CN110021769B - 用于燃料电池堆的电池反极诊断 - Google Patents

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Abstract

通过响应于对累积电荷密度进行确定而借助控制器对电流密度进行积分来诊断燃料电池反极事件。当累积电荷密度超出阈值时控制器执行控制动作，包括记录指示事件严重性的诊断代码。控制动作可以包括当累积电荷密度超出第一阈值时在降低的功率能力下继续运行电池堆以及当累积电荷密度超出更高的第二阈值时关闭电池堆。该事件可以通过计算平均电池电压与最小电池电压之间的电压差，然后确定该差是否超出电压差阈值来检测。电荷密度阈值可以基于燃料电池或燃料电池堆的使用期、健康状态和/或温度。燃料电池***包括电池堆和控制器。

Description

用于燃料电池堆的电池反极诊断
背景技术
燃料电池堆是在其中通过氢与氧之间受控的电化学反应产生电力的能量转换设备。燃料电池可产生高达1伏的电力，因此大量相同方式配置的燃料电池通常组装在一起形成电池堆。燃料电池的数量和配置最终决定了电池堆的功率能力。高分子电解质膜/质子交换膜(PEM)燃料电池是一种常用于在高功率应用诸如交通工具、发电厂和建筑物中产生电力的燃料电池类型。
虽然一般提供可靠和清洁的能源，但燃料电池有时会出现被称为“电池反极”的情况。在电池反极期间，电池电压可能由于阳极不足而降低，例如，由于燃料供给故障或阻塞而导致的阳极缺氢。电池反极是不希望的，因为燃料电池损坏的可能性增加，结果就是燃料电池的预期寿命缩短。因此，燃料电池***通常对照着最小电压阈值监测电池电压水平，以检测电池反极情况，并作为响应，限制燃料电池堆的运行作为预防动作。
发明内容
本文公开了一种用于诊断燃料电池堆中燃料电池的性能的方法。使用本方法，控制器能在损害性和非损害性电池反极事件之间进行实时区分。因此，向控制器提供额外的时间，以便能够在解决电池反极的根本原因时采取补救动作，而不必像现有方法那样关闭燃料电池堆。
检测电池反极事件可以包括计算燃料电池的平均电池电压与最小电池电压之间的电压差，其中在计算出的差超出电压差阈值时检测出电池反极事件。
本方法的可能实施方式包括响应于检测到的电池反极事件，对燃料电池随时间的电流密度积分以确定累积电荷密度。当累积电荷密度超出校准阈值时，控制器执行一个或多个控制动作。该方法可以包括使用多个这样的阈值，当每个相继的阈值被超过时，可能触发(例如逐渐地触发)不同的控制动作。
控制动作可以包括记录指示检测到的电池反极事件的严重性的诊断代码。在这样的实施方式中，适当的控制动作可以是阈值特异性的，诸如当达到特定阈值时以降低的功率能力暂时继续运行燃料电池堆，以及当积分的电荷密度超出更高的阈值时可能关闭燃料电池堆。以降低的功率能力暂时继续运行燃料电池堆可以包括限制电池堆的电流通量持续校准的持续时间和/或增加到电池堆的氢和/或空气流动。
方法可以任选地包括基于燃料电池或燃料电池堆的使用期、健康状态和/或温度调整一个或多个校准电荷密度阈值。
本文还公开了用于交通工具或其他***的燃料电池***。燃料电池***包括控制器和上述具有多个燃料电池的燃料电池堆，其中控制器具有与燃料电池通信的处理器。处理器被编程而具有用于诊断电池反极事件的指令。指令的执行使得控制器对电池反极事件进行检测，响应于检测到的阈值电池反极事件而对随时间的电流密度进行积分以便借此确定累积电荷密度，以及在积累电荷密度超出校准电荷密度阈值时执行控制动作。
当结合附图时，通过以下用于实现本发明的最佳模式的具体实施方式，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将很明显。
附图说明
图1是示例燃料电池***的示意图，该燃料电池***具有配置用于使用本文所阐述的积分劣化模型执行诊断过程的控制器。
图2A和图2B分别是代表指示示例的基于阳极和阴极不足的电池反极情况的电池电压的时间曲线。
图3是描述用于诊断图1的燃料电池堆的方法的示例实施方式的流程图。
