CN102169165B - 燃料电池堆的最小电池电压退化的早期检测 - Google Patents

燃料电池堆的最小电池电压退化的早期检测 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池堆的最小电池电压退化的早期检测。用于确定燃料电池堆中低性能电池的方法。所述方法测量所述燃料电池堆中每个电池的电压，并且计算多个堆电流密度时来自所述燃料电池堆的所有电池电压的平均电池电压。该方法还从计算出所述平均电池电压的所述多个堆电流密度处所述燃料电池堆的所有所述电池电压中识别出最小电池电压，并且确定所述多个堆电流密度中每一堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系。所述相对δ电压关系被用来确定所述最小电池电压是否指示出持久性堆问题。

Description

燃料电池堆的最小电池电压退化的早期检测
技术领域
本发明总体涉及用于检测燃料电池堆中的最小电池电压退化的方法，并且更具体地涉及用于检测燃料电池堆中的最小电池电压退化的如下方法，其计算一段堆电流密度范围内平均电池电压和最小电池电压之间的相对平均电压。
背景技术
氢是非常引人注意的燃料，因为其是清洁的并且可以被用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气并且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中离解从而产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因而被引导通过负载从而在被传送到阴极之前做功。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是车辆常用的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括被支撑在碳颗粒上且与离聚物混合的磨碎的催化颗粒，通常是铂（Pt）。催化混合物被沉积在膜的相对侧上。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的制造是相对昂贵的并且需要特定条件来有效操作。
在燃料电池堆中通常可以通过串联联接来组合多个燃料电池从而产生所需功率。例如，用于车辆的常用燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应物气体（通常是被压缩机驱动通过所述堆的空气流）。并不是所有的氧均被堆所消耗，一些空气作为阴极排出气体被输出，该阴极排出气体可以包括水作为堆副产品。燃料电池堆也接收流入堆阳极侧的阳极氢反应物气体。所述堆也包括冷却流体所流动通过的流动通道。
燃料电池堆包括位于堆内的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被设置在双极板的阳极侧上从而允许阳极反应物气体流动到相应MEA。阴极气体流动通道被设置在双极板的阴极侧上从而允许阴极反应物气体流动到相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，而另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板是传导性材料制成，例如不锈钢或导电合成物。端板将燃料电池产生的电传导到堆之外。双极板也包括冷却流体所流动通过的流动通道。
随着燃料电池堆老化，堆中的各个电池的性能因各种因素的原因而有差别地退化。低性能电池的所述原因不同，例如因为电池溢流、催化剂损失等，一些是暂时的而一些是永久的，一些需要维修而一些需要堆替换从而更换那些低性能电池。虽然燃料电池被串联地电性联接，不过当负载被联接于堆两端上时每个电池的电压有区别地减小，其中性能低的那些电池具有较小电压。因此，必要的是监控堆中燃料电池的电池电压来确保电池的电压不会降低到预定阈值电压之下从而防止可能导致对电池的永久性损坏的电池电压极性倒转。
监控燃料电池的电压来确保最低性能电池的电压不降低到预定阈值之下需要从电池汲取的电流不超过预定限制。本领域中存在用于监控电池电压的不同已知技术，并且可以对其进行改进。
发明内容
根据本发明的教导，公开了用于确定燃料电池堆中的低性能电池的方法。该方法测量燃料电池堆中每个电池的电压以及计算出多个堆电流密度处来自燃料电池堆的所有电池电压的平均电池电压。该方法也从来自于所述多个堆电流密度处的燃料电池堆的所有电池电压（用于计算所述平均电池电压的）中识别出最小电池电压，并且确定所述多个堆电流密度中每一堆电流密度处平均电池电压和最小电池电压之间的相对德尔塔（δ）电压关系。相对δ电压关系被用于确定最小电池电压是否指示出持久性堆问题。
本发明还提供了下述技术方案。
方案1. 一种识别燃料电池堆中的低性能电池的方法，所述方法包括：
测量所述燃料电池堆中每个电池的电压；
计算所述燃料电池堆中所有电池电压的平均电池电压；
从所述燃料电池堆中所有所述电池电压中识别出最小电池电压；
确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系；以及
使用所述相对δ电压关系来确定所述最小电池电压是否指示出堆问题。
方案2. 根据方案1所述的方法，其中所述相对δ电压关系由如下等式确定：
rel.δU=（Uavg-Umin）·Uavg/1000
其中rel.δU是相对δ电压值，Uavg是所述平均电池电压，Umin是所述最小电池电压，并且1000是比例因子。
方案3. 根据方案1所述的方法，还包括提供所述平均电池电压和所述最小电池电压作为堆电流密度和电压的极化曲线。
方案4. 根据方案1所述的方法，其中计算所有电池电压的平均电池电压包括计算多个堆电流密度时所有所述电池电压的平均电池电压。
方案5. 根据方案4所述的方法，其中识别出所有所述电池电压的最小电池电压包括识别计算出所述平均电池电压的所述多个堆电流密度时所有所述电池电压的最小电池电压。
