CN101793581B - 燃料电池系统及判定燃料电池系统内的阳极压力传感器是否正常运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及检测冻结的阳极压力传感器的方法和算法。一种用于进行燃料电池堆阳极侧压力传感器的可信性检查以确定压力传感器是否提供准确的测量值的方法。在系统启动前当阴极侧压缩机未将阴极空气提供到燃料电池堆且堆的阴极侧处于环境压力时，提供来自燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的差压传感器的压力测量值。将差压传感器的读数加到来自环境压力传感器的压力测量值，其中如果阳极侧压力传感器正常运行，则该加和应与来自阳极侧压力传感器的压力测量值大约相同。

Description

燃料电池系统及判定燃料电池系统内的阳极压力传感器是否正常运行的方法
技术领域
本发明总体涉及一种用于确定燃料电池系统内的阳极压力传感器是否正常运行的系统和方法，且更具体地涉及一种用于通过将阳极压力传感器读数与环境压力传感器测量值和阳极与阴极之间的差压传感器测量值的加和进行比较来确定燃料电池系统内的阳极压力传感器是否正常运行的系统和方法。 
背景技术
氢是非常具有吸引力的燃料，因为氢是清洁燃料且能够用于在燃料电池内有效地产生电。氢燃料电池是电化学装置，所述装置包括阳极和阴极以及在阳极和阴极之间的电解质。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极内分离以生成自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极内反应生成水。来自阳极的电子不能通过电解质且因此被引导通过负载，以在被送到阴极前做功。 
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行的燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括磨碎的催化剂微粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂微粒支承在碳微粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对两侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜形成膜电极组件(MEA)。MEA的制造相对昂贵且要求一定条件以有效运行。 
数个燃料电池典型地组合在燃料电池堆内以生成希望的动力。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应剂气体，典型地为由压缩机迫使通过堆的空气流。并非所有氧都被堆消耗，且空气的一些作为阴极排气输出，所述阴极排气可包括作为堆的副产物的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧的阳极氢反应剂气体。堆还包括流动通道，冷却流体通过该流动通道流动。 
燃料电池堆包括定位在堆内的数个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于堆内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，所述阳极气体流动通道允许阳极反应剂气体流到各MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流动通道允许阴极反应剂气体流到各MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，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的传导材料或由传导复合材料制成。端板将由燃料电池产生的电传导到堆外以及传导回到堆中。双极板还包括流动通道，冷却流体流过该流动通道。 
如在本领域中所理解，燃料电池内的膜需要具有一定的相对湿度，使得穿过膜的离子阻力足够小以有效传导质子。此湿度可以来自堆的副产物水或外部湿度。在燃料电池堆运行期间，副产物水和外部湿度可以进入阳极和阴极流动通道，且可以在阳极或阴极气体流动通道内聚积。 
典型地，需要将燃料电池运行为使得堆的阳极侧所处的压力略微高于堆的阴极侧所处的压力。保持阳极侧压力略微高于阴极侧的压力的原因包括减少越过MEA发生的氮的越过量，并且在放泄事件期间防止阴极排气进入阳极侧。为保证存在合适的压力，燃料电池系统典型地使用测量燃料电池堆的阴极侧压力的阴极压力传感器、测量燃料电池堆的阳极侧压力的阳极压力传感器、和用于测量燃料电池堆的阴极侧和阳极侧之间的压力差的差压传感器。 