本公开易于进行各种修改和替代形式，并且一些代表性的实施方式已经在附图中以示例的方式示出，将在本文进行详细描述。然而，本公开的新颖方面并不限于附图所示的特定形式。相反，本公开将涵盖落入由所附权利要求所限定的本公开的范围内的修改、等同方式、组合和/或替代方式。
具体实施方式
参照附图，其中在若干附图中相同的附图标记表示相同或相似的部件，在图1中示意性地示出了燃料电池***20。燃料电池***20可以用于产生用于在大量应用中使用的电功率。比如，燃料电池***20可以在图示的交通工具10中用于车载发电。示例交通工具10可以包括交通工具本体12和与路面15滚动摩擦接触的一组驱动轮14。在这样的交通工具10中来自燃料电池***20的电力能够对驱动轮14提供能量，例如，通过给一个或多个电机(未示出)提供功率来最终使轮14转动和/或给车载电动***提供功率。图示示例机动交通工具10以外的交通工具可以受益于燃料电池***20的使用，例如轨道交通工具/列车、航空航天交通工具或者船舶。同样，可以容易地想到非交通工具应用，例如发电厂、移动平台、机器人***或照明***，因此图示的交通工具10旨在作为非限制性的代表性实施方式。
燃料电池***20包括由多个电池24构成的燃料电池堆(FCS)22，其中在图1中示意性地示出了燃料电池24。示例配置的燃料电池堆22可以是用氢作为燃料源的高分子电解质膜/质子交换膜(PEM)器件。可以预期燃料电池堆22的构造中所用的燃料电池24的数量和类型可能会随着预计的应用而变化，因此PEM器件只是其中一种可能的构造。
与燃料电池***20中使用的燃料电池堆22的类型无关，诊断方法100由控制器(C)50在线执行，即实时地在示例***通工具10或安装有燃料电池堆22的其他***上执行。代替使用固定的电池电压阈值作为电池反极触发燃料电池堆22预先关闭的指示，方法100的执行使得控制器50能够更准确地诊断燃料电池堆22的真实性能。这种诊断结果使用下文阐述的积分劣化逻辑11来完成。以这种方式，控制器50能够建立更合理的一组标准用于总体控制燃料电池堆22从电池反极事件中恢复或对电池反极事件进行响应。换句话说，通过消除其中电池电压阈值的降低独自自动触发燃料电池堆22关闭的假阳性结果，控制器50改为使用积分劣化逻辑11来评估给定电池反极事件损坏燃料电池24和/或燃料电池堆22的可能性。
尽管出于图示简单而从图1中进行了省略，但是如本领域中已知的，每个燃料电池24包括由薄膜例如全氟磺酸(PFSA)膜隔开的相对定位的阴极和阳极。这种膜充当隔膜和固态电解质材料以选择性传输氢质子/阳离子穿过燃料电池24。阴极侧扩散介质层存在于阴极侧，阴极侧催化剂层设置在膜与该扩散介质层之间。同样地，阳极侧扩散介质层设置在阳极侧，其中阳极侧催化剂层设置在膜与该扩散介质层之间。如本领域所公知的，催化剂层和膜可以共同限定膜电极组件。多孔扩散介质层一起提供用于将气体传输到膜电极组件和将水从膜电极组件传输出去。
在典型的燃料电池24中，连接在阴极与阳极之间的电压传感器(SV)配置用于测量单个电池电压(箭头VC)，测量发生作为方法100的一部分。针对各燃料电池24中的每一个测得的电池电压(箭头VC)，无论是单独测量的还是从单一电池堆电压测量中平均的，最终被无线地或通过单独的电路走线或传输导体通信至控制器50。还可以使用电流传感器(SI)测量燃料电池堆22的堆电流(箭头IC)，以及一个或多个温度传感器(ST)，各自测量燃料电池堆22的入口和出口处的堆温度，这些测量被记录为温度信号(箭头TS)，并用于正在进行的对燃料电池堆22的监测和控制。
来自燃料源26的氢气(箭头H2)通过进料线31被提供给燃料电池堆22的阳极侧。阳极排气在阳极排气管35上离开燃料电池堆22。压缩机28提供入口气流，进而在阴极输入管线21上向燃料电池堆22提供氧气(O2)。以类似于阳极排气管35的功能的方式，阴极排气在单独的阴极排气管33上从燃料电池堆22输出。示例燃料电池***20还可包括泵39，其使传热流体循环通过热回路37。位于热回路37上的散热器34和加热器32保持所需的燃料电池堆22温度。
