CN102299358B - 无相对湿度感测设备反馈的堆阴极入口相对湿度控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的相对湿度的方法，所述方法包括：在阴极入口管线上设置相对湿度传感器，以提供指示阴极入口空气的相对湿度的相对湿度信号。如果相对湿度传感器提供正确的相对湿度信号，相对湿度信号被计算为阴极入口空气的相对湿度平均值。当相对湿度传感器未提供正确的相对湿度信号时，使用所计算的相对湿度平均值，以控制阴极入口空气。如果在系统启动期间相对湿度传感器未提供正确的相对湿度信号，则堆功率被暂时设定在用于已知阴极入口空气相对湿度的预定优化堆功率水平。

Description

无相对湿度感测设备反馈的堆阴极入口相对湿度控制
技术领域
本发明通常涉及用于控制堆阴极入口相对湿度的系统和方法，并且更具体而言涉及当相对湿度感测设备未正常运行时控制堆阴极入口相对湿度以防止燃料电池堆的不正常湿度的系统和方法。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为其是清洁的并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是电化学设备，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，并且阴极接收氧气或者空气。氢气在阳极催化剂处离解以产生自由质子和电子。质子经过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂处与氧气和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能经过电解质，并且因此在被发送到阴极之前被引导经过负载以做功。
质子交换膜燃料电池（PEFMC）是用于车辆的普遍燃料电池。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精细分割的催化剂微粒，通常为铂（Pt），支承在碳微粒上并与离子聚合物混合。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的组合限定膜电极组件（MEA）。每个MEA通常夹在两片多孔材料、气体扩散层（GDL）之间，气体扩散层保护膜的的机械完整性并有助于均匀的反应物和湿度分布。将阳极和阴极流隔开的MEA部分被称为有效区域，并且只有在该区域中水蒸气可以在阳极和阴极之间自由交换。MEA制造相对昂贵，并且需要特定条件进行有效操作。
数个燃料电池通常结合在燃料电池堆中，以产生所需功率。例如，典型的用于车辆的燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地为由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。并非所有氧气都被燃料电池堆所消耗，部分空气被输出作为阴极排气，其可以包括作为堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，其流入燃料电池堆的阳极侧。
燃料电池堆包括位于堆中数个MEA之间的一系列双极板（分隔器），其中双极板和MEA位于两个端部板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧流分配器（流场）。阳极气体流通道设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应气体流动到相应MEA。阴极气体流通道设置在双极板的阴极侧上，其允许阴极反应气体流动到相应MEA。一个端部板包括阳极气体流通道，而另一个端部板包括阴极气体流通道。双极板和端部板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端部板将燃料电池产生的电传导出燃料电池堆。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。
燃料电池膜已知具有水吸收，其对于提供质子传导性而言是必须的。但是，如果条件变得更潮或更湿，则燃料电池膜的水吸收特性使得膜的体积增大，并且如果条件变得更干，则使得体积变小。燃料电池膜的体积变化可能引起膜自身或者相邻燃料电池部件上的机械应力。此外，太湿的膜可能在低温环境下引起问题，其中燃料电池堆中的水的冻结可能产生阻塞流动通道并影响系统再启动的冰。太干的膜可能在下一次系统再启动时具有太低的导电性，这影响再启动性能并且可能减小燃料电池堆耐久性。
