入口空氣，從而陰極入口空氣增加的水含量。所述方法使用水緩衝模型，用於基於來自於多個系統部件的輸入而確定燃料電池堆的水含量，且使用HFR溼化信號或RH信號來修正水傳輸模型，以校正WVT單元降級。所述方法確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作，例如通過確定HFR溼化信號是否以比燃料電池堆水含量能夠增加的速率更快的速率增加。
【專利說明】診斷燃料電池溼化問題的方法
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及用於確定相對溼度(RH)傳感器或高頻電阻(HFR)測量電路是否正常工作的系統和方法，RH傳感器測量提供給燃料電池堆的陰極入口空氣的相對溼度，HFR測量電路測量燃料電池堆水含量，且更具體地涉及通過確定來自於RH傳感器或HFR電路的輸出信號是否有效來確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作的系統和方法。
【背景技術】
[0002]氫是非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的且能夠用於在燃料電池中有效地產生電力。氫燃料電池是電化學裝置，包括陽極和陰極，電解質在陽極和陰極之間。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處分解以產生自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子與氧和電子在陰極催化劑處反應產生水。來自於陽極的電子不能穿過電解質，且因而被引導通過負載，以在輸送至陰極之前做功。
[0003]質子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的普遍燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常但不總是包括細分的催化劑顆粒，通常是諸如鉬(Pt)的高活性催化劑，所述催化劑顆粒通常支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA的製造相對昂貴且需要某些條件以有效操作。
[0004]多個燃料電池通常組合成燃料電池堆以產生期望功率。例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機強制通過燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為陰極排氣輸出，所述陰極排氣可以包括作為燃料電池堆的副產物的水。燃料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽極側的陽極氫輸入氣體。
[0005]燃料電池堆包括位於燃料電池堆中多個MEA之間的一系列雙極板，其中，雙極板和MEA位於兩個端板之間。雙極板包括用於燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極偵U。陽極氣體流場設置在雙極板的陽極側上，且允許陽極反應物氣體流向相應MEA。陰極氣體流場設置在雙極板的陰極側上，且允許陰極反應物氣體流向相應MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導電材料製成，如不鏽鋼或導電複合物。端板將燃料電池產生的電傳導到燃料電池堆之外。雙極板也包括冷卻流體流經的流動通道。
[0006]燃料電池內的膜需要具有足夠的水含量，從而經過膜的離子阻力足夠低以有效地傳導質子。膜溼化可以來自於燃料電池堆水副產物或外部溼化。通過燃料電池堆流動通道的反應物流對電池膜具有乾燥效應，最明顯在反應物流的入口處。然而，在流動通道內的水滴積聚將防止反應物從中流過，且由於低的反應物氣體流可能導致電池故障，從而影響燃料電池堆穩定性。在反應物氣體流動通道內以及在氣體擴散層(GDL)內的水積聚在低燃料電池堆輸出負載時特別易出故障。
[0007]如上所述，水作為燃料電池堆操作的副產物產生。因而，來自於燃料電池堆的陰極排氣通常包括大量的水蒸汽和液體水。本領域已知使用水蒸汽傳輸(WVT)單元來捕獲陰極排氣中的一些水含量，且使用所述水含量來溼化陰極輸入空氣流。在WVT單元內的水傳輸元件的一側處的陰極排氣中的水由水傳輸元件吸收且傳輸給水傳輸元件的另一側處的陰極空氣流。典型的WVT單元包括由特定材料製成的膜，其中，膜的一側上的溼流通過膜傳輸以溼化膜的另一側上的幹流。
