CN101107538A - 探测和指示电化学电池内故障状况的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一些实施方案提供了基于表征电化学电池的阻抗测量结果来更精确地确定电化学电池内具体故障的起因的系统和方法。在一些非常具体的实施方案中，在一频率范围内测量电化学电池或电池堆的阻抗，以确定表征电化学电池或电池堆的当前状况的相应阻抗特征。通过与参考信息进行比较来评估阻抗特征，可以探测若干故障。在一些更为具体的实施方案中，一旦确定了相应的具体故障，就可以向用户和/或辅助车间监控系统提供指示，利用该指示可以调整电化学电池模块的运行参数，以补偿和/或逆转由具体故障造成的不利效应。

Description

探测和指示电化学电池内故障状况的系统和方法

优先权要求

根据35 U.S.C.119(e)，本申请要求分别于2004年11月29日和2005年5月11日提交的序列号为60/631,232和60/679,663的美国临时申请的优先权；此处通过援引的方式将其内容纳入本申请。

技术领域

本发明涉及电化学电池，并且更具体地，涉及用于探测电化学电池内故障状况的系统和方法。

背景技术

电化学电池，如此处所定义的，是可以被具体设计成燃料电池或电解电池的电化学反应器。一般地，这两种变体的电化学电池包括阳极、阴极以及布置在电极之间的用作离子导体的电解质。电化学电池一般还包括位于电解质层的一面或两面上的相应催化剂层，以促进电解质层相应面上的电化学反应。

电化学电池的一个具体例子是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC属燃料电池类型，它包括作为电解质层的聚合物薄膜(即，电解质薄膜)。PEMFC电池堆的可靠性和性能受许多运行参数的影响。例如，大部分PEMFC中的电解质薄膜必须保持湿润，为此必须控制PEMFC电池堆内的湿度，以防止电解质薄膜脱水以及电池堆内水淹(flooding)。电解质薄膜脱水导致电解质薄膜的离子电阻增加。在一些情况下，脱水的结果可能对电解质薄膜造成不可逆转的损坏。另一方面，电化学电池内过多的液相水可能使包含在电化学电池内的一个或多个催化剂层、气体扩散媒介和/或流场通道水淹。水淹降低了整个电化学电池堆的反应物和产物的自由移动。作为水淹的结果，电池堆中的一个或多个电池可能发生电池反相，进而对电池堆的一部分造成永久性的损坏。

而且，诸如生产气体流速、湿度、温度以及压力等运行参数对PEMFC燃料电池内水的产生的影响机制是相互关联的，因此难以做到改变一个运行参数而同时不影响燃料电池的运行。也就是说，难以将各个运行参数间的因果关系彼此分开。

电化学电池堆的性能还可能因反应物流入物中杂质的存在和/或电化学电池堆内寄生反应所产生的杂质的积聚而劣化。例如，可以用重整气混合物的组分提供燃料电池的氢燃料，而不是提供纯净的氢。通过重组各种碳氢化合物(例如，通常为天然气)来提取该重整气混合物，该种混合物经常含有一氧化碳，该一氧化碳可能使燃料电池中的阳极催化剂中毒。例如，如果将铂用作为阳极催化剂，由于一氧化碳吸附在铂上而可能发生CO中毒。除了一氧化碳外，其他也可能造成电化学电池中毒的杂质，包括但不限于，二氧化氮、氨、硫化合物以及挥发性有机化合物。

脱水、水淹、催化剂中毒以及其他故障状况(例如，接触电阻故障)一般导致PEMFC燃料电池两端的直流(DC)电压降低。因此，在多数燃料电池应用中，特别是直流电池或电池堆中，将电势(即，电压)用作特定燃料电池或燃料电池堆的性能指标。由于电池的电势的降低可能是由许多并发机制造成的，所以直流电压测量通常不足以确定故障的起因。也就是说，单从电压测量结果难以确定燃料电池的衰减是否是由于脱水、水淹、催化剂中毒或一些其他故障状况造成的。将测量结果错误地归因于特定故障以及随后采取不适当的措施可能加剧衰减。例如，可以通过增大流量计量(flow stoichiometry)来遏制水淹。然而，更大的流量计量可能导致更快速的干化速率。因此，如果干化造成的电压降被误认作是由水淹造成的电压降，那么故障状况会进一步恶化。而且，电压降一般只在故障状况严重程度增加到可能已发生电化学电池模块损坏的程度才被探测到。

发明内容

根据本发明的一较宽的方面，提供了一种探测电化学电池模块内的故障的方法，该方法包括：确定电化学电池模块在至少一个离散频率下的运行特征，以获取所测阻抗值；提供参考阻抗值以及基于与该参考阻抗值的偏差的故障标准，以及将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较以确定是否已经满足故障标准。

根据一些方面，该方法还包括：当将所测阻抗值与参考阻抗值进行比较时，如果已满足至少一个故障标准，则提供已探测到相应故障的指示。

根据一些方面，确定电化学电池模块的运行特征包括测量电化学电池模块的电极两端的交流(AC)电压和流过电化学电池模块的交流电流中的至少一个。

根据一些方面，所述的至少一个故障标准包括至少一个阈值，该阈值涉及以下其中之一：所测阻抗值和参考阻抗值各自的幅度；所测阻抗值和参考阻抗值各自的相位角；所测阻抗值和参考阻抗值各自的实部；以及所测阻抗值和参考阻抗值各自的虚部。

根据一些方面，将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值和参考阻抗值之间的比值。根据其他方面，将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值的幅度和参考阻抗值的幅度之间的比值。根据其他方面，将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值的相位角和参考阻抗值的相位角之间的比值。根据其他方面，将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值和参考阻抗值之间的差。根据其他方面，将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值的幅度和参考阻抗值的幅度之间的差。根据其他方面，将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值的相位角和参考阻抗值的相位角之间的差。

根据一些方面，所述参考阻抗值是用于电化学电池模块的参考阻抗特征(signature)中所包括的多个参考阻抗值中的一个。其中每个参考阻抗值对应于各自的离散频率。根据更为具体的方面，参考阻抗特征至少部分地依赖于电化学电池模块的一组具体的运行状况。

根据一些方面，该方法进一步包括：确定电化学电池模块在多个离散频率下的运行特征，以获取所测阻抗特征，所测阻抗特征包括相应的多个取决于频率的阻抗值；以及将所测阻抗特征中的至少一个特征和参考阻抗特征中的至少一个相应特征以及至少一个故障标准进行比较，以确定是否已经满足该故障标准。根据更为具体的方面，所述的至少一个特征包括阻抗幅度、阻抗相位角、阻抗值的实部和阻抗值的虚部中的一个。根据其他方面，所述的至少一个故障标准是根据阻抗幅度、阻抗相位角、阻抗值的实部和阻抗值的虚部中的至少一个的变化来定义的。

根据其他方面，该方法进一步包括调整电化学电池模块的至少一个运行参数，以补偿所探测到的故障。根据更为具体的实施方案，如果所探测的故障是水淹导致的，则调整至少一个运行参数包括增加流剂量。根据其他更为具体的实施方案，如果所探测的故障是脱水导致的，则调整至少一个运行参数包括增加电化学电池模块内的湿度。

根据本发明的一较宽方面，提供了一种探测电化学电池模块内的故障的方法，该方法包括：表征电化学电池模块，以获取参考阻抗特征，其中该参考阻抗特征包括一组相应离散频率下的多个参考阻抗值；在电化学电池模块的指定应用过程中获取至少一个所测阻抗特征；基于与参考阻抗值的偏差提供故障标准；以及将参考阻抗特征中的至少一个特征和至少一个所测阻抗特征中的至少一个特征进行比较，以确定电化学电池模块中是否存在故障。

根据本发明的一些方面，该方法进一步包括：当将所测阻抗特征和参考阻抗特征进行比较时，如果已满足至少一个相应的故障标准，则提供已探测到相应故障的指示。

根据本发明的一些方面，表征电化学电池模块以及从电化学电池模块获取所测阻抗特征包括在直流(DC)电压或直流电流上分别施加交流(AC)电压或交流电流，其中直流电压和直流电流是一组具体的运行参数的结果，这些参数定义了电化学电池模块的使用模式。根据本发明的一些具体方面，表征电化学电池模块以及从电化学电池模块获取所测阻抗特征包括测量电化学电池模块的电极两端的交流电压和流过电化学电池模块的交流电流。

根据本发明的一较宽的方面，提供了一种探测电化学电池模块内的故障的系统，该系统包括：至少一个传感器，该传感器可连接至电化学电池模块，用于监控电化学电池模块的至少一个运行参数；以及计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于确定是否已经满足至少一个故障标准并由此指示电化学电池模块内存在故障的计算机可用程序代码，该计算机可用程序代码包括程序指令，该程序指令用于：确定电化学电池模块在至少一个离散频率下的运行特征，以获取所测阻抗值；以及将所测阻抗值和参考阻抗值以及至少一个故障标准进行比较，以确定是否已经满足故障标准。

