智能車載被動恢復策略的製作方法
2023-08-04 15:02:16 2
專利名稱：智能車載被動恢復策略的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及用於確定何時操作電壓恢復算法以便恢復燃料電池系統中燃料電池堆的可逆電壓損失的系統和方法，更特別地，涉及用於確定何時操作電壓恢復算法以便恢復燃料電池系統中燃料電池堆的可逆電壓損失的系統和方法，其中所述方法確定不可逆電壓損失與實際電池堆電壓之間的差異是否大於預定值。
背景技術：
因為氫清潔且可用於在燃料電池中有效發電，所以它是一種非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是一種電化學裝置，包括陽極和陰極及其間的電解質。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處分解，產生自由的質子和電子。質子穿過電解質到陰極。質子與陰極催化劑處的氧和電子反應，產生水。陽極的電子無法穿過電解質，從而在被送至陰極之前被引導通過負載做功。
質子交換薄膜燃料電池(PEMFC)是一種用於車輛的流行燃料電池。PEMFC通常包括固態多聚物電解質質子導電薄膜，例如全氟磺酸薄膜。陽極和陰極通常，但並非總是，包括細微催化劑微粒，通常為高活性催化劑，例如鉬(Pt)，該催化劑通常支撐在碳微粒上，與離聚物混合。催化劑混合物沉積在薄膜的兩側上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物與薄膜的組合限定了薄膜電極組件(MEA)。MEA製造比較昂貴，且需要特定的條件以便有效操作。在燃料電池堆中通常組合幾個燃料電池來產生期望的功率。例如，用於車輛的典型燃料電池堆可具有兩百或更多的堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常為被壓縮機強制通過電池堆的空氣流。不是所有氧氣都被電池堆消耗掉，一部分空氣作為陰極廢氣輸出，可能包括作為電池堆副產物的水。燃料電池堆還接收流入電池堆陽極側的陽極氫輸入氣體。燃料電池堆包括位於電池堆中若干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。雙極板包括用於電池堆中相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流場設在雙極板的陽極側上，允許陽極反應氣體流到相應MEA。陰極氣體流場設在雙極板的陰極側上，允許陰極反應氣體流到相應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，例如不鏽鋼或導電複合物。端板將燃料電池產生的電導出電池堆。雙極板還包括冷卻流體流經的流動通道。燃料電池中的薄膜需要具有充足的水含量，使得離子穿過薄膜的阻力足夠低，以有效傳導質子。薄膜溼度可來自電池堆水副產物或外部加溼。通過電池堆流動通道的反應物流對電池薄膜具有乾燥效應，最顯著的是在反應物流的入口處。然而，流動通道內水滴的聚積會阻止反應物從其流過，並且由於低的反應物氣體流可能會引起電池故障，從而影響電池堆穩定性。反應物氣體流動通道內以及氣體擴散層(⑶L)內水的聚積在低電池堆輸出負載時特別麻煩。如上所述，產生水作為電池堆操作的副產物。因此，電池堆的陰極廢氣通常包括水蒸汽和液態水。本領域內已知，使用水蒸汽輸送(WVT)單元，以捕集陰極廢氣中的一部分水，並使用這些水加溼陰極輸入氣流。水傳輸元件(例如薄膜)一側的陰極廢氣中的水被水傳輸元件吸收，並被傳輸至水傳輸元件另一側的陰極空氣流。在燃料電池系統操作期間會出現引起電池堆電壓和性能永久性損失的許多進程，例如催化劑活性的損失、催化劑載體腐蝕和電池薄膜中形成微孔。然而，也有會引起基本上可逆的電池堆電壓損失的其它進程，例如電池薄膜失去水分、催化劑形成氧化、以及電池堆陽極側和陰極側上沉積汙物。為了使PEM燃料電池系統商業上可實施，通常需要限制承載在燃料電池電極上的貴金屬，即鉬或鉬合金催化劑，以降低總系統成本。結果，限制或減少了催化劑的總可用電化學活性表面積，使得電極更易汙染。會引起電池堆電壓損失的汙染源可來自陽極和陰極的包括增溼水的反應氣體供給流，或者因MEA的退化而產生於燃料電池內、電池堆密封劑和/或雙極板。一種特殊類型的汙染物包括負極充電的負離子，例如氯或硫酸鹽(例如S042)。