在现有技术中已知使用水蒸气传送（WVT）单元以捕获燃料电池堆的阴极排气中的部分水，并且使用该水来加湿阴极输入气流。在现有技术中还已知使用相对湿度（RH）传感器来监测阴极输入气流的湿度。但是，相对湿度传感器可能不可靠并且可能失效。因此，在现有技术中需要提供一种方法，在相对湿度传感器未正常运行（这由不正确相对湿度传感器读数证明）时维持燃料电池膜湿度的适当水平，以通过减小发生液体水的机会来改进堆性能，延长堆膜的寿命并且增加堆耐久性。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于控制燃料电池系统中燃料电池堆的阴极侧的相对湿度的方法。燃料电池系统包括在阴极入口管线上的相对湿度传感器，用于提供指示阴极入口空气的相对湿度的相对湿度信号。如果相对湿度传感器提供正确相对湿度信号，则相对湿度信号被计算为阴极入口空气的相对湿度平均值。当相对湿度传感器未提供正确相对湿度信号时，所计算的相对湿度平均值被用于控制阴极入口空气相对湿度。如果在启动期间相对湿度传感器未提供正确信号，则堆功率被暂时设置在已知阴极入口空气相对湿度的优化水平。
本发明涉及下述技术方案。
1. 一种用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的相对湿度的方法，所述方法包括：
在阴极入口管线上设置相对湿度传感器，所述相对湿度传感器测量阴极入口空气的相对湿度；
在燃料电池系统启动时确定相对湿度传感器是否提供正确的相对湿度信号；
在燃料电池系统的运行模式期间确定相对湿度传感器是否提供正确的相对湿度信号；
如果在燃料电池系统的运行模式期间相对湿度传感器提供正确的相对湿度信号，计算在预定时间段上的相对湿度信号的平均值，该预定时间段由相对湿度传感器的感测信号特性确定；
如果在运行模式期间相对湿度传感器变得不正确，使用所计算的相对湿度信号的平均值，以使得燃料电池堆能够利用闭环阴极入口相对湿度控制来操作；
如果在系统启动时相对湿度信号不正确，则在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆达预定时段，其中优化堆功率水平提供最高堆相对湿度而不会在堆内产生液体水；和
在所述预定时段届满后使用最高堆相对湿度以闭环阴极入口相对湿度控制来操作燃料电池堆。
2. 根据方案1所述的方法，其中在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆包括将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较。
3. 根据方案2所述的方法，其中将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求，则对系统电池充电。
4. 根据方案3所述的方法，其中将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求并且所述蓄电池处于最大荷电状态，则在系统部件中耗散功率。
5. 根据方案1所述的方法，其中如果所述相对湿度传感器未提供正确的相对湿度信号，则采取补救措施。
6. 根据方案1所述的方法，其中所述预定时段由堆特性确定。
7. 一种用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的相对湿度的方法，所述方法包括：
在阴极入口管线上设置相对湿度传感器以测量阴极入口空气的相对湿度；
在燃料电池系统的运行模式期间确定相对湿度传感器是否提供正确的相对湿度信号；
如果在燃料电池系统的运行模式期间相对湿度传感器提供正确的相对湿度信号，对每个相继的预定时间段计算相对湿度信号的平均值；和
如果在运行模式期间相对湿度信号变得不正确，使用所计算的相对湿度信号的平均值，以防止燃料电池堆被不正确地加湿。
8. 根据方案7所述的方法，其中用于计算相对湿度平均值的该时间段由相对湿度传感器的感测信号特性确定。
9. 根据方案7所述的方法，还包括如果在系统启动时相对湿度信号不正确，则在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆达预定时段，以提供阴极入口空气的预定相对湿度。
10. 根据方案9所述的方法，其中在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆包括将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较。
11. 根据方案10所述的方法，其中将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求，则对系统电池充电。
12. 根据方案11所述的方法，其中将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求并且所述蓄电池处于最大荷电状态，则在系统部件中耗散功率。
13. 根据方案9所述的方法，其中在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆的所述预定时段由堆设计确定。
14. 一种用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的相对湿度的方法，所述方法包括：
在阴极入口管线上设置相对湿度传感器，所述相对湿度传感器测量阴极入口空气的相对湿度；