根据本发明的一较宽的方面，提供了一种探测电化学电池模块内的故障的系统，该系统包括：至少一个传感器，该传感器可连接至电化学电池模块，用于监控电化学电池模块的至少一个运行参数；以及计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于确定是否已经满足至少一个故障标准并由此指示电化学电池模块内存在故障的计算机可用程序代码，该计算机可用程序代码包括程序指令，该程序指令用于：表征电化学电池模块，以获取参考阻抗特征，其中参考阻抗特征包括一组相应离散频率下的多个参考阻抗值；在电化学电池模块的指定应用过程中获取至少一个所测阻抗特征；以及将参考阻抗特征中的至少一个特征和至少一个所测阻抗特征中的至少一个特征进行比较，以确定电化学电池模块中是否存在故障。

根据本发明的一较宽的方面，提供了一种探测电化学电池模块内的故障的系统，该系统包括：传感器装置，该传感器装置用于监控电化学电池模块的至少一个运行参数；用于基于与参考阻抗信息的偏差来建立故障标准的装置；处理器装置，该装置用于确定电化学电池模块在至少一个离散频率下的运行特征，以获取所测阻抗值；以及比较装置，该装置用于确定是否已经满足至少一个故障标准并由此指示电化学电池模块内存在故障，该比较装置将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较，以确定是否已经满足故障标准。

通过阅读以下对本发明的具体实施方案的说明，对于本领域内的普通技术人员来说，本发明的其他方面和特点将变得明显。

附图说明

为了更好地理解本发明，以及更清楚地显示如何实现本发明，现在将通过示例性的方式参考附图，该附图图解了本发明实施方案的诸多方面，其中：

图1是燃料电池模块的简化示意图；

图2是根据本发明第一实施方案的与图1所示的燃料电池模块结合的故障探测系统的简化示意图；

图3是图2所示的测试控制器的简化示意图；

图4是图解根据本发明一方面的第一故障探测和指示方法的流程图；

图5是根据本发明第二实施方案的与燃料电池模块结合的故障探测系统的简化示意图；

图6是根据本发明第三实施方案的与燃料电池模块结合的故障探测系统的简化示意图；

图7是图解根据本发明一方面的确定阻抗特征的方法的流程图；

图8是图解根据本发明一方面的表征电化学电池故障的方法的流程图；

图9是作为说明性示例提供的燃料电池电压相对于时间的图，其中示出了一氧化碳(CO)中毒效应；

图10是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗幅度作为CO中毒的函数的变化；

图11是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗相位角作为CO中毒的函数的变化；

图12是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了在燃料电池堆中有和没有集流器的阻抗贡献下阻抗幅度作为频率的函数；

图13是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了在有和没有集流器的阻抗贡献下阻抗相位角作为频率的函数；

图14是图解根据本发明的实施方案的探测接触电阻的方法的流程图；

图15是根据本发明的实施方案的用于测量交流阻抗Z(f)的多路复用器开关系统的简化示意图；

图16A是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗幅度作为脱水的函数的变化；

图16B是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗相位角作为脱水的函数的变化；

图16C是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗幅度作为水淹的函数的变化；

图16D是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗相位角作为水淹的函数的变化；

图16E是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗幅度作为CO中毒的函数的变化；

图16F是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗相位角作为CO中毒的函数的变化；

图17A是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗幅度作为脱水的函数的变化；

图17B是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗相位角作为脱水的函数的变化；

图17C是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗幅度作为水淹的函数的变化；

图17D是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗相位角作为水淹的函数的变化；

图17E是作为说明性示例提供的波特图，其中示出了阻抗幅度作为CO中毒的函数的变化；

图18是图解根据本发明一方面的用于探测燃料电池运行过程中的各种故障状况的非常具体的示范性方法步骤的第一流程图；

图19是图解根据本发明一方面的用于探测燃料电池运行过程中的各种故障状况的非常具体的示范性方法步骤的第二流程图。

具体实施方式

诸多故障状况都会导致电化学燃料电池两端的直流(DC)电压降低。由于电池电势的降低可能是由许多并发机制的结果，所以直流电压测量结果通常不足以确定故障的起因。也就是说，例如，单从电压测量结果难以确定电池的衰减是否是由于脱水、水淹、催化剂中毒或一些其他故障状况造成的。将测量结果错误地归因于特定故障以及随之所采取的不适当措施可能会加剧电池衰减。而且，电压降一般只在故障状况严重程度增加到可能已发生电化学电池模块损坏的程度才被探测到。

相比而言，本发明的一些实施方案提供了基于表征电化学电池的阻抗测量结果来更精确地确定电化学电池内具体故障的起因的系统和方法。根据本发明的一些非常具体的方面，在一频率范围内测量电化学电池或电池堆的阻抗，以确定表征电化学电池或电池堆当前状态的相应阻抗特征。通过与参考信息比较来评估阻抗特征，可以探测诸多故障。为此，可以使用关于阻抗特征测量结果的信息，以根据电化学电池内阻抗特征的变化所对应的效应来设定表征具体故障(例如，干化、水淹、催化剂中毒、接触电阻故障等)的阈值范围。在一些情况下，甚至在电化学电池或电池堆两端的电压出现较大变化之前，就可以探测到该故障。

根据本发明的更为具体的方面，一旦确定了相应的具体故障，就向用户和/或辅助车间监控系统提供指示。此外和/或替代地，可以使用已发生具体故障的指示来调整电化学电池模块的运行参数，以补偿和/或逆转由具体故障造成的不利效应。

实践中，可以将同一类型的诸多电化学电池布置在电池堆内，这些电池堆具有共同的部件，具有诸如生产气体/液体进料装置、排水装置、电连接以及校准设备。也就是说，电化学电池模块一般由许多个单个的电化学电池串联而组成的电化学电池堆组成。电化学电池模块还包括相关结构元件、机械系统、硬件、固件和用于支持电化学电池模块的功能及运行的软件的适当结合。这类项目包括但不限于，管道系统、传感器、调节器、集流器、密封装置、绝缘器以及电化学控制器。

现有许多不同的电化学电池技术，一般来说，本发明预期适用于许多类型的电化学电池。本发明的非常具体的示范性实施方案经开发已可应用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，下文已经对其中的一些作了描述。其他类型的燃料电池可包括但不限于碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)。类似地，其他类型的电解电池包括但不限于，固态聚合物水电解(SPWE)。

参考图1，图中所示的是PEMFC模块的简化示意图，该PEMFC模块后文简称为燃料电池模块100，此处对该PEMFC模块进行描述以阐明一些涉及电化学电池模块运行的一些普遍考虑因素。可以理解，本发明可适用于各种构造的包括一个或多个电化学电池的电化学电池模块。

燃料电池模块100包括阳极21以及阴极41。阳极21包括气体输入端口22以及气体输出端口24。类似地，该阴极41包括气体输入端口42以及气体输出端口44。电解质薄膜30布置在阳极21和阴极41之间。

燃料电池模块100还包括位于阳极21和电解质薄膜30之间的第一催化剂层23，以及位于阴极41和电解质薄膜30之间的第二催化剂层43。在一些实施方案中，第一和第二催化剂层23、43分别直接放置在阳极和阴极21、41上。

负载115可连接在阳极21和阴极41之间。

运行中，在一些预定条件下，将氢燃料通过气体输入端口22引入到阳极21中。这些预定条件的示例包括但不限于，诸如流速、温度、压力、相对湿度以及氢和其他气体的混合物等因素。在有电解质薄膜30和第一催化剂层23的情况下，该氢根据下面给出的反应式(1)进行电化学反应，

(1)H₂→2H⁺+2e^-

反应式(1)的化学产物是氢离子以及电子。该氢离子穿过电解质薄膜30到达阴极41，而电子被吸引穿过负载115。将多余的氢(有时结合了其他气体和/或液体)通过气体输出端口24引出。

同时，在一些预定条件下，将诸如空气中的氧气之类的氧化剂通过气体输入端口42引入到阴极41中。这些预定条件的示例包括但不限于，诸如流速、温度、压力、相对湿度以及氢和其他气体的混合物等因素。将多余的气体，包括没有反应的氧化剂和所生成的水，通过气体输出端口44引出阴极41。

在有电解质薄膜30和第二催化剂层43的情况下，该氧化剂根据下面给出的反应式(2)进行电化学反应，

(2)1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

反应式(2)的化学产物是水。在阳极21通过反应式(1)产生的电子和电离的氢原子在阴极41处通过反应式(2)被电化学地消耗。该电化学反应式(1)和(2)是彼此补充的，并表明对于每个被电化学消耗掉的氧分子(O₂)，同时有两个氢分子(H₂)被电化学消耗掉。

在类似配置的供水电解槽中，反应(2)和(1)分别在阳极和阴极处颠倒。这可通过将负载115替换成电压源并且向两个电极中的至少一个提供水来实现。使用电压源来提供电势，该电势的极性和图1中阳极21，阴极41上分别所示的极性相反。这种电解的产物包括氢和氧。

