CN101728564B - 确定燃料电池放泄歧管单元中的阀/管线冻结或故障的诊断 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定燃料电池放泄歧管单元中的阀/管线冻结或故障的诊断。提供一种用于确定燃料电池系统放泄歧管单元(BMU)中的阀是否被冰阻塞或者发生故障的系统和方法。系统打开第一放泄阀、关闭第二放泄阀和打开排气阀，然后读取压力信号以确定是否有流通过节流阀从而来确定所述第一放泄阀或排气阀是否被阻塞。然后系统关闭所述排气阀，使所述第一放泄阀打开，并再次读取压力信号以确定穿过所述节流阀的压力降，其将表示所述节流阀和压力传感器管线是否被阻塞。系统然后关闭所述第一放泄阀并且打开所述第二放泄阀以确定压力信号是否表明流通过所述第二放泄阀。

Description

确定燃料电池放泄歧管单元中的阀/管线冻结或故障的诊断

技术领域

本发明总的涉及一种用于确定燃料电池系统中的放泄阀是否被冰阻塞的系统和方法，且更具体地涉及一种用于确定在燃料电池系统中与对开式电池子组相关联的放泄歧管单元中的各种阀是否被阻塞的系统和方法。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为它清洁并且能够用于有效地在燃料电池中产生电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及介于阳极和阴极之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中分解从而产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极与氧和电子发生反应从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此在被送到阴极之前被引导通过负载而做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常见的车用燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括支撑在碳粒子上并与离聚物混合的细粒状催化粒子，其通常为铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的相对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造成本相对比较昂贵并且需要用于有效操作的某些条件。

若干燃料电池通常组合在燃料电池组中以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池组可具有200或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入反应气体，该输入气体通常为在压缩机的作用下被迫流过燃料电池组的空气流。并非所有的氧气都被燃料电池组消耗，一些空气作为阴极排出气体输出，所述阴极排出气体可能包含作为燃料电池组副产物的水。燃料电池组还接收流入燃料电池组的阳极侧的阳极氢反应气体。电池组还包括冷却流体流过其中的流动通道。

燃料电池组包括一系列位于燃料电池组中的若干MEA之间的双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于燃料电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上以允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上以允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，并且另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由例如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将由燃料电池产生的电导出燃料电池组。双极板还包括冷却流体流过其中的流动通道。

MEA是可渗透的，因此允许空气中的氮从电池组的阴极侧渗透通过MEA并且聚集在电池组的阳极侧，在工业中称为氮穿越。即使阳极侧压力可能大于阴极侧压力，阴极侧部分压力也将引起空气渗透通过膜。燃料电池组的阳极侧的氮稀释氢，使得如果氮浓度增大超过某个百分比，例如50％，那么燃料电池组变得不稳定并且可能发生故障。本领域已知在燃料电池组的阳极排气输出处提供放泄阀以从电池组的阳极侧去除氮。

算法可采用为在电池组工作期间提供对阳极排气中的氮浓度的在线估计，从而知道何时触发阳极排气放泄。基于从阴极侧到阳极侧的渗透率以及阳极排气的周期性放泄，算法可追踪电池组的阳极侧中随时间的氮浓度。在算法计算出氮浓度的增加在预定阈值例如10％之上时，算法可触发放泄。放泄通常被执行为允许多个电池组阳极容量放泄、因此使氮浓度降到阈值之下的某个持续时间。

某些燃料电池系统采用阳极流转换，其中，燃料电池组分成电池子组并且阳极反应气体以交替方向流动通过对开式电池子组。在这些类型的设计中，放泄歧管单元(BMU)可设置成包括用于提供阳极排气放泄的阀。因为在阳极排气中存在水，所以无论采取什么措施去除水，有可能在系统关断时BMU具有残留在其中的水。如果外部环境温度在足够长的时间周期足够低，那么水可能凝固。在下次起动时，在BMU充分解冻之前可能需要阳极排气放泄，其中冰可能阻塞BMU中的流动。在某些燃料电池系统设计中，在起动程序期间执行连续的阳极排气放泄，因为燃料电池组对在那个时间期间聚集的氮尤其敏感。

对于对开式电池组系统，提供阳极排气放泄的典型位置是在电池组流的端部处。因此，两个放泄阀用于取决于流动方向提供阳极放泄。因为BMU通常设置成提供该形式的放泄，所以其典型地称为BMU放泄法。然而，也可使用从联结两个电池子组的管线中的排放阀放泄阳极排气的中心放泄。由于排放阀的尺寸较大，中心放泄典型地比端部流或BMU放泄效率低。

