CN110190305B - 燃料电池堆的退化检测装置、燃料电池***和其管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池堆的退化检测装置、燃料电池***和其管理方法。具体而言，一种用于燃料电池堆的退化检测装置包括一个或多个传感器、第一检测模块、第二检测模块和检测融合模块。该一个或多个传感器测量两个相邻燃料电池组的信号以获得两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果。第一检测模块检测两个测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率生成第一检测结果。第二检测模块检测两个测量结果之间的趋势分歧且基于检测到的趋势分歧生成第二检测结果。检测融合模块融合第一检测结果和第二检测结果以生成燃料电池堆的最终检测结果。还公开了具有退化检测装置的燃料电池***和其管理方法。

Description

燃料电池堆的退化检测装置、燃料电池***和其管理方法
技术领域
该公开内容大体上涉及燃料电池领域，且更具体地涉及用于燃料电池堆的退化检测装置、具有退化检测装置的燃料电池***和其管理方法。
背景技术
燃料电池是电化学装置，其可通过燃料(诸如，氢)与氧化剂(诸如，大气空气中包含的氧)的电化学反应使来自燃料的化学能转换成电能。因为燃料电池在环境上优异且高效，燃料电池***被广泛地开发为能量供应***。由于单个燃料电池仅可生成大约1V的电压，因此通常将多个燃料电池堆叠在一起(通常称为燃料电池堆)来得到期望的电压。
较高或较大的燃料电池堆由于其紧凑集成和易于安装而是有利的。为了较高的热效率，多个燃料电池堆通常位于共用的热盒中。由于热/机械应力、热疲劳、Ni/NiO反应、催化剂中毒、交叉/机外泄漏和/或电池/堆缺陷，燃料电池堆将不可避免地退化。如果不能及时检测到退化，燃料电池堆可能快速地导致不可逆的失效结果，诸如，热失控或甚至***。
因此，如何尽可能早地检测到燃料电池堆的退化将变得日益紧迫。
发明内容
在本公开内容的实施例的一个方面，提供了一种用于燃料电池堆的退化检测装置，其中燃料电池堆包括串联连接的燃料电池组。退化检测装置包括一个或多个传感器、第一检测模块、第二检测模块和检测融合模块。该一个或多个传感器配置成用于测量两个相邻燃料电池组的信号以获得两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果。第一检测模块配置成用于检测两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率生成燃料电池堆的第一检测结果。第二检测模块配置成用于检测两个相邻燃料电池组的测量结果之间的趋势分歧且基于检测到的趋势分歧生成燃料电池堆的第二检测结果。检测融合模块配置成用于融合第一检测结果和第二检测结果以生成燃料电池堆的最终检测结果。燃料电池堆的最终检测结果指示燃料电池堆是否退化。
在本公开内容的实施例的另一个方面，提供了一种燃料电池***。燃料电池***包括并行连接的一个或多个燃料电池堆、用于检测该一个或多个燃料电池堆的退化的退化检测装置，以及控制器。每个燃料电池堆包括串联连接的燃料电池组。退化检测装置包括一个或多个传感器、第一检测模块、第二检测模块和检测融合模块。该一个或多个传感器配置成用于测量一个燃料电池堆中的两个相邻燃料电池组的信号以获得两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果。第一检测模块配置成用于检测两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率生成一个燃料电池堆的第一检测结果。第二检测模块配置成用于检测两个相邻燃料电池组的测量结果之间的趋势分歧且基于检测到的趋势分歧生成一个燃料电池堆的第二检测结果。检测融合模块配置成用于融合第一检测结果和第二检测结果以生成一个燃料电池堆的最终检测结果。控制器配置成用于在一个燃料电池堆被检测到退化时控制一个退化的燃料电池堆。
在本公开内容的实施例的又一个方面，提供了一种用于管理燃料电池***的方法。该方法包括：检测燃料电池***中的并行连接的燃料电池堆的退化，其包括测量一个燃料电池堆中的两个相邻的串行连接的燃料电池组的信号以获得两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果；检测两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率生成这一个燃料电池堆的第一检测结果；检测两个相邻燃料电池组的测量结果之间的趋势分歧且基于检测到的趋势分歧生成这一个燃料电池堆的第二检测结果；以及融合第一检测结果和第二检测结果以生成这一个燃料电池堆的最终检测结果且在检测到这一个燃料电池堆退化时控制这一个退化的燃料电池堆。
技术方案1. 一种用于燃料电池堆的退化检测装置，其中所述燃料电池堆包括串联连接的燃料电池组，所述退化检测装置包括：
一个或多个传感器，其用于测量两个相邻燃料电池组的信号以获得所述两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果；
