陽極滲漏位置檢測的製作方法

2024-03-19 21:37:05

陽極滲漏位置檢測的製作方法
【專利摘要】本發明涉及陽極滲漏位置檢測。一種用於量化燃料電池系統中陽極滲漏位置的系統和方法。該系統和方法包括確定在燃料電池堆的陽極子系統中存在滲漏並且使用第一滲漏流量值和第一操作參數估計第一有效滲漏面積。該系統和方法還包括增加到燃料電池堆的陰極側的空氣流並且使用第二滲漏流量值和第二操作參數估計第二滲漏有效面積。系統和方法還包括將第一滲漏有效面積和第二滲漏有效面積進行比較並且基於第一和第二滲漏有效面積之間的比較確定陽極外流滲漏位置。
【專利說明】陽極滲漏位置檢測
【技術領域】
[0001]本發明概括地涉及用於確定在燃料電池系統中的陽極滲漏的位置的系統和方法，並且更具體地涉及用於量化陽極滲漏位置、滲漏的外流位置、以及燃料電池系統中的滲漏的有效面積的系統和方法。
【背景技術】
[0002]相關技術的討論
氫氣是非常有吸引力的燃料，因為其清潔並且能被用於在燃料電池內高效地產生電能。氫氣燃料電池是電化學設備，其包括陽極和陰極以及它們之間的電解質。陽極接收氫氣氣體而陰極接收氧氣或空氣。氫氣氣體在陽極催化劑內被分解以產生自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子在陰極催化劑中與氧和電子反應以生成水。來自陽極的電子不能穿過電解質，並且因此被引導通過負載以在被發送到陰極之前做功。
[0003]質子交換膜燃料電池(PEMFC)是流行的用於車輛的燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括細分的催化劑顆粒，通常是鉬(Pt)，其被支撐在碳顆粒上並與離聚物混合。催化劑混合物被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定義了膜電極組件(MEA)。MEA製造起來相對昂貴並且要求一定條件才能有效操作。
[0004]若干燃料電池通常被組合到燃料電池堆中以生成期望的功率。例如，典型的用於車輛的燃料電池堆可具有兩百或更多的被堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機強迫通過燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧氣都被燃料電池堆消耗並且一些空氣被作為陰極廢氣輸出，該陰極廢氣可能包括作為燃料電池堆副產品的水。燃料電池堆還接收陽極氫氣輸入氣體，其流入燃料電池堆的陽極側。
[0005]燃料電池堆包括一系列的雙極板，這些雙極板在燃料電池堆中被定位在若干MEA之間，其中雙極板和MEA被定位在兩個端板之間。雙極板包括用於堆中的鄰近的燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道被設置在雙擊板的陽極側上，其允許陽極反應物氣體流到相應的MEA。陰極氣體流動通道被設置在雙擊板的陰極側上，其允許陰極反應物氣體流到相應的MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，而另一端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板都由導電材料製成，例如不鏽鋼或導電複合材料。端板將由燃料電池產生的電能導出燃料電池堆。雙極板還包括流動通道，冷卻流體流過該流動通道。
[0006]必須準確地確定通過在燃料電池系統的陽極子系統中的洩放閥、排放閥、和可能的其它閥的流速，來知曉何時要關閉特定閥，這是本領域技術人員熟知的。傳統的閥孔模型工作相當良好，但是須進行零件之間的變化，因為該模型假設了孔的有效面積。另外，孔模型計算還要求在進口和出口壓力之間的差以確定流量。對於某些已知的系統，這個壓力差的大小是與壓力傳感器的誤差同量級的，這可導致大估計誤差。