[0008]如上所述，通常需要控制燃料電池堆水含量，使得燃料電池堆中的膜具有合適的質子傳導率，但是此時如果水在系統關閉期間凍結，流動通道未被冰阻塞。本領域已知在燃料電池系統的陰極空氣入口中提供RH傳感器，以在陰極入口氣體流進入燃料電池堆時測量陰極入口氣體流的溼化作用。使用測量的入口相對溼度和水物質平衡或者水質量平衡，可以估計燃料電池系統的RH曲線，包括陰極空氣出口流。RH傳感器提供RH的準確讀數的能力由傳感器的成本和複雜性確定。通常期望限制傳感器的成本，這降低其準確性。
[0009]確定燃料電池堆水含量的另一技術在本領域中已知為高頻電阻(HFR)溼化作用測量，其中，在該上下文中，高頻通常為300 Hz-10 kHz。HFR溼化作用測量通過在燃料電池堆的電負載上提供高頻分量或信號而產生，使得在燃料電池堆的電流輸出上產生高頻脈動。高頻分量的電阻然後由檢測器測量，其是燃料電池堆中的膜的溼化水平的函數。高頻電阻是燃料電池的熟知屬性，且與燃料電池膜的歐姆電阻或膜質子阻力緊密相關。歐姆電阻本身是燃料電池膜溼化程度的函數。因而，通過測量激勵電流頻率特定頻帶內燃料電池堆的燃料電池膜的HFR，可以確定燃料電池膜溼化程度。該HFR測量允許獨立測量燃料電池膜溼化作用，可消除對RH傳感器的需要。
[0010]燃料電池系統中有時採用模型來確定燃料電池堆中的水含量。例如，已知採用水緩衝模型，其估計在任何給定時間燃料電池堆中的水量。而且，水傳輸模型是已知的，其使用水緩衝模型來估計WVT單元中的水傳輸。水傳輸模型可以估計陰極空氣入口相對溼度，且通過考慮燃料電池堆中的水緩衝，使用該值和燃料電池堆的各個操作參數(例如，溫度、陰極化學計量比、壓力、燃料電池堆電流密度等)估計陰極出口氣體的相對溼度。燃料電池堆內的MEA和擴散介質具有一些水承載容量，從而上述條件的變化不會立即轉換為輸出溼度的穩態值。使用陰極出口氣體的相對溼度的估計值和WVT單元的水傳輸能力，模型然後修正陰極入口空氣的相對溼度的估計值。
[0011]如果燃料電池堆操作條件需要陰極出口氣體的不同相對溼度，那麼系統控制可以改變流動通過燃料電池堆的冷卻流體的溫度，以改變燃料電池堆的溫度，這改變陰極空氣可以吸收多少水。具體地，如果燃料電池堆溫度增加，流動通過燃料電池堆的陰極空氣水飽和的能力增加，其中，陰極空氣的絕對溼度可保持相同，但是陰極空氣的相對溼度下降。
[0012]WVT單元隨著時間的經過降級，其中，其將水從陰極出口氣體傳輸給陰極入口空氣的效率下降。該現象可能是各種原因的結果，例如膜汙染、膜降級等。對於採用位於WVT單元和燃料電池堆之間的RH傳感器和/或HFR測量電路的那些系統，傳感器或電路的輸出可以用於校正水傳輸模型，使得陰極入口空氣的相對溼度的估計值在WVT單元降級時被調節。然而，RH傳感器或HFR電路本身有時失效和/或漂移，其中，傳感器或電路可能不能給出陰極入口空氣的水含量的準確讀數。在該情況下，模型可能基於不準確的相對溼度測量值調節，從而引起燃料電池堆操作性能問題。例如，如果RH傳感器或HFR電路給出低於實際值的陰極入口空氣的相對溼度測量值，水傳輸模型可將燃料電池堆的溫度調節更低，從而補償察覺的燃料電池堆乾燥。這將使得實際陰極入口和出口相對溼度上升至比期望值更高的水平，這將由於流動通道溢流而引起燃料電池堆不穩定性。
[0013]此外，系統中的其它傳感器或裝置可能發生故障，例如，冷卻劑溫度傳感器、陰極空氣流量計、壓力傳感器等。因而，RH傳感器或HFR電路輸出可在傳感器測量值準確時指示WVT單元降級，但是系統控制可能不能正確地編譯該變化。
[0014]題為「Utilization of HFR-Based Cathode Inlet RH Model in Comparison toSensor Feedback to Determine Failed Water Vapor Transfer Unit and Utilize fora Diagnostic Code and Message」、2011年8月3日提交、轉讓給本申請的受讓者且通過參考引入本文的美國專利申請序列號13/197535公開了使用HFR和RH傳感器測量值來檢測WVT單元中的滲透洩漏的系統和方法。

【發明內容】