方案6. 根据方案5所述的方法，其中确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系包括确定所述多个堆电流密度中每一堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系。
方案7. 根据方案6所述的方法，其中确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系包括以单个数据点来确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系，并且其中所述方法针对多个数据点确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系来确定最小电池电压趋势。
方案8. 一种识别燃料电池堆中的低性能电池的方法，所述方法包括：
测量所述燃料电池堆中每个电池的电压；
计算多个堆电流密度时所述燃料电池堆中所有电池电压的平均电池电压；
从计算出所述平均电池电压的所述多个堆电流密度时所述燃料电池堆中所有所述电池电压中识别出最小电池电压；
确定在所述多个堆电流密度中每一堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系；以及
使用所述相对δ电压关系来确定所述最小电池电压是否指示出堆问题。
方案9. 根据方案8所述的方法，其中所述相对δ电压关系由如下等式确定：
rel.δU=（Uavg-Umin）·Uavg/1000
其中rel.δU是相对δ电压值，Uavg是所述平均电池电压，Umin是所述最小电池电压，并且1000是比例因子。
方案10. 根据方案8所述的方法，还包括提供所述平均电池电压和所述最小电池电压作为堆电流密度和电压的极化曲线。
方案11. 根据方案8所述的方法，其中确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系包括以单个数据点来确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系，并且其中所述方法针对多个数据点确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系来确定最小电池电压趋势。
方案12. 一种识别燃料电池堆中的低性能电池的系统，所述系统包括：
用于测量所述燃料电池堆中每个电池的电压的器件；
用于计算所述燃料电池堆中所有电池电压的平均电池电压的器件；
用于从所述燃料电池堆中所有所述电池电压中识别出最小电池电压的器件；
用于确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系的器件；以及
用于使用所述相对δ电压关系来确定所述最小电池电压是否指示出堆问题的器件。
方案13. 根据方案12所述的系统，其中所述相对δ电压关系由如下等式确定：
rel.δU=（Uavg-Umin）·Uavg/1000
其中rel.δU是相对δ电压值，Uavg是所述平均电池电压，Umin是所述最小电池电压，并且1000是比例因子。
方案14. 根据方案12所述的系统，还包括用于提供所述平均电池电压和所述最小电池电压作为堆电流密度和电压的极化曲线的器件。
方案15. 根据方案12所述的系统，其中用于计算所有电池电压的平均电池电压的器件计算多个堆电流密度时所有所述电池电压的平均电池电压。
方案16. 根据方案15所述的系统，其中用于识别出所有所述电池电压的最小电池电压的器件识别计算出所述平均电池电压的所述多个堆电流密度时所有所述电池电压的最小电池电压。
方案17. 根据方案16所述的系统，其中用于确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系的器件确定所述多个堆电流密度中每一堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系。
方案18. 根据方案17所述的系统，其中用于确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系的器件以单个数据点来确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系，并且针对多个数据点确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系来确定最小电池电压趋势。
结合附图从下述说明和所附权利要求中可以显而易见到本发明的附加特征。
附图说明
图1是燃料电池堆的简化框图；
图2是水平轴线上为电流且竖直轴线上为电压的示图，其示出了平均电池电压和最小电池电源的极化曲线；
图3是水平轴线上为电流且竖直轴线上为电压的示图，其示出了堆极化曲线的相同阶段的原始数据点；
图4是水平轴线上具有大量数据点且竖直轴线上为相对δ电压的示图，其示出了图3所示原始采样点的平均电压；以及
图5是水平轴线上为时间且竖直轴线上为相对δ电压的示图，其示出了若干采样阶段的相对δ电压以识别出低性能电池趋势。
具体实施方式
对于本发明实施例（涉及用于通过计算平均电池电压和最小电池电压之间的相对δ电压来识别燃料电池堆中的低性能电池的方法）的下述讨论实质上仅是示例性的并且不以任何方式限制本发明或其应用或使用。
图1是燃料电池堆10的平面图，该燃料电池堆10包括串联地电性联接的多个燃料电池12。燃料电池堆10也包括被电性联接到燃料电池12的正端子14和负端子16。系统负载18被电性联接到端子14和16。电压监控电路20被电性联接到燃料电池12，并监控燃料电池12中每一个的电压。如下面将详细描述的，燃料电池监控电路20监控燃料电池12的电压从而确定平均电池电压并且识别出最低性能电池。