燃料电池堆的阳极侧和阴极侧内的液态水可能冻结并形成冰。有时这种冰能够形成在阳极侧压力传感器上或形成在阳极侧压力传感器周围，这影响阳极侧压力传感器提供正确压力读数的能力。因此，在下一次系统启动期间，冻结的阳极压力传感器可能给出不准确的读数，该不准确的读数指示阳极侧压力过高或过低，或当阳极侧压力实际过高或过低时指示为正常的压力测量值。如果给出不正确的阳极侧压力读数且阳极侧压力过高，则过多的氢可能损失且由于部件破裂可能发生系统故障。低压力阳极侧可能导致阴极侧催化剂迅速毁坏。 
发明内容
根据本发明的教示，公开了一种用于进行燃料电池堆阳极侧压力传感器的可信性检查的方法以确定压力传感器是否提供准确的测量值。在系统启动前当阴极侧压缩机不向燃料电池堆提供阴极空气且堆的阴极侧处于环境压力时，提供来自燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的差压 传感器的压力测量值。将差压传感器读数加到来自环境压力传感器的压力测量值，其中如果阳极侧压力传感器正常运行则该加和应与来自阳极侧压力传感器的压力测量值大约相同。 
在本发明的第一方面，提供一种燃料电池系统，包括：至少一个燃料电池堆；向所述至少一个燃料电池堆提供氢的氢源；用于测量所述至少一个燃料电池堆的阳极侧的压力的阳极压力传感器；用于测量所述至少一个燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的压力差的差压传感器；用于测量环境压力的环境压力传感器；和响应于来自阳极压力传感器、差压传感器和环境压力传感器的压力测量信号的控制器，所述控制器通过将阳极压力传感器测量信号与差压传感器测量信号和环境压力传感器测量信号的加和进行比较来判定阳极压力传感器是否正常运行。 
优选地，如果控制器确定阳极压力传感器可能处于冻结条件下，则控制器判定阳极压力传感器是否正常运行。 
优选地，环境压力传感器位于干燥环境中。 
优选地，该燃料电池系统进一步包括用于将阴极空气提供到所述至少一个燃料电池堆的压缩机，在系统启动时在压缩机将阴极空气提供到至少一个燃料电池堆之前、当至少一个燃料电池堆的阴极侧处于环境压力时，所述控制器判定阳极压力传感器是否正常运行。 
优选地，环境压力传感器是测量至少一个燃料电池堆的阴极侧的压力的压力传感器。 
优选地，如果控制器确定阴极侧压力高于阳极侧压力，则在判定阳极压力传感器是否正常运行之前，控制器使氢源将氢提供到至少一个燃料电池堆，以将至少一个燃料电池堆的阳极侧的压力升高到等于或大于至少一个燃料电池堆的阴极侧的压力。 
优选地，至少一个燃料电池堆是分开的第一和第二子堆，其中所述子堆的阳极侧通过连接管线连接，所述阳极压力传感器测量连接管线内子堆的阳极侧内的压力。 
在本发明的第二方面，提供一种燃料电池系统，包括：至少一个燃料电池堆；向至少一个燃料电池堆的阳极侧提供氢的氢源；用于将空气流提供到至少一个燃料电池堆的阴极侧的压缩机；用于测量至少一个燃料电池堆的阳极侧的压力的阳极压力传感器；用于测量至少一个燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的压力差的差压传感器；用于测量环境压力 的环境压力传感器，所述环境压力传感器定位在干燥环境中；和响应于来自阳极压力传感器、差压传感器和环境压力传感器的压力测量信号的控制器，在系统启动时在压缩机将阴极空气流提供到至少一个燃料电池堆之前、当至少一个燃料电池堆的阴极侧处于环境压力时，所述控制器通过将阳极压力传感器测量信号与差压传感器测量信号和环境压力传感器测量信号的加和进行比较来判定阳极压力传感器是否提供准确的压力测量值。 
优选地，如果控制器确定阳极压力传感器可能处于冻结条件下，则控制器判定阳极压力传感器是否正常运行。 
优选地，如果控制器确定阴极侧压力高于阳极侧压力，则在判定阳极压力传感器是否正常运行前，控制器使氢源将氢提供到至少一个燃料电池堆，以将至少一个燃料电池堆的阳极侧的压力升高到等于或大于至少一个燃料电池堆的阴极侧的压力。 
优选地，至少一个燃料电池堆是分开的第一和第二子堆，其中所述子堆的阳极侧通过连接管线连接，所述阳极压力传感器测量连接管线内子堆的阳极侧内的压力。 
在本发明的第三方面，提供一种用于判定测量燃料电池堆的阳极侧内的压力的阳极压力传感器是否提供准确的压力传感器读数的方法，所述方法包括：测量环境压力；测量燃料电池堆的阴极侧和燃料电池堆的阳极侧之间的差压；将环境压力测量值和差压测量值相加；和判定相加的差压测量值和环境压力测量值是否与阳极压力传感器测量值相同或近似相同。 
优选地，测量环境压力包括使用位于干燥环境中的环境压力传感器。 
优选地，测量环境压力包括当燃料电池堆的阴极侧开放到环境时使用阴极侧内的阴极压力传感器。 
优选地，该方法进一步包括如果阳极侧和阴极侧之间的差压指示阴极侧压力高于阳极侧压力时则将氢添加到燃料电池堆的阳极侧。 