脱水导致电解质薄膜30在形态上和材料特性上发生强烈变化。当发生脱水时，离子簇变小，用于电解质薄膜30的聚合物的微结构内部连通通道宽度变窄。结果，降低了氢质子(H⁺)的活动性，进而，增加穿过电解质薄膜30的欧姆电阻。当电解质薄膜30的欧姆电阻增加时，释放出额外的热量，这对电解质薄膜30上的脱水区域处增加了额外的热压力。电解质薄膜30的脱水造成聚合物中微结构的变化，由于这种变化是累积性的并且不能完全逆转，从而可能导致永久性的性能衰减，即便是将电解质薄膜30重新与水化合后也是如此。

在极端的情况中，水被彻底除去且局域温度将上升到电解质薄膜30的玻璃态转变温度以上或熔点以上。在这些状况下，电解质薄膜30的脱水区域可能燃烧并可能破裂。破裂的电解质薄膜30可能在阳极21和阴极41之间形成气动短路，从而使氢燃料和氧化剂相互混合。串联PEMFC堆中一个电池内的该类型故障将导致整个电池堆停止产生电流。而且，在有活性催化剂的情况下，如果允许燃料和氧化剂在高温下发生混合，那么可能会有燃料点火起爆。在几何功率密度大(例如，在车辆动力设备中每个电池以每平方厘米0.5W或更高的功率运行)的大电流应用中，这种灾难性故障的潜在后果更为严重。

肉眼可见的物理变形，诸如催化剂层从电解质薄膜30脱离，可能发生在局部突然干化及重新与水化合后。

另一方面，燃料电池模块100的多孔层内多余的水也可能是个问题。以适当或高电流密度并且利用潮湿反应物运行PEMFC可能导致阴极41处，特别是燃料电池的气体扩散层(未在图1示出)内的水积聚。一组类似的状况可能导致阳极21处水淹。而且，反应物流速的降低也可能导致水淹，这是由于比例上相对较少的气体用于从电池堆内的每个电池除去水。液态水的存在会导致两相角(two-phase angle)的流动，该两相角的流动可能妨碍反应物被传送至催化剂处。肉眼可见的水层可能导致穿过备择通道的择优流动，以及导致被阻隔通道中的反应物的局部压力随后减少。

现在参考图2，图中所示的是连接到燃料电池模块100(如图1所示)的简化故障探测系统200的示意图。图2所示的故障探测系统200包括实际燃料电池测试系统中存在的一些基本部件。本领域技术人员将明白，实际的测试系统除了硬件、软件和固件的适当结合外，还包括传感器、调节器(例如，用于温度、压力、湿度以及流速控制)、控制线以及支撑装置/仪器的适当结合。而且，还可以理解的是，此处提供的涉及故障探测系统200的说明，决不意味限制该部分之后的权利要求的范围。再一点，该故障探测系统是为PEM类型的燃料电池配置的，对于其他类型的燃料电池，将需要变化传感器、调节器等。

该故障探测系统200包括测试控制器300，技术人员使用该测试控制器300来管理燃料电池测试。在一些实施方案中，测试控制器300由单个服务器或具有至少一个微型计算机的计算机组成；以及在其他实施方案中，测试控制器300由微机结合所组成，该微型计算机结合被适当配置以在微型计算机结合之间分配与燃料电池测试相关的任务。

在一些实施方案中，测试控制器300由具有计算机可用程序代码的计算机程序产品，改进的安全系统370以及至少一个应用程序380组成。在本发明的本实施方案中，测试控制器300包括存储计算机可用程序代码的存储设备(未示出)，该计算机可用程序代码具有用于改进的安全系统370和至少一个应用程序380的指令。根据本发明的一个实施方案，当违反故障阈值时，该改进的安全系统370能够调用相应的故障恢复序列。该至少一个应用程序380含有用户设计的测试矢量(test vector)，该测试矢量用于改变测试中的燃料电池模块的过程和运行参数，以及收集频率范围内的阻抗测量结果。在一些实施方案中，应用程序由计算机可用程序代码组成，这些程序代码具有用于执行定义试验的测试矢量序列的数据和指令。

故障探测系统200还包括许多连接至燃料电池模块100的端口的物理连接，这些连接用于提供所需的气体以及将废气和未用气体从燃料电池模块100排出。该物理连接包括气体供给端口222和242，气体排放端口224和244。气体供给端口222和242分别连接到燃料电池模块100的气体输入端口22和42。气体排放端口224和244分别连接到燃料电池模块100的气体输出端口24和44。

此外，在故障探测系统200和燃料电池模块100之间有许多传感器连接。有利地使用该传感器连接来监控反应产物燃料电池模块100产生的电输出、以及其他过程和运行参数。在本实施方案中，故障探测系统200包括传感器311、313、317以及319，它们分别连接至(燃料电池模块100的)端口222、224、244以及242。例如，可以使用传感器311、313、317以及319来监控通过222、224、244以及242中任何一个端口的输入和输出气体或液体流的温度、压力、组分和相对湿度中的一个或多个。

测试控制器300还电连接至调节器310、312、316以及318，这些调节器分别用来调整与端口222、224、244以及242相关的过程和运行参数。

而且，在故障探测系统200的情况中，图1所示的负载115被负载箱215替代。由负载箱215得到的电压和电流是可控制的，以便于在测试过程中，可以对燃料电池模块100施加不同的负载状况。

在运行中，测试控制器300执行被提供在至少一个应用程序380内的测试矢量。这可通过从至少一个应用程序380处提取测试矢量以及进而根据所提供的测试矢量改变由负载箱215提供的负载状况和/或其他过程和运行参数来完成。后者通过使测试控制器300向调节器310、312、316和318传送控制信号来实现。然后，该测试控制器300接收一个或多个频率下的与特定电池、一组电池和/或作为整体的燃料电池堆的阻抗相关的测量结果。优选地，收集频率范围内的阻抗测量结果，以便于对单个燃料电池、一组燃料电池和/或作为整体的燃料电池堆产生相应的阻抗特征。此外和/或替代地，可配置故障探测系统200，以根据传感器311、313、317以及319还测量涉及反应产物、其他电输出和/或其他过程和运行参数的特征。可以如下面所描述地记录以及评估该测量结果。

以下描述参考了图7和8，对燃料电池模块的阻抗特征的变化进行表征，以确定各种故障的效应。可以根据用作参考阻抗特征信息的测试数据确定一组故障标准。在燃料电池模块(例如，燃料电池模块100)的实际使用中(在测试实验室的受控环境外)，可以将参考阻抗特征信息和新的阻抗特征测量结果进行比较，以监控燃料电池模块的状况并确定是否发生故障。例如，可使用故障探测系统(例如，故障探测系统200)来监控正运行的燃料电池模块的状况并产生故障状况信号，以指示在例如许多类型的电化学电池中存在诸如以下之类的故障，如脱水、水淹、接触电阻增加、周边封层丢失、催化剂中毒、催化剂烧结、催化剂老化、薄膜冲孔、催化剂脱离、催化剂衰减、电池反相、存在污染物、腐蚀、气体/液体交叉、化学侵蚀(过氧化物等)、离子导电性改变，或电极基底厚度改变。

参考图3，以及继续参考图2，图3所示的是根据本发明的一非常具体实施方案的图2中所示的测试控制器300的简化示意图。该测试控制器300包括连接至随机存取存储器(RAM)模块51的处理器50，程序存储器模块52，输入接口模块53以及输出接口模块54。

输入接口模块53包括第一、第二以及第三输入，分别为53a、53b以及53c。第一输入53a被连接以接收来自媒介读取器，例如所示媒介读取器45的数据信号传送。媒介读取器45可操作地读取来自许多数据存储设备(未示出)中至少一个数据存储设备的信息，这些存储设备包括但不限于CD、DVD、闪存、便携式硬盘等。第二输入53b被连接以接收由故障探测系统200获取的阻抗特征信息。第三输入53c被连接以通过传送媒介接收和/或传送来自或去往测试控制器300的信息，以向测试控制器300提供额外的连接性。在一些实施方案中，所用的传送媒介可以是无线数据信道、光纤信道、电话线等中的一种。此外和/或替代地，输入接口模块53可以只包括第二输入53b，以收集由故障探测系统200获取的阻抗特征信息。在这样的实施方案中，参考阻抗特征信息存储在测试控制器300内的RAM模块51、程序存储器模块52或另一存储器模块(未示出)中的一个上。

测试控制器300和/或可连接至测试控制器300的外围存储设备(未示出)(例如，媒介读取器45)包括计算机可用程序代码，该程序代码用于指导处理器50来确定所测阻抗特征信息与参考阻抗特征信息相比是否符合相应故障状况的至少一组故障标准，由此来探测故障。如果探测到故障，那么还可以提供额外的计算机可用程序代码，以提供指示已探测到具体故障状况的信号。此外和/或替代地，实现这些功能的计算机可用程序代码可以通过传送媒介经第三输入53c接收，并被存储在程序存储器52内。