还是参照图1，控制器50从温度传感器(ST)接收指示燃料电池堆22的冷却剂入口和出口处传热流体温度的温度信号(箭头TS)。控制器50还从电压传感器(SV)接收电池电压(箭头VC)作为电压信号。作为响应，控制器50控制总体的散热器34、泵39和加热器32的运行。另外，控制器50配置用于控制压缩机28的速度和氢气从燃料源26到燃料电池堆22的流动(箭头H2)。以这种方式，控制器50能够调节从燃料电池堆22输出的功率水平。
在图1的燃料电池堆22的一般运行控制之外，控制器50执行方法100以便针对电池反极事件对燃料电池堆22进行实时监测，然后基于来自积分劣化逻辑11的结果评估电池反极事件的严重性。控制器50最终输出控制信号(箭头CCO)至燃料电池***20以调节燃料电池堆22，包括执行关于燃料电池堆22的控制动作。为了执行本文所公开的指定诊断和控制功能，控制器50配备有处理器(P)和存储器(M)。存储器(M)包括有形的非暂时性存储器，例如只读存储器，无论是光学的、磁性的、闪存的还是其他的。控制器50还包括足量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等，以及高速时钟和计数器、模数和数模电路、输入/输出电路和器件，以及适当的信号调节和缓冲电路。
图2A和图2B分别是指示由于阳极和阴极不足的电池反极的最小电池电压(VC,MIN)的代表性时间曲线60和62。图2A的时间曲线60的模式示出了最小电池电压(VC,MIN)，例如通过图1各自的电压传感器(SV)测得，开始处于低正电压水平，诸如约0.5V，然后快速下降至负电压水平。这种模式指示阳极不足，即，从图1所示的燃料源26的氢气供给(箭头H2)暂时或永久停止。这样的电池反极可能随着时间的推移会损坏表现出时间曲线60模式的特定燃料电池24，但同时可能不会造成立即短路的风险。
图2B所示的阴极不足可能产生持续负的最小电池电压(VC,MIN)。这种电压模式可以在图1的燃料电池堆22的电压恢复期间看到，比如在初始磨合/调节过程期间或者在燃料电池堆22的正在进行的运行期间。这种电池反极通常不会造成损害。因此，在图2A和图2B的时间曲线60和62分别所示的最小电池电压(VC,MIN)的两种代表性模式中，图1的控制器50检测并诊断图2A中所示的特定电池反极(即，阳极不足)的严重性，然后基于诊断结果在必要时采取适当的预防动作来保护燃料电池堆22。
作为本发明方法100的理论基础，对给定燃料电池24的潜在损害在本文中被视为是负载相关的。因此，用控制器50对电池反极严重性进行仔细评估可以允许控制器50对电池反极事件进行补救，而不必立即关闭燃料电池堆22。换句话说，控制器50配置用于在损害性和非损害性电池反极之间进行区分，还用于在执行这种关闭之前了解诊断期间的劣化速率。
特别地，当检测到电池反极事件时，图1的控制器50通过考虑平均电池电压(VC,AVG)与最小电池电压(VC,MIN)之间的差或电压δ(ΔV)来执行其指定的诊断功能。控制器50接下来使用积分劣化逻辑11在从检测到电池反极事件开始的时间范围内对电流进行积分，由此确定累积电荷密度。在电荷密度阈值之上，控制器50执行一个或多个控制动作来帮助保护燃料电池堆22，这可能需要记录诊断代码、限制燃料电池堆22的电流通量和/或根据需要关闭燃料电池堆22，这取决于已经被超过的特定阈值。
图3是描述上文所介绍的方法100的示例实施方式的流程图。始于步骤S102，控制器50检测对燃料电池堆22的请求启动，比如图1的示例交通工具10中的钥匙开启事件或点火请求。响应于请求启动，控制器50可以重置积分劣化逻辑11的累加器，即，从零往上的累积电荷密度值。控制器50确定在图1所示的给定燃料电池24的阳极侧累积的电荷密度。然后方法100进行到步骤S104。
在步骤S104，控制器50接下来接收并处理来自图1中示意性示出的电压传感器(SV)的电池电压(VC)，以校准的采样速率进行。控制器50配置用于计算上文参照图2A和图2B所指出的平均电池电压(VC,AVG)，还用于记录并追踪最小电池电压(VC,MIN)。作为步骤S104的一部分，控制器50将计算出的平均电池电压(VC,AVG)与最小电池电压(VC,MIN)进行比较，实时进行。