本发明的另外的特征将从如下描述和随附的权利要求中结合附图变得显见。 
附图说明
图1是燃料电池系统的示意性方框图。 
具体实施方式
针对用于确定燃料电池堆内的阳极压力传感器是否正常运行的方法的本发明的实施例的如下论述仅在本质上是示例性的，且决不意图于限制本发明或其应用或使用。 
图1是燃料电池系统10的示意性方框图，所述燃料电池系统10包括在阳极流动转换下运行的分开的燃料电池子堆12和14。当流动处在一个方向上时，喷射器排16将新鲜的氢在阳极输入管线24上喷射到子堆12的阳极侧内。从子堆12输出的阳极气体在连接管线20上被送到子堆14。在阳极放泄期间当放泄阀38开启时，阳极排气从分开的子堆14在管线32上输出，以将阳极排气引导到输出管线34。当流动处在相反的方向上时，喷射器排18将新鲜的氢在阳极输入管线26上喷射到子堆14的阳极侧14内，所述氢从子堆14输出且在管线20上被输送到子堆12。在阳极放泄期间当放泄阀36开启时，阳极排气从分开的子堆12在管线30上输出，以将阳极排气引导到输出管线34。排气阀40设置在管线34内，该排气阀40在阳极放泄期间且在可能需要的其他时间开启。类似地，在阳极放泄期间当放泄阀38开启以将阳极排气引导到输出管线34时，阳极排气从分开的子堆14输出在管线32上。 
燃料电池系统10进一步包括压缩机28，该压缩机28将阴极空气在阴极输入管线上提供到分开的子堆12和14的阴极侧。阴极排气从分开的子堆12和14输出在阴极排气管线22上，该阴极排气与管线34内的阳极排气组合且稀释其内的氢。 
阳极压力传感器42设置在连接管线20内且测量子堆12和14的阳极侧内的压力。差压传感器44连接到连接管线20和阴极输出管线22，且测量子堆12和14的阳极和阴极之间的差压。阴极压力传感器46设置在阴极输出管线22内且测量子堆12和14的阴极侧内的压力。环境压力传感器48位于车辆上典型的干燥区域内，以便环境压力传感器48不冻结。控制器50控制喷射器排16和18、压缩机28、阳极排气放泄阀36和38以及接收来自压力传感器42、44、46和48的压力测量信号。 
在系统启动前，压缩机28一般不将空气提供到分开的子堆12和14的阴极侧。因为阴极是开放系统，且因为压缩机28恰在启动前不提供空气 流，所以阴极处于环境压力。因此，恰在启动前，控制器50能够使用环境压力传感器48和差压传感器44来确定阳极压力传感器42是否在合理的阈值内准确读数。在压缩机28将阴极空气输送到子堆12和14前，阴极压力传感器46的读数也将为环境压力，因此阴极压力传感器46也可以与差压传感器44组合使用来确定阳极压力传感器42是否正常运行。然而，因为阴极压力传感器46也位于湿环境中，所以它也经受与阳极压力传感器42相同的冻结条件，因此将不知道阴极压力传感器46是否提供准确的读数。因为环境压力传感器48典型地不处于湿环境中，所以它不经受冻结条件，且因此不会因此原因而失效。使用差压传感器以防止冻结条件影响其读数的可靠性。 
本发明提出，通过将来自阳极压力传感器42的读数与来自差压传感器44和环境压力传感器48的读数之和进行比较，确定阳极压力传感器42在冻结环境中是否提供准确读数。因为差压传感器44测量阴极和阳极之间的差压且在系统启动前阴极处于环境压力，所以如果所有传感器提供准确的读数则此关系应保持成立。确定阳极压力传感器42是否正常运行的这种诊断能够选择地在冻结条件期间进行，或能够在系统10每次处于启动条件中时进行。 
控制器50能够使用来自环境压力传感器48的测量值和来自差压传感器44的读数的加和来确保阳极压力传感器42在一定的合理阈值内准确读数。如果不处于合理的阈值内，则控制器50将给出错误信号。确保阳极压力传感器准确读数有助于避免在燃料电池堆的阳极侧内造成过大或过小的压力的问题，且因此潜在地避免燃料电池堆内的部件破裂、释放过多的氢或导致催化剂毁坏。 
对于某些应用，例如汽车应用，差压传感器44可能不能提供负测量值。因此，对于在子堆12和14内阳极压力可能低于阴极压力时的那些情况，例如对于在子堆12和14的阳极侧内形成真空的情况，差压传感器44可能不给出正确读数。在这样的情况中，差压传感器44将仅提供指示读数低于零的错误信号。如果检测到负的阳极压力，则控制器50将氢输送到子堆12和14以导致阳极侧压力升高。一旦阳极压力升高到等于或大于环境压力且差压传感器44不再读数错误或具有负值读数，则系统将停止向阳极喷射氢且进行如上所述的压力传感器检查。消除阳极侧内的真空以给出正的阳极压力值的其他方式是可以的，例如开启放泄阀36和38和 阀40，且这些方式对于本领域一般技术人员将容易地显见。 
如果如上所详述的可信性检查返回为不可信的读数，则系统10可为用阴极压力传感器46减去差压传感器44(的读数)来替代阳极压力传感器42，用于燃料电池系统控制。如果差压传感器44和环境压力传感器48的加和与阳极压力传感器42在一定的合理阈值内相同，则阳极压力传感器42被确定为读数准确。 