[0007]2009 年 12 月 11 日提交的、名稱為「Injector Flow Measurement for Fuel CellApplications」、被轉讓給本申請的受讓人並通過引用併入本文的美國專利申請12/636276公開了用於確定通過燃料電池系統中的閥的流量的方法。剛好在噴射器脈衝之間且剛好在該噴射器脈衝之後測量陽極子系統壓力，並且確定該壓力之間的差。這個壓力差、陽極子系統的體積、理想氣體常數、陽極子系統溫度、在噴射事件期間由燃料電池堆的反應消耗的燃料、和通過燃料電池堆的燃料電池中的膜的燃料跨越被用來確定通過閥的流量。2010年12月 17 日提交的、名稱為 「Flow Estimation Based on Anode Pressure Response in FuelCell System」、轉讓給本申請的受讓人並通過引用併入本文的美國專利申請12/971982確定了從陽極子系統出來的陽極氣體的流量，並且也能夠確定在陽極子系統是否存在滲漏。不過，滲漏的位置和滲漏的有效面積是不知道的。因此，在本領域中需要一種方式來量化陽極滲漏位置、出口流位置和滲漏的有效面積，從而能夠實現對燃料電池系統模型的有目的的補救行動和調節。

【發明內容】

[0008]根據本發明的教導，公開了用於量化燃料電池系統中的陽極滲漏位置的系統和方法，其包括確定在燃料電池堆的陽極子系統中存在滲漏並且使用第一滲漏流量值和第一操作參數估計第一有效滲漏面積。該系統和方法還包括增加到燃料電池堆的陰極側的空氣流並且使用第二滲漏流量值和第二操作參數估計第二滲漏有效面積。系統和方法還包括將第一滲漏有效面積和第二滲漏有效面積進行比較並且基於第一和第二滲漏有效面積之間的比較確定陽極外流滲漏位置。
[0009]通過結合附圖理解下面的描述和所附的權利要求能夠容易理解本發明的另外的特徵。
[0010]本發明還提供了如下方案:
方案1.一種用於量化燃料電池系統中陽極滲漏位置的方法，所述方法包括:
確定在燃料電池系統的陽極子系統中存在滲漏；
使用第一滲漏流量值和第一操作參數估計第一滲漏有效面積；
增加到燃料電池堆的陰極側的空氣流；
使用第二滲漏流量值和第二操作參數估計第二滲漏有效面積；
將第一滲漏有效面積與第二滲漏有效面積進行比較；以及 基於第一和第二滲漏有效面積之間的比較確定陽極外流滲漏位置。
[0011]方案2.如方案I所述的方法，其中，估計第一和第二滲漏有效面積包括估計三個不同的潛在滲漏外流位置的第一和第二滲漏有效面積。
[0012]方案3.如方案2所述的方法，其中，三個不同的滲漏外流位置是陰極出口、陰極進口或周圍環境。
[0013]方案4.如方案3所述的方法，其中，三個不同的滲漏外流位置被用於建立第一組有效滲漏面積和第二組有效滲漏面積。
[0014]方案5.如方案4所述的方法，其中，第一組有效滲漏面積與第二組有效滲漏面積比較以確定陽極外流滲漏位置。
[0015]方案6.如方案I所述的方法，還包括，增加陽極子系統中的氫氣濃度並且使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置。
[0016]方案7.如方案6所述的方法，其中，使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置包括確定陽極廢氣氣體的分子量是否有變化。
[0017]方案8.如方案I所述的方法，還包括，基於確定的陽極滲漏位置和有效滲漏面積採取補救行動。
[0018]方案9.一種用於量化燃料電池系統中陽極滲漏位置的方法，所述方法包括:
確定在燃料電池系統的陽極子系統中存在滲漏；
使用第一滲漏流量值和第一操作參數估計第一滲漏有效面積；
增加到燃料電池堆的陰極側的空氣流；
使用第二滲漏流量值和第二操作參數估計第二滲漏有效面積；
將第一滲漏有效面積與第二滲漏有效面積進行比較；
基於第一和第二滲漏有效面積之間的比較確定陽極外流滲漏位置；
增加陽極子系統中的氫氣濃度；以及 使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置。
[0019]方案10.如方案9所述的方法，其中，估計第一和第二滲漏有效面積包括估計三個不同的潛在滲漏外流位置的第一和第二滲漏有效面積。
[0020]方案11.如方案10所述的方法，其中，三個不同的滲漏外流位置是陰極出口、陰極進口或向著周圍環境。
[0021]方案12.如方案11所述的方法，其中，三個不同的滲漏外流位置被用於建立第一組有效滲漏面積和第二組有效滲漏面積。
[0022]方案13.如方案12所述的方法，其中，第一組有效滲漏面積與第二組有效滲漏面積比較以確定陽極外流滲漏位置。
[0023]方案14.如方案9所述的方法，其中，使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置包括確定陽極廢氣氣體的分子量是否有變化。