[0015]根據本發明的教導，公開了用於確定相對溼度(RH)傳感器或高頻電阻(HFR)測量電路是否正常工作的系統和方法，RH傳感器測量提供給燃料電池堆的陰極入口空氣的相對溼度，HFR測量電路測量燃料電池堆水含量。所述方法包括:在進入燃料電池堆且增加陰極入口空氣的水含量之前，提供通過水蒸汽傳輸(WVT)單元的陰極入口空氣。所述方法還將陰極出口氣體提供給WVT單元以提供溼化，用於增加陰極入口空氣的水含量。所述方法使用水緩衝模型，用於基於來自於多個系統部件的輸入而確定燃料電池堆的水含量，且使用HFR溼化信號或RH傳感器信號來修正水傳輸模型，以校正WVT單元降級。所述方法確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作，例如通過確定HFR溼化信號是否以比燃料電池堆水含量能夠改變的速率更快的速率增加。
[0016]方案1.一種用於識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括: 將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側；
將陰極出口氣體提供給陰極空氣流，以提供溼化，用於增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR溼化信號；
從測量陰極空氣流中的相對溼度(RH)的RH傳感器提供RH信號；
基於來自於多個系統部件的輸入使用水緩衝模型來確定燃料電池堆的水含量；
使用水傳輸模型，以使用來自於水緩衝模型的水含量估計值來確定傳輸給陰極空氣流的水量；
使用HFR溼化信號或RH信號修正水傳輸模型；以及 確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作。
[0017]方案2.根據方案I所述的方法，其中，確定HFR電路是否正常工作包括:如果HFR信號中的變化顯示燃料電池堆的水含量下降比燃料電池堆水含量可能多快地變化更大，那麼確定HFR電路未正常工作。
[0018]方案3.根據方案2所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果HFR電路未正常工作，那麼阻止使用HFR信號修正水傳輸模型。
[0019]方案4.根據方案I所述的方法，其中，將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側包括:在進入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前，使得陰極空氣流流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元，且其中，使用HFR溼化信號或RH信號修正水傳輸模型包括校正WVT單元降級。
[0020]方案5.根據方案4所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示WVT單元性能改進超過預定極限值，那麼確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
[0021]方案6.根據方案5所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那麼使用預定值修正水含量模型。
[0022]方案7.根據方案5所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那麼使用基於WVT單元已經工作的小時數的值來修正水傳輸模型。
[0023]方案8.根據方案4所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示WVT單元的性能在一定時間點低於預定性能，那麼確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
[0024]方案9.根據方案8所述的方法,其中，修正水傳輸模型包括:儘管水傳輸模型指不WVT單元的性能低於預定性能，仍然使用RH傳感器讀數或HFR電路測量值修正水傳輸模型。
[0025]方案10.根據方案I所述的方法，還包括:如果確定HFR電路或RH傳感器正常工作但是水緩衝模型指示燃料電池堆水含量在不應當變化時變化，確定系統部件中的一個未
正常工作。