图4示出了概括根据本发明一方面的第一故障探测和指示方法的流程图，如此处参考图2和图3所进行的描述。以步骤4-1开始，测试控制器300接收阻抗特征信息。在一些实施方案中，阻抗特征信息包括，例如所测阻抗特征的具体部分和/或从所测阻抗特征取得的一个或一组特征值。相应地，根据本发明的方面所使用的计算机可用程序代码包括用于接收阻抗特征信息的具体指令组。

在步骤4-2，识别阻抗特征信息的一个方面或一组方面，以与一组故障标准进行比较，来确定是否存在故障状况。相应地，根据本发明的方面所使用的计算机可用程序代码包括用于识别阻抗特征信息的一个方面或一组方面的具体指令组，以与一组故障标准进行比较，来确定是否存在使用可获得的指令可测的故障状况。

故障标准可以包括阻抗值的范围或多个范围和/或阻抗值的一部分。故障标准还可以包括比值范围或差值。

在步骤4-3，根据故障标准确定是否存在故障状况。相应地，根据本发明的方面所用的计算机可用程序代码，包括用于根据故障标准来确定是否存在故障状况的特定指令组。如果探测到故障状况(步骤4-3的“是”路径)，在步骤4-4产生与所探测的特定故障状况相应的信号。相应地，根据本发明的方面所用的计算机可用程序代码包括用于产生与所探测的特定故障状况相应的信号的具体指令组。另一方面，如果没有探测到故障状况(步骤4-3的“否”路径)，那么该方法结束，可依据需要重新开始。所产生的信号可以包括，例如，输出接口54可访问的寄存器内的位值，传送给输出接口54的二进制值等。随后，输出接口54可以向用户、外围设备(例如，指示器47)和/或另一监控系统提供数字信号。

此外和/或替代地，可以产生许多不同的故障信号，该故障信号表示与各自不同的故障标准相关的相应不同的故障状况。此外和/或替代地，可以对照相应的故障标准评估频率范围内的整个阻抗特征(例如，幅度、相位角、实部或虚部)，以确定是否应产生相应的故障状况信号。

转至图5和6，图中所示的分别是故障探测系统60和60’的简化示意图。故障探测系统60和60’以及相应地两者共有的元件，共用相同的参考数字。而且，为简短起见，故障探测系统60和60’此后分别简称为系统60和60’。两个故障探测系统60和60’之间的主要差别在于包括在故障探测系统60中的可变负载62在故障探测系统60’中被替换成固定负载90和可变负载92的结合。以下将进一步阐明故障探测系统60和60’的布置和运行。

系统60和60’采用了电化学阻抗频谱分析(EIS)技术。根据本发明的一些实施方案，EIS用于识别电化学电池中各种故障状况的效应，诸如但不限于，脱水，水淹，催化剂中毒以及接触电阻故障。EIS的明显优点在于它能够在指定应用的过程中探测阻抗的变化，同时对电化学电池系统具有最小的干扰。

具体参考图5，系统60被示为结合了燃料电池模块100。该系统60包括可变负载62、频率响应分析仪(FRA)66、处理器模块50、指示器模块47、可选择的隔离电路76以及计算机模块80。可变负载62被连接以接收来自燃料电池模块100的功率。FRA 66被连接以测量通过电阻器72提供给可变负载66的电流，以及燃料电池模块100两端的电压。FRA 66进一步被连接以通过隔离电路76向可变负载62提供指令以及向计算机模块80提供测量结果信息。该计算机模块80被进一步连接以向处理器50提供阻抗特征信息，该处理器50被连接至指示器47，如上面参考图3所作的描述。

运行中，调整从燃料电池模块接收能量的可变负载62得到的电流，以在燃料电池模块100的净负载中产生周期性变化，同时测量燃料电池模块100的阻抗。通过FRA 66来测量阻抗，FRA 66具有一般在68所示输入的电压，用于测量燃料电池模块100两端的电压，以及一般在70所示输入的电流，用于接收流过与燃料电池模块100和负载62串连的电阻器72的电流的测量。燃料电池模块100的阻抗可以用欧姆定律Z＝V/I来计算，其中V和I是复数，分别表示了电压和电流的相位角和幅度(或实部和虚部)。

电流感测电阻器72是可用作电流感测元件的各种设备中的一例。还可以使用诸如罗戈夫斯基(Rogowski)线圈或变流器之类的其他设备。

在一些实施方案中，FRA 66可以是Solartron^TM 1255B频率响应分析仪或GAMRY^TM FC350燃料电池EIS系统。FRA 66设备具有信号产生器输出74，在该处产生控制信号。例如，该控制信号可以是具有频率范围大致在1Hz至约100kHz的正弦波。对于氢燃料电池堆，已经确定，大致范围在1Hz到10kHz的频率最适合用于探测不同的故障状况。一般，控制信号的幅度是基于控制可变负载62所需的输入电平选择的。可以使用扩展到1Hz以下的，以及100kHz以上的其他光谱范围，以识别PEMFC以及其他类型燃料电池的其他特性。一般，所用的频率范围取决于燃料电池类型，结构或配置，运行点(输出电流、温度、压力等)以及要探测的故障模式。例如，膜的厚度和传导性影响测量结果。

可以使用特定频率范围或频带范围内的独立或并行的阻抗测量结果，以分辨和识别燃料电池内的脱水和水淹状况。可以使用其他特定频率范围内的独立或并行的阻抗测量结果，以分辨和识别其他故障状况。

在本发明的其他实施方案中，可以使用响应多频率负载所收集的阻抗特征信息，该多频率负载具有两个或更多个频率，或频率范围下的频率分量。例如，可将可变负载62配置成在5Hz的频率分量下，以及在100Hz和1kHz的其它频率分量下从燃料电池模块100得到电流。一般地，尽管不是必需的，这可通过产生具有所需频率分量的控制信号来完成。可以测量响应多频率负载的燃料电池模块的阻抗特征信息，并将其和已知的涉及所述特性的故障状况进行比较，如以下参考图18和19所作的描述。

继续参考图5，向可以包括电压输出器的隔离电路76提供在输出74处所产生的信号，例如，以将测量过程中电压漂移造成的直流电平中的地回路和电势误差减至最小。隔离电路76产生控制可变负载62的信号，因而造成主负载电流几个百分点的扰动。这使燃料电池模块100提供的电流，相对于提供给可变负载62的额定电流(没有扰动信号)具有周期性变动分量。在输入70和68处分别测量由燃料电池模块100产生的交流电流和交流电压。

根据本发明的一些方面，使用可变负载来产生扰动信号可以进一步包括产生阻抗光谱的一个或多个特性的表示。这可以包括产生所测阻抗值(幅度和/或相位角，实部和/或虚部)与参考阻抗值的比值的表示。该比值可以是所测阻抗值与参考阻抗值的比值，该参考阻抗值与具有特定频率的扰动信号相关联或者与具有频带内多个频率的扰动信号相关联。根据其他方面，产生扰动信号可以进一步包括确定该比值是否满足与具体故障状况相关联的标准。产生扰动信号可以包括产生所测阻抗值(幅度和/或相位角，实部和/或虚部)和参考阻抗值之间的差的表示。该差可以在所测阻抗值和与具有特定频率的扰动信号相关联的参考阻抗值之间确定。此外和/或替代地，根据本发明的其他方面，产生扰动信号可以进一步包括确定该差是否符合与具体故障状况相关联的标准。

FRA 66经接口79连接到计算机模块80。计算机80可以被编程，以运行诸如可从美国North Carolina的Scribner Associates^TM公司获取的ZPLOT^TM以及ZVIEW^TM，或美国Warminster的GamryInstruments^TM公司的Framework和Echem Analyst之类的商业EIS软件包，以产生频率范围内或单个频率下的阻抗特征，所测阻抗值(幅度和/或相位角和/或实部和/或虚部)与参考阻抗值的比值，或所测阻抗值(幅度和/或相位角和/或实部和/或虚部)与参考阻抗值之间的差。

EIS软件包，诸如以上所列举的，还可以用于分析燃料电池的阻抗特征，以便为燃料电池提供等效电路。可将测试中的燃料电池的等效电路中的元件(即电阻器、电容器和线圈等)值与已知的没有故障状况的、或已知的具有一个或多个故障状况的类似燃料电池的等效电路中的相应元件的幅度值进行比较。这种比较可用来识别测试中的燃料电池的故障状况。

转至图6，图中所示的是系统60’。而且，两个故障探测系统60和60’的主要差别在于故障探测系统60内包含的可变负载62在故障探测系统60’内被替换成固定负载90和可变负载92的结合。更具体地，负载包括并联的固定负载90和可变负载92。系统60’的运行类似于上面所述的系统60，为简短起见，将不给出该运行的完整描述。此外和/或替代地，可以缩小系统60’并将其应用在手提设备中，例如，将接线端101和102连接到燃料电池以及将接线端104和106连接到负载90，以及接线端108和110连接到负载电路中的电流感测电阻器。在这样的实施方案中，频率响应分析仪66、计算机80、处理器50以及隔离电路76可以被集成到便携式计算机产品上，该计算机产品被编程，以执行FRA 66和计算机模块80的功能、或一组有限的功能。