在燃料电池系统启动时确定相对湿度传感器是否提供正确的相对湿度信号；和
如果在系统启动时相对湿度信号不正确，则在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆达预定时段，其中优化堆功率水平提供已知的阴极入口相对湿度。
15. 根据方案14所述的方法，还包括在预定时段届满后使用已知的阴极入口相对湿度以闭环阴极入口相对湿度控制来操作燃料电池堆。
16. 根据方案14所述的方法，其中在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆包括将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较，并且将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求，则对系统电池充电。
17. 根据方案16所述的方法，其中将优化堆功率水平与所述功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求并且所述蓄电池处于最大荷电状态，则在系统部件中耗散功率。
18. 根据方案14所述的方法，其中所述预定时段由堆特性确定。
19. 根据方案14所述的方法，其中如果在燃料电池系统启动时和燃料电池系统的运行模式期间相对湿度传感器提供正确的相对湿度信号，对每个相继的预定时间段计算相对湿度信号的平均值；和
20. 根据方案19所述的方法，其中如果相对湿度信号变得不正确，使用所计算的相对湿度信号的平均值，以防止燃料电池堆被不正确地加湿。
本发明的其他特征结合附图从如下说明和所附权利要求变得明显。
附图说明
图1是燃料电池系统的示意性框图；和
图2A和图2B是流程图，图示了用于在相对湿度传感器故障期间提供燃料电池相对湿度控制的方法。
具体实施方式
涉及当相对湿度传感器未正常运行时用于控制燃料电池或一组燃料电池的阴极入口相对湿度的系统和方法的本发明实施例下述讨论，本质上仅仅是示例性的，并且绝不意在限制本发明或其应用或使用。
图1是燃料电池系统10的示意性框图，燃料电池系统10包括燃料电池堆12。燃料电池堆12在阳极输入管线16上从氢气源14接收氢气，并且在管线18上提供阳极输出。泄放阀26设置在阳极排气管线18中，以允许阳极周期性地或持续地从堆12泄放阳极废物流，典型地为氮气。压缩机20在阴极入口管线22上通过水蒸气传送（WVT）单元24提供空气流给燃料电池堆12的阴极侧，水蒸气传送（WVT）单元24加湿阴极入口空气。阴极入口管线22中的相对湿度（RH）传感器36测量进入堆12的阴极入口空气的相对湿度。阴极排气在阴极排气管线28上从堆12输出。排气管线28引导阴极排气到WVT单元24以提供湿气来加湿阴极入口空气。旁通管线30设置在WVT单元24周围以允许阴极排气绕过WVT单元24。旁通阀32设置在旁通管线30中并且被控制以选择性地重定向阴极排气通过或绕过WVT单元24以通过所需的湿气量给阴极入口空气。
蓄电池（未示出）供应功率给燃料电池系统10的各个部件，例如压缩机20。系统10还包括从相对湿度传感器36接收相对湿度测量信号并控制压缩机20速度、从氢气源14的氢气喷射和旁通阀32与泄放阀26的位置的控制器34。
在已知系统中，当相对湿度传感器36未正确运行，即当相对湿度传感器测量值不正确时，控制器34失去其反馈，并且从反馈控制切换到开环控制。开环控制器（即无反馈控制器）仅使用当前状态并且不使用反馈来确定是否其输入已经实现期望目标，这对本领域技术人员而言显而易见。开环控制可能导致不正确的燃料电池堆12湿度，因此，下述算法已经根据本发明被开发出来，以在相对湿度传感器36未正确运行时提供对开环控制的替代方案。
图2是控制到燃料电池堆12的阴极入口空气的相对湿度（RH）的算法的非限制性实施例的流程图40。燃料电池系统10在方框46处开始，并且算法在方框50处提供系统暖机和其他启动程序。在暖机和其他启动程序完成后，燃料电池系统10在方框52处进入正常操作模式或运行模式。在燃料电池系统10进入运行模式后，或者在启动程序期间，算法在判断菱形框54处确定相对湿度传感器36是否提供正确相对湿度值。任何适当的算法可以使用来确定传感器36的读数是否正确，例如确定传感器读数是否是可能值的算法。
如果在判断菱形框54处相对湿度传感器36感测到正确相对湿度值，在方框56处通过控制器34利用来自相对湿度传感器36的反馈以提供闭环控制，旁通阀32被使用来控制阴极入口相对湿度。当相对湿度传感器读数是正确的时，控制器34在方框58处计算并记录在可标定时间段上传感器测量值的阴极入口相对湿度平均值或者滤波平均值，该可标定时间段由相对湿度传感器36的感测信号特性所确定。换言之，该算法计算每个预定时间段内的相对湿度测量值的平均值。先前时间段的相对湿度平均值或滤波平均值由控制器34在方框58处记录并且存储在存储器中，例如非易失性存储器。