[0026]方案11.根據方案10所述的方法，其中，使用水傳輸模型包括阻止使用水傳輸模型來確定燃料電池堆水含量且使用HFR信號來確定燃料電池堆水含量。
[0027]方案12.—種用於識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括:
將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側，所述陰極空氣流在進入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元；
將陰極出口氣體提供給WVT單元，以提供溼化，用於增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR溼化信號；
基於來自於多個系統部件的輸入使用水緩衝模型來確定燃料電池堆的水含量；
使用水傳輸模型，以使用來自於水緩衝模型的水含量估計值來確定通過WVT單元傳輸的水量；
使用HFR溼化信號修正水傳輸模型以校正WVT單元降級；以及如果HFR信號中的變化比燃料電池堆水含量可能多快地變化更大，那麼確定HFR電路未正常工作。
[0028]方案13.根據方案12所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果HFR電路未正常工作，那麼阻止使用HFR信號修正水傳輸模型。
[0029]方案14.根據方案12所述的方法，還包括:如果確定HFR電路正常工作但是水緩衝模型指示燃料電池堆水含量在不應當變化時變化，確定系統部件中的一個未正常工作。
[0030]方案15.根據方案14所述的方法,其中，使用水傳輸模型包括阻止使用水傳輸模型來確定燃料電池堆水含量且使用HFR信號來確定燃料電池堆水含量。
[0031]方案16.—種用於識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括:
將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側，所述陰極空氣流在進入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元；
將陰極出口氣體提供給WVT單元，以提供溼化，用於增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR溼化信號；
從測量陰極空氣流中的相對溼度(RH)的RH傳感器提供RH信號，RH傳感器設置在WVT單元和燃料電池堆之間；
基於來自於多個系統部件的輸入使用水緩衝模型來確定燃料電池堆的水含量；
使用水傳輸模型，以使用來自於水緩衝模型的水含量估計值來確定通過WVT單元傳輸的水量；
使用HFR溼化信號或RF信號修正水傳輸模型以校正WVT單元降級；以及確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作，包括:如果水傳輸模型指示WVT單元性能改進超過預定極限值，那麼確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
[0032]方案17.根據方案16所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那麼使用預定值修正水傳輸模型。
[0033]方案18.根據方案16所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那麼使用基於WVT單元已經工作的小時數的值來修正水傳輸模型。
[0034]方案19.根據方案15所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示WVT單元的性能在一定時間點低於預定性能，那麼確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
[0035]方案20.根據方案19所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:儘管水含量模型指示WVT單元的性能低於預定性能，仍然使用RH傳感器讀數或HFR電路測量值修正水傳輸模型。
[0036]本發明的附加特徵將從以下說明和所附權利要求書結合附圖顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是燃料電池系統的簡化示意性框圖；
