檢測串聯燃料電池中單個異常操作的方法和信號處理算法的製作方法
2023-12-09 10:01:26
專利名稱：檢測串聯燃料電池中單個異常操作的方法和信號處理算法的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及用於確定燃料電池堆中反應氣體流的系統和方法，更特別地，涉及用於通過向燃料電池堆應用微擾頻率、測量對其響應的電池堆電流和電池堆電壓、並使用電流和電壓測量值確定實際複雜的燃料電池阻抗來識別燃料電池堆中不期望反應氣流的系統和方法。
背景技術：
因為氫氣清潔，並且可用於在燃料電池中有效地發電，所以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，包括其間具有電解質的陽極和陰極。陽極接收氫氣氣體，陰極接收氧氣或空氣。氫氣氣體在陽極分解產生自由的質子和電子。質子通過電解質到達陰極。質子與陰極中的氧氣和電子反應生成水。陽極的電子無法通過電解質，因此在被輸送至陰極之前被弓I導通過負載做功。質子交換薄膜燃料電池(PEMFC)是用於車輛的一種常見燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子導電薄膜，例如全氟磺基酸薄膜。陽極和陰極通常包括承載在碳顆粒上並與離子交聯聚合物混合的微細催化劑顆粒，通常為鉬(Pt)。催化劑混合物沉積在薄膜的兩則上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物及薄膜的組合限定了薄膜電極組件 (MEA)0 MEA製造比較昂貴，且需要特定的條件以便有效運行。燃料電池堆中通常通過串聯組合幾個燃料電池，以產生期望的功率。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反應氣體，通常為被壓縮機強制通過電池堆的空氣流。不是所有的氧氣都被電池堆消耗掉，一部分空氣輸出作為陰極廢氣，可包括水作為電池堆副產物。燃料電池堆還接收流入電池堆陽極側的陽極氫氣反應氣體。電池堆還包括冷卻流體流動通過的流動通道。燃料電池堆包括位於電池堆中幾個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。雙極板包括用於電池堆中相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道設在雙極板的陽極側上，允許陽極反應氣體流到相應的MEA。陰極氣體流動通道設在雙極板的陰極側上，允許陰極反應氣體流到相應的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傳導出電池堆。雙極板還包括冷卻流體流動通過的流動通道。當燃料電池堆老化時，由於各種因素，電池堆中的各電池的性能不同程度地退化。 低性能電池(例如電池浸水、催化劑失效等)的原因不同，一些是暫時的，一些是永久的，一些需要維修，一些需要電池堆更換以調換這些低性能電池。雖然燃料電池是串聯電聯接，但是當負載交叉聯接電池堆時，每個電池的電壓都不同地降低，其中性能低的那些電池具有更低的電壓。因此，必須監測電池堆中燃料電池的電池電壓，以確保電池的電壓不會降低至低於預定閾值電壓，以防止電池電壓極性變換，可能引起對電池的永久性損壞。通常，監測燃料電池堆中每個燃料電池的電壓輸出，使得系統知道燃料電池電壓是否過低，指示可能的故障。如本領域所理解的，因為所有的燃料電池都是串聯電聯接，所以如果電池堆中有一個燃料電池發生故障，那麼整個電池堆就會都發生故障。作為臨時的解決方案，對於故障的燃料電池可採取一定的補救工作，直到燃料電池車輛可被維修為止， 例如，增大氫氣流和/或提高陰極化學計量比。燃料電池電壓通常由電池電壓監測子系統來測量，該子系統包括到電池堆中各雙極板或一部分雙極板的以及電池堆端板的電連接，以測量各電池正負側之間的電勢。因此， 400個電池的堆可包括連接至電池堆的401根電線。因為零件的尺寸、零件的公差、零件的數量等，在具有這麼多燃料電池的堆中為每個雙極板都提供物理連接是不實際的，並且零件的數量會增加成本，並降低系統的可靠性。還可測量燃料電池堆電壓的總諧波失真(THD)，並用作電池電壓檢測信號。但是， 通常，由於它不產生一致的信號，其中它可產生在某些條件下產生增大的THD，在其它條件下產生減小的THD，而在另一些條件下THD無變化，所以該方法是不可靠的。