前述论述仅公开且描述了本发明的典型实施例。本领域一般技术人员从这些讨论且从附图和权利要求中将容易地认识到，在不偏离如在所附的权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下可进行多种改变、修改和变化。 

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，包括：
至少一个燃料电池堆；
向所述至少一个燃料电池堆提供氢的氢源；
用于将阴极空气提供到所述至少一个燃料电池堆的压缩机；
用于测量所述至少一个燃料电池堆的阳极侧的压力的阳极压力传感器；
用于测量所述至少一个燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的压力差的差压传感器；
用于测量环境压力的环境压力传感器；和
响应于来自阳极压力传感器、差压传感器和环境压力传感器的压力测量信号的控制器，在系统启动时在压缩机将阴极空气提供到至少一个燃料电池堆之前、且当至少一个燃料电池堆的阴极侧处于环境压力时，所述控制器通过将阳极压力传感器测量信号与差压传感器测量信号和环境压力传感器测量信号的加和进行比较来判定阳极压力传感器是否正常运行。
2.根据权利要求1所述的系统，其中如果控制器确定阳极压力传感器可能处于冻结条件下，则控制器判定阳极压力传感器是否正常运行。
3.根据权利要求1所述的系统，其中环境压力传感器位于干燥环境中。
4.根据权利要求1所述的系统，其中环境压力传感器是测量至少一个燃料电池堆的阴极侧的压力的压力传感器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中如果控制器确定阴极侧压力高于阳极侧压力，则在判定阳极压力传感器是否正常运行之前，控制器使氢源将氢提供到至少一个燃料电池堆，以将至少一个燃料电池堆的阳极侧的压力升高到等于或大于至少一个燃料电池堆的阴极侧的压力。
6.根据权利要求1所述的系统，其中至少一个燃料电池堆是分开的第一和第二子堆，其中所述子堆的阳极侧通过连接管线连接，所述阳极压力传感器测量连接管线内子堆的阳极侧内的压力。
7.一种燃料电池系统，包括：
至少一个燃料电池堆；
向至少一个燃料电池堆的阳极侧提供氢的氢源；
用于将空气流提供到至少一个燃料电池堆的阴极侧的压缩机；
用于测量至少一个燃料电池堆的阳极侧的压力的阳极压力传感器；
用于测量至少一个燃料电池堆的阳极侧和阴极侧之间的压力差的差压传感器；
用于测量环境压力的环境压力传感器，所述环境压力传感器定位在干燥环境中；和
响应于来自阳极压力传感器、差压传感器和环境压力传感器的压力测量信号的控制器，在系统启动时在压缩机将阴极空气流提供到至少一个燃料电池堆之前、且当至少一个燃料电池堆的阴极侧处于环境压力时，所述控制器通过将阳极压力传感器测量信号与差压传感器测量信号和环境压力传感器测量信号的加和进行比较来判定阳极压力传感器是否提供准确的压力测量值。
8.根据权利要求7所述的系统，其中如果控制器确定阳极压力传感器可能处于冻结条件下，则控制器判定阳极压力传感器是否正常运行。
9.根据权利要求7所述的系统，其中如果控制器确定阴极侧压力高于阳极侧压力，则在判定阳极压力传感器是否正常运行前，控制器使氢源将氢提供到至少一个燃料电池堆，以将至少一个燃料电池堆的阳极侧的压力升高到等于或大于至少一个燃料电池堆的阴极侧的压力。
10.根据权利要求7所述的系统，其中至少一个燃料电池堆是分开的第一和第二子堆，其中所述子堆的阳极侧通过连接管线连接，所述阳极压力传感器测量连接管线内子堆的阳极侧内的压力。
11.一种用于判定测量燃料电池堆的阳极侧内的压力的阳极压力传感器是否提供准确的压力传感器读数的方法，所述方法包括：
测量环境压力；
测量燃料电池堆的阴极侧和燃料电池堆的阳极侧之间的差压；
将环境压力测量值和差压测量值相加；和
在燃料电池堆启动时在压缩机将阴极空气提供到燃料电池堆之前、且当燃料电池堆的阴极侧处于环境压力时，判定相加的差压测量值和环境压力测量值是否与阳极压力传感器测量值相同或近似相同。
12.根据权利要求11所述的方法，其中测量环境压力包括使用位于干燥环境中的环境压力传感器。
13.根据权利要求11所述的方法，其中测量环境压力包括当燃料电池堆的阴极侧开放到环境时使用阴极侧内的阴极压力传感器。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括如果阳极侧和阴极侧之间的差压指示阴极侧压力高于阳极侧压力时则将氢添加到燃料电池堆的阳极侧。
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