该算法在判断菱形框60处再次确定相对湿度传感器36是否在感测正确的相对湿度值。如果在判断菱形框60处相对湿度传感器36继续感测到正确的相对湿度值，则算法返回到方框56以继续根据来自相对湿度传感器36的反馈控制阴极入口相对湿度，并且控制器34在方框58处继续为每个时间段计算并存储相对湿度平均值或滤波平均值。如果在判断菱形框60处相对湿度传感器36未感测到正确的相对湿度值，在方框62处从存储器取回由控制器34在方框58处存储的预定时间段的相对湿度传感器36的相对湿度平均值或滤波平均值。在方框64处取回的相对湿度值由相对湿度估计模型使用，以向控制器34提供阴极入口相对湿度的估计反馈。只要在判断菱形框60处相对湿度传感器36未读取到正确的相对湿度值，算法就继续在方框62处从存储器取回相对湿度值，并继续在方框64处使用该值估计阴极入口相对湿度。如果相对湿度传感器36在判断菱形框60处恢复读取正确的相对湿度值，则算法返回方框56并且根据来自相对湿度传感器36的反馈控制阴极入口相对湿度，如上所述。
如果在系统启动程序期间相对湿度传感器36在判断菱形框54处未感测到正确的相对湿度值，则历史记录的阴极入口相对湿度数据并不存在并且不可由相对湿度估计模型使用。因此，控制器34要求燃料电池堆12使用开环阴极入口相对湿度控制操作在预定的优化功率水平。该优化功率水平是堆12具有最高相对湿度而不会在燃料电池堆12内产生液体水的水平。优化功率水平由堆设计确定，并且能够通过分析和实验离线获得。除了设定堆输出功率为优化水平外，系统控制算法可以起动补救动作以使得传感器36正确操作。
一旦在方框68处用于堆12的优化功率水平被确定并设定，控制器34在方框78处调节旁通阀32的位置以将阴极入口相对湿度设定为与优化功率水平相对应的期望水平。接下来，该算法在判断菱形框80处确定预定时间段是否届满。该时间段基于堆特性，例如堆12中的燃料电池数量，并且该时间段被用于确定堆在优化功率水平下可以正常操作的时间量，该时间量通常是有限的小时间量。如果在判断菱形框80处该时间段尚未届满，则算法在判断菱形框70处确定来自堆12的功率需求（例如来自车辆操作的功率需求）是否大于由燃料电池堆12在优化功率水平下产生的功率。如果在判断菱形框70来自堆12的功率需求不大于由燃料电池堆12在优化功率水平下产生的功率，这意味着堆12在产生比满足负载要求所需功率更多的功率，则该算法在判断菱形框72处确定蓄电池的荷电状态（SOC）是否小于预定充电阈值。如果在判断菱形框72处蓄电池SOC小于预定充电阈值，这意味着蓄电池能够接受电荷，则蓄电池在方框74处使用由操作在优化功率水平下的堆12产生的额外功率充电，其中堆产生的功率和负载消耗的功率之间的差可能需要较小。如果蓄电池SOC等于或高于预定充电阈值，则在方框76处堆12产生的额外功率被耗散到系统10或系统10所放置车辆的部件。例如，算法产生的额外功率可以用于起动车辆或者可以由其他功率消耗部件使用，这取决于车辆的功率管理结构。一旦选择使用过量功率，算法就返回判断菱形框80以确定该时间段是否届满。
如果在方框70处来自堆12的功率需求大于由堆12在优化功率水平下产生的功率，蓄电池可以被用于提供所请求的高于在优化功率水平下操作的燃料电池堆12产生功率量的额外功率。然后算法返回到判断菱形框80以确定该时间段是否届满。
一旦在判断菱形框80处该时间段已经届满，则算法进行到方框56，以使用用于优化功率水平的相对湿度值（其在方框58处存储在存储器中）来提供闭环相对湿度控制。此外，算法允许堆功率被设定为功率需求。如果传感器36在判断菱形框60处仍然读取不正确的信号，则模型在方框64处使用用于优化功率水平的存储相对湿度值。
上述讨论仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。本领域普通技术人员将从这些讨论并从附图和权利要求容易认识到，在不背离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下能够在其中进行各种变化、修改和改进。

Claims (20)

1.一种用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的相对湿度的方法，所述方法包括：
在阴极入口管线上设置相对湿度传感器，所述相对湿度传感器测量阴极入口空气的相对湿度；
在燃料电池系统启动时确定相对湿度传感器是否提供正确的相对湿度信号；
在燃料电池系统的运行模式期间确定相对湿度传感器是否提供正确的相对湿度信号；
如果在燃料电池系统的运行模式期间相对湿度传感器提供正确的相对湿度信号，计算在预定时间段上的相对湿度信号的平均值，该预定时间段由相对湿度传感器的感测信号特性确定；
如果在运行模式期间相对湿度传感器变得不正确，使用所计算的相对湿度信号的平均值，以使得燃料电池堆能够利用闭环阴极入口相对湿度控制来操作；
如果在系统启动时相对湿度信号不正确，则在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆达预定时段，其中优化堆功率水平提供最高堆相对湿度而不会在堆内产生液体水；和