图2是水平轴线上为堆电流、竖直轴线上为堆电压从而示出了燃料电池堆10的典型极化曲线的示图。该示图示出了在堆电流密度操作范围内燃料电池12的平均电压的极化曲线30、在堆电流密度操作范围内1小时堆寿命操作之后具有最小电压的电池的极化曲线32以及在堆电流密度操作范围内已经经过了一段显著堆寿命之后具有最小电压的电池的极化曲线34。明显地，极化曲线30、32和34的中心部分是相对线性的，这也公知为欧姆极化区。不过，对于平均电池电压和最小电池电压而言，线性部分的斜率是不同的。具体而言，对于低电流密度而言极化曲线30和32的电压之间的差是大约20mV，针对较高的电流密度而言极化曲线30和32的电压之间的差是大约30mV，因此得出最小电池电压具有更大的负斜率。
根据本发明，使用沿极化曲线在若干采样位置处的平均电池电压和最小电池电压来计算相对δ电压值rel.deltaU。之后，该相对δ电压值rel.deltaU可以与预定阈值进行比较来确定最小电池电压是否过低。相对δ电压值rel.deltaU被计算如下：
rel.deltaU=（Uavg-Umin）·Uavg/1000
其中Uavg是燃料电池12的平均电压，Umin是燃料电池12的最小电压，并且1000是比例因子，该比例因子不是计算所必须的不过被用于取整且防止十进制位从而简化rel.deltaU值的可视化和使用。
本发明计算堆10的寿命期间多个采样点处在平均电池电压和最小电池电压之间的相对δ电压值rel.deltaU，从而监控最小电池电压并且确定何时最小电池电压会影响堆性能。因为平均电池电压和最小电池电压之间的每个电压差与（即相关于）平均电池电压相乘，所以其独立于电流堆功率水平，并且电压越高则影响越大。因此，在低电流/高电压时与在高电流/低电压时相比具有差异。因此，由于平均电池电压加权，因此即使平均电池电压和最小电池电压之间的低电压差仍可能具有大的影响。
这种加权被实现，这是因为与平均电池电压相比，最小电压通常具有较大欧姆损失，即在极化曲线的中心部分具有较大负斜率，从而电压差越大则电压越小且因而电流密度越大。因此，该关系使得电压差的烈度（severity）朝向较低电流密度偏移。由于独立于电流密度，所以不需要保持电流密度恒定的良好受控的燃料电池堆测试平台，从而即使在动态操作系统（例如快速车辆（fleet vehicle））中，本发明仍允许对于永久性单个电池电压退化的检测。通过定义最大许用rel.deltaU和特定警报阈值，可以使用本发明来进行对最小电池电压退化的早期检测。
可以通过图2中的值示出上述讨论。应该理解，图2示出的值不是现实世界的数据，而是用于图释出Rel.deltaU的原理概念的虚拟值。对于极化曲线30和32而言，计算点36和38之间的相对δ电压值rel.deltaU得到了20·850/1000=17，并且计算点40和42之间的相对δ电压值rel.deltaU得到了30·700/1000=21。对于极化曲线30和34，在点36和44之间的相对δ电压值rel.deltaU是30·850/1000=25.5，这得到了17和25.5之间的差8.5。在点40和46之间的相对δ电压值rel.deltaU是40·700/1000=28，这得到了线32和34之间的差7。这种示例示出了在整个电流密度范围内随最小电池电压的时间10mV的性能损失会导致与较低电压处的增加相比在较高电压处的更大的rel.deltaU增加。因此，由于与平均电池电压的关系，电压差的烈度朝向较低电流密度偏移。
图3是水平轴线上为电流且竖直轴线上为电压且示出了示例性数据点54和示例性数据点56的示图，所述示例性数据点54已经被用于计算平均电池电压的极化曲线50，并且所述示例性数据点56已经被用于计算最小电池电压的极化曲线52。数据点54和56是预定时间阶段内一个原始数据文件的数据。从数据点54和56可以清楚看出，极化曲线50和52的斜率是不同的。因此，如上所讨论的，在较低堆电流密度时的相对δ电压值rel.deltaU将低于较高堆电流密度时的相对δ电压值rel.deltaU。
图4是水平轴线上为原始数据文件采样数n且竖直轴线上为rel.deltaU的示图，其示出了从图3中采样点54和56计算出的所有相对δ电压值rel.deltaU的数据点60。线62代表了数据点60的相对δ电压值rel.deltaU的平均值，其中数据点60被收集在一个原始数据文件中或在特定且频繁的时间帧中。平均化减少了数据点的数量但没有减少关于最小电池电压性能的信息。点64代表了在图3中曲线50和52之间低堆电流密度线的相对δ电压值rel.deltaU，点66代表了在图3中极化曲线50和52之间高堆电流密度线的相对δ电压值rel.deltaU，并且点68代表了在图3中极化曲线50和52之间中间堆电流密度线的相对δ电压值rel.deltaU。
图5是水平轴线上为时间且针对每个单独原始数据文件具有平均相对δ电压值rel.deltaU的示图，其中每个采样点70是从图4的相对δ电压值rel.deltaU获得的平均值。因此，对于可从每个数据文件获得的每组数据点而言，点位于图5的示图上并且观察到趋势线72。因此，可以观察到低性能电池随时间的趋势，并且可以进行关于何时需要注意该电池的计算。趋势线72由5次多项式数学关系表示。
上述讨论公开且描述了仅仅本发明的示例性实施例。本领域的技术人员从这些讨论以及从附图和权利要求中可以容易地认识到在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各种变化、改进和变型。

Claims (18)

1.一种识别燃料电池堆中的低性能电池的方法，所述方法包括：
测量所述燃料电池堆中每个电池的电压；
计算所述燃料电池堆中所有电池电压的平均电池电压；
从所述燃料电池堆中所有所述电池电压中识别出最小电池电压；
确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系；以及
使用所述相对δ电压关系来确定是否已经达到最大许用相对δ电压以使得所述最小电池电压指示出堆问题；