[0024]方案15.如方案9所述的方法，還包括，基於確定的陽極滲漏位置採取補救行動。
[0025]方案16.—種用於量化燃料電池系統中陽極滲漏位置的控制系統，所述控制系統包括:
用於確定在燃料電池系統的陽極子系統中存在滲漏的裝置；
用於使用第一滲漏流量值和第一操作參數估計第一滲漏有效面積的裝置；
用於增加到燃料電池堆的陰極側的空氣流的裝置；
用於使用第二滲漏流量值和第二操作參數估計第二滲漏有效面積的裝置；
用於將第一滲漏有效面積與第二滲漏有效面積進行比較的裝置；
用於基於第一和第二滲漏有效面積之間的比較確定陽極外流滲漏位置的裝置；
用於增加陽極子系統中的氫氣濃度的裝置；以及 用於使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置的裝置。
[0026]方案17.如方案16所述的控制系統，其中，估計第一和第二滲漏有效面積包括估計三個不同的潛在滲漏外流位置的第一和第二滲漏有效面積。
[0027]方案18.如方案18所述的控制系統，其中，三個不同的滲漏外流位置是陰極出口、陰極進口或向著周圍環境。
[0028]方案19.如方案18所述的控制系統，其中，三個不同的滲漏外流位置被用於建立第一組有效滲漏面積和第二組有效滲漏面積，並且第一組有效滲漏面積與第二組有效滲漏面積比較以確定陽極外流滲漏位置。
[0029]方案20.如方案16所述的控制系統，其中，使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置包括確定陽極廢氣氣體的分子量是否有變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是燃料電池系統的示意框圖；
圖2是量化陽極滲漏位置和滲漏的外流位置的過程的流程圖；以及 圖3是水平軸為陽極壓力且豎直軸為陽極滲漏流量的曲線圖。
【具體實施方式】
[0031]下面對涉及量化燃料電池系統中陽極滲漏位置的系統和方法的發明的實施例的討論本質上僅是示例性的，並且絕不是用於限制本發明或其應用或使用。具體來說，本文討論的方法確定從陽極子系統出來的陽極氣體的流量。但是，該方法可應用於確定從其它封閉系統中出來的流量。
[0032]圖1是燃料電池系統10的示意框圖，燃料電池系統10包括具有陽極側和陰極側的燃料電池堆12。壓縮機16在陰極輸入管線14上通過水蒸氣轉移(WVT)單元18提供空氣流給燃料電池堆12的陰極側，水蒸氣轉移單元18潤溼陰極輸入空氣。陰極廢氣氣體在陰極廢氣氣體管線20上通過反壓閥22從燃料電池堆12輸出。壓力傳感器26測量陰極輸入管線14的壓力並且壓力傳感器24測量陰極廢氣氣體管線20的壓力，如下面更具體描述的。
[0033]燃料電池堆12的陽極側在陽極輸入管線30上從氫氣源32接收氫氣氣體並且在陽極再循環管線34上提供陽極再循環氣體。當需要在燃料電池堆12的陽極側進行氣體的吹掃或洩放時，陽極廢氣氣體通過閥36被洩放進陰極進口管線14，閥36被設置在陽極廢氣管線28中。壓力傳感器42被設置在陽極子系統內的位置中，例如在陽極再循環管線34中，以測量燃料電池堆12的陽極側的壓力。控制器44從壓力傳感器24、26和42接收壓力信號，並且控制各種不同的燃料電池堆操作以及各種不同的算法，如下面更具體描述的。
[0034]如上討論的，通過引用併入的美國專利申請12/971982確定從陽極子系統出來的陽極氣體的流量，並且還能夠確定在陽極子系統是否有滲漏。當前，對於每個功能，都假設滲漏是在對於該功能來說最壞的位置中。例如，排放功能假設滲漏位置是通向陰極出口的陽極進口。這使得補救行動要比它們可能需要成為的樣子更加保守，並且可引起燃料電池系統10的不那麼高效的操作。