第一检测模块，其用于检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率生成所述燃料电池堆的第一检测结果；
第二检测模块，其用于检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的趋势分歧且基于检测到的趋势分歧生成所述燃料电池堆的第二检测结果；以及
检测融合模块，其用于融合所述第一检测结果和所述第二检测结果以生成所述燃料电池堆的最终检测结果。
技术方案2. 根据技术方案1所述的退化检测装置，其中，所述一个或多个传感器包括用于测量所述两个相邻燃料电池组的电压的一个或多个电压传感器，或用于测量所述两个相邻燃料电池组的温度的一个或多个温度传感器。
技术方案3. 根据技术方案1所述的退化检测装置，其中，当所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率高于预定阈值时，由所述第一检测模块生成的所述第一检测结果指示所述燃料电池堆的退化标记。
技术方案4. 根据技术方案1所述的退化检测装置，其中，当两个测量结果的变化率具有不同的标记时，由所述第二检测模块生成的所述第二检测结果指示所述燃料电池堆的退化标记。
技术方案5. 根据技术方案1所述的退化检测装置，其中，所述检测融合模块通过对所述第一检测结果和所述第二检测结果加权来融合所述第一检测结果和所述第二检测结果。
技术方案6. 根据技术方案5所述的退化检测装置，其中，所述检测融合模块基于所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应置信度来对所述第一检测结果和所述第二检测结果加权，所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应置信度指示所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应检测可靠性。
技术方案7. 根据技术方案6所述的退化检测装置，其中，所述退化检测装置还包括：
用于基于所述第一检测结果的历史性能生成所述第一检测模块的置信度的第一置信度生成模块；以及
用于基于所述第二检测结果的历史性能生成所述第二检测模块的置信度的第二置信度生成模块。
技术方案8. 根据技术方案7所述的退化检测装置，其中，所述第一置信度生成模块和所述第二置信度生成模块分别集成在所述第一检测模块和所述第二检测模块中。
技术方案9. 一种燃料电池***，包括：
并行连接的一个或多个燃料电池堆，每个燃料电池堆包括串行连接的燃料电池组；
用于检测所述一个或多个燃料电池堆的退化的退化检测装置，包括：
一个或多个传感器，其用于测量一个燃料电池堆中的两个相邻燃料电池组的信号以获得所述两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果；
第一检测模块，其用于检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率生成所述一个燃料电池堆的第一检测结果；
第二检测模块，其用于检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的趋势分歧且基于检测到的趋势分歧生成所述一个燃料电池堆的第二检测结果；以及
检测融合模块，其用于融合所述第一检测结果和所述第二检测结果以生成所述一个燃料电池堆的最终检测结果；以及
控制器，其用于在检测到所述一个燃料电池堆退化时控制所述一个退化的燃料电池堆。
技术方案10. 根据技术方案9所述的燃料电池***，其中，所述燃料电池***包括：
数据收集单元，其包括所述一个或多个传感器且配置成用于收集所述燃料电池***中的燃料电池数据；以及
状态确定单元，其用于基于收集的燃料电池数据确定所述燃料电池***是否在操作状态中，其中当所述燃料电池***在所述操作状态中时，所述退化检测装置被启用。
技术方案11. 根据技术方案10所述的燃料电池***，其中，所述燃料电池***还包括：
用于处理所述收集的燃料电池数据的数据处理单元，其中所述状态确定单元基于处理的燃料电池数据确定所述燃料电池***是否在所述操作状态中。
技术方案12. 根据技术方案10所述的燃料电池***，其中，所述燃料电池数据包括温度、功率、电压、电流、流率、气体成分和压力中的至少一个。
技术方案13. 根据技术方案9所述的燃料电池***，其中，所述一个或多个传感器包括用于测量所述两个相邻燃料电池组的电压的一个或多个电压传感器，或用于测量来自所述两个相邻燃料电池组的温度的一个或多个温度传感器。
技术方案14. 根据技术方案9所述的燃料电池***，其中，所述检测融合模块基于所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应置信度来对所述第一检测结果和所述第二检测结果加权，所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应置信度指示所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应检测可靠性。
技术方案15. 一种用于管理燃料电池***的方法，包括：
检测所述燃料电池***中的并行连接的燃料电池堆的退化，包括：