放泄的位置是一个特征并且放泄的频率和持续时间是另一个特征。对于冻结的电池组而言，放泄阀应当尽可能多地打开以避免任何局部化的水聚集。这称为连续放泄，并且可能是无效的放泄方法，因为在阳极排气放泄期间也失去了氢。因此，一旦系统预热，系统就应当返回到正常的放泄调度。正常的放泄方法应当在仍保持良好的电池组运行的情况下，提供尽可能少地放泄以使系统效率最大化。在这种模式下，在工作期间，可在大的百分比时间关闭放泄阀。

发明内容

根据本发明的教导，公开一种用于确定BMU中的阀是否被冰阻塞或者发生故障的系统和方法。BMU设置在包括第一和第二对开式电池子组的燃料电池系统中。BMU包括第一放泄阀、第二放泄阀、排气阀、节流阀和测量穿过所述节流阀的压力的压力传感器。控制器确定BMU中的阀在控制器打开第一放泄阀、关闭第二放泄阀和打开排气阀的阶段是否被阻塞，然后从压力传感器读取压力信号以确定是否有流动通过节流阀从而确定第一放泄阀或排气阀是否被阻塞。然后，控制器关闭排气阀并且使第一放泄阀打开，并再次读取压力信号以确定穿过节流阀的压力降，这将表明节流阀或压力传感器管线是否被阻塞。然后控制器关闭第一放泄阀并且打开第二放泄阀，以确定压力信号是否表明流动通过第二放泄阀。

本发明的额外特征将从下面的详细描述和所附权利要求中并且结合附图变得显而易见。

附图说明

图1是采用对开式电池子组和BMU的燃料电池系统的框图；以及

图2是示出用于在BMU故障时提供电池组阳极排气放泄的过程的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例的讨论本质上仅是示范性的，并且决不以任何方式限制本发明或其应用或使用，本发明涉及一种用于确定燃料电池系统BMU是否被冰阻塞或发生其他故障的系统和方法。

图1是燃料电池系统10的框图，燃料电池系统10包括在阳极流转换下运行的对开式燃料电池子组12和14。在流动处于一个方向时，喷射器排16在阳极输入管线24上将新鲜氢喷射进电池子组12的阳极侧。输出自电池子组12的阳极气体在连接管线20上被传送到电池子组14。在流动处于相反的方向时，喷射器排18在阳极输入管线26上将新鲜氢喷射进电池子组14的阳极侧，阳极气体从电池子组14输出并且在管线20上被传送到电池子组12。排放阀22设置在管线20中并且可用于中心放泄，如在下面将更详细地讨论。

BMU30设置在对开式电池子组12和14的阳极输入处，并且基于任何合适的放泄调度在特定时间期间提供阳极排气放泄以从电池子组12和14的阳极侧去除氮。BMU30包括连接阳极输入管线24和26的管线32以及将管线32连接到系统10的排气的排气管线34，该系统10的排气典型地为电池子组12和14的阴极侧排气。第一放泄阀36设置在管线32中靠近电池子组12以及第二放泄阀38设置在管线32中靠近电池子组14。排气阀40设置在管线34中，在阳极放泄期间和可根据需要的其他时间打开排气阀40。节流阀44设置在管线34中以限制可能放泄进环境中的阳极排气的量。

压力差传感器46设置成跨接节流阀44，并且测量节流阀44两侧的压力差以确认通过节流阀44的流速。在流开始通过节流阀44时，压力传感器46从零值或接近零值(这取决于传感器46的分辨率)上升到通过节流阀44的适当流的压力指示值。

在系统10在阳极流转换下运行并且没有指令放泄时，放泄阀36和38两者都被关闭，使得取决于阳极气体流的方向，第二电池子组的输出被堵塞。如果指令放泄，并且流转换处于通过管线20从电池子组12到电池子组14的方向，则打开放泄阀38并且关闭放泄阀36。类似地，如果指令放泄，并且流处于通过管线20从电池子组14到电池子组12的方向，则打开第一放泄阀36并且关闭第二放泄阀38。因此，阳极排气通过节流阀44和排气阀40从排气管线34放出。

控制器48控制喷射器排16和18、控制阀36、38、40并且从压力传感器46接收压力读数信号。

如上所述，当阳极排气流流动通过BMU30时，BMU30可在多个位置处聚集水，并且BMU30可在系统10被关断后保留水。如果系统10在足够长的时间周期处于足够冷的环境中，则所述水可能冻结。因此，在下次系统起动时，在BMU30中诸如放泄阀36和38、节流阀44、排气阀40和通到压力传感器46的管线的位置处水可能冻结，这在希望放泄时可阻塞阳极排气流。

本发明提出一种方法，所述方法用于在当BMU30处于可能阻止放泄通过BMU30的故障模式下，例如阻塞流的冻结水时的时期内提供合适的阳极排气放泄。图2是示出用于提供包含此种考虑的阳极排气放泄的过程的流程图50。当在框52处系统10起动时，在框54处其通常立即执行BMU诊断检查以确定BMU30是否正确运行。在某些系统中，BMU诊断检查因复杂性可能进行5秒钟得以完成。第一BMU诊断检查应当在氮和水有机会聚集在电池子组12和14中之前在起动时完成。BMU诊断检查可对BMU30执行许多诊断，包括确定BMU30是否冻结或发生故障。