發明內容
根據本發明的教導，公開了用於確定流過燃料電池堆的反應氣體流的系統和方法，以確定潛成的電池堆問題，例如可能的低性能燃料電池。所述方法包括向所述燃料電池堆應用微擾頻率，並測量對其響應的電池堆電流和電池堆電壓。測量的電壓和電流用於確定電池堆燃料電池的實際且複雜的阻抗，該阻抗然後可被與正常電池堆運行的預定燃料電池阻抗或阻抗比作比較。如果檢測到異常的燃料電池堆阻抗，那麼燃料電池系統可採取會解決該潛在問題的矯正措施。 本發明提供下列技術方案。技術方案1 一種用於監測包括多個串聯燃料電池的燃料電池堆的方法，所述方法包括
向所述燃料電池堆應用頻率信號； 測量所述燃料電池堆上的電壓； 測量通過所述燃料電池堆的電流
使用測量的電壓和測量的電流計算所述燃料電池的實際複雜阻抗；以及將計算的所述燃料電池的阻抗與最優燃料電池阻抗作比較，以確定燃料電池堆特性。技術方案2 根據技術方案1的方法，其中向所述燃料電池堆應用頻率信號包括為所述燃料電池堆的陰極側選擇具有第一頻率的頻率信號，或為所述燃料電池堆的陽極側選擇具有第二頻率的頻率信號，其中所述第一頻率與第二頻率不相同。技術方案3 根據技術方案2的方法，其中所述第一頻率約為50 Hz，所述第二頻率約為2-5 Hz0技術方案4 根據技術方案1的方法，還包括如果計算的燃料電池阻抗與所述最優燃料電池阻抗之間的差大於預定閾值，那麼採取矯正措施。技術方案5 根據技術方案4的方法，其中採取矯正措施包括增大或減小至所述燃料電池堆陰極側的空氣流和/或增大或減小至所述燃料電池堆陽極側的氫氣氣體流。技術方案6 根據技術方案4的方法，其中採取矯正措施包括改變至所述燃料電池堆的陰極氣流的溼度、調節至所述燃料電池堆的冷卻流體流、或降低所述燃料電池堆上的負載電流。技術方案7 根據技術方案1的方法，其中向所述燃料電池堆應用頻率信號包括將所述燃料電池堆上的負載有選擇地連接或斷開。技術方案8 根據技術方案7的方法，其中所述負載為電阻器，有選擇地連接和斷開所述電阻器通過開關來提供。技術方案9 根據技術方案7的方法，其中所述負載為所述燃料電池堆中用於其它目的的元件。技術方案10 根據技術方案9的方法，其中所述元件為功率變換器。技術方案11 根據技術方案1的方法，其中確定燃料電池堆特性包括確定通過所述電池堆的陰極氣流和陽極氣流。技術方案12 一種用於監測流過包括多個串聯燃料電池的燃料電池堆的反應氣體流的方法，所述方法包括
通過有選擇地連接和斷開所述電池堆上的負載而向所述燃料電池堆應用具有第一頻率的頻率信號，以監測通過所述燃料電池堆的陰極側的空氣流；
通過有選擇地連接和斷開所述電池堆上的負載而向所述燃料電池堆應用具有第二頻率的頻率信號，以監測通過所述燃料電池堆的陽極側的氫氣氣體流，其中所述第一頻率與所述第二頻率不相同；
當應用所述頻率信號時，測量所述燃料電池堆上的電壓； 當應用所述頻率信號時，測量通過所述燃料電池堆的電流； 使用測量的電壓和測量的電流計算所述燃料電池的實際複雜阻抗；以及將計算的所述燃料電池的阻抗與最優燃料電池阻抗作比較，以確定反應氣體流對於當前電池堆運行條件是否是最優的。技術方案13 根據技術方案12的方法，還包括如果計算的燃料電池阻抗與所述最優燃料電池阻抗之間的差大於預定閾值，那麼採取矯正措施。技術方案14 根據技術方案13的方法，其中採取矯正措施包括增大或減小至所述燃料電池堆陰極側的空氣流和/或增大或減小至所述燃料電池堆陽極側的氫氣氣體流。技術方案15 根據技術方案12的方法，其中所述負載為電阻器，有選擇地連接和斷開所述電阻器通過開關來提供。技術方案16 根據技術方案12的方法，其中所述負載為所述燃料電池堆中用於其它目的的元件。技術方案17:根據技術方案12的方法，其中所述元件為功率變換器。技術方案18 根據技術方案12的方法，其中所述第一頻率約為50 Hz，所述第二頻率約為2-5 Hz0技術方案19 一種用於監測流過包括多個串聯燃料電池的燃料電池堆的反應氣體流的系統，所述系統包括