在所述预定时段届满后使用最高堆相对湿度以闭环阴极入口相对湿度控制来操作燃料电池堆。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆包括将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求，则对系统电池充电。
4.根据权利要求3所述的方法，其中将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求并且所述系统电池处于最大荷电状态，则在系统部件中耗散功率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中如果所述相对湿度传感器未提供正确的相对湿度信号，则采取补救措施。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定时段由堆特性确定。
7.一种用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的相对湿度的方法，所述方法包括：
在阴极入口管线上设置相对湿度传感器以测量阴极入口空气的相对湿度；
在燃料电池系统的运行模式期间确定相对湿度传感器是否提供正确的相对湿度信号；
如果在燃料电池系统的运行模式期间相对湿度传感器提供正确的相对湿度信号，对每个相继的预定时间段计算相对湿度信号的平均值；和
如果在运行模式期间相对湿度信号变得不正确，使用所计算的相对湿度信号的平均值，以防止燃料电池堆被不正确地加湿。
8.根据权利要求7所述的方法，其中用于计算相对湿度平均值的该预定时间段由相对湿度传感器的感测信号特性确定。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括如果在系统启动时相对湿度信号不正确，则在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆达预定时段，以提供阴极入口空气的预定相对湿度，其中优化堆功率水平提供最高堆相对湿度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆包括将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较。
11.根据权利要求10所述的方法，其中将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求，则对系统电池充电。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求并且所述系统电池处于最大荷电状态，则在系统部件中耗散功率。
13.根据权利要求9所述的方法，其中在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆的所述预定时段由堆设计确定。
14.一种用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的相对湿度的方法，所述方法包括：
在阴极入口管线上设置相对湿度传感器，所述相对湿度传感器测量阴极入口空气的相对湿度；
在燃料电池系统启动时确定相对湿度传感器是否提供正确的相对湿度信号；和
如果在系统启动时相对湿度信号不正确，则在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆达预定时段，其中优化堆功率水平提供最高堆相对湿度。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在预定时段届满后使用最高堆相对湿度以闭环阴极入口相对湿度控制来操作燃料电池堆。
16.根据权利要求14所述的方法，其中在预定优化堆功率水平下操作燃料电池堆包括将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较，并且将优化堆功率水平与来自燃料电池堆的功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求，则对系统电池充电。
17.根据权利要求16所述的方法，其中将优化堆功率水平与所述功率请求相比较包括：如果优化堆功率水平高于所述功率请求并且所述系统电池处于最大荷电状态，则在系统部件中耗散功率。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定时段由堆特性确定。
19.根据权利要求14所述的方法，其中如果在燃料电池系统启动时和燃料电池系统的运行模式期间相对湿度传感器提供正确的相对湿度信号，对每个相继的预定时间段计算相对湿度信号的平均值。
20.根据权利要求19所述的方法，其中如果相对湿度信号变得不正确，使用所计算的相对湿度信号的平均值，以防止燃料电池堆被不正确地加湿。
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