圖2是曲線圖，水平軸為時間，豎直軸為HFR測量值，示出了基於HFR測量值的突然跳躍指示HFR電路故障的示例；
圖3是曲線圖，水平軸為時間，豎直軸為測量WVT單元水傳輸速率，圖示了緩慢RH傳感器漂移；
圖4是曲線圖，水平軸為時間，豎直軸為HFR測量值，示出了溼化合理性診斷的示例；和 圖5是流程圖，示出了用於確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作的過程。
【具體實施方式】
[0038]涉及用於識別燃料電池系統中的HFR電路或RH傳感器故障的系統和方法的本發明實施例的以下闡述本質上僅僅是示例性的且絕不旨在限制本發明或其應用或使用。
[0039]圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統10的示意性框圖。壓縮機14通過測量陰極空氣流量的空氣流量計36和溼化陰極輸入空氣的水蒸汽傳輸(WVT)單元34在陰極輸入線路16上提供空氣流至燃料電池堆12的陰極側。陰極排氣在陰極排氣線路18上從燃料電池堆12輸出，該陰極排氣線路將陰極排氣導向至WVT單元34以提供溼度以溼化陰極輸入空氣。RH傳感器38設置在陰極輸入線路16中以在其已經由WVT單元34溼化後提供陰極輸入空氣流的RH測量。溫度傳感器42設置為可以在系統10中採用的一個或多個溫度傳感器的總體表示，其可操作獲得系統10中的燃料電池堆12和/或各個流體流動區域的溫度。
[0040]燃料電池系統10還包括氫燃料的源20，典型地為高壓罐，其提供氫氣至噴射器22，該噴射器22在陽極輸入線路24上噴射受控量的氫氣至燃料電池堆12的陽極側。儘管未具體地示出，本領域技術人員將會理解將要提供各種壓力調節器，控制閥，截止閥等，從而以適於噴射器22的壓力從源20供給高壓氫氣。噴射器22可以是適於在此討論的目的的任意噴射器。一個例子是題為 「Combination of Injector/Ejector for Fuel CellSystems」、在2008年I月22日授權、轉讓給本申請的受讓者並且在此作為參考引入的美國專利號7，320，840中描述的噴射器/排出器。
[0041]陽極流出的輸出氣體在陽極輸出線路26上從燃料電池堆12的陽極側輸出，其提供至排出閥28。如本領域技術人員將會更好地理解，來自燃料電池堆12的陰極側的氮氣滲透稀釋了燃料電池堆12的陽極側中的氫氣，由此影響了燃料電池堆的性能。因此，需要周期性地將來自陽極子系統的陽極流出氣體排出以減少陽極子系統中氮氣的量。當系統10在正常的非排出模式中工作時，排出閥28在陽極流出氣體提供至再循環線路30的位置處，再循環線路將陽極氣體再循環至噴射器22以作為排出器操作並且將再循環的氫氣提供返回至燃料電池堆12的陽極輸入。當命令了排出以減少燃料電池堆12的陽極側中的氮氣時，排出閥28被布置為將陽極流出氣體導向至在線路18上將陽極流出氣體與陰極排氣合併的旁通線路32，其中氫氣被稀釋以適合於環境。儘管系統10是陽極再循環系統，本領域技術人員將很好理解，本發明將應用到其它類型的燃料電池系統中，包括陽極流量轉換系統。
[0042]燃料電池系統10還包括以本領域技術人員將很好理解的方式確定燃料電池堆12中的膜的燃料電池堆膜溼度的HFR電路40。HFR電路40確定燃料電池堆12的高頻電阻，該高頻電阻然後用來確定燃料電池堆12內的電池膜的溼化作用。HFR電路40通過確定燃料電池堆12的歐姆電阻或膜質子阻力而工作。膜質子阻力是燃料電池堆12的膜溼化作用的函數。
[0043]燃料電池系統10還包括冷卻流體流泵48，其將冷卻流體泵送通過燃料電池堆12內的流動通道和燃料電池堆12外的冷卻流體迴路50。散熱器46以本領域技術人員將很好理解的方式降低流動通過迴路50的冷卻流體的溫度。燃料電池系統10還包括控制系統10操作的控制器44。控制器44操作上文提及類型的水緩衝模型和水傳輸模型，其分別基於來自於系統10中的部件(包括但不限於質量流量計36和溫度傳感器42)的多個和各個輸入來估計WVT單元34中的燃料電池堆水含量和水傳輸。控制器44還接收來自於HFR電路40的HFR測量信號和來自於RH傳感器38的RH測量信號，且可以在WVT單元34降級時使用這些輸入來更新模型。如所述的，控制器44控制系統10的操作，包括排出閥28、壓縮機14、噴射器22、泵48等。