[0035]已經開發了一種算法，其基本上是侵入式診斷法以試圖理解燃料電池系統10中的陽極滲漏位於哪裡以及通過改變操作條件量化滲漏的大小，由此允許對滲漏速度的更加準確的建模以及對基於滲漏的任何補救行動的更加精確的處理。在下面描述的算法之前，還沒有方法對陽極滲漏進行建模。因此，需要以定期的或常態的方式進行滲漏檢測。不過，這在高功率操作條件下是困難的，這是因為在之前已知的滲漏估計方法中固有的大誤差。算法允許在滲漏檢測解析度高的條件下量化滲漏位置和滲漏大小。這能夠對滲漏檢測不那麼準確的區域內的滲漏進行建模並且基於滲漏的位置採取合適的補救行動。該算法還允許在各種不同的操作條件下的預測性滲漏值以及改善的氮建模和排放估計。[0036]圖2是流程圖50，其示出了量化陽極滲漏位置，即，確定滲漏是在陽極進口管線30內還是在陽極出口管線28內，以及還量化出口流量位置，即，陰極進口、陰極出口或環境出口流量位置的算法的過程。為了確定位置，必須確定在數個不同的操作點的滲漏速率。這最好在低功率下進行，在這種情況下下面描述的滲漏檢測算法最準確。主要思想是侵入式地增加陰極流量，陰極流量會改變陰極中的壓降以有助於辨別滲漏位置。
[0037]檢測陽極滲漏位置的動機是通過確定陽極滲漏位置改善陽極氣體濃度估計。還可以以針對滲漏的合適的補救行動為目標。示例的補救行動包括增加壓縮機流量，如果滲漏是漏向陰極出口的話，在這種情況下排放就是要關心的問題；或者增加散熱器空氣流，如果檢測到向環境的滲漏的話。在確定滲漏位置時做出如下假設:(I)算法是主動診斷，其在被檢測的滲漏不違反排放時會被採用，(2)只有單個滲漏位置，以及(3)滲漏可由孔流量表示。從陽極到陰極有可由以上算法檢測的六條潛在的滲漏路徑，它們在下表中給出。
[0038]
【權利要求】
1.一種用於量化燃料電池系統中陽極滲漏位置的方法，所述方法包括: 確定在燃料電池系統的陽極子系統中存在滲漏； 使用第一滲漏流量值和第一操作參數估計第一滲漏有效面積； 增加到燃料電池堆的陰極側的空氣流； 使用第二滲漏流量值和第二操作參數估計第二滲漏有效面積； 將第一滲漏有效面積與第二滲漏有效面積進行比較；以及 基於第一和第二滲漏有效面積之間的比較確定陽極外流滲漏位置。
2.如權利要求1所述的方法，其中，估計第一和第二滲漏有效面積包括估計三個不同的潛在滲漏外流位置的第一和第二滲漏有效面積。
3.如權利要求2所述的方法，其中，三個不同的滲漏外流位置是陰極出口、陰極進口或周圍環境。
4.如權利要求3所述的方法，其中，三個不同的滲漏外流位置被用於建立第一組有效滲漏面積和第二組有效滲漏面積。
5.如權利要求4所述的方法，其中，第一組有效滲漏面積與第二組有效滲漏面積比較以確定陽極外流滲漏位置。
6.如權利要求1所述的方法，還包括，增加陽極子系統中的氫氣濃度並且使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置。
7.如權利要求6所述的方法，其中，使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置包括確定陽極廢氣氣體的分子量是否有變化。
8.如權利要求1所述的方法，還包括，基於確定的陽極滲漏位置和有效滲漏面積採取補救行動。
9.一種用於量化燃料電池系統中陽極滲漏位置的方法，所述方法包括: 確定在燃料電池系統的陽極子系統中存在滲漏； 使用第一滲漏流量值和第一操作參數估計第一滲漏有效面積； 增加到燃料電池堆的陰極側的空氣流； 使用第二滲漏流量值和第二操作參數估計第二滲漏有效面積； 將第一滲漏有效面積與第二滲漏有效面積進行比較； 基於第一和第二滲漏有效面積之間的比較確定陽極外流滲漏位置； 增加陽極子系統中的氫氣濃度；以及 使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置。
10.一種用於量化燃料電池系統中陽極滲漏位置的控制系統，所述控制系統包括: 用於確定在燃料電池系統的陽極子系統中存在滲漏的裝置； 用於使用第一滲漏流量值和第一操作參數估計第一滲漏有效面積的裝置； 用於增加到燃料電池堆的陰極側的空氣流的裝置； 用於使用第二滲漏流量值和第二操作參數估計第二滲漏有效面積的裝置； 用於將第一滲漏有效面積與第二滲漏有效面積進行比較的裝置； 用於基於第一和第二滲漏有效面積之間的比較確定陽極外流滲漏位置的裝置； 用於增加陽極子系統中的氫氣濃度的裝置；以及 用於使用增加的氫氣濃度確定陽極滲漏位置的裝置。
【文檔編號】H01M8/04GK103852222SQ201310650287
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2012年12月6日
【發明者】D.C.迪菲奧爾, M.辛哈, S.R.法爾塔, M.A.朗 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司