以这种方式，控制器50确定电压差(图2A和图2B的ΔV)是否超出校准的电压差阈值。校准的阈值差的合适示例范围是约1.0-1.2V。然而，可以根据燃料电池24的配置和功率能力而使用其他范围或离散值。当电压差(ΔV)超出校准的阈值差时方法100进行到步骤S106，否则控制器50重复步骤S104。控制器50因此停留在步骤S104直至图1的燃料电池***20的后续点火/断电终止了方法100的执行，方法100随着下一次钥匙开启/点火事件而重新开始于步骤S102。
步骤S106包括响应于在步骤S104对电压差(ΔV)超出校准的阈值差的确定，通过图1的积分劣化逻辑11对随时间的堆电流密度(j)进行积分。如本文所使用的，“积分”是指在其中确定曲线下方面积的数学积分，在本方法中该面积等于自校准阈值差开始以来的总累积电荷密度。就是说，控制器50配置用于进行以下计算：
Figure BDA0001910205310000071
其中，CAN是通过自步骤S104的阈值情况开始以来电流密度(j)随时间(t)的积分确定的累积电荷密度，其中电流密度以每平方厘米(cm2)的安培数或Amps(A)来表示。然后方法100进行到步骤S108和S110。
步骤S108和S110可以包括将来自步骤S106的累积电荷密度与校准的第一电荷密度阈值和第二电荷密度阈值分别进行比较，其中步骤S108的第一电荷密度阈值小于第二电荷密度阈值。当累积电荷密度超出第一电荷密度阈值时，方法100可以从步骤S108进行到步骤S112，否则控制器50重复步骤S106。类似地，当累积电荷密度超出更高的第二电荷密度阈值时，方法100可以从步骤S110进行到步骤S114，否则重复步骤S106。
步骤S112和S114包括通过控制器50执行关于图1的燃料电池堆22的控制动作。在步骤S112，比如，控制器50可以限制燃料电池堆22的电流通量，增加从图1的燃料源26的氢气流动(箭头H2)，或者执行另一种不关闭燃料电池堆22的合适的控制动作。控制器50可以记录诊断代码作为指示诊断结果的步骤S112的一部分。步骤S112可以继续持续校准的持续时间，在电池反极没有受到控制器50的动作校正时默认到步骤S114，和/或重复步骤S108以确定是否仍然超出第一阈值。
当累积电荷密度相对于校准的电荷密度阈值而过高时，控制器50可以使用步骤S114。与步骤S112一样，控制器50可以记录诊断代码作为指示此诊断结果的步骤S114的一部分。然而，由于步骤S110的第二电荷密度阈值设置在指示燃料电池24即将劣化的水平，因此步骤S114的控制动作可以包括对图1的燃料电池堆22和/或***20的自动关闭。第二电荷密度阈值取决于用于构造图1的燃料电池***20的特定燃料电池24和燃料电池堆22的构造。累积至第二电荷密度阈值发生时的速度取决于燃料电池堆22的功率输出，例如，在全功率下在小于1s内达到的0.9库仑/cm2的示例极限在怠速条件下可能需要30-40s。
作为方法100的途径的一部分，控制器50还可以考虑燃料电池24的使用期、其健康状态、温度和/或其他因素诸如燃料电池24的水合水平，然后基于这些值随时间调整步骤S104、S108和/或S110的电荷密度阈值。比如，给定燃料电池24在燃料电池堆22内相对于图1的进料线31的位置可用于调整这些电荷密度阈值，其中更靠近进料线31的燃料电池24比离进料线31更远的那些燃料电池更容易水合。可以在较低温度下放宽阈值，因为燃料电池24在较低温度下能够将较高的电荷密度维持更长的持续时间。较旧的燃料电池24倾向于随着时间的推移而在健康和内部电池电阻方面有所劣化，因此对于这些燃料电池24可以使用更严格的电荷密度阈值。平衡上述因素的一种可能途径是控制器50的存储器(M)中的查找表，图1的处理器(P)可以访问该查找表以确定在步骤S104、S108和/或S110中使用的适当阈值，例如，将填充查找表的值确定为温度、水合、使用期、健康状态等的函数。
上述方法100旨在改善典型诊断途径的性能，在该途径中仅基于最小电池电压(图2A和2B的VC,MIN)低于校准的负电压阈值持续阈值持续时间而主动关闭燃料电池堆。作为示例，针对持续超过0.6s看到的-0.8V的最小电压，或者持续更长的持续时间例如10s的更高电压例如-0.1V，通常会触发自动关闭动作。因此，使用本方法100有助于消除在非有害电池反极的情况下对图1的燃料电池堆22的不必要的自动关闭，由此提高燃料电池***20的可靠性，而不会对耐用性、性能或结构完整性产生不利影响。
虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施方式，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施方式。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的实施方式进行修改。此外，本构思明确地包括所描述的要素和特征的组合和子组合。具体实施方式和附图是对本教导的支持和描述，本教导的范围仅由权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于诊断燃料电池堆中燃料电池的电池反极事件的方法，所述方法包括：
通过控制器检测所述电池反极事件；
响应于检测到的阈值电池反极事件而使用所述控制器对所述燃料电池随时间的电流密度进行积分，由此确定累积电荷密度；
将所述累积电荷密度与校准电荷密度阈值进行比较；以及
当所述累积电荷密度超出所述校准电荷密度阈值时执行关于所述燃料电池堆的控制动作，所述控制动作包括在所述控制器的存储器中记录指示所述电池反极事件严重性的诊断代码；
其中所述校准电荷密度阈值包括第一校准电荷密度阈值和第二校准电荷密度阈值，所述第二校准电荷密度阈值超出所述第一校准电荷密度阈值，其中执行控制动作包括当所述累积电荷密度超出所述第一校准电荷密度阈值时在降低的功率能力下暂时继续运行所述燃料电池堆，以及当所述累积电荷密度超出所述第二校准电荷密度阈值时关闭所述燃料电池堆。
2.根据权利要求1所述的方法，其中暂时继续运行所述燃料电池堆包括限制所述燃料电池堆的电流通量持续校准的持续时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中继续运行所述燃料电池堆包括增加氢到所述燃料电池堆的流动持续校准的持续时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中检测电池反极事件包括计算所述燃料电池的平均电池电压与最小电池电压之间的电压差，之后确定计算出的电压差是否超出电压差阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：基于所述燃料电池或所述燃料电池堆的使用期或健康状态通过所述控制器调整所述校准电荷密度阈值。
6.一种燃料电池***，其包括：
具有多个燃料电池的燃料电池堆；以及
具有与所述多个燃料电池通信并编程有用于诊断电池反极事件的指令的控制器，其中所述指令的执行使得所述控制器：
检测所述多个燃料电池中的一个的所述电池反极事件；
响应于检测阈值电池反极事件，对具有检测出的电池反极事件的所述燃料电池随时间的电流密度进行积分，由此确定累积电荷密度；以及
当所述累积电荷密度超出校准电荷密度阈值时执行关于所述燃料电池堆的控制动作，包括通过所述控制器记录指示所述电池反极事件严重性的诊断代码；
其中所述校准电荷密度阈值包括第一校准电荷密度阈值和第二校准电荷密度阈值，其中所述第二校准电荷密度阈值超出所述第一校准电荷密度阈值，其中所述控制器记录用于通过以下来执行所述控制动作：
当所述累积电荷密度超出所述第一校准电荷密度阈值时在降低的功率能力下暂时继续运行所述燃料电池堆；以及
当所述累积电荷密度超出所述第二校准电荷密度阈值时关闭所述燃料电池堆。
7.根据权利要求6所述的***，其中所述控制器记录用于通过计算每个燃料电池的平均电池电压与最小电池电压之间的电压差，并比较所计算出的电压差是否超出电压差阈值来检测所述电池反极事件。
8.根据权利要求6所述的***，其中所述控制器记录用于基于所述燃料电池或所述燃料电池堆的使用期或健康状态而自动调整随时间的校准电荷密度阈值。
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