测量一个燃料电池堆中的两个相邻的串行连接的燃料电池组的信号，以获得两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果；
检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率生成所述一个燃料电池堆的第一检测结果；
检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的趋势分歧且基于检测到的趋势分歧生成所述一个燃料电池堆的第二检测结果；以及
融合所述第一检测结果和所述第二检测结果以生成所述一个燃料电池堆的最终检测结果；以及
在检测到所述一个燃料电池堆退化时控制所述一个退化的燃料电池堆。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其中，控制所述一个退化的燃料电池堆包括：
将所述一个退化的燃料电池堆切换至热待机状态；
监测所述一个退化的燃料电池堆的所有温度；以及
基于所述一个退化的燃料电池堆的所有监测温度来处理所述一个退化的燃料电池堆。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其中，处理所述一个退化的燃料电池堆包括：
确定所述一个退化的燃料电池堆的任何温度是否超过预定温度范围；以及
当存在所述一个退化的燃料电池堆的任何温度超过所述预定温度范围时，隔离所述一个退化的燃料电池堆。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其中，处理所述一个退化的燃料电池堆还包括：
当在预定时间中对于所述一个退化的燃料电池堆没有温度超过所述预定温度范围时，将所述一个退化的燃料电池堆切换至正常操作状态。
技术方案19. 根据技术方案17所述的方法，其中，所述方法还包括：
当隔离的燃料电池堆的数量超过预先限定的数量时，关闭所述燃料电池***。
技术方案20. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述一个退化的燃料电池堆的所述温度包括所述燃料电池组的温度、顶板的温度以及所述一个退化的燃料电池堆的底板的一个或多个温度。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中相似符号代表附图各处的相似部分，其中：
图1为根据本公开内容的一个实施例的用于燃料电池堆的示例性退化检测装置的示意图；
图2为燃料电池堆的示意图；
图3为根据本公开内容的一个实施例的具有图1的退化检测装置的燃料电池***的一部分的示意图；
图4为图3的燃料电池***的另一个部分的示意图；
图5为根据本公开内容的一个实施例的用于管理燃料电池***的方法的流程图；
图6为如何控制图5中退化的燃料电池堆的流程图；以及
图7为使用本公开内容的退化检测方法的检测与常规的操作者检查相比的效果图。
零件列表
100 退化检测装置
11 传感器
12 第一检测模块
13 第二检测模块
14 检测融合模块
15 第一置信度生成模块
16 第二置信度生成模块
G1-Gn, Gi, Gi+1燃料电池组
Mi燃料电池组Gi的测量结果
Mi+1燃料电池组Gi+1的测量结果
R1第一检测结果
R2第二检测结果
Ro最终检测结果
C1第一检测模块的置信度
C2第二检测模块的置信度
200 燃料电池***
21 燃料电池堆
22 控制器
23 数据收集单元
24 状态确定单元
25 启用模块
26 数据处理单元
27 燃料阀
28 吹风机
29 连接器
300 负载。
具体实施方式
下文中将参照附图描述本公开内容的实施例。在以下描述中，众所周知的功能或构造未详细描述以避免使本公开内容在不必要的细节上模糊。
除非另外限定，本文中使用的技术和科学用语具有与由该公开内容所属的领域的普通技术人员通常理解的相同的意义。如本文中使用的用语"第一"、"第二"等不表示任何顺序、质量或重要性，而是用来将一个元件与另一个区分开。同样，用语"一个"和"一种"不表示数量的限制，而是表示提及的项目中的至少一个的存在。用语"或"意指为包括性的，且意味着列举的项目中的任一个或所有。"包含"、"包括"或"具有"以及其变型在本文中的使用意指涵盖随后列举的项目和其等同物以及额外的项目。用语"连接"和"联接"不限于物理或机械连接或联接，且可包括电连接或联接(无论直接或间接)。此外，指示特定位置的用语(诸如，"顶部"、"底部"、"左"和"右")是参照特定附图的描述。本公开内容中公开的实施例可以以不同于附图中示出的方式放置。因此，本文中使用的位置用语不应限于特定实施例中描述的位置。
用于燃料电池堆的退化检测装置
图1示出根据本公开内容的一个实施例的用于燃料电池堆21的示例性退化检测装置100的示意性框图。如图2中示出的那样，燃料电池堆21可通过燃料与空气中的氧的电化学反应生成电功率，且可包括串联连接的多个燃料电池组G1-Gn。每个燃料电池组可包括多个燃料电池。如图1中示出的那样，退化检测装置100包括：一个或多个传感器11；可与该一个或多个传感器11通信的第一检测模块12和第二检测模块13；以及检测融合模块14。
