CN102401883A - 检测串联燃料电池中单个异常操作的方法和信号处理算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检测串联燃料电池中单个异常操作的方法和信号处理算法，提供一种用于确定通过燃料电池堆的反应气体流以确定潜在电池堆问题（例如可能的低性能燃料电池）的系统和方法。所述方法包括向所述燃料电池堆应用微扰频率，并测量对其响应的电池堆电流和电池堆电压。测量的电压和电流用于确定电池堆燃料电池的阻抗，该阻抗然后可被与正常电池堆运行的预定燃料电池阻抗作比较。如果检测到异常的燃料电池堆阻抗，那么燃料电池系统可采取会解决该潜在问题的矫正措施。

Description

检测串联燃料电池中单个异常操作的方法和信号处理算法

技术领域

本发明总地涉及用于确定燃料电池堆中反应气体流的系统和方法，更特别地，涉及用于通过向燃料电池堆应用微扰频率、测量对其响应的电池堆电流和电池堆电压、并使用电流和电压测量值确定实际复杂的燃料电池阻抗来识别燃料电池堆中不期望反应气流的系统和方法。

背景技术

因为氢气清洁，并且可用于在燃料电池中有效地发电，所以是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种电化学装置，包括其间具有电解质的阳极和阴极。阳极接收氢气气体，阴极接收氧气或空气。氢气气体在阳极分解产生自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧气和电子反应生成水。阳极的电子无法通过电解质，因此在被输送至阴极之前被引导通过负载做功。

质子交换薄膜燃料电池（PEMFC）是用于车辆的一种常见燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电薄膜，例如全氟磺基酸薄膜。阳极和阴极通常包括承载在碳颗粒上并与离子交联聚合物混合的微细催化剂颗粒，通常为铂（Pt）。催化剂混合物沉积在薄膜的两则上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物及薄膜的组合限定了薄膜电极组件（MEA）。MEA制造比较昂贵，且需要特定的条件以便有效运行。

燃料电池堆中通常通过串联组合几个燃料电池，以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百或更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为被压缩机强制通过电池堆的空气流。不是所有的氧气都被电池堆消耗掉，一部分空气输出作为阴极废气，可包括水作为电池堆副产物。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢气反应气体。电池堆还包括冷却流体流动通过的流动通道。

燃料电池堆包括位于电池堆中几个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。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设在双极板的阳极侧上，允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气体流动通道设在双极板的阴极侧上，允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导出电池堆。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。

当燃料电池堆老化时，由于各种因素，电池堆中的各电池的性能不同程度地退化。低性能电池（例如电池浸水、催化剂失效等）的原因不同，一些是暂时的，一些是永久的，一些需要维修，一些需要电池堆更换以调换这些低性能电池。虽然燃料电池是串联电联接，但是当负载交叉联接电池堆时，每个电池的电压都不同地降低，其中性能低的那些电池具有更低的电压。因此，必须监测电池堆中燃料电池的电池电压，以确保电池的电压不会降低至低于预定阈值电压，以防止电池电压极性变换，可能引起对电池的永久性损坏。

通常，监测燃料电池堆中每个燃料电池的电压输出，使得系统知道燃料电池电压是否过低，指示可能的故障。如本领域所理解的，因为所有的燃料电池都是串联电联接，所以如果电池堆中有一个燃料电池发生故障，那么整个电池堆就会都发生故障。作为临时的解决方案，对于故障的燃料电池可采取一定的补救工作，直到燃料电池车辆可被维修为止，例如，增大氢气流和/或提高阴极化学计量比。

燃料电池电压通常由电池电压监测子系统来测量，该子系统包括到电池堆中各双极板或一部分双极板的以及电池堆端板的电连接，以测量各电池正负侧之间的电势。因此，400个电池的堆可包括连接至电池堆的401根电线。因为零件的尺寸、零件的公差、零件的数量等，在具有这么多燃料电池的堆中为每个双极板都提供物理连接是不实际的，并且零件的数量会增加成本，并降低系统的可靠性。

还可测量燃料电池堆电压的总谐波失真（THD），并用作电池电压检测信号。但是，通常，由于它不产生一致的信号，其中它可产生在某些条件下产生增大的THD，在其它条件下产生减小的THD，而在另一些条件下THD无变化，所以该方法是不可靠的。

