CN116868388A - 与再装填站的探头连接的燃料电池以及诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池(4)，所述燃料电池包括：燃料容器(2)；阳极腔室，所述阳极腔室中注射有燃料；以及用于管控所述燃料电池(4)的管控单元(3)，所述燃料电池还包括数据通信部件(11)，所述数据通信部件设置用于与燃料再装填站(12)配合和从所述再装填站(12)接收注射到所述容器(2)中的燃料的污染测量值(DS)，并且，所述管控单元(3)包括诊断部件，所述诊断部件能够基于至少一种污染物的所述污染测量值(DS)计算所述燃料电池(4)的污染等级。

Description

与再装填站的探头连接的燃料电池以及诊断方法
技术领域
本发明要求于2021年2月18日提交的法国申请N°2101583的优先权，该申请的内容(文本、附图和权利要求)通过引用并入本文。
本发明的领域涉及一种燃料电池以及一种用于诊断所述燃料电池的诊断方法，所述燃料电池包括测量部件，所述测量部件用于测量注射到阳极腔室中的燃料的污染等级。本发明尤其应用于由燃料电池供给能量的电气化车辆。
背景技术
燃料电池是电气发生器，其中，电力通过还原性燃料在电极上的氧化来产生。所述燃料电池需要燃料(更经常地，氢气)供应。存在本领域技术人员所已知的多个类型的燃料电池。对于电气化车辆，更经常地使用具有质子交换膜的电池。该类型的电池包括：阳极腔室，所述阳极腔室中注射有氢气与阳极接触；阴极腔室，所述阴极腔室中注射有氧气与阴极接触；质子交换膜；以及加速气体间反应的催化剂。
所述燃料电池的性能取决于催化剂层的性能。然而，所述催化剂的性能可能受到出现于所述燃料的生产和供应链中的污染物存在的影响。传统地，执行所述燃料电池的再生循环以排出这些污染物。已知文件WO2017098160A1描述了一种燃料电池再生方法。
另外，为了减少污染物的引入，所述燃料的供应链通常根据国际标准进行管控，所述国际标准限定了管控协议并且确定了待监视污染物以及针对经辨识的每种污染物的浓度限制值。可例如列举国际组织SAE的标准SAEJ2719(“Hydrogen Fuel Quality for FuelCell Vehicles(燃料电池汽车的氢燃料质量)”)又或标准ISO 14687(“QualitéduCarburant Hydrogène(氢燃料质量)”)。
通常地，氢气生产链装备有能够监视这些污染等级的探头。然而，这些探头成本过高，目前不考虑其在车辆上的集成和连续监视。
发明内容
因此存在对于克服上述问题的需求。本发明的目的在于改善对于具有燃料电池的车辆的燃料污染的监视以及改善性能诊断效率和再生循环管控效率。
更确切地，本发明涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括：燃料容器；阳极腔室，所述阳极腔室中注射有燃料；以及用于管控所述燃料电池的管控单元。根据本发明，所述燃料电池还包括：数据通信部件，所述数据通信部件设置用于与燃料再装填站配合和从所述再装填站接收注射到所述容器中的燃料的污染测量值；以及诊断部件，所述诊断部件能够基于至少一种污染物的所述污染测量值计算所述燃料电池的污染等级。
根据变型，所述诊断部件能够：基于所述污染等级计算用于校正实际功率的校正系数以及基于所述校正系数和经测量的实际功率计算经估算的功率，对经估算的功率与预确定阈值进行比较，并且在经估算的功率小于所述预确定阈值时触发再生循环。
根据变型，所述管控单元还包括警报部件，所述警报部件能够根据在在再生循环之后的实际功率测量值与参考功率之间的功率比例计算持久(permanent)污染等级，所述参考功率表征所述燃料电池的初始状态。
本发明涉及一种由燃料电池(根据其中任一项上述实施例)和燃料再装填站构成的组合，所述站包括用于测量所述再装填站的燃料污染的探头，在燃料再装填期间，所述电池的数据通信部件与所述探头配合以便接收污染测量值。
本发明还提供了一种由燃料电池(根据其中任一项上述实施例)实施的用于诊断燃料电池的诊断方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-在燃料再装填期间，基于来自数据通信部件的测量值确定至少一种污染物的污染测量值，