为了确定BMU30的全部功能，可在三个阶段对其进行测试。对于第一阶段，放泄阀36或38中的其中一个打开，这取决于阳极流向，并且排气阀40打开。如果打开的放泄阀36或38以及排气阀40允许流到达系统排气，则压力传感器46提供穿过节流器44的压力读数。如果通过BMU30的流不受限制，则压力传感器46应当提供与对开式电池子组12和14的阴极和阳极之间的压力差大约相同的压力读数。

如果在第一阶段检测出适当的流，则第二阶段包括关闭排气阀40以确定压力传感器46是否测量到零或接近零水平，并且如果是，则节流器44未被冰阻塞。如果压力传感器46提供足够大的压力读数，则节流器44或从压力传感器46到管线34的管线可能受到限制，例如受到冰的限制。如果冰确实阻塞阳极侧的下游到压力传感器46的通路，则在第一阶段中见到的流检测实际上可能正是如果管线冻结时存在的阳极侧压力和阴极侧压力之间的压力差。当仅使用第一阶段，则诊断将不能检测BMU30的这些零件中的冰。

对于诊断的第三阶段，关闭在第一阶段打开的放泄阀并且打开在第一阶段关闭的放泄阀以确定其是否被冰阻塞。具体地，如果在第一阶段期间放泄阀36打开并且放泄阀38关闭，那么在第三阶段期间关闭放泄阀36并且打开放泄阀38，或反之亦然。不必关闭排气阀40因为已经在第二阶段测试该功能，但是阀关闭的其他变化，例如关闭全部阀作为最终通道流动，可被包含在内以在现有的阳极流转换和控制的框架内简化实施。如果全部阶段表明有流动，则BMU30正确运行而没有流动限制并且BMU30通过了所述诊断检查。如果任何一个阶段表明BMU30未正确运行，则系统10可通过排放阀22切换到中心放泄以保持电池子组12和14运行，或执行某些其他矫正措施。

在决策菱形框56处在系统10中运行的算法确定诊断检查是否已经通过。在决策菱形框56处如果BMU诊断已经通过，则在决策菱形框58处确定其是否足够冷以致考虑冰阻塞BMU30中的流动通道，即使其可能当前处于正确地运行。算法可使用任何合适的技术来确定环境是否太冷，例如环境温度读数、电池组温度读数、冷却流体温度读数等。算法可采用对于该确定来说任何合适的温度阈值，例如50℃。在决策菱形框58处如果系统不太冷，则在框60处算法使用采用放泄阀36和38的正常BMU放泄调度。根据在对开式电池子组12和14的阳极侧上的氮的聚集，可采用任何合适的BMU放泄调度。

然后在决策菱形框62处算法确定应当执行另一BMU诊断检查的预定时间是否已经终止。系统可在正常运行期间执行BMU诊断检查来检查冰对于BMU流动来说没有影响，但是可能有其他故障。在决策菱形框62处如果该是下次BMU诊断检查的时间，则算法返回来提供正常BMU放泄。如果不该是BMU诊断检查的时间，则在框64处算法阻止阳极排气放泄并且返回到框54来执行BMU诊断检查。

在决策菱形框58处如果起动温度足够低，则可能由于BMU30中的冰，无流动条件可发生。在此情形下，在框66处，算法进行到连续BMU放泄，其中，取决于通过电池子组12和14的流向，放泄阀36或38中的其中一个或另一个始终打开。

在决策菱形框56处如果诊断检查失败，则算法进入不甚合希望的使用排放阀22的中心放泄模式。典型地，排放阀22比放泄阀36和38大，因此在中心放泄期间失去的氢的量是非常大的。此外，在排放阀22用于放泄时，在流转换过程期间，很少的阳极排气，即使有的话，被传送到下游的对开式电池组，因为大部分阳极排气从排放阀22排出。在中心放泄期间可能同时执行流入对开式电池组12和14的并行流动。然而，这样的运行失去甚至更多的氢。

在决策菱形框68处，算法首先确定对于正常中心放泄是否太冷。在决策菱形框68处如果不是太冷，则在框70处算法执行正常中心放泄，其中，基于在对开式电池子组12和14上的氮的聚集，在希望的调度上打开和关闭排放阀22。定期地，在决策菱形框72处算法将确定是否该进行BMU诊断检查，并且如果否，则在框70处返回到正常中心放泄。在中心放泄运行期间不能进行BMU放泄诊断，因为如果BMU30正在工作，则来自中心放泄和BMU放泄的氢流量可超过氢排放限制，例如4％。在框74处临时地暂停中心放泄用于运行BMU诊断。没有放泄的时间可能使电池组处于风险运行。因此，维持中心放泄并且暂停BMU诊断直到系统预热到不需要连续放泄的温度，例如40℃。在决策菱形框68处如果太冷，则在框76处算法通过排放阀22执行连续中心放泄，直到温度足够高到并将不会阻塞流动通道。