该一个或多个传感器11可测量燃料电池堆21中的两个相邻燃料电池组(例如，燃料电池组Gi和Gi+1 (i=1到n-1))的信号，且因此可获得两个相邻燃料电池组Gi和Gi+1中的每一个的测量结果，即，燃料电池组Gi的测量结果Mi和燃料电池组Gi+1的测量结果Mi+1。在一个实施例中，该一个或多个传感器11可包括用于测量两个相邻燃料电池组Gi和Gi+1的电压的一个或多个电压传感器，且因此获得的两个测量结果Mi和Mi+1是两个相邻燃料电池组Gi和Gi+1的电压测量结果。在另一个实施例中，该一个或多个传感器11可包括用于测量两个相邻燃料电池组Gi和Gi+1的温度的一个或多个温度传感器，且因此获得的两个测量结果Mi和Mi+1是两个相邻燃料电池组Gi和Gi+1的温度测量结果。
应理解的是，本公开内容中的每个燃料电池组作为整体测量，一个传感器11可测量单个且仅一个燃料电池组的信号，或一个传感器11也可测量更多燃料电池组的信号。例如，在一个实施例中，退化检测装置100可包括多个传感器。传感器的数量与燃料电池组的数量相同。每个传感器测量一个燃料电池组的信号。在另一个实施例中，退化检测装置100可包括一个传感器。传感器可测量多个燃料电池组的信号。
第一检测模块12可从该一个或多个传感器11接收两个相邻燃料电池组Gi和Gi+1的测量结果Mi和Mi+1，且可检测两个测量结果Mi和Mi+1之间的偏差的变化率，且基于检测到的偏差的变化率生成燃料电池堆21的第一检测结果R1。如以下公式(1)中示出的那样，当两个测量结果之间的偏差的变化率高于预定阈值时，由第一检测模块12生成的第一检测结果R1指示燃料电池堆21的退化标记。
Figure 562344DEST_PATH_IMAGE001
(1)
在公式(1)中，
Figure 479484DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 321538DEST_PATH_IMAGE003
代表两个相邻燃料电池组Gi+1和Gi的电压测量结果，且
Figure 28332DEST_PATH_IMAGE004
代表预定阈值。预定阈值
Figure 842704DEST_PATH_IMAGE004
可根据实际检测需要调整。
第二检测模块13可从该一个或多个传感器11接收两个相邻燃料电池组Gi和Gi+1的测量结果Mi和Mi+1，且可检测两个测量结果Mi和Mi+1之间的趋势分歧，且基于检测到的趋势分歧生成燃料电池堆21的第二检测结果R2。如以下公式(2)中示出的那样，当两个测量结果的变化率具有不同的标记时，由第二检测模块13生成的第二检测结果R2指示燃料电池堆21的退化标记。
Figure 727484DEST_PATH_IMAGE005
(2)
在公式(2)中，
Figure 994517DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 193417DEST_PATH_IMAGE007
分别代表两个相邻燃料电池组Gi+1和Gi的电压测量结果的变化率。
在本公开内容的退化检测装置100中，第一检测模块12和第二检测模块13可并行检测，且因此可对燃料电池堆21提供冗余检测方法。
来自第一检测模块12的第一检测结果R1和来自第二检测模块13的第二检测结果R2可馈送到检测融合模块14中。检测融合模块14可融合第一检测结果R1和第二检测结果R2以生成燃料电池堆21的最终检测结果Ro。燃料电池堆21的最终检测结果Ro可指示燃料电池堆21是否退化。检测融合模块14可提供与退化检测的速度和可靠性折衷的灵活性。
在一个实施例中，检测融合模块14可通过对第一检测结果R1和第二检测结果R2加权来融合第一检测结果R1和第二检测结果R2。举例来说，检测融合模块14基于第一检测模块12和第二检测模块13的相应置信度C1和C2对第一检测结果R1和第二检测结果R2加权。第一检测模块12和第二检测模块13的相应置信度C1和C2指示第一检测模块12和第二检测模块13的相应检测可靠性。
继续参照图1，退化检测装置100还可包括第一置信度生成模块15和第二置信度生成模块16。第一置信度生成模块15可基于第一检测结果R1的历史性能生成第一检测模块12的置信度C1。第二置信度生成模块16可基于第二检测结果R2的历史性能生成第二检测模块13的置信度C2。第一检测结果R1和第二检测结果R2的历史性能可为虚警率、漏警率或由用户确定的系数。
可选地，第一置信度生成模块15和第二置信度生成模块16可分别集成在第一检测模块12和第二检测模块13中。当然，第一置信度生成模块15和第二置信度生成模块16也可独立于第一检测模块12和第二检测模块13，且作为一个或两个单独的模块。
在另一个实施例中，检测融合模块14可通过执行逻辑AND来融合第一检测结果R1和第二检测结果R2。这意味着在且仅在第一检测结果R1和第二检测结果R2两者为真的情况下，检测融合模块14将给出真的退化信号。在又一个实施例中，检测融合模块14可通过执行逻辑OR来融合第一检测结果R1和第二检测结果R2。这意味着在第一检测结果R1和第二检测结果R2中的任一个为真的情况下，检测融合模块14将给出真的退化信号。本公开内容中提到的第一检测结果R1和第二检测结果R2的融合不应限于上文提到的融合方法。
本公开内容的退化检测装置100可尽可能早地检测燃料电池堆21的退化或失效标记，且关于退化的早期检测可防止由热失控或火灾***引起的燃料电池堆21和/或燃料电池***200的进一步损失。