在陰極電勢通常在650 mV以上的正常燃料電池操作期間，所述負離子傾向於吸收 在電極的鉬催化劑表面上，從而堵塞用於氧化還原反應的活性部位，導致電池電壓損失。此夕卜，如果質子導電性也高度依賴於無汙染的鉬表面，例如納米薄膜(NSTF)型電極，降低的質子導電性引起另外的損失。轉讓給本申請受讓人的、於2011年4月26日提交的題為In-Vehicle Algorithmfor Fuel Cell Stack Health Quantif ication 的美國專利申請No. 13/094，300 中公開了用於確定燃料電池堆中燃料電池的健康的方法，包括確定燃料電池堆中燃料電池內催化劑層的剩餘催化劑表面積和催化劑載體區域，可用來估計電池堆電壓，該申請通過引用包含於本文。所述方法包括確定燃料電池堆的總寄生電流，以確定燃料電池堆的橫穿寄生電流和短路電阻，以確定催化劑表面積。通過知道催化劑表面積，可確定電池堆應當提供的電壓量。
發明內容
根據本發明的教導，公開了一種用於確定何時操作用於恢復燃料電池系統中燃料電池堆的可逆電壓損失的電壓恢復程序的系統和方法。所述方法包括估計所述燃料電池的不可逆電壓損失和所述燃料電池堆的實際電壓、和確定所述估計的不可逆電壓損失與所述估計的實際電壓之間的差是否大於預定電壓閾值，如果是，則執行所述電壓恢復程序。本發明提供下列技術方案。技術方案I :一種用於確定何時執行燃料電池系統中燃料電池堆的電池堆電壓恢復程序的方法，所述方法包括
提供所述燃料電池堆的不可逆電壓損失的估計；
提供所述燃料電池堆的實際電壓的估計；
確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差；
確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差是否大於預定電壓閾值；以及如果所述不可逆電壓損失與所述實際電壓損失之間的差大於所述預定電壓閾值，則執行所述電池堆電壓恢復程序。技術方案2 :根據技術方案I的方法，其中提供所述不可逆電壓損失的估計、提供所述實際電壓的估計和確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差包括在所述燃料電池堆的電流密度輸出範圍內提供所述不可逆電壓損失的估計，提供所述實際電壓的估計和確定所述估計的不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差。技術方案3 :根據技術方案2的方法，其中提供所述燃料電池堆的實際電壓的估計包括使用表示所述電池堆電壓與電池堆電流密度之間關係的極化曲線。技術方案4 :根據技術方案I的方法，其中確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差是否大於預定電壓閾值包括確定所述不可逆電壓損失與100%電池堆功率時的實際電壓之間的差是否大於第一預定電壓閾值，和確定所述不可逆電壓損失與25%電池堆功率時的實際電壓之間的差是否大於第二預定電壓閾值。技術方案5 :根據技術方案4的方法，其中所述第一和第二預定電壓閾值不同，並
且所述第一預定電壓閾值比所述第二預定電壓閾值大。技術方案6 :根據技術方案I的方法，還包括如果所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差不大於所述預定電壓閾值，則確定估計的100%電池堆功率時的實際電壓是否小於電池堆壽命結束時的預定電壓。技術方案7:根據技術方案6的方法，還包括如果估計的實際電池堆電壓小於100%電池堆功率時壽命結束時的預定電壓，則執行所述電池堆電壓恢復程序。技術方案8 :根據技術方案7的方法，還包括每次如果估計的實際電池堆電壓小於壽命結束時的預定電壓則執行電池堆電壓恢復程序時都增加強制電壓恢復計數器，並且如果所述強制恢復計數器達到預定計數則設定維護標記。技術方案9 :根據技術方案I的方法，還包括在所述系統處於開啟狀態時周期性地增加恢復計數器，並僅在所述恢復計數器達到預定計數時執行確定何時執行所述電池堆電壓恢復程序的方法。技術方案10 : —種用於確定何時執行燃料電池系統中燃料電池堆的電池堆電壓恢復程序的方法，所述方法包括
提供所述燃料電池堆的不可逆電壓損失的估計；
提供所述燃料電池堆的實際電壓的估計；