由本发明一些实施方案提供的故障探测系统(例如，诸如60和60’之类的系统)，可用于在电化学电池运行过程的任何时候测量频率范围内的电化学电池的阻抗特征。然而，有利的是首先表征电化学电池的特定具体设计，以将阻抗特征的变化和特定故障匹配，以便产生相应的一组故障标准，以在一个或多个具有相同设计的电化学电池的指定运行过程中，对这些电池进行评估。为此，图7所示的是图解根据本发明一方面的确定阻抗特征的方法的流程图，该方法可用在燃料电池模块测试和指定应用过程中的任何时候；以及，图8是图解根据本发明一方面的表征电化学电池故障的方法的流程图。

参考图7，确定阻抗特征的方法以步骤7-1中的选取初始频率开始，在该频率下确定电化学电池的阻抗。步骤7-2包括调整负载(例如，可变负载62)得到的电流。步骤7-3包括测量电化学电池堆(或单个电池，或一组电池)两端的电压和流过电化学电池堆的电流。使用电压和电流测量结果，步骤7-4包括计算该所选频率下的阻抗值。步骤7-5和7-6包括：如果该频率范围内还有频率有待测试，选取频率范围内的一个新频率并返回到步骤7-2。当已对该频率范围内的所有频率作了评估，以确定一组给定状况对应的一组相应阻抗值时，该方法停止。频率范围内的一组阻抗值被看作是电化学电池对于一组给定状况下的阻抗特征。

用作阻抗测量设备的系统和/或设备可以是基于序列频率方法的，以及可以是频率响应分析仪、诸如锁相放大器的相敏检测系统、或提供燃料电池电流和电压的李沙育(Lissajous)图形或其精确幅度和相位测量结果的示波器。还可以是对燃料电池电流和电压响应信号作快速傅立叶变换(FFT)的数据获取设备，以及可以使用不同类型的激励信号，诸如步长，多频率等(多正弦信号，伪随机白噪音频谱等)。

转至图8，表征电化学电池故障的方法包括，在步骤8-1，测量额定或优选运行状况下的阻抗特征，这些阻抗特征之后将被用作一个或多个离散频率定义的参考阻抗特征Z_REF(f)。步骤8-2包括在多种受控的故障状况下运行电化学电池，以确定作为故障状况函数的参考阻抗特征Z_REF(f)的变化。因此，步骤8-3包括周期性地测量阻抗特征以收集关于故障状况对测试中的电化学电池的效应的信息。步骤8-4和8-5包括将步骤8-3中收集的阻抗特征测量结果和参考阻抗特征Z_REF(f)进行比较，以及将该偏差映射到特定故障状况，以推出用于每个故障的相应故障标准，在具有相同设计的电化学电池的指定应用中，可以用这些故障标准来探测这样的故障。在很多情况下，参考阻抗特征Z_REF(f)还至少部分地取决于一组具体的运行状况，在电化学电池堆使用过程中，参考阻抗特征Z_REF(f)与测量结果之间进行比较，根据本发明的实施方案，优选地采用相对于当前的一组运行状况来说最为接近的Z_REF(f)，其中该当前的一组运行状况是产生使用中的阻抗测量结果时当前正被使用的电化学电池所处的状况。此外和/或替代地，可以将电压和电流测量结果之一的偏差映射为特定故障状况，以推出用于每个故障的相应故障标准，可以用这些故障标准来探测具有相同设计的电化学电池的指定应用期间的这样故障，使得不再需要计算阻抗值。具体地，在燃料电池中，理想的是对每个燃料电池的性能进行单独分析。假设不存在明显的泄漏电流，对电池堆中的所有燃料电池来说，由于其电流基本相同，因而每个燃料电池上的明显特征将是各个燃料电池两端的各自电压，并且对于一些应用和/或一些其他类型的电化学电池来说，测量特定电池两端的电压和/或穿过整个电池堆的电流可能就够了。

仅出于图解目的提供图9、10和11，图9、10和11示出了涉及PEMFC电池堆中的CO中毒的测试数据图。测试中的PEMFC运行在400mA/cm²下，并受加在阳极燃料供给上的50ppm的一氧化碳的作用。如图9所示，关于时间监控电池堆中的一个代表性电池的电压。CO中毒的其中一个效应是电池电压随时间降低。

图10和11示出了在图9内所指示的数据点处所收集的数据。图10和11上的箭头指示了幅度和相位角随CO中毒程度的增加的变化。如图10清楚所示，阻抗幅度随时间和CO中毒程度的增加而增加。在较低频率下，阻抗幅度的增加最为显著。例如，约34分钟后，相应于图9中的点“7”，燃料电池电压从其原有值降低约6％，其中燃料电池阻抗幅度增加了其原有值的约24％，原有值为中毒效应发生前在近似5Hz处所测量到的值。

图11示出了阻抗相位角的变化。图11示出了在中间频率下中毒效应更为显著并且相位角最小，即对于10到100Hz范围内的频率，阻抗相位角具有更负的值。尽管该例子示出了CO作为毒物时所对应的清楚数据，可以预料的是，许多其它催化剂毒物在所测量的阻抗值中也将显示出类似的或易于识别的特征。

仅作为说明性示例来提供图12和13，图12和13是分别示出了在有和没有集流器的阻抗贡献下阻抗幅度和相位角作为频率的函数的波特图。电化学电池的元件之间的接触电阻将导致运行过程中欧姆电压降低。在燃料电池的具体情况下，该欧姆电压降低会导致欧姆加热以及使燃料电池的电压和燃料电池的效率降低。通过首先测量燃料电池堆中的元件之间的电压降，可以间接地实现欧姆电阻的探测。然而，电池堆需要运行在足够高的电流水平下，以产生一个准确的可测量的电压降。

根据本发明的方面，作为测量直流电压的替换，可以使用AC阻抗来测量接触电阻，而不要求有大电流。该技术适用于探测电化学电池堆中的任何一对元件之间的任何接触电阻故障，例如，集流器、起动器/起始流场板(initial flow field plate)、相邻流场板以及其它连接器。还可以选择其间含有多个元件的两个元件，以测量电化学电池堆的特定部分的阻抗(例如，测量电池堆中间的集流器和流场板之间的阻抗)。因此，根据本发明的一些实施方案，可以在电化学电池堆内具体定位故障。

参考图12和13，它们示出了两个不同情况下的交流阻抗特征的测量结果。在140所指示的一种情况下，阻抗特征包含有将集流器板的阻抗贡献包括进内的效应，其中该集流器板包含在燃料电池堆内。在142所示的第二种情况下，阻抗特征不包括集流器板的效应。

如140所指示的，当包含了集流器时，所测阻抗的幅度较大。图12示出了宽频率范围内(1-1000Hz)对应的这个效应。图1 3示出了阻抗相位角上的类似效应。根据本发明的一些实施方案，如果两个阻抗幅度测量结果之间的差增加到一预定值以上，那么可以认为燃料电池堆有缺陷并需要修复(例如，调整夹紧力(clamping force)或甚至拆散并重新组装)。这可根据幅度和/或相位角和/或实部和/或虚部测量结果来确定。以下对图14、18和19作了详细描述，这些图图解了一些根据本发明的方面提供的方法步骤，其中在PEMFC监控过程中结合了该组故障标准。

具体参见图14，图中示出了图解根据本发明一些方面提供的用于探测接触电阻的方法步骤的流程图。以步骤14-1开始，该探测接触电阻的方法包括在有和没有集流器的阻抗贡献下测量阻抗特征。接着是步骤14-2，该步骤包括计算差矢量，该差矢量表示在有和没有集流器的情况下，每个频率下所测阻抗之间的阻抗差。

随后，在步骤14-3，评估差矢量以确定一个或多个频率下的阻抗差是否改变了阻抗差阈值ΔZ(f)，其中ΔZ(f)＝|Z_REF(f)-Z_MEASUREMENT(f)|，它表示在认为存在接触电阻故障前允许的阻抗中的最大允许变化和/或浮动。如果阻抗差的变化不大于阈值量ΔZ(f)(步骤14-3的“否”路径)，那么假定不存在接触电阻故障，以及在一短暂延迟后，从步骤14-2开始重新测量阻抗特征。另一方面，如果阻抗差的改变大于阈值量(步骤14-3的“是”路径)，那么该方法进入步骤14-4，该步骤包括指示在电化学电池模块中存在接触电阻故障。

此外和/或替代地，只有当阻抗差阈值ΔZ(f)在一特定频率范围内或在一个或多个频率范围内被破坏一定量(例如，大于5％)时，才探测电化学电池中的接触电阻故障。而且，在其他实施方案中，参考图14所描述的方法可以适用于探测电化学电池模块中的任何两个元件之间的接触电阻故障。

此外和/或替代地，可以调整并且然后应用该方法，以便对两个元件之间的接触阻抗故障进行具体定位，该具体定位通过首先识别可能存在接触电阻故障的那部分电化学电池模块，然后缩小评估范围，以对特定故障进行具体定位。更一般的是，该技术可应用于探测除只是接触电阻之外的许多其他故障，并识别有故障的电池和/或电池组。为此，图15示出了根据本发明的实施方案的用于测量交流阻抗Z(f)的多路复用器开关系统400的简化示意图。