[0044]本發明提出了一種用於確定來自於HFR電路40的HFR測量信號是否漂移或者電路40是否發生故障和/或來自於RH傳感器38的輸出是否漂移或者傳感器38是否發生故障的系統和方法。更具體地，下文所述的技術將識別三種獨立故障，包括HFR測量值的突然跳躍、緩慢RH傳感器或HFR測量漂移和溼化合理性確定，其確定在應當沒有變化發生時RH傳感器或HFR電路是否提供表示水含量變化的信號。控制器44將操作各個算法和方法以執行下文所述的各個診斷和控制。
[0045]用於確定HFR溼化的突然跳躍的診斷過程監測來自於電路40的HFR測量信號，以基於HFR測量信號中的突然的物理上不可能的跳躍來確定是否提供不合理的值。燃料電池堆12中的MEA可能僅僅基於質量傳輸和第二定律考慮而如此快地乾燥，從而如果發生比膜的理論乾燥速率更快的信號跳躍，那麼可以推斷HFR電路40不正常工作。圖2是曲線圖，水平軸為時間t，單位:秒，豎直軸為來自於電路40的HFR測量值，示出了可能的事件。曲線圖線60示出了在位置62處HFR測量信號在小於I秒內從例如大約50 mQ-cm2至500mQ-cm2的水平的跳躍，這是系統物理上不可能的HFR測量速率增加。最大物理速率可能是陰極空氣流量的函數，因為其極大地影響電池膜的乾燥速率。在檢測該故障時可以採取的一個補救動作是中斷使用HFR測量信號調節或修改水傳輸模型且忽略HFR測量信號。如果HFR信號回到燃料電池堆水緩衝的預測內的線中，診斷過程可通過且正常模型調節將恢復。
[0046]第二診斷過程監測緩慢傳感器或HFR測量漂移，其中，漂移可能能夠基於在水傳輸模型調節上設置的護軌或極限值來識別。WVT單元34隨著時間的經過應該不以改進的性能操作。因而，如果HFR電路40或RH傳感器38開始以表示WVT單元34傳輸比理論或實際上可能的更多的水的方式漂移，那麼可以給出傳感器故障診斷。如果傳感器38或HFR電路40要以其它方式漂移使得WVT單元34的性能變得更差，那麼可能不能斷定是傳感器38或HFR電路40發生故障還是WVT單元34發生故障。在任一情況下，診斷過程可以設定允許服務技術人員確定哪個元件不正確工作的標誌。
[0047]如果由於過高或過低的RH傳感器讀數或HFR電路測量而觸發緩慢漂移診斷，那麼可以中斷水傳輸模型校正。基於碰及哪一極限值，模型中的水傳輸特性可能變化。如果碰及估計WVT單元34基於察覺的錯誤傳感器傳輸過多水的點，那麼WVT單元特性可在水傳輸模型中變化，使得其工作在可接受溼化器性能範圍內一定地方的固定值或者與WVT單元34已經工作的小時數相對應的值。如果碰及傳感器38或HFR電路40指示WVT單元34欠佳工作的點，水傳輸模型可以以低工作極限值調節，直到服務能夠確定真實故障。
[0048]圖3是曲線圖，水平軸是時間t，單位:小時，豎直軸是測量WVT單元性能，以示出該診斷。曲線圖線70表示WVT單元性能隨著時間的經過增加，其中，一旦在線72上達到最大可能溼化器性能，可實施診斷。
[0049]對於溼化合理性確定診斷，HFR測量值比應當的更高或更低，但是既不是突然跳躍也不是逐漸漂移。在該情況下，假定HFR測量值或RH傳感器值提供準確讀數，但是燃料電池堆水含量基於不應當的測量值變化。在該診斷下，假定存在與其它系統部件(例如，空氣流量計36)有關的問題，這引起測量水含量的變化。在該診斷下，不使用水傳輸模型，而使用實際HFR測量值或RH傳感器讀數來確定燃料電池堆水含量。診斷可用於這些其它部件故障，但是還沒有識別是哪個原因。在該情況下，由故障部件提供給水傳輸模型的輸入可以使得模型提供不準確RH估計。
[0050]為了確定HFR電路40是否提供合理測量值，可以觀察HFR測量值和基於燃料電池堆水緩衝模型的預測HFR測量值之間的差。如果差對於一定時間段過高，控制器44可以設定將表示傳感器讀數和模型預測之間不匹配的故障。由於不知道是系統10中的哪個部件發生故障，將不可能用更合理值來替換任何值。仍需要採取動作以防止燃料電池堆乾燥或溢流。在做任何其它事情之前，需要禁用水傳輸模型調節，而與模型針對HFR測量值還是RH傳感器測量值調節無關。除此之外，策略將藉助基於HFR的溼化控制。通過已知技術將HFR測量值與其它操作參數(例如，冷卻劑溫度、陰極空氣流量、陰極壓力等)相結合允許控制過程來估計燃料電池堆12的溼化作用。可以制定溼化設定點，使得燃料電池堆12不會過溼或者過幹地運行。當電池膜完全飽和水時，繼續增加陰極流的過飽和程度將不會由HFR電路40測量。HFR測量信號確定溼化作用的有效性在較乾燥條件下(例如，低於100% RH)好很多。由於不知道哪個部件發生故障，該策略將不確保系統10如最佳性能時那樣精確地運行。