此外，本公开内容的退化检测装置100可并行使用第一检测模块12和第二检测模块13以检测燃料电池堆21的退化，且此冗余检测方法可提供提高的可靠性且降低关于虚警的可能性。
带有退化检测装置的燃料电池***
图3示出根据本公开内容的一个实施例的燃料电池***200的示意图。如图3中示出的那样，燃料电池***200可包括上文提到的退化检测装置100以及并行连接的一个或多个燃料电池堆21。每个燃料电池堆21可包括串行连接的燃料电池组。在本公开内容的燃料电池***200中，燃料电池堆21中包括的燃料电池组的数量示为五个(举例来说)，燃料电池组G1, G2, G3, G4和G5。退化检测装置100可检测燃料电池***200中的该一个或多个燃料电池堆21的退化。
燃料电池***200可包括数据收集单元23、状态确定单元24和启用模块25。数据收集单元23包括退化检测装置100中的该一个或多个传感器11，且可收集燃料电池***200中的燃料电池数据。燃料电池数据可包括温度、功率、电压、电流、流率、气体成分和压力中的至少一个。状态确定单元24可接收收集的燃料电池数据，且可基于收集的燃料电池数据确定燃料电池***200是否在操作状态中。当状态确定单元24确定燃料电池***200在操作状态中时，启用模块25的输出可变为真，且退化检测装置100被启用且可用于退化检测。当状态确定单元24确定燃料电池***200在非操作状态(诸如，修复状态、维护状态、启动状态、离线状态、关闭状态等)中时，启用模块25的输出可成为假，且退化检测装置100停用。
为了移除来自数据收集单元23的收集的燃料电池数据(包括来自该一个或多个传感器11的两个相邻燃料电池组Gi和Gi+1的测量结果Mi和Mi+1)中的尖峰，燃料电池***200还可包括数据处理单元26。收集的燃料电池数据可首先馈送到数据处理单元26中。数据处理单元26可处理收集的燃料电池数据，例如，通过移动平均或低通滤波算法来移除尖峰。然后，由数据处理单元26处理的燃料电池数据可馈送到状态确定单元24中。在该情形下，状态确定单元24可基于处理的燃料电池数据确定燃料电池***200是否在操作状态中。
本公开内容的燃料电池***200使用具有双重检测模块的退化检测装置100来检测每个燃料电池堆21的退化或失效，因此可尽可能早地以低的虚警检测燃料电池堆21的退化或整个燃料电池***200的失效，且可防止由热失控或火灾***引起的燃料电池堆21和/或整个燃料电池***200的进一步损失。
此外，在本公开内容的燃料电池***200中，不存在可降低安装和操作成本的***操作上的侵入(intrusion)或硬件。
继续参照图3，本公开内容的燃料电池***200还可包括控制器22。控制器22可与退化检测装置100通信，且可在任何一个燃料电池堆21被检测到退化时(即，在由退化检测装置100检测的任何一个燃料电池堆21的最终检测结果指示燃料电池堆21退化时)控制退化的燃料电池堆21。
参照图4，燃料电池***200还可包括燃料阀27、吹风机28和连接器29。燃料阀27、吹风机28和连接器29各自具有与燃料电池堆21的数量对应的数量。燃料可经由一个燃料阀27供应至一个燃料电池堆21，且空气可经由一个吹风机28供应至该燃料电池堆21。每个燃料电池堆21经由连接器29联接至负载300，且因此从每个燃料电池堆21引出的电流可选择性地提供至负载300。每个燃料阀27、每个吹风机28和每个连接器29可由控制器22控制。
在燃料电池***200操作期间，当一个或多个燃料电池堆21发生退化且需要隔离该一个或多个燃料电池堆21时，控制器22可关闭一个或多个相应燃料阀27、一个或多个相应吹风机28和一个或多个相应连接器29，且因此可切断一个或多个相应燃料流通道、一个或多个相应空气流通道和一个或多个相应电流输出通道。
本公开内容的燃料电池***200不仅可实时检测燃料电池堆21的退化，而且在检测到燃料电池堆21退化之后对退化的燃料电池堆21采取有效动作。
用于管理燃料电池***的方法
图5示出根据本公开内容的一个实施例的用于管理燃料电池***的方法的流程图。管理方法可包括如下步骤。
如图5的框B1中示出的那样，检测燃料电池***中的并行连接的燃料电池堆的退化。对于任何一个燃料电池堆i，其退化检测可包括以下步骤B11-B16。
在框B11中，测量燃料电池堆i中的两个相邻的串行连接的燃料电池组的信号以获得两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果，且然后过程分别转到框B12和框B14。
在框B12中，检测两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率，且接着过程继续至框B13。在框B13中，基于检测到的两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率生成燃料电池堆i的第一检测结果。然后，过程转到框B16。
在框B14中，检测两个相邻燃料电池组的测量结果之间的趋势分歧，且接着过程继续至框B15。在框B15中，基于检测到的趋势分歧生成燃料电池堆i的第二检测结果。然后，过程转到框B16。
在框B16中，融合框B13中生成的第一检测结果和框B15中生成的第二检测结果以生成燃料电池堆i的最终检测结果。然后，过程转到框B2。
在框B2中，燃料电池堆i的最终检测结果指示燃料电池堆i是否退化。当指示燃料电池堆i退化时，过程转到框B3。否则，过程返回到框B1以用于继续检测燃料电池堆的退化。