確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差，其中在所述燃料電池堆的電流密度輸出範圍內執行提供所述可逆電壓損失的估計、提供所述實際電壓的估計和確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差；
確定所述不可逆電壓損失與實際電壓之間的差是否大於100%電池堆功率時的第一預定電壓閾值和約25%電池堆功率時的第二預定電壓閾值；
如果所述不可逆電壓損失與實際電壓損失之間的差大於100%電池堆功率時的第一預定電壓閾值或25%電池堆功率時的第二預定電壓閾值，則執行所述電池堆電壓恢復程序；如果所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差不大於第一或第二預定電壓閾值，則確定估計的100%電池堆功率時的實際電壓是否小於電池堆壽命結束時的預定電壓；以及
如果估計的100%電池堆功率時的實際電壓小於電池堆壽命結束時的預定電壓，則執行所述電池堆電壓恢復程序。技術方案11 :根據技術方案10的方法，其中提供所述燃料電池堆的實際電壓的估計包括使用表示電池堆電壓與電池堆電流密度之間關係的極化曲線。技術方案12 :根據技術方案10的方法，其中所述第一和第二預定電壓閾值不同，並且所述第一預定電壓閾值比所述第二預定電壓閾值大。技術方案13 :根據技術方案10的方法，還包括每次如果估計的實際電池堆電壓小於壽命結束時的預定電壓則執行電池堆電壓恢復程序時都增加強制電壓恢復計數器，並且如果所述強制恢復計數器達到預定計數則設定維護標記。技術方案14 :根據技術方案10的方法，還包括在所述系統處於開啟狀態時周期性地增加恢復計數器，並僅在所述恢復計數器達到預定計數時執行確定何時執行所述電池堆電壓恢復程序的方法。技術方案15 : —種用於確定何時執行燃料電池系統中燃料電池堆的電池堆電壓恢復程序的恢復系統，所述恢復系統包括 用於提供所述燃料電池堆的不可逆電壓損失的估計的裝置；
用於提供所述燃料電池堆的實際電壓的估計的裝置；
用於確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差的裝置；
用於確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差是否大於預定電壓閾值的裝置；以及
用於如果所述不可逆電壓損失與所述實際電壓損失之間的差大於所述預定電壓閾值，則執行所述電池堆電壓恢復程序的裝置。技術方案16 :根據技術方案15的恢復系統，其中用於提供所述不可逆電壓損失的估計的裝置、用於提供所述實際電壓的估計的裝置和用於確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差的裝置在所述燃料電池堆的電流密度輸出範圍內提供所述不可逆電壓損失的估計、提供所述實際電壓的估計和提供估計的所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差。技術方案17 :根據技術方案15的恢復系統，其中用於確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差是否大於預定電壓閾值的裝置確定所述不可逆電壓損失與100%電池堆功率時的實際電壓之間的差是否大於第一預定電壓閾值，和確定所述不可逆電壓損失與25%電池堆功率時的實際電壓之間的差是否大於第二預定電壓閾值。技術方案18 :根據技術方案15的恢復系統，還包括用於如果所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差不大於所述預定電壓閾值則確定估計的100%電池堆功率時的實際電壓是否小於電池堆壽命結束時的預定電壓的裝置、以及用於如果估計的實際電池堆電壓小於100%電池堆功率時壽命結束時的預定電壓則執行所述電池堆電壓恢復程序的裝置。技術方案19 :根據技術方案18的恢復系統，還包括用於每次如果估計的實際電池堆電壓小於壽命結束時的預定電壓則執行電池堆電壓恢復程序時都增加強制電壓恢復計數器的裝置，和用於如果所述強制恢復計數器達到預定計數則設定維護標記的裝置。技術方案20 :根據技術方案15的恢復系統，還包括用於在所述系統處於開啟狀態時周期性地增加恢復計數器的裝置，其中僅在所述恢復計數器達到預定計數時執行所述電池堆電壓恢復程序。結合附圖，從下面的描述和所附權利要求，可清楚本發明的其它特徵。