[0051]通常，由於較低溫度通常意味著較低性能，因而存在冷卻劑溫度設定點的下限，例如40-50°C。膜的傳導率隨著溫度降低而降低。在低溫下，電極運動性能變得更緩慢。由於在診斷受挫的情況下傳感器錯誤可能是嚴重的，因而可能需要具有減少最小溫度設定點以確保溼化控制至合理水平的能力。溼化需要與保持一定水平的性能的需要進行平衡。由於系統中存在故障，系統的正常功率容量可能不可用。
[0052]圖4是曲線圖，水平軸為時間t，單位:秒，豎直軸為HFR測量值，圖示了該診斷。在該圖示中，特定穩態系統操作的估計HFR測量值由曲線圖線80示出，在該時間期間的實際HFR測量信號由曲線圖線82示出，其中，曲線圖線84表示可能的最大HFR增加速率。在該診斷中，假定HFR測量值正確且由於基於模型的估計值穩定，還假定系統中的一些部件發生故障或以其他方式不工作。
[0053]圖5是流程圖90，示出了基於上文的討論來確定RH傳感器38和/或HFR電路40是否正常工作的過程。框92處的時間t和框94處的時間t - δ t的HFR電路測量值提供給比較菱形塊96，以確定HFR測量值是否增加超過最大計算可能速率。如果是，算法在框98設定故障，表示HFR電路測量值無效且不應當使用。如果在比較菱形塊96處兩個HFR電路測量值讀數之間的差是物理上可能的值，那麼算法在框100確定HFR測量值有效。算法然後在框102將調節WVT單元性能度量與最大預期度量進行比較且在判定菱形塊104處確定該比較是否高於預定最大性能度量。如果在判定菱形塊104處算法確定WVT單元34的性能好於合理可能的，在框106處算法確定用於調節水傳輸模型的RH傳感器38或HFR電路40的故障。如果在判定菱形塊104處WVT單元34的性能是可接受的，那麼算法在框108處將從水緩衝模型估計的燃料電池堆12中的水含量與HFR電路測量值進行比較，且在判定菱形塊110處確定其是否處於預定範圍內。如果在判定菱形塊110處其處於預定範圍內，那麼在框112，HFR測量值與模型估計值匹配且系統正常工作。如果在判定菱形塊110處比較不處於預定範圍內，那麼在框114，算法提供表示一些系統部件不正常工作的故障且運行預定緩解策略。
[0054]要注意的是，上文討論的所有實施例涉及包括用於溼化陰極入口空氣的WVT單元的燃料電池系統。然而，本領域已知使用氧消耗的陰極排氣直接溼化陰極入口空氣，而不需要WVT單元。兩個設計都具有優點。本領域技術人員將容易認識到上文討論的「突然跳躍」診斷和「合理性確定」診斷可以如何修改用於不採用WVT單元而包括陰極再循環設計的那些系統。例如，不是使用WVT模型來預測返回陰極入口的水含量的數量，可以使用確定再循環流量的其它模型或測量值。
[0055]本領域技術人員將很好地理解，在此討論用來描述本發明的幾個和多個步驟和處理可以稱為由使用電學現象操作和/或轉換數據的計算機，處理器或其它電子計算裝置執行操作。那些計算機和電子裝置可以使用各種易失性和/或非易失性存儲器，包括具有存儲在其上的可執行程序的非暫態計算機可讀介質，該可執行程序包括能夠由計算機或處理器執行的各種代碼或可執行指令，其中存儲器和/或計算機可讀介質可以包括所有形式和類型的存儲器以及其它計算機可讀介質。
[0056]前述說明僅僅公開和描述本發明的示例性實施例。本領域技術人員從這種說明和附圖以及權利要求書將容易認識到，能夠對本發明進行各種變化、修改和變型，而不偏離由所附權利要求書限定的本發明的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種用於識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括: 將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側； 將陰極出口氣體提供給陰極空氣流，以提供溼化，用於增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR溼化信號； 從測量陰極空氣流中的相對溼度(RH)的RH傳感器提供RH信號； 基於來自於多個系統部件的輸入使用水緩衝模型來確定燃料電池堆的水含量； 使用水傳輸模型，以使用來自於水緩衝模型的水含量估計值來確定傳輸給陰極空氣流的水量； 使用HFR溼化信號或RH信號修正水傳輸模型；以及 確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，確定HFR電路是否正常工作包括:如果HFR信號中的變化顯示燃料電池堆的水含量下降比燃料電池堆水含量可能多快地變化更大，那麼確定HFR電路未正常工作。