在框B3中，当燃料电池堆i被检测到退化时，控制退化的燃料电池堆i。
下文中，将参照图6详细解释在图6的框B3中燃料电池堆i被检测到退化之后如何控制退化的燃料电池堆i。
如图6中示出的那样，在框B31中，退化的燃料电池堆i被切换至热待机状态。热待机是不带有功率输出和高温的状态，其可在大约1小时中切换至功率生成状态。
在框B32中，监测对于退化的燃料电池堆i的所有温度。对于退化的燃料电池堆i的监测温度可包括燃料电池组的温度、顶板的温度以及退化的燃料电池堆的底板的一个或多个温度。
在框B33中，基于对于退化的燃料电池堆i的所有监测温度来处理退化的燃料电池堆i。处理退化的燃料电池堆i可包括以下步骤B34-B37。
在框B34中，确定对于退化的燃料电池堆i的任何温度是否超过预定温度范围。当存在任何温度超过预定温度范围时，过程转到框B35。否则，过程转到框B36。框B34中的预定温度范围的实施例可为从800℃到900℃。框B34中的预定温度范围的优选实施例可为从820℃到880℃。框B34中的预定温度范围的另外的优选实施例可为从840℃到860℃。
在框B35中，隔离退化的燃料电池堆i，且然后过程继续至框B38。
在框B36中，计算所有温度值停留在预定温度范围以下时的累积时间。如果累积时间大于预定时间，则过程转到框B37，且在框B37中，退化的燃料电池堆i切换至正常操作状态。否则，过程转到框B35以隔离退化的燃料电池堆i。框B36中的预定时间的实施例可为从10分钟到2小时。框B36中的预定时间的优选实施例可为从30分钟到1.5小时。框B36中的预定时间的另外的优选实施例可为从1小时到1.5小时。
在框B38中，确定燃料电池***中的隔离燃料电池堆的数量是否超过预先限定的数量?当隔离燃料电池堆的数量超过预先限定的数量时，过程转到框B39，且在框B39中，燃料电池***关闭。框B38中的隔离燃料电池堆的预先限定的数量取决于燃料电池***中的燃料电池堆的总数量。框B38中的用于隔离燃料电池堆的预先限定的数量的示例是燃料电池***中的燃料电池堆的总数量的50%。
本公开内容的退化检测方法可尽可能早地检测燃料电池堆的退化或失效，且具有低的虚警。此外，本公开内容的管理方法可在燃料电池堆被检测到退化之后较好地管理和控制退化的燃料电池堆和甚至整个燃料电池***，且可改善燃料电池***操作的可靠性和稳定性。
图7示出使用本公开内容的退化检测方法的检测与常规的操作者检查相比的效果图。在该测试中，使用的燃料电池堆分成五个燃料电池组。在图7中，X轴代表时间。
图7中的上图示出退化检测装置100的第一检测模块12中使用的示例性方法。上图中的线G1_12, G1_23, G1_34和G1_45分别代表两个相邻燃料电池组G1与G2之间、两个相邻燃料电池组G2与G3之间、两个相邻燃料电池组G3与G4之间以及两个相邻燃料电池组G4与G5之间的偏差的变化率。在上方的图中，"0.02"选择为用于检测退化的公式(1)中的预定阈值
Figure 737662DEST_PATH_IMAGE010
。如果上图中的任何一条线高于0.02，第一检测模块12将生成第一检测结果R1，其指示由线代表的两个相邻燃料电池组中的退化标记。
图7中的下图示出退化检测装置100的第二检测模块13中使用的示例性方法。下图中的线G2_12, G2_23, G2_34和G2_45分别代表两个相邻燃料电池组G1与G2之间、两个相邻燃料电池组G2与G3之间、两个相邻燃料电池组G3与G4之间以及两个相邻燃料电池组G4与G5之间的趋势分歧。在下方的图中，"两个连续的趋势分歧等于1"选择为用于检测退化的公式(2)中的阈值。如果两个连续的趋势分歧等于1，第二检测模块13将生成第二检测结果R2，其指示由线代表的两个相邻燃料电池组中的退化标记。
基于来自第一检测模块12的第一检测结果R1和/或来自第二检测模块13的第二检测结果R2，可在退化检测装置100的检测融合模块14中使用不同的规则或进行决策的方法。
以下公式(3)中示出用于在检测融合模块14中进行决策的一个特定实施例。时间k处由第一检测模块12生成的第一检测结果R1表示为R1(k)，且时间k处由第二检测模块13生成的第二检测结果R2表示为R2(k)。如果在最后n个连续时间步骤期间由第一检测模块12生成的第一检测结果R1指示退化标记，则检测融合模块14在时间k处将报告退化，或Ro(k)=1。连续时间步骤的数量n是正整数。n的较大值将导致用于异常检测的较长时间，而n的较小值将导致虚警的较高风险。用于连续时间步骤n的示例是3。
Figure DEST_PATH_IMAGE011
(3)
可理解的是，在检测融合模块14中使用公式(3)可基于大于第一阈值的第一检测模块12的置信度C1。
以下公式(4)中示出用于在检测融合模块14中进行决策的另一个实施例。如果在最后m个连续时间步骤期间由第二检测模块13生成的第二检测结果R2指示退化标记，则检测融合模块14在时间k处将报告退化，或Ro(k)=1。连续时间步骤的数量m是正整数。m的较大值将导致用于异常检测的较长时间，而m的较小值将导致虚警的较高风险。用于m的示例是3。
Figure 731026DEST_PATH_IMAGE012
(4)
可理解的是，在检测融合模块14中使用公式(4)可基于大于第二阈值的第二检测模块13的置信度C2。