圖I為燃料電池系統的示意框圖；以及
圖2為示出用來確定何時運行用於恢復圖I中所示燃料電池系統中燃料電池堆的可逆電壓損失的電壓恢復算法的操作的流程圖。
具體實施例方式下面涉及用來確定何時運行用於恢復燃料電池系統中燃料電池堆的可逆電壓損失的電壓恢復算法的系統和方法的實施例的描述實質上僅僅是示例性的，不意欲以任何方式限制本發明或其應用或使用。圖I為包括燃料電池堆12的燃料電池系統10的示意框圖，系統10能夠為下述電池電壓損失恢復提供電池堆操作條件。壓縮機16在陰極輸入管路14上通過加溼陰極輸入 空氣的水蒸汽輸送(WVT)單元18向燃料電池堆12的陰極側提供空氣流。WVT單元18是一種可應用的加溼裝置，其中也可應用其它類型的加溼裝置來加溼陰極進入空氣，例如焓輪、蒸發器等。陰極廢氣從電池堆12在陰極廢氣管路20上經背壓閥22輸出。廢氣管路20引導陰極廢氣至WVT單元18，以提供溼氣，從而加溼陰極輸入空氣。繞著WVT單元18設置旁通管路28，以便以受控的方式繞著WVT單元18引導一部分或全部陰極廢氣。在另一實施例中，旁通管路28可為入口旁通。旁通閥24設在旁通管路28中，並被控制成有選擇地將陰極廢氣改向通過或環繞WVT單元18，以向陰極輸入空氣提供期望量的溼度。還包括氮氣源26，以向電池堆12的陰極側提供氮氣。燃料電池堆12的陽極側在陽極輸入管路30上從氫氣源32接收氫氣，並在管路34上經閥36 (例如排放閥、放氣閥等)提供陽極廢氣。泵38泵送冷卻流體通過電池堆12和電池堆12外部的冷卻劑環路40。還包括電源42 (例如電池)，以提供通過電池堆12的電流。圖2為流程圖50，示出用於操作電壓恢復確定算法的程序，該程序確定是否及何時操作電壓恢復算法，該算法在電池堆12使用期超過其壽命時嘗試重獲燃料電池堆12的可逆電壓損失。在框52，當車輛處於接通狀態時，該算法使算法確定計數器增量，阻止確定算法總是運行，而是使確定算法以每特定的時間間隔操作，所述時間間隔是特定於應用的，可以是例如車輛操作的每個小時。當車輛處於接通狀態時，無論車輛是否實際在行駛，計數器都增加，並且在車輛關閉時保持該時刻，以使其在下一次車輛接通時增加。一旦計數器達到預定時間間隔，那麼算法就進行至框54，估計不可逆電池堆電壓損失本領域的技術人員會認識到通過確定電池堆12能夠產生什麼電壓來確定電池堆不可逆電壓損失Vira的各種技術。在一個實施例中，不可逆電壓損失Vira以基於燃料電池中剩餘催化劑的原位測量電壓損失為基礎，如上面對於申請』 300所描述的，但是用於確定不可逆電壓損失Vira的其它技術也同樣可應用。一旦算法估計不可逆電壓損失\ ，那麼該算法就進行至框56，估計實際電池堆電壓Vac;t。本領域的技術人員會認識到用於確定處於特定電池堆電流密度的燃料電池堆12的估計實際電池堆電壓Vart的各種技術。本領域內使用的一種可應用技術是確定燃料電池堆12的極化曲線，其為電池堆電流與電池堆電壓之間的關係。於2008年7月31日公開的、題為 Algorithm for On-Line Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel CellStack的美國專利申請2008/0182139公開了一種用於使用極化曲線確定電池堆電壓的技術，該專利被轉讓給本申請的受讓人，且其通過引用包含於本文。燃料電池系統的許多控制參數需要燃料電池堆12的極化曲線的知識，例如知道可從燃料電池堆12獲得的最大電壓電勢和電流。隨著電池堆12老化，由於電池堆退化，電池堆極化曲線也變化。在電池堆12操作時，申請』 139的算法從收集的數據估計兩個或多個電池堆參數，並利用下式使用這些參數計算極化曲線
權利要求
1.一種用於確定何時執行燃料電池系統中燃料電池堆的電池堆電壓恢復程序的方法，所述方法包括 提供所述燃料電池堆的不可逆電壓損失的估計； 提供所述燃料電池堆的實際電壓的估計； 確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差； 確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差是否大於預定電壓閾值；以及 如果所述不可逆電壓損失與所述實際電壓損失之間的差大於所述預定電壓閾值，則執行所述電池堆電壓恢復程序。