其中所述相对δ电压关系使得电压差的烈度朝向较低电流密度偏移。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述相对δ电压关系由如下等式确定：
rel.δU=（Uavg-Umin）·Uavg/1000
其中rel.δU是相对δ电压值，Uavg是所述平均电池电压，Umin是所述最小电池电压，并且1000是比例因子。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括提供所述平均电池电压和所述最小电池电压作为堆电流密度和电压的极化曲线。
4.根据权利要求1所述的方法，其中计算所有电池电压的平均电池电压包括计算多个堆电流密度时所有所述电池电压的平均电池电压。
5.根据权利要求4所述的方法，其中识别出所有所述电池电压的最小电池电压包括识别计算出所述平均电池电压的所述多个堆电流密度时所有所述电池电压的最小电池电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系包括确定所述多个堆电流密度中每一堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系。
7.根据权利要求6所述的方法，其中确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系包括以单个数据点来确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系，并且其中所述方法针对多个数据点确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系来确定最小电池电压趋势。
8.一种识别燃料电池堆中的低性能电池的方法，所述方法包括：
测量所述燃料电池堆中每个电池的电压；
计算多个堆电流密度时所述燃料电池堆中所有电池电压的平均电池电压；
从计算出所述平均电池电压的所述多个堆电流密度时所述燃料电池堆中所有所述电池电压中识别出最小电池电压；
确定在所述多个堆电流密度中每一堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系；以及
使用所述相对δ电压关系来确定是否已经达到最大许用相对δ电压以使得所述最小电池电压指示出堆问题；
其中所述相对δ电压关系使得电压差的烈度朝向较低电流密度偏移。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述相对δ电压关系由如下等式确定：
rel.δU=（Uavg-Umin）·Uavg/1000
其中rel.δU是相对δ电压值，Uavg是所述平均电池电压，Umin是所述最小电池电压，并且1000是比例因子。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括提供所述平均电池电压和所述最小电池电压作为堆电流密度和电压的极化曲线。
11.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系包括以单个数据点来确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系，并且其中所述方法针对多个数据点确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系来确定最小电池电压趋势。
12.一种识别燃料电池堆中的低性能电池的系统，所述系统包括：
用于测量所述燃料电池堆中每个电池的电压的器件；
用于计算所述燃料电池堆中所有电池电压的平均电池电压的器件；
用于从所述燃料电池堆中所有所述电池电压中识别出最小电池电压的器件；
用于确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系的器件；以及
用于使用所述相对δ电压关系来确定是否已经达到最大许用相对δ电压以使得所述最小电池电压指示出堆问题的器件；
其中所述相对δ电压关系使得电压差的烈度朝向较低电流密度偏移。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述相对δ电压关系由如下等式确定：
rel.δU=（Uavg-Umin）·Uavg/1000
其中rel.δU是相对δ电压值，Uavg是所述平均电池电压，Umin是所述最小电池电压，并且1000是比例因子。
14.根据权利要求12所述的系统，还包括用于提供所述平均电池电压和所述最小电池电压作为堆电流密度和电压的极化曲线的器件。
15.根据权利要求12所述的系统，其中用于计算所有电池电压的平均电池电压的器件计算多个堆电流密度时所有所述电池电压的平均电池电压。
16.根据权利要求15所述的系统，其中用于识别出所有所述电池电压的最小电池电压的器件识别计算出所述平均电池电压的所述多个堆电流密度时所有所述电池电压的最小电池电压。
17.根据权利要求16所述的系统，其中用于确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系的器件确定所述多个堆电流密度中每一堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系。
18.根据权利要求17所述的系统，其中用于确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系的器件以单个数据点来确定所述多个堆电流密度时所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系，并且针对多个数据点确定所述平均电池电压和所述最小电池电压之间的相对δ电压关系来确定最小电池电压趋势。
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