以下公式(5)中示出用于在检测融合模块14中进行决策的又一个实施例。如果在时间k处由第一检测模块12生成的第一检测结果R1和在时间k处由第二检测模块13生成的第二检测结果R2两者指示退化标记，则检测融合模块14在时间k处将报告退化，或Ro(k)=1。
Figure DEST_PATH_IMAGE013
(5)
可理解的是，当检测融合模块14采用公式(5)进行决策时，可忽略第一检测模块12和第二检测模块13的置信度C1和C2。
在该测试中，检测融合模块14将采用公式(5)中示出的进行决策的规则。在上方的图中，在10:19 AM处，G1_23首先达到0.02的阈值，且因此从第一检测模块12检测两个相邻燃料电池组G2和G3中的退化标记。在下方的图中，在10:19 AM处，G2_23出现等于1的两个连续趋势分歧(如圆中示出的那样)，且因此还从第二检测模块13检测两个相邻燃料电池组G2和G3中的退化标记。因此，检测融合模块14基于公式(5)中示出的进行决策的规则报告10:19 AM处的退化。
然而，在测试期间，操作者未发现燃料电池堆中的异常，直到10:40 AM处。可从图7看到的是，使用本公开内容的退化检测方法的检测时间比现有的操作者检查提前21分钟。此外，操作者检查完全基于操作者的个人体验且可基于电压趋势或温度趋势。因此，操作者检查的检测时间对于不同的操作者可能改变。使用本公开内容的退化检测方法提供更快且更一致的退化检测，为操作者采取补救动作赢得更多时间，且消除对于密集***监测工作量(对于操作者)的需要。
应注意的是，在该检测中，上文分析数据基于每一分钟一个数据点的采样周期来实施。如果期望较快的检测，则可使用每一秒一个数据点的采样周期数据。对于较快的采样频率数据，用于检测上图和下图中的退化的阈值可能需要相应地变化，但本公开内容的退化检测方法的结构将保持不变，且仅用于检测退化的阈值需要进行调整。
尽管根据本公开内容的实施例的退化检测方法和管理方法的步骤示为功能框，但图5和图6中示出的各种框之中的框的顺序和步骤的分离不旨在限制。例如，框可以以不同的顺序执行，且与一个框相关联的步骤可与一个或多个其它框结合或可细分成多个框。
尽管在典型的实施例中示出和描述了本公开内容，但它不旨在限于示出的细节，因为可在不以任何方式脱离本公开内容的精神的情况下进行各种修改和置换。因而，本领域技术人员仅使用常规实验就可想到本文中公开的本公开内容的另外的修改和等同物，且所有此类修改和等同物被认为在如由以下权利要求限定的本公开内容的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池堆的退化检测装置，其中所述燃料电池堆包括串行连接的燃料电池组，所述退化检测装置包括：
一个或多个传感器，其用于测量两个相邻燃料电池组的信号以获得所述两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果；
第一检测模块，其用于检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率来生成所述燃料电池堆的第一检测结果；
第二检测模块，其用于检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果的变化率是否具有不同的标记且基于所述检测来生成所述燃料电池堆的第二检测结果；以及
检测融合模块，其用于融合所述第一检测结果和所述第二检测结果以生成所述燃料电池堆的最终检测结果。
2.根据权利要求1所述的退化检测装置，其特征在于，所述一个或多个传感器包括用于测量所述两个相邻燃料电池组的电压的一个或多个电压传感器，或用于测量所述两个相邻燃料电池组的温度的一个或多个温度传感器。
3.根据权利要求1所述的退化检测装置，其特征在于，当所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率高于预定阈值时，由所述第一检测模块生成的所述第一检测结果指示所述燃料电池堆的退化标记。
4.根据权利要求1所述的退化检测装置，其特征在于，当两个测量结果的变化率具有不同的标记时，由所述第二检测模块生成的所述第二检测结果指示所述燃料电池堆的退化标记。
5.根据权利要求1所述的退化检测装置，其特征在于，所述检测融合模块通过对所述第一检测结果和所述第二检测结果加权来融合所述第一检测结果和所述第二检测结果。
6.根据权利要求5所述的退化检测装置，其特征在于，所述检测融合模块基于所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应置信度来对所述第一检测结果和所述第二检测结果加权，所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应置信度指示所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应检测可靠性。
7.根据权利要求6所述的退化检测装置，其特征在于，所述退化检测装置还包括：
用于基于所述第一检测结果的历史性能来生成所述第一检测模块的置信度的第一置信度生成模块；以及
用于基于所述第二检测结果的历史性能来生成所述第二检测模块的置信度的第二置信度生成模块。