2.根據權利要求I的方法，其中提供所述不可逆電壓損失的估計、提供所述實際電壓的估計和確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差包括在所述燃料電池堆的電流密度輸出範圍內提供所述不可逆電壓損失的估計，提供所述實際電壓的估計和確定所述估計的不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差。
3.根據權利要求2的方法，其中提供所述燃料電池堆的實際電壓的估計包括使用表示所述電池堆電壓與電池堆電流密度之間關係的極化曲線。
4.根據權利要求I的方法，其中確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差是否大於預定電壓閾值包括確定所述不可逆電壓損失與100%電池堆功率時的實際電壓之間的差是否大於第一預定電壓閾值，和確定所述不可逆電壓損失與25%電池堆功率時的實際電壓之間的差是否大於第二預定電壓閾值。
5.根據權利要求4的方法，其中所述第一和第二預定電壓閾值不同，並且所述第一預定電壓閾值比所述第二預定電壓閾值大。
6.根據權利要求I的方法，還包括如果所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差不大於所述預定電壓閾值，則確定估計的100%電池堆功率時的實際電壓是否小於電池堆壽命結束時的預定電壓。
7.根據權利要求6的方法，還包括如果估計的實際電池堆電壓小於100%電池堆功率時壽命結束時的預定電壓，則執行所述電池堆電壓恢復程序。
8.根據權利要求7的方法，還包括每次如果估計的實際電池堆電壓小於壽命結束時的預定電壓則執行電池堆電壓恢復程序時都增加強制電壓恢復計數器，並且如果所述強制恢復計數器達到預定計數則設定維護標記。
9.一種用於確定何時執行燃料電池系統中燃料電池堆的電池堆電壓恢復程序的方法，所述方法包括 提供所述燃料電池堆的不可逆電壓損失的估計； 提供所述燃料電池堆的實際電壓的估計； 確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差，其中在所述燃料電池堆的電流密度輸出範圍內執行提供所述可逆電壓損失的估計、提供所述實際電壓的估計和確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差； 確定所述不可逆電壓損失與實際電壓之間的差是否大於100%電池堆功率時的第一預定電壓閾值和約25%電池堆功率時的第二預定電壓閾值； 如果所述不可逆電壓損失與實際電壓損失之間的差大於100%電池堆功率時的第一預定電壓閾值或25%電池堆功率時的第二預定電壓閾值，則執行所述電池堆電壓恢復程序；如果所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差不大於第一或第二預定電壓閾值，則確定估計的100%電池堆功率時的實際電壓是否小於電池堆壽命結束時的預定電壓；以及 如果估計的100%電池堆功率時的實際電壓小於電池堆壽命結束時的預定電壓，則執行所述電池堆電壓恢復程序。
10.一種用於確定何時執行燃料電池系統中燃料電池堆的電池堆電壓恢復程序的恢復系統，所述恢復系統包括 用於提供所述燃料電池堆的不可逆電壓損失的估計的裝置； 用於提供所述燃料電池堆的實際電壓的估計的裝置； 用於確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差的裝置； 用於確定所述不可逆電壓損失與所述實際電壓之間的差是否大於預定電壓閾值的裝置；以及 用於如果所述不可逆電壓損失與所述實際電壓損失之間的差大於所述預定電壓閾值，則執行所述電池堆電壓恢復程序的裝置。
全文摘要
本發明涉及智能車載被動恢復策略。一種用於確定何時執行用於恢復燃料電池系統中燃料電池堆的可逆電壓損失的電壓恢復程序的方法。所述方法包括估計所述燃料電池堆的不可逆電壓損失、估計所述燃料電池堆的實際電壓、和確定估計的所述不可逆電壓損失與估計的所述實際電壓之間的差是否大於閾值，如果是，則執行所述電壓恢復程序。
文檔編號G01R31/36GK102820478SQ201210185928
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月7日 優先權日2011年6月7日
發明者A.J.梅斯林, P.K.辛哈 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司