多路复用器开关系统400包括交流阻抗测量设备432以及多路复用器开关设备430。结合燃料电池堆420图解多路复用器开关系统400。燃料电池堆420包括集流器421以及422，它们之间布置了若干单个的燃料电池。该燃料电池包括单个的流场板，例如424所指示的。多路复用器开关系统400还包括若干可连接至单个燃料电池124和集流器板421和422的电压和电流传感器接收器434。

当燃料电池堆420产生电流时，燃料电池的子元件之间的接触电阻导致欧姆下降。该欧姆电压降造成欧姆加热以及使燃料电池的电压和燃料电池的效率降低。在一些实施方案中，通过测量燃料电池堆420内的元件之间的电压降来实现对欧姆电阻的测量。该技术可适用于探测燃料电池堆420内的许多对元件之间的任何接触电阻故障，例如包括但不限于，起动器/起始流场板421和422、相邻流场板424以及其它连接器。

在运行中，多路复用器开关设备430使一对元件(例如，一对相邻流场板424)能够被选取。它还能够选取其间含有若干元件的两个元件，以测量一部分电池堆的阻抗(例如，集流器422和任意的流场板424之间的阻抗)。这可以用于缩小电池堆内的故障的定位。

此外和/或替代地，以此能够实现一种对设定间隔下的一对元件的不同结合进行循环测量以监控电化学电池堆状况的方法，在这种方法中，对于一对元件的每个结合，对照参考阻抗特征估计阻抗特征，以确定是否存在故障以及确定该故障相对于电化学电池堆的两个元件存在的位置。

此外和/或替代地，根据本发明的一些方面，可以将探测接触电阻故障的方法集成到更为复杂的故障探测系统和/或能够探测若干不同类型故障的方法中。以下将参考图18和19来描述这样的方法的示例。根据本发明的一些方面，方法包括在电池堆内单个电池之间进行循环测量。该循环发生的速率或频率优选地应足够高，以使所涉及的故障可以被探测到，以及使在单个电池或电池堆遭受严重损坏之前能采取纠正动作。例如，如果该方法包括检查脱水，那么应该探测任何其膜显示为脱水征兆的电池，并且应该在膜燃烧或破裂之前采取纠正动作(例如，增加湿度)。

然而，图16A-16F和17A-17F作为说明性示例给出，示出阻抗特征的变化是如何可以与特定故障匹配，这些图示出了对于两个不同的燃料电池模块进行受控测试的结果。

更具体地，图16A-16F是从小型单个电池(30cm²的有效面积)得到的EIS测量结果的波特图。阻抗特征用来识别膜干化(图16A和16B)、电池水淹(图16C和16D)以及阳极催化剂中毒(图15E和15F)。

图16A和16B分别示出了阻抗幅度和相位角作为脱水(即，干化)的函数的变化的波特图。当干化状况加剧时，在1Hz到最高达10kHz的频率范围内阻抗幅度增加，而阻抗相位角保持相对不变。

图16C和16D是分别示出了阻抗幅度和相位角作为水淹的函数的变化的波特图。当水淹状况加剧时，低频(f＜10到20Hz)下阻抗幅度增加，低频至中间频率(f＜100Hz)下阻抗相位角降低。

图16E和16F是分别示出了阻抗幅度和相位角作为CO中毒的函数的变化的波特图。当CO中毒加剧时，在所观察的频率范围(1Hz到1kHz)内，阻抗幅度增加，阻抗相位角降低。低频和中间频率(f＜约1kHz)下，阻抗幅度增加的较为显著。相比于干化和水淹，催化剂CO中毒由适当高频率、中间频率以及低频下阻抗相位角降低来表征。

类似地，图17A和17F是从大型产品电池堆(500cm²的有效面积)得到的EIS测量结果的波特图。阻抗特征用来识别膜干化(图17A和17B)、电池水淹(图17C和17D)以及阳极催化剂中毒(图17E和17F)。和图16A-16F所示的波特图相比，由干化、水淹和CO中毒造成的效应有所不同。这些不同之处可归咎于这样的一个事实，即不同设计的电化学电池模块具有稍微不同的阻抗特征。因此，优选地，对结合在具体类型电化学电池堆或模块中使用的故障探测系统进行校准。

图17A和17B是分别示出了阻抗幅度和相位角作为脱水(即，干化)的函数的变化的波特图。当干化状况加剧时，在1Hz至最高达10kHz的整个测试频率范围内，阻抗幅度增加，而在约1Hz以及至10kHz的频率范围内，阻抗相位角降低。

图17C和17D是分别示出了阻抗幅度和相位角作为水淹的函数的变化的波特图。当水淹状况加剧时，低频(f＜10Hz)下阻抗幅度增加，低频至中间频率(f＜100Hz)下阻抗相位角也降低。

图17E和17F是分别示出了阻抗幅度和相位角作为CO中毒的函数的变化的波特图。当CO中毒加剧时，在低于约150Hz的频率下阻抗幅度增加，在1Hz到5kHz的频率范围内阻抗相位角降低。低频和中间频率(f＜约1kHz)下，阻抗幅度增加的较为显著。相比于干化和水淹，催化剂CO中毒是由适当高频率(1kHz和5kHz之间)、中间频率以及低频下阻抗相位角降低来表征。

根据本发明的方面，可以利用特定故障造成的阻抗特征方面的效应来推出可用于探测电化学电池模块内的一个或多个故障的故障探测方法。例如，使用图16A到16F的数据，可以推出一组用于评估特定燃料电池模块的性能的故障标准。为此，图18是图解了根据依据本发明的方面的第一非常具体的示范方法用于探测燃料电池运行过程中多种故障状况的方法步骤的流程图，该方法基于图16A至16F的波特图所图解的干化、水淹和阳极催化剂中毒效应。而且，图19中图解的方法步骤还包括恢复步骤，以抵消所探测到的特定故障的效应。类似于图18，图19是图解了根据依据本发明的方面的第二非常具体的示范方法用于探测燃料电池运行过程中多种故障状况的方法步骤的流程图，该方法基于图17A至17F的波特图所图解的干化、水淹和阳极催化剂中毒效应。

首先参考图18，以步骤18-1开始，该步骤下测量电化学电池模块的阻抗特征Z(f)。在步骤18-2，将所测阻抗特征Z(f)和参考数据或者参考阻抗特征进行比较，该参考阻抗特征定义了电化学电池模块当前运行状况(例如，额定运行状况、恶化的运行状况、标准运行状况等)下所期望的阻抗特征。

在步骤18-3，确定低频下阻抗幅度是否已经改变。此外参考图16A-16F，注意到低频下所有故障具有阻抗幅度增加这一共同特征。因此，如果低频下阻抗幅度没有增加(步骤18-3的“否”路径)，那么该方法于步骤18-1重新开始。另一方面，如果在低频下阻抗幅度已增加(步骤18-3的“是”路径)，那么该方法进入步骤18-4。此外和/或替代地地，可以指定阈值阻抗幅度变化，以在故障被探测到之前，允许阻抗幅度的微小变化，以及包容可接受水平的衰减。

在步骤18-4，确定低频和中间频率下阻抗相位角是否已经改变。如果低频和中间频率下阻抗相位角已改变(步骤18-4的“是”路径)，该方法进入步骤18-11，下面将对此作进一步描述。另一方面，如果相位角没有改变(步骤18-4的“否”路径)，该方法进入步骤18-5，该步骤下对接触电阻故障和干化故障进行区分。

有时，由脱水和接触电阻故障造成的对阻抗特征的效应可能是非常相似的。因此，有时难以推出唯一的故障标准来区别干化故障和接触电阻故障。在步骤18-5，确定标记的状态。该标记起到核查的作用，以确定在指示存在接触电阻故障之前，是否已经尝试解决干化故障。之所以如此的原因在于，接触电阻故障一般要求将具有这种故障的电化学电池关闭，以对其进行修复和/或维护，这相比于试图解决干化故障来说，是更为极端的措施。如果没有设置标记(步骤18-5的“否”路径)，在步骤18-6指示干化故障，在步骤18-7设置标记，在步骤18-8增加湿度，然后该方法返回到步骤18-1。如果该故障确实是干化故障，那么上述步骤18-3的状况将不会导致存在通过低频下阻抗幅度增加而得出的故障的正指示。然而，另一方面，如果该故障不是干化故障，该方法返回到步骤18-5(防止出现任何其他类型的故障)。相应地，如果设置了标记(步骤18-5的“是”路径，)，则在步骤18-9指示接触电阻故障，并在步骤18-10重新设置该标记，然后结束该方法，并提示关闭电化学电池模块，以便于可以修复接触电阻故障。