-创建诊断，所述诊断在于基于所述污染测量值计算所述燃料电池的污染等级。
根据变型，所述诊断还包括以下步骤：
-基于所述污染等级计算用于校正功率的校正系数，
-基于所述校正系数和经测量的由所述燃料电池释放的实际功率计算经估算的可由所述燃料电池释放的功率，
-对经估算的功率与预确定阈值进行比较，并且在经估算的功率小于所述预确定阈值时触发再生循环。
根据所述方法的变型，所述污染等级根据至少一种污染物的所述污染测量值和与所述污染物相关联的减活系数进行计算。
根据变型，所述方法还包括根据在在再生循环之后的实际功率测量值与参考功率之间的功率比例计算持久污染等级以及在所述比例小于预确定阈值时创建警报信号，所述参考功率表征所述燃料电池的初始状态。
本发明还提供了一种具有燃料电池的电气化车辆，其中，所述燃料电池是根据其中任一项上述实施例的。
本发明能够创建对于燃料电池的能量性能诊断，所述能量性能诊断建立在由装备于再装填站上的外部探头获得的污染物测量值上。这些测量值能够创建预测性诊断以操控再生循环和/或维护操作。
附图说明
通过阅读本发明下文中的包括仅作为非限制性示例给出的本发明实施例的详细说明和附图，本发明的其它特征和优点将更加清楚，在所述附图中：
-图1示出了符合本发明地由具有燃料电池的电气化车辆和燃料再装填站形成的组合；
-图2示意性地示出了能够实施本发明的燃料电池，所述燃料电池是具有质子交换膜的类型的；
-图3示意性地示出了实施根据本发明的诊断方法的燃料电池管控单元；
-图4示出了根据本发明的诊断方法的略图。
具体实施方式
本发明应用于电动机动领域，特别是应用于装备有用于生成电气能量的燃料电池的电气化车辆。本发明独立于所述燃料电池的类型地应用，本发明还瞄准了任何装备有燃料容器的***，其中，基于探头执行污染测量，所述探头经集成至处在所述车辆外部的再装填***。本发明可应用于具有质子交换膜、固体氧化物等的燃料电池。所述燃料可例如是氢气或甲醇。
在本说明书附图的图1中，描述了本发明在具有电气化牵引的机动车辆中的应用，所述机动车辆装备有具有质子交换膜的燃料电池4，在所述燃料电池中，燃料是经存储于所述车辆的高压容器2中的氢气。燃料电池4给高压电气电池***5提供电气能量，所述高压电气电池***可给车载电气网络6和电气牵引机器7供电。该示例情况对应于续航延长器类型的架构，在该架构中，所述燃料电池具有低功率。在另一实施例中，燃料电池4具有高功率并且能够直接给电气牵引机器7供电。
所述燃料电池还包括电子管控单元3，所述电子管控单元的功能在于：操控所述车辆的车载电气能量的生成，创建能量性能诊断，在性能下降的情况下操控所述燃料电池的再生循环，创建持久污染诊断和尤其是创建警报。特别地，管控单元3依赖于通过数据通信部件8和11接收的污染测量值DS。管控单元3为此包括数据通信接口11，所述数据通信接口能够通过有线通信信道或无线通信信道(例如通过3G、4G或5G移动电话网络、WIFI网络或者通过蓝牙)与氢气再装填站12通信，所述无线通信信道允许在再装填站12与管控单元3之间通过波道传输数据。
污染测量值DS来自于再装填站12的氢气容器9的测量探头10。污染测量值DS包括国际燃料质量管控标准(尤其是标准SAEJ2719和ISO 14687)中所列出的其中全部或部分的污染物的污染等级。例如，所述污染测量值包括以下表格中所列出的其中全部或部分的污染物，并且，管控单元3能够相对于预确定限制值监视其中全部或部分的污染物的污染等级，所述预确定限制值示出在所述表格的第二列中。所述污染测量值并不限于以下表格中所提供的列表。
在氢气再装填操作期间，所述再装填站能够与用于管控所述燃料电池的管控单元3配合以传输所述污染测量值。
另外，管控单元3配置用于对每种污染物应用系数，所述系数表征在燃料电池4的能量性能方面的影响。所述系数越高，所述污染物越大地改变所述燃料电池4的能量性能。在本说明书的下文中描述了取决于所述污染测量值的能量性能诊断的实施。