前面的讨论仅公开并描述了本发明的示范性实施例。在不偏离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，从这些讨论和从附图和所附权利要求，本领域技术人员将很容易认识到可以在其中做出各种变化、改型和改变。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，其包括：

第一对开式电池子组；

第二对开式电池子组；

设置在所述第一和第二对开式电池子组的输入处的放泄歧管单元，所述放泄歧管单元包括第一放泄阀、第二放泄阀、排气阀、节流阀和压力传感器，所述压力传感器跨接所述节流阀联接并且提供表明流通过所述节流阀的压力信号；以及

用于确定放泄歧管单元中的流动通路是否被阻塞的控制器，所述控制器打开第一放泄阀、关闭第二放泄阀和打开排气阀，并且从压力传感器读取压力信号以确定是否有穿过节流阀的压力降，其表明流通过所述节流阀，其中如果没有检测到流，则所述第一放泄阀或排气阀中的其中一个被阻塞；所述控制器进一步关闭所述排气阀，保持所述第一放泄阀打开，并读取压力信号以确定穿过所述节流阀的压力降，其中非零流动表示所述节流阀或压力传感器管线有限制；所述控制器进一步关闭所述第一放泄阀并且打开所述第二放泄阀以确定压力信号是否表明流通过所述第二放泄阀。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述排气阀在所述控制器读出压力信号时被关闭以确定所述节流阀或所述压力传感器管线是否被阻塞。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述排气阀在所述控制器读出压力信号时被打开以确定所述节流阀或所述压力传感器管线是否被阻塞。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器确定所述放泄歧管单元中的各阀是否被冰阻塞。

5.一种燃料电池系统，其包括：

第一对开式电池子组；

第二对开式电池子组；

设置在所述第一和第二对开式电池子组的输入处的放泄歧管单元，所述放泄歧管单元包括第一放泄阀、第二放泄阀、排气阀、节流阀和压力传感器，所述压力传感器跨接所述节流阀联接并且提供表示流通过所述节流阀的压力信号；以及

用于确定放泄歧管单元中的流动通路是否被阻塞的控制器，所述控制器使用三个独立阶段来确定流动通路是否被阻塞，其中每个阶段包括打开一些阀、关闭一些阀和读取压力信号；所述三个独立阶段包括第一阶段、第二阶段和第三阶段，

其中，所述第一阶段包括：所述控制器打开第一放泄阀、关闭第二放泄阀和打开排气阀，并且从所述压力传感器读取压力信号以确定是否有穿过节流阀的压力降，其表明流通过所述节流阀，其中如果没有检测到流，则所述第一放泄阀或排气阀中的其中一个被阻塞；

所述第二阶段包括：所述控制器关闭所述排气阀并且保持所述第一放泄阀打开，并读取压力信号以确定穿过所述节流阀的压力降，其中非零流动表示所述节流阀或压力传感器管线有限制；

所述第三阶段包括：所述控制器关闭所述第一放泄阀并且打开所述第二放泄阀以确定压力信号是否表明流通过所述第二放泄阀。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述第二阶段期间所述排气阀被关闭。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述第二阶段期间所述排气阀被打开。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器确定所述放泄歧管单元中的阀是否被冰阻塞。

9.一种用于识别放泄歧管单元中的故障的方法，所述放泄歧管单元设置在第一和第二对开式电池子组的输入处，所述放泄歧管单元包括第一放泄阀、第二放泄阀、排气阀、节流阀和压力传感器，所述压力传感器跨接所述节流阀联接并且提供表示流通过所述节流阀的压力信号，所述方法包括：

打开第一放泄阀、关闭第二放泄阀和打开排气阀，并且从所述压力传感器读取压力信号以确定是否有穿过节流阀的压力降，其表明流通过所述节流阀，其中如果没有检测到流，则所述第一放泄阀或排气阀中的其中一个被阻塞；

关闭所述排气阀并且保持所述第一放泄阀打开，并读取压力信号以确定穿过所述节流阀的压力降，其中非零流动表示所述节流阀或压力传感器管线有限制；以及

关闭所述第一放泄阀并且打开所述第二放泄阀以确定压力信号是否表明流通过所述第二放泄阀。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述排气阀在控制器读出压力信号时被关闭以确定所述节流阀或所述压力传感器管线是否被阻塞。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述排气阀在控制器读出压力信号时被打开以确定所述节流阀或所述压力传感器管线是否被阻塞。

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