在步骤18-11，通过确定高频下阻抗相位角是否已改变来区分水淹故障和CO中毒故障。如果高频下阻抗相位角没有改变(步骤18-11的“否”路径)，在步骤18-12指示水淹故障以及在步骤18-13增加流剂量。步骤18-13之后，该方法于步骤18-1重新开始。另一方面，如果高频下阻抗相位角已改变(步骤18-11的“是”路径)，则在步骤18-14指示CO中毒故障以及在步骤18-15执行一个或一组合适的恢复动作。

在步骤18-15，可以执行若干恢复动作。例如，如果阳极输出包括可控的放气阀，则可以打开该放气阀，以将积聚在电池堆内的一氧化碳冲洗出来。从而使空气排放循环可受控制，防止因一氧化碳积聚到一定量而引发中毒问题，同时确保了通过放气阀排出的燃料气体的量最小。此外和/或替代地，也可以利用被连接至阳极燃料供给的可控空气量孔阀，以将周围空气引入燃料电池中来抵消CO中毒效应。将空气引入电池堆中导致CO氧化成CO₂。将空气引入保持在最小值也减少一氧化碳和/或氧气对各个PEM电池内的膜电极组件的损坏效应。也可以采用其他类似方法来排放其他有毒物质。

转至图19，以步骤19-1开始，该步骤测量电化学电池模块的阻抗特征Z(f)。在步骤19-2，将所测阻抗特征Z(f)和参考数据或者参考阻抗特征进行比较，该参考阻抗特征定义了电化学电池模块当前运行状况(例如，额定运行状况、恶化的运行状况、标准运行状况等)下所期望的阻抗特征。

在步骤19-3，确定低频下阻抗幅度是否已经改变。此外再参照图17A-17F，注意到低频下所有故障具有阻抗幅度增加这一共同特征。因此，如果低频下阻抗幅度没有增加(步骤19-3的“否”路径)，那么该方法于步骤19-1重新开始。另一方面，如果低频下阻抗幅度增加(步骤19-3的“是”路径)，那么该方法进入步骤19-4。此外和/或替代地，可以指定阈值阻抗幅度变化，以在故障被探测到之前，允许阻抗幅度的微小变化，以及包容可接受水平的衰减。

在步骤19-4，确定低频和中间频率下阻抗相位角是否已经增加还是降低。如果低频和中间频率下阻抗相位角已经降低(步骤19-4的“D”路径)，该方法进入步骤19-11，以下将对此作进一步描述。另一方面，如果相位角已经增加(步骤19-4的“I”路径)，该方法进入步骤19-5，该步骤对接触电阻故障和干化故障进行区分。

有时，由脱水和接触电阻故障造成的对阻抗特征的效应可能是非常相似的。因此，有时难以推出唯一的故障标准来区别干化故障和接触电阻故障。在步骤19-5，确定标记的状态。该标记起到核查的作用，以确定在指示存在接触电阻故障之前，是否已经尝试解决干化故障。之所以如此的原因是，接触电阻故障一般要求将具有这种故障的电化学电池关闭，以对其进行修复和/或维护，这相比于试图解决干化故障来说，是更为极端的措施。如果没有设置标记(步骤19-5的“否”路径)，在步骤19-6指示干化故障，在步骤19-7设置标记，在步骤19-8增加湿度，然后该方法返回到步骤19-1。如果该故障确实是干化故障，那么上述步骤19-3的状况将不会导致存在通过低频下阻抗幅度增加而得出的故障的正指示。然而，另一方面，如果该故障不是干化故障，则该方法返回到步骤19-5(防止出现任何其他类型的故障)。因此，如果设置了标记(步骤19-5的“是”路径)，则在步骤19-9指示接触电阻故障，并在步骤19-10重新设置该标记，然后结束该方法，并提示关闭电化学电池模块，以便于可以修复接触电阻故障。

在步骤19-11，通过确定高频下的阻抗相位角是否已改变来区分水淹故障和CO中毒故障。如果高频下阻抗相位角没有改变(步骤19-11的“否”路径)，在步骤19-12指示水淹故障以及在步骤19-13增加流剂量。步骤19-13之后，该方法又于步骤19-1重新开始。另一方面，如果高频下阻抗相位角已经发生变化(步骤19-11的“是”路径)，则在步骤19-14指示CO中毒故障以及在步骤19-15执行一个或一组合适的恢复动作。

在步骤19-15，可以执行若干恢复动作。例如，如果阳极输出包括可控的放气阀，则可以打开该放气阀，以将积聚在电池堆内的一氧化碳冲洗出来。这使空气排放循环可受控制，以防止因一氧化碳积聚到一定量而引发中毒问题，同时确保了通过放气阀排出的燃料气体的量最小。此外和/或替代地，也可以使用被连接至阳极燃料供给的可控空气量孔阀，以将周围空气引入燃料电池中来抵消CO中毒效应。将空气引入燃料电池堆中导致CO氧化成CO₂。将空气引入保持在最小值也减少一氧化碳和/或氧气对各个PEM电池内的膜电极组件的损坏效应。也可以采用其他类似方法来排放其他有毒物质。

在燃料电池的设计中，经常进行实际测试，以确定该设计的效率、加工难易度以及在商业上的实用性。在这种测试过程中，可以使燃料电池经受极端的状况(环境、负载、水供给、燃料供给、氧化剂供给状况等)，其用意在于确保燃料电池可以在不太理想的环境下运行。可以周期性地或者在测试之间应用本发明，以确定该燃料电池是否已经出现故障。如果探测到任何故障，可以停止进一步测试，或者采取其他合适的动作，以修复燃料电池，或进行一些不受所探测到的故障影响的测试。

可以以控制循环的方式来实施本发明。例如，在燃料电池的测试或正在使用过程中，可以使用本发明持续监控与燃料电池上的负载相应的燃料电池所选阻抗的光谱特性。然后可以将阻抗光谱特性和已知故障状况的那些特性进行比较，以及可以停止燃料电池的测试或使用，以允许采取适当动作。这些动作可以包括修复燃料电池，替换燃料电池或者以不受所探测的故障影响的方式继续测试或使用燃料电池。

替代地，可以实施该控制循环，以如上述使用受控负载状况周期性地进行燃料电池测试。当燃料电池不以别的方式正被使用时，可以周期性地进行这种测试。可以将这种测试的执行自动化，如果有故障被探测到，可以中断燃料电池的使用。

尽管以上描述提供了示范性实施方案，但是可以理解，允许对本发明进行修改以及改变，而不背离所附权利要求的主要意思和范围。因此，所做的描述对于本发明实施方案的应用方面只是说明性的，根据上面的教导，本发明可能会有无数种修改和变动。

Claims (56)

1.一种探测电化学电池模块内的故障的方法，该方法包括：

确定电化学电池模块在至少一个离散频率下的运行特征，以获取所测阻抗值；

提供参考阻抗值以及基于与参考阻抗值的偏差的故障标准；以及

将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较，以确定是否已经满足故障标准。

2.根据权利要求1的方法，进一步包括：当将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较时，如果已满足所述的至少一个故障标准，则提供已探测到相应故障的指示。

3.根据权利要求1的方法，其中确定电化学电池模块的运行特征包括测量电化学电池模块的电极两端的交流(AC)电压和流过电化学电池模块的交流电流中的至少一个。

4.根据权利要求1的方法，其中所述的至少一个故障标准包括至少一个阈值，该阈值涉及以下其中之一：所测阻抗值和参考阻抗值各自的幅度；所测阻抗值和参考阻抗值各自的相位角；所测阻抗值和参考阻抗值各自的实部；以及所测阻抗值和参考阻抗值各自的虚部。

5.根据权利要求1的方法，其中将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值和参考阻抗值之间的比值。

6.根据权利要求1的方法，其中将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值的幅度和参考阻抗值的幅度之间的比值。

7.根据权利要求1的方法，其中将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值的相位角和参考阻抗值的相位角之间的比值。

8.根据权利要求1的方法，其中将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值和参考阻抗值之间的差。

9.根据权利要求1的方法，其中将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值的幅度和参考阻抗值的幅度之间的差。

10.根据权利要求1的方法，其中将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较包括计算所测阻抗值的相位角和参考阻抗值的相位角之间的差。

11.根据权利要求1的方法，其中所述参考阻抗值是用于电化学电池模块的参考阻抗特征中所包括的多个参考阻抗值中的一个，其中每个参考阻抗值对应于各自的离散频率。

12.根据权利要求11的方法，其中所述参考阻抗特征至少部分地依赖于电化学电池模块的一组具体的运行状况。

13.根据权利要求11的方法，进一步包括：

确定电化学电池模块在多个离散频率下的运行特征，以获取所测阻抗特征，所测阻抗特征包括相应的多个取决于频率的阻抗值；以及

将所测阻抗特征中的至少一个特征和参考阻抗特征中的至少一个相应特征以及至少一个故障标准进行比较，以确定是否已经满足该故障标准。

14.根据权利要求13的方法，其中所述的至少一个特征包括阻抗幅度、阻抗相位角、阻抗值的实部和阻抗值的虚部中的一个。

15.根据权利要求13的方法，其中所述的至少一个故障标准是根据阻抗幅度、阻抗相位角、阻抗值的实部和阻抗值的虚部中的至少一个的变化来定义的。

16.根据权利要求1的方法，进一步包括调整电化学电池模块的至少一个运行参数，以补偿所探测到的故障。

17.根据权利要求16的方法，其中如果所探测到的故障是水淹导致的，则所述调整至少一个运行参数包括增加流剂量。

18.根据权利要求16的方法，其中如果所探测到的故障是脱水导致的，则所述调整至少一个运行参数包括增加电化学电池模块内的湿度。

19.根据权利要求16的方法，其中如果所探测到的故障是由中毒导致的，则所述调整至少一个运行参数包括冲洗电化学电池模块的一部分，以除去、稀释和/或从化学上改变中毒物质。