8.根据权利要求7所述的退化检测装置，其特征在于，所述第一置信度生成模块和所述第二置信度生成模块分别集成在所述第一检测模块和所述第二检测模块中。
9.一种燃料电池***，包括：
并行连接的一个或多个燃料电池堆，每个燃料电池堆包括串行连接的燃料电池组；
用于检测所述一个或多个燃料电池堆的退化的退化检测装置，包括：
一个或多个传感器，其用于测量一个燃料电池堆中的两个相邻燃料电池组的信号以获得所述两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果；
第一检测模块，其用于检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率来生成所述一个燃料电池堆的第一检测结果；
第二检测模块，其用于检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果的变化率是否具有不同的标记且基于所述检测来生成所述一个燃料电池堆的第二检测结果；以及
检测融合模块，其用于融合所述第一检测结果和所述第二检测结果以生成所述一个燃料电池堆的最终检测结果；以及
控制器，其用于在检测到所述一个燃料电池堆退化时控制所述一个退化的燃料电池堆。
10.根据权利要求9所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***包括：
数据收集单元，其包括所述一个或多个传感器且配置成用于收集所述燃料电池***中的燃料电池数据；以及
状态确定单元，其用于基于收集的燃料电池数据来确定所述燃料电池***是否在操作状态中，其中当所述燃料电池***在所述操作状态中时，所述退化检测装置被启用。
11.根据权利要求10所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还包括：
用于处理所述收集的燃料电池数据的数据处理单元，其中所述状态确定单元基于处理的燃料电池数据来确定所述燃料电池***是否在所述操作状态中。
12.根据权利要求10所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池数据包括温度、功率、电压、电流、流率、气体成分和压力中的至少一个。
13.根据权利要求9所述的燃料电池***，其特征在于，所述一个或多个传感器包括用于测量所述两个相邻燃料电池组的电压的一个或多个电压传感器，或用于测量来自所述两个相邻燃料电池组的温度的一个或多个温度传感器。
14.根据权利要求9所述的燃料电池***，其特征在于，所述检测融合模块基于所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应置信度来对所述第一检测结果和所述第二检测结果加权，所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应置信度指示所述第一检测模块和所述第二检测模块的相应检测可靠性。
15.一种用于管理燃料电池***的方法，包括：
检测所述燃料电池***中的并行连接的燃料电池堆的退化，包括：
测量一个燃料电池堆中的两个相邻的串行连接的燃料电池组的信号，以获得两个相邻燃料电池组中的每一个的测量结果；
检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果之间的偏差的变化率且基于检测到的偏差的变化率来生成所述一个燃料电池堆的第一检测结果；
检测所述两个相邻燃料电池组的测量结果的变化率是否具有不同的标记且基于所述检测来生成所述一个燃料电池堆的第二检测结果；以及
融合所述第一检测结果和所述第二检测结果以生成所述一个燃料电池堆的最终检测结果；以及
在检测到所述一个燃料电池堆退化时控制所述一个退化的燃料电池堆。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，控制所述一个退化的燃料电池堆包括：
将所述一个退化的燃料电池堆切换至热待机状态；
监测所述一个退化的燃料电池堆的所有温度；以及
基于所述一个退化的燃料电池堆的所有监测温度来处理所述一个退化的燃料电池堆。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，处理所述一个退化的燃料电池堆包括：
确定所述一个退化的燃料电池堆的任何温度是否超过预定温度范围；以及
当存在所述一个退化的燃料电池堆的任何温度超过所述预定温度范围时，隔离所述一个退化的燃料电池堆。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，处理所述一个退化的燃料电池堆还包括：
当在预定时间中对于所述一个退化的燃料电池堆没有温度超过所述预定温度范围时，将所述一个退化的燃料电池堆切换至正常操作状态。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当隔离的燃料电池堆的数量超过预先限定的数量时，关闭所述燃料电池***。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述一个退化的燃料电池堆的所述温度包括所述燃料电池组的温度、顶板的温度以及所述一个退化的燃料电池堆的底板的一个或多个温度。
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