在图2中，现在描述了本领域技术人员所已知的燃料电池1的示例，本发明实施在所述燃料电池中。该示例是作为说明性示例给出的并且是非限制性的。燃料电池1包括：与阳极23接触的阳极腔室20、与阴极24接触的阴极腔室22、质子交换室21。注射到所述阳极腔室中的燃料是来自于所述车辆的高压容器的氢气。本发明旨在基于在氢气再装填操作期间由所述再装填站的探头执行的测量来测量所述氢气的污染等级。
在图3中，示意性地示出了用于管控所述燃料电池的管控单元3。管控单元3配备有具有集成电路的计算机和电子存储器，所述计算机和所述存储器配置用于执行用于诊断所述燃料电池的诊断方法。但这不是强制性的。事实上，所述计算机可处在管控单元3外部同时与该管控单元3联结。在该后一情况下，所述计算机本身可配置成专用计算机的形式，所述专用计算机例如包括可能的专用程序。因此，根据本发明，控制单元可实施成软件(或计算机(又或“software”))模块的形式、又或电子电路(或“hardware”)的形式、又或电子电路和软件模块的组合的形式。
更确切地，管控单元3包括数据通信接口11，所述数据通信接口适用于接收污染测量值DS以及由燃料电池4基于电气传感器(例如电流传感器和电压传感器)生成的电气功率数据PW。
而且，管控单元3包括诊断模块31，所述诊断模块用于诊断对于所述能量性能的管理和对于所述燃料电池的再生循环的管控。模块31基于污染测量值DS和功率数据PW创建设定值CSRG，所述设定值用于操控燃料电池4的再生循环。设定值CSRG可在于操控在阳极腔室和/或阴极腔室中的气体流量、在电极端子处的电压或所述燃料电池的温度。特别地，模块4实施用于预测对于再生循环的触发的预测性算法，所述预测性算法依赖于污染测量值DS和电气功率测量值PW。再生循环在于清洁所述燃料电池的催化层以再生能量性能。所实施再生类型完全不限制本发明的范围，本领域技术人员可配置与在所给应用中所使用的燃料电池类型适配的再生循环。例如，再生循环在于通过在所给时长期间且在特定于所述再生循环的特定预确定温度下由氧化分子于所述催化剂上经过来清洁所述阳极。还可列举文件WO2017098160A1，该文件描述了一种燃料电池再生方法。
而且，管控单元3包括警报模块32，所述警报模块能够基于污染测量值DS和燃料电池4的功率数据PW创建警报信号SG。特别地，当警报模块32检测到表征在再生循环之后产生的临界电气功率等级的污染等级时，则警报模块32向所述车辆的车主传输警报信号SG，以执行用于维护所述燃料电池的维护操作。
在图4中，现在描述根据本发明的诊断方法，所述诊断方法由用于管控所述燃料电池的管控单元实施。所述方法包括在向所述车辆中再装填所述燃料期间由所述再装填站的一个或多个探头测量40一个或多个污染物等级。
所述方法还包括通过数据通信部件向用于管控所述燃料电池的管控单元传输41来自于所述再装填站的污染测量值。所述测量经由直接地创建于所述再装填站与所述车辆之间的有线数据通信信道或经由波道式数据通信信道进行传输。
所述方法还包括在燃料再装填期间由所述管控单元确定42至少一种污染物的污染测量值。
所述方法还包括创建43诊断，所述诊断在于基于从所述再装填站接收的测量值计算所述燃料电池的污染等级。更确切地，所述燃料电池的污染等级根据一种或每种污染物的污染测量值和所述污染物或每种污染物的相关联减活系数进行计算。一种或每种污染物的污染等级在于计算在由所述探头测量的等级与参考限制值(例如根据表格1中的第二列中所示的值)之间的差异。相对于所述限制值的污染超出量经乘以所述减活系数。所述诊断在于计算总体污染等级，所述总体污染等级考虑到了经测量的每种污染物的影响。所述减活系数配置在所述管控单元的存储器中并且对于每种污染物地对应于在所述燃料电池的能量性能方面的影响的临界等级。例如，硫化物具有较高的临界等级，并且，与硫化物等级的测量值相关联的减活系数成比例地较高。表格1在第三列中描述了与每个污染物测量值相关联的减活系数的值示例。
在诊断43期间计算的污染等级经使用用于实施对于所述燃料电池的预测性监视，尤其是经使用用于当持久污染等级达到临界限制值时触发再生循环44和/或维护操作45。