20.根据权利要求16的方法，其中如果所探测到的故障是由一氧化碳(CO)中毒导致的，则所述调整至少一个运行参数包括将空气引入电化学电池模块的一部分内，以除去、稀释CO和/或从化学上将CO改变成二氧化碳(CO₂)。

21.根据权利要求16的方法，其中如果所探测到的故障是由接触电阻的变化导致的，则所述调整至少一个运行参数包括可控制地关闭电化学电池模块，以修复接触电阻故障。

22.一种探测电化学电池模块内的故障的方法，该方法包括：

表征电化学电池模块，以获取参考阻抗特征，其中参考阻抗特征包括一组离散频率值下相应的多个参考阻抗值；

在电化学电池模块的指定应用过程中获取至少一个所测阻抗特征；

基于与参考阻抗值的偏差提供故障标准；以及

将参考阻抗特征中的至少一个特征和至少一个所测阻抗特征中的至少一个特征进行比较，以确定电化学电池模块中是否存在故障。

23.根据权利要求22的方法，进一步包括：当将所测阻抗特征和参考阻抗特征进行比较时，如果已满足至少一个相应的故障标准，则提供已探测到相应故障的指示。

24.根据权利要求22的方法，其中，表征电化学电池模块以及从电化学电池模块获取所测阻抗特征包括在直流(DC)电压或直流电流上分别施加交流(AC)电压或交流电流，其中直流电压和直流电流是一组具体的运行参数的结果，这些参数定义了电化学电池模块的使用模式。

25.根据权利要求24的方法，其中表征电化学电池模块以及从电化学电池模块获取所测阻抗特征包括测量电化学电池模块的电极两端的交流电压和流过电化学电池模块的交流电流。

26.根据权利要求23的方法，其中每个对应的故障标准包括阈值，该阈值涉及以下至少一个：所测阻抗值和参考阻抗值各自的幅度；所测阻抗值和参考阻抗值各自的相位角；所测阻抗值和参考阻抗值各自的实部；以及所测阻抗值和参考阻抗值各自的虚部。

27.根据权利要求22的方法，其中参考阻抗特征至少部分地依赖于电化学电池模块的一组具体的运行状况。

28.根据权利要求23的方法，其中所述的至少一个故障标准是根据阻抗幅度、阻抗相位角、阻抗值的实部和阻抗值的虚部中的至少一个的变化来定义的。

29.根据权利要求22的方法，进一步包括调整电化学电池模块的至少一个运行参数，以补偿所探测到的故障。

30.根据权利要求29的方法，其中如果所探测到的故障是水淹导致的，则所述调整至少一个运行参数包括增加流剂量。

31.根据权利要求29的方法，其中如果所探测到的故障是脱水导致的，则所述调整至少一个运行参数包括增加电化学电池模块内的湿度。

32.根据权利要求29的方法，其中如果所探测到的故障是由中毒导致的，则所述调整至少一个运行参数包括冲洗电化学电池模块的一部分，以除去、稀释和/或从化学上改变中毒物质。

33.根据权利要求29的方法，其中如果所探测到的故障是由一氧化碳(CO)中毒导致的，则所述调整至少一个运行参数包括将空气引入电化学电池模块的一部分内，以除去、稀释和/或从化学上改变CO。

34.一种用于探测电化学电池模块内的故障的系统，该系统包括：

至少一个传感器，该传感器可连接至电化学电池模块，用于监控电化学电池模块的至少一个运行参数；以及

计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于确定是否已经满足至少一个故障标准并由此指示电化学电池模块内存在故障的计算机可用程序代码，该计算机可用程序代码包括程序指令，该程序指令用于：确定电化学电池模块在至少一个离散频率下的运行特征，以获取所测阻抗值；以及，将所测阻抗值和参考阻抗值以及至少一个故障标准进行比较，以确定是否已经满足故障标准。

35.根据权利要求34的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括程序指令，当将所测阻抗值和参考阻抗值以及至少一个故障标准进行比较时，如果已满足至少一个故障标准，该程序指令用于提供已探测到相应故障的指示。

36.根据权利要求34的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括程序指令，该程序指令用于测量电化学电池模块的电极两端的交流(AC)电压和流过电化学电池模块的交流电流，并计算所测阻抗值。

37.根据权利要求34的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于计算所测阻抗值和参考阻抗值之间的比值的程序指令。

38.根据权利要求34的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于计算所测阻抗值的幅度和参考阻抗值的幅度之间的比值的程序指令。

39.根据权利要求34的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于计算所测阻抗值的相位角和参考阻抗值的相位角之间的比值的程序指令。

40.根据权利要求34的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于计算所测阻抗值和参考阻抗值之间的差的程序指令。

41.根据权利要求34的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于计算所测阻抗值的幅度和参考阻抗值的幅度之间的差的程序指令。

42.根据权利要求34的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于计算所测阻抗值的相位角和参考阻抗值的相位角之间的差的程序指令。

43.根据权利要求34的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于调整电化学电池模块的至少一个运行参数以补偿所探测到的故障的程序指令。

44.根据权利要求43的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于如果所探测到的故障是由水淹导致的则增加流剂量的程序指令。

45.根据权利要求43的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于如果所探测到的故障是由脱水导致的则增加电化学电池模块内的湿度的程序指令。

46.根据权利要求43的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于如果所探测到的故障是由中毒导致的则冲洗电化学电池模块的一部分，以除去、稀释和/或从化学上改变中毒物质的程序指令。

47.根据权利要求43的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于如果所探测到的故障是由CO中毒导致的则将空气引入电化学电池模块的一部分内，以除去、稀释一氧化碳(CO)和/或从化学上将CO改变为二氧化碳(CO₂)的程序指令。

48.根据权利要求43的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于如果探测到的故障是由接触电阻的变化导致的则可控制地关闭电化学电池模块，以修复接触电阻故障的程序指令。

49.一种用于探测电化学电池模块内的故障的系统，该系统包括：

至少一个传感器，该传感器可连接至电化学电池模块，用于监控电化学电池模块的至少一个运行参数；以及

计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于确定是否已经满足至少一个故障标准并由此指示电化学电池模块内存在故障的计算机可用程序代码，该计算机可用程序代码包括程序指令，该程序指令用于：表征电化学电池模块，以获取参考阻抗特征，其中参考阻抗特征包括一组离散频率下相应的多个参考阻抗值；在电化学电池模块的指定应用过程中获取至少一个所测阻抗特征；以及将参考阻抗特征中的至少一个特征和至少一个所测阻抗特征中的至少一个特征进行比较，以确定电化学电池模块中是否存在故障。

50.根据权利要求49的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括程序指令，当将所测阻抗特征和参考阻抗特征进行比较时，如果已满足至少一个相应的故障标准，则该程序指令用于提供已探测到相应故障的指示。

51.根据权利要求49的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括程序指令，该程序指令用于在直流(DC)电压或直流电流上分别加交流(AC)电压或交流电流，以表征电化学电池模块以及从电化学电池模块获取所测阻抗特征。

52.根据权利要求51的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括程序指令，该程序指令用于测量电化学电池模块的电极两端的交流电压和流过电化学电池模块的交流电流。

53.根据权利要求51的系统，其中每个对应的故障标准包括阈值，该阈值涉及以下至少一个：所测阻抗值和参考阻抗值各自的幅度；所测阻抗值和参考阻抗值各自的相位角；所测阻抗值和参考阻抗值各自的实部；以及所测阻抗值和参考阻抗值各自的虚部。

54.根据权利要求51的系统，其中至少一个故障标准是根据阻抗幅度、阻抗相位角、阻抗值的实部和阻抗值的虚部中的至少一个的变化来定义的。

55.根据权利要求49的系统，其中计算机可用程序代码进一步包括用于调整电化学电池模块的至少一个运行参数以补偿所探测到的故障的程序指令。

56.一种用于探测电化学电池模块内的故障的系统，该系统包括：

传感器装置，该传感器装置用于监控电化学电池模块的至少一个运行参数；

用于基于与参考阻抗信息的偏差来建立故障标准的装置；

处理器装置，该装置用于确定电化学电池模块在至少一个离散频率下的运行特征，以获取所测阻抗值；以及

比较装置，该装置用于确定是否已经满足至少一个故障标准并由此指示电化学电池模块内存在故障，该比较装置将所测阻抗值和参考阻抗值进行比较，以确定是否已经满足故障标准。

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