用於通過有選擇地連接和斷開所述電池堆上的負載而向所述燃料電池堆應用具有第一頻率的頻率信號，以監測通過所述燃料電池堆的陰極側的空氣流的裝置；
用於通過有選擇地連接和斷開所述電池堆上的負載而向所述燃料電池堆應用具有第二頻率的頻率信號，以監測通過所述燃料電池堆的陽極側的氫氣氣體流的裝置，其中所述第一頻率與所述第二頻率不相同；
用於在應用所述頻率信號時測量在所述燃料電池堆上的電壓的裝置； 用於在應用所述頻率信號時測量通過所述燃料電池堆的電流的裝置； 用於使用測量的電壓和測量的電流計算所述燃料電池的實際複雜阻抗的裝置； 用於計算所計算的阻抗值之比的裝置；以及
用於將計算的所述燃料電池的阻抗之比與最優燃料電池阻抗作比較，以確定所述反應氣體流對於當前電池堆運行條件是否是最優的裝置。技術方案20 根據技術方案19的系統，其中所述負載為電阻器，有選擇地連接和斷開所述電阻器通過開關來提供。技術方案21 根據技術方案19的系統，其中所述負載為功率變換器。技術方案22 根據技術方案19的系統，還包括如果計算的實際複雜的燃料電池阻抗與所述最優燃料電池阻抗之間的差大於預定閾值則採取矯正措施的裝置，其中採取矯正措施的裝置增大或減小至所述燃料電池堆陰極側的空氣流和/或增大或減小至所述燃料電池堆陽極側的氫氣氣體流。技術方案23 根據技術方案19的系統，其中所述第一頻率約為50 Hz，所述第二頻率約為2-5 Hz0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1為測量流過燃料電池堆的反應氣體流的燃料電池系統的流程框圖；以及圖2為用於向燃料電池堆應用微擾頻率並測量電池堆的電壓和電流的示意圖。
具體實施例方式下面涉及用於監測燃料電池堆中反應氣體流以確定電池堆異常的系統和方法的本發明實施方式的描述實質上僅僅是示例性的，而不是意欲以任何方式限制本發明或其應用或使用。圖1為包括燃料電池堆12的燃料電池系統10的流程框圖。在系統10中，在線路16上向求和點18提供預定的期望頻譜測量值，包括期望的電池堆電壓、電池堆電流、燃料電池阻抗等，用以最優化電池堆和系統操作。這些測量和參數被發送至框20處的反應控制算法，該算法還接收線路22上用於期望電池堆輸出功率的反應流請求，例如車輛節氣門位置。反應控制算法確定恰當的反應氣體流，包括用於燃料電池堆12的陰極側的空氣流和用於燃料電池堆12的陽極側的氫氣氣流。反應控制算法使用用於最優系統操作的反應請求信號和期望測量值來以本領域技術人員公知的方式確定應當給電池堆12提供多少反應流。然後框20處算法提供的控制信號被送往反應流框M，該框表示對壓縮機和氫氣燃料源的控制，其中壓縮機用於給電池堆12的陰極側提供陰極空氣，氫氣燃料源給燃料電池堆的陽極側提供氫氣氣體，例如從高壓存儲罐提供氫氣氣體的噴射器或噴射器組。如下面所詳細描述的，向電池堆12應用微擾頻率，以確定燃料電池阻抗，該阻抗可表示燃料電池堆12的陰極側和陽極側的恰當反應氣流。需要不同的頻率來檢測通過電池堆12的陽極和陰極側的氣流。燃料電池堆12的陰極側和陽極側需要不同頻率的原因與燃料電池中MEA的電極處的催化劑配置有關。微擾頻率為比較低的頻率，依賴於要確定的特定氣流。該特定頻率依賴於要使用的電池堆技術，通常可根據試驗來確定。