在第一监视模式中，所述管控单元实施用于预测对于再生循环的触发的预测性算法，所述预测性算法依赖于所述污染测量值。特别地，诊断43还包括基于所述污染等级计算用于校正功率的校正系数以及基于所述校正系数和经测量的由所述燃料电池释放的实际功率计算经估算的可由所述燃料电池释放的功率。所述方法还包括比较步骤，所述比较步骤用于对经估算的功率与预确定阈值(其值例如为经测量的功率的大约95％)进行比较并且在经估算的功率小于所述预确定阈值时由所述管控单元触发再生循环45。
根据第二监视模式，所述诊断方法还包括根据在在再生循环之后的实际功率测量值与参考功率之间的功率比例计算持久污染等级，所述参考功率表征所述燃料电池的初始状态。所述参考功率是记录于所述管控单元的存储器中的参数。当经测量的比例小于或等于预确定阈值(例如大约50％)时，所述方法包括向所述车辆的车主创建45警报信号，以经由人机界面执行维护操作。

Claims (9)

1.一种燃料电池(4)，所述燃料电池包括：燃料容器(2)；阳极腔室(20)，所述阳极腔室中注射有燃料；以及用于管控所述燃料电池(4)的管控单元(3)，其特征在于，所述燃料电池还包括数据通信部件(11)，所述数据通信部件设置用于与燃料再装填站(12)配合和从所述燃料再装填站(12)接收注射到所述燃料容器(2)中的燃料的污染测量值(DS)，并且，所述管控单元(3)包括诊断部件(31)，所述诊断部件能够基于至少一种污染物的所述污染测量值(DS)计算所述燃料电池(4)的污染等级。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述诊断部件(31)能够：
-基于所述污染等级计算用于校正实际功率的校正系数以及基于所述校正系数和经测量的实际功率计算经估算的功率，
-对经估算的功率与预确定阈值进行比较，并且在经估算的功率小于所述预确定阈值时触发再生循环。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述管控单元(3)还包括警报部件(32)，所述警报部件能够根据在在再生循环之后的实际功率测量值(PW)与参考功率之间的功率比例计算持久污染等级，所述参考功率表征所述燃料电池的初始状态。
4.一种由燃料电池(4)和燃料再装填站(12)构成的组合，所述燃料再装填站(12)包括用于测量所述燃料再装填站的燃料污染的探头(10)，其特征在于，所述燃料电池(4)是根据权利要求1至3中任一项所述的，并且，在燃料再装填期间，所述燃料电池(4)的数据通信部件(11)与所述探头(10)配合以便接收污染测量值(DS)。
5.一种用于诊断燃料电池的诊断方法，所述诊断方法由根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池实施，其特征在于，所述诊断方法包括以下步骤：
-在燃料再装填期间，基于来自数据通信部件的测量值确定(42)至少一种污染物的污染测量值，
-创建诊断(43)，所述诊断在于基于所述污染测量值计算所述燃料电池(4)的污染等级。
6.根据权利要求5所述的诊断方法，其特征在于，所述诊断还包括以下步骤：
-基于所述污染等级计算用于校正功率的校正系数，
-基于所述校正系数和经测量的由所述燃料电池释放的实际功率计算经估算的可由所述燃料电池释放的功率，
-对经估算的功率与预确定阈值进行比较，并且在经估算的功率小于所述预确定阈值时触发(44)再生循环。
7.根据权利要求5或6所述的诊断方法，其特征在于，所述污染等级根据至少一种污染物的所述污染测量值和与所述污染物相关联的减活系数进行计算。
8.根据权利要求5、6或7所述的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法还包括根据在在再生循环之后的实际功率测量值与参考功率之间的功率比例计算持久污染等级以及在所述功率比例小于预确定阈值时创建(45)警报信号，所述参考功率表征所述燃料电池的初始状态。
9.一种具有燃料电池的电气化车辆，其特征在于，所述燃料电池是根据权利要求1至3中任一项所述的。
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