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果HFR電路未正常工作，那麼阻止使用HFR信號修正水傳輸模型。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側包括:在進入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前，使得陰極空氣流流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元，且其中，使用HFR溼化信號或RH信號修正水傳輸模型包括校正WVT單元降級。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示WVT單元性能改進超過預定極限值，那麼確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那麼使用預定值修正水含量模型。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，修正水傳輸模型包括:如果RH傳感器或HFR電路未正常工作，那麼使用基於WVT單元已經工作的小時數的值來修正水傳輸模型。
8.根據權利要求4所述的方法，其中，確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作包括:如果水傳輸模型指示WVT單元的性能在一定時間點低於預定性能，那麼確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
9.一種用於識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括: 將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側，所述陰極空氣流在進入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元； 將陰極出口氣體提供給WVT單元，以提供溼化，用於增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR溼化信號； 基於來自於多個系統部件的輸入使用水緩衝模型來確定燃料電池堆的水含量； 使用水傳輸模型，以使用來自於水緩衝模型的水含量估計值來確定通過WVT單元傳輸的水量； 使用HFR溼化信號修正水傳輸模型以校正WVT單元降級；以及 如果HFR信號中的變化比燃料電池堆水含量可能多快地變化更大，那麼確定HFR電路未正常工作。
10.一種用於識別確定燃料電池堆中的水含量的失敗的方法，所述方法包括: 將陰極空氣流提供給燃料電池堆的陰極側，所述陰極空氣流在進入燃料電池堆從而增加陰極空氣流的水含量之前流動通過水蒸汽傳輸(WVT)單元； 將陰極出口氣體提供給WVT單元，以提供溼化，用於增加陰極入口空氣的水含量； 從確定燃料電池堆中的水含量的高頻電阻(HFR)電路提供HFR溼化信號； 從測量陰極空氣流中的相對溼度(RH)的RH傳感器提供RH信號，RH傳感器設置在WVT單元和燃料電池堆之間； 基於來自於多個系統部件的輸入使用水緩衝模型來確定燃料電池堆的水含量； 使用水傳輸模型，以使用來自於水緩衝模型的水含量估計值來確定通過WVT單元傳輸的水量； 使用HFR溼化信號或RF信號修正水傳輸模型以校正WVT單元降級；以及確定RH傳感器或HFR電路是否正常工作，包括:如果水傳輸模型指示WVT單元性能改進超過預定極限值，那麼確定RH傳感器或HFR電路未正常工作。
【文檔編號】H01M8/04GK103915641SQ201310734126
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2012年12月28日
【發明者】D.R.勒布策爾特, D.H.克斯庫拉, T.K.普雷斯頓, J.P.諾蘭 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司