對於當前電池堆技術，對通過燃料電池堆12的陽極側的氫氣氣流可應用在2-5 Hz範圍內的頻率信號， 和對通過燃料電池堆12的陰極側的空氣流可應用約50 Hz的頻率信號。在框沈提供燃料電池堆12的頻率測量值，其表現為測量通過電池堆12或者電池堆12中至少一系列燃料電池的電壓的電壓計，以及測量流過電池堆12的電流或流過電池堆12中一系列燃料電池的電流的電流計。框沈的電壓和電流測量值被提供給框28的阻抗計算算法，該算法使用那些測量值來計算電池堆12中電池或被測量的串聯電池組的實際複雜阻抗。阻抗計算算法使用計算的阻抗，並根據是監測陰極空氣還是陽極氫氣氣體，通過比較程序或阻抗比來確定計算的阻抗是否是燃料電池在當前系統操作條件下的最優阻抗。如果燃料電池的阻抗不是那些操作條件下的期望阻抗，那麼阻抗計算算法在線路16向求和點18發送調節期望頻譜測量的信號，使得框20處的反應控制算法改變框M處的反應氣流。反應控制算法將知道燃料電池堆12的陽極或陽極側中的哪個當前正在被監測，並且如果必要會就此時僅調節壓縮機或氫氣氣體噴射器中的一個或另一個。另外，系統控制器可採取其它補救或矯正措施來提高電池阻抗，例如調節陰極進氣的溼度、調節流過燃料電池堆12的冷卻劑和/或燃料電池堆12的溫度、減小電池堆負載電流等。因此，這樣，系統10能夠監測電池電壓，以僅使用用於電壓計和電流計的到燃料電池堆12的兩個連接來檢測異常操作情形，而不是測量燃料電池電壓以檢測低性能電池通常所需的許多連接。除了檢測異常或不適當的系統操作情形之外，本文所描述的系統和方法可用於調諧或最小化到燃料電池堆12的陰極空氣流和氫氣氣體流。特別地，通過為當前電池堆功率需求或負載確定至電池堆12的最小陰極空氣流和/或陽極氣流，以上述方式確定電池阻抗可用來確保為有效的系統運行獲得最小氣流。因此，為了有效運行，可最小化壓縮機速度， 並最小化在電池堆12提供的氫氣量。圖2為用於向包括多個串聯燃料電池44的燃料電池堆42應用微擾頻率的系統40 的示意圖，如上所述。正極電線46聯接至燃料電池堆42的正極端，負極電線48聯接至燃料電池堆42的負極端，其中電線46和48向要被供能的特定系統提供電池堆電力。電流計 50設在正極電線46上，測量流過電池堆42的電流，電壓計52電聯接成橫跨電線46和48， 測量穿過電池堆42的電勢。本發明考慮用於給電池堆42提供微擾頻率以便以上述方式確定電池阻抗的任意適當技術。在該非限制性實施方式中，系統40包括具有一定諧振頻率的負載M，例如適當的電阻器，和電聯接至通過電池堆42的電線46和48的MOSFET開關56，如圖所示。當通過電池堆42提供電力時，開關56以期望的的頻率(即，負載M的諧振頻率)打開和關閉，使得除電池堆12提供的DC功率信號之外，還向電池堆42應用AC頻率信號。電池堆42上的電壓和通過電池堆42的電流以開關56打開和關閉的頻率來測量。這些測量值用於以本領域技術人員公知的方式確定電池堆42中電池44的實際反應阻抗。以開關56打開和關閉的頻率測量電壓和電流來確定電池阻抗與開關56打開時作為電容放電的MEA中的電極有關。 另外，每個不同催化劑材料將提供不同的電池阻抗。當確定陰極空氣流時，開關56以一個期望的頻率打開和關閉，當確定陽極燃料流時，開關56以不同的頻率打開和關閉。在另一
8實施方式中，開關56可為能夠同時提供陰極頻率和陽極頻率的某一裝置。在上面的描述中，微擾頻率由為此目的添加至系統的元件來提供。在另一設計中， 負載M可為燃料電池系統10中現有的部件，例如端部電池加熱器、功率變換器、DC/DC升壓變換器等。前面的描述僅僅公開和描述了本發明的示例性實施方式。本領域的技術人員從該描述及附圖和權利要求可容易地認識到，在不脫離由權利要求定義的本發明實質和範圍的情況下，可對其進行各種改變、修改和變型。
權利要求
1.一種用於監測包括多個串聯燃料電池的燃料電池堆的方法，所述方法包括 向所述燃料電池堆應用頻率信號；測量所述燃料電池堆上的電壓； 測量通過所述燃料電池堆的電流使用測量的電壓和測量的電流計算所述燃料電池的實際複雜阻抗；以及將計算的所述燃料電池的阻抗與最優燃料電池阻抗作比較，以確定燃料電池堆特性。
2.根據權利要求1的方法，其中向所述燃料電池堆應用頻率信號包括為所述燃料電池堆的陰極側選擇具有第一頻率的頻率信號，或為所述燃料電池堆的陽極側選擇具有第二頻率的頻率信號，其中所述第一頻率與第二頻率不相同。
3.根據權利要求2的方法，其中所述第一頻率約為50Hz，所述第二頻率約為2-5 Hz0
4.根據權利要求1的方法，還包括如果計算的燃料電池阻抗與所述最優燃料電池阻抗之間的差大於預定閾值，那麼採取矯正措施。
5.根據權利要求4的方法，其中採取矯正措施包括增大或減小至所述燃料電池堆陰極側的空氣流和/或增大或減小至所述燃料電池堆陽極側的氫氣氣體流。
6.根據權利要求4的方法，其中採取矯正措施包括改變至所述燃料電池堆的陰極氣流的溼度、調節至所述燃料電池堆的冷卻流體流、或降低所述燃料電池堆上的負載電流。
7.根據權利要求1的方法，其中向所述燃料電池堆應用頻率信號包括將所述燃料電池堆上的負載有選擇地連接或斷開。
8.根據權利要求7的方法，其中所述負載為電阻器，有選擇地連接和斷開所述電阻器通過開關來提供。
9.一種用於監測流過包括多個串聯燃料電池的燃料電池堆的反應氣體流的方法，所述方法包括通過有選擇地連接和斷開所述電池堆上的負載而向所述燃料電池堆應用具有第一頻率的頻率信號，以監測通過所述燃料電池堆的陰極側的空氣流；通過有選擇地連接和斷開所述電池堆上的負載而向所述燃料電池堆應用具有第二頻率的頻率信號，以監測通過所述燃料電池堆的陽極側的氫氣氣體流，其中所述第一頻率與所述第二頻率不相同；當應用所述頻率信號時，測量所述燃料電池堆上的電壓； 當應用所述頻率信號時，測量通過所述燃料電池堆的電流； 使用測量的電壓和測量的電流計算所述燃料電池的實際複雜阻抗；以及將計算的所述燃料電池的阻抗與最優燃料電池阻抗作比較，以確定反應氣體流對於當前電池堆運行條件是否是最優的。
10.一種用於監測流過包括多個串聯燃料電池的燃料電池堆的反應氣體流的系統，所述系統包括用於通過有選擇地連接和斷開所述電池堆上的負載而向所述燃料電池堆應用具有第一頻率的頻率信號，以監測通過所述燃料電池堆的陰極側的空氣流的裝置；用於通過有選擇地連接和斷開所述電池堆上的負載而向所述燃料電池堆應用具有第二頻率的頻率信號，以監測通過所述燃料電池堆的陽極側的氫氣氣體流的裝置，其中所述第一頻率與所述第二頻率不相同；用於在應用所述頻率信號時測量在所述燃料電池堆上的電壓的裝置； 用於在應用所述頻率信號時測量通過所述燃料電池堆的電流的裝置； 用於使用測量的電壓和測量的電流計算所述燃料電池的實際複雜阻抗的裝置； 用於計算所計算的阻抗值之比的裝置；以及用於將計算的所述燃料電池的阻抗之比與最優燃料電池阻抗作比較，以確定所述反應氣體流對於當前電池堆運行條件是否是最優的裝置。
全文摘要
本發明涉及檢測串聯燃料電池中單個異常操作的方法和信號處理算法，提供一種用於確定通過燃料電池堆的反應氣體流以確定潛在電池堆問題(例如可能的低性能燃料電池)的系統和方法。所述方法包括向所述燃料電池堆應用微擾頻率，並測量對其響應的電池堆電流和電池堆電壓。測量的電壓和電流用於確定電池堆燃料電池的阻抗，該阻抗然後可被與正常電池堆運行的預定燃料電池阻抗作比較。如果檢測到異常的燃料電池堆阻抗，那麼燃料電池系統可採取會解決該潛在問題的矯正措施。
文檔編號G01R31/36GK102401883SQ20111027287
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月15日 優先權日2010年9月15日
發明者G. 霍赫格拉夫 C., K. 霍爾託普 M., L. 富斯 R. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司