发明内容

根据本发明的教导，公开了用于确定流过燃料电池堆的反应气体流的系统和方法，以确定潜成的电池堆问题，例如可能的低性能燃料电池。所述方法包括向所述燃料电池堆应用微扰频率，并测量对其响应的电池堆电流和电池堆电压。测量的电压和电流用于确定电池堆燃料电池的实际且复杂的阻抗，该阻抗然后可被与正常电池堆运行的预定燃料电池阻抗或阻抗比作比较。如果检测到异常的燃料电池堆阻抗，那么燃料电池系统可采取会解决该潜在问题的矫正措施。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1： 一种用于监测包括多个串联燃料电池的燃料电池堆的方法，所述方法包括：

向所述燃料电池堆应用频率信号；

测量所述燃料电池堆上的电压；

测量通过所述燃料电池堆的电流

使用测量的电压和测量的电流计算所述燃料电池的实际复杂阻抗；以及

将计算的所述燃料电池的阻抗与最优燃料电池阻抗作比较，以确定燃料电池堆特性。

技术方案2： 根据技术方案1的方法，其中向所述燃料电池堆应用频率信号包括为所述燃料电池堆的阴极侧选择具有第一频率的频率信号，或为所述燃料电池堆的阳极侧选择具有第二频率的频率信号，其中所述第一频率与第二频率不相同。

技术方案3： 根据技术方案2的方法，其中所述第一频率约为50 Hz，所述第二频率约为2-5 Hz。

技术方案4： 根据技术方案1的方法，还包括如果计算的燃料电池阻抗与所述最优燃料电池阻抗之间的差大于预定阈值，那么采取矫正措施。

技术方案5： 根据技术方案4的方法，其中采取矫正措施包括增大或减小至所述燃料电池堆阴极侧的空气流和/或增大或减小至所述燃料电池堆阳极侧的氢气气体流。

技术方案6： 根据技术方案4的方法，其中采取矫正措施包括改变至所述燃料电池堆的阴极气流的湿度、调节至所述燃料电池堆的冷却流体流、或降低所述燃料电池堆上的负载电流。

技术方案7： 根据技术方案1的方法，其中向所述燃料电池堆应用频率信号包括将所述燃料电池堆上的负载有选择地连接或断开。

技术方案8： 根据技术方案7的方法，其中所述负载为电阻器，有选择地连接和断开所述电阻器通过开关来提供。

技术方案9： 根据技术方案7的方法，其中所述负载为所述燃料电池堆中用于其它目的的元件。

技术方案10： 根据技术方案9的方法，其中所述元件为功率变换器。

技术方案11： 根据技术方案1的方法，其中确定燃料电池堆特性包括确定通过所述电池堆的阴极气流和阳极气流。

技术方案12： 一种用于监测流过包括多个串联燃料电池的燃料电池堆的反应气体流的方法，所述方法包括：

通过有选择地连接和断开所述电池堆上的负载而向所述燃料电池堆应用具有第一频率的频率信号，以监测通过所述燃料电池堆的阴极侧的空气流；

通过有选择地连接和断开所述电池堆上的负载而向所述燃料电池堆应用具有第二频率的频率信号，以监测通过所述燃料电池堆的阳极侧的氢气气体流，其中所述第一频率与所述第二频率不相同；

当应用所述频率信号时，测量所述燃料电池堆上的电压；

当应用所述频率信号时，测量通过所述燃料电池堆的电流；

使用测量的电压和测量的电流计算所述燃料电池的实际复杂阻抗；以及

将计算的所述燃料电池的阻抗与最优燃料电池阻抗作比较，以确定反应气体流对于当前电池堆运行条件是否是最优的。

技术方案13： 根据技术方案12的方法，还包括如果计算的燃料电池阻抗与所述最优燃料电池阻抗之间的差大于预定阈值，那么采取矫正措施。

技术方案14： 根据技术方案13的方法，其中采取矫正措施包括增大或减小至所述燃料电池堆阴极侧的空气流和/或增大或减小至所述燃料电池堆阳极侧的氢气气体流。

技术方案15： 根据技术方案12的方法，其中所述负载为电阻器，有选择地连接和断开所述电阻器通过开关来提供。

技术方案16： 根据技术方案12的方法，其中所述负载为所述燃料电池堆中用于其它目的的元件。

技术方案17： 根据技术方案12的方法，其中所述元件为功率变换器。

技术方案18： 根据技术方案12的方法，其中所述第一频率约为50 Hz，所述第二频率约为2-5 Hz。

技术方案19： 一种用于监测流过包括多个串联燃料电池的燃料电池堆的反应气体流的系统，所述系统包括：

用于通过有选择地连接和断开所述电池堆上的负载而向所述燃料电池堆应用具有第一频率的频率信号，以监测通过所述燃料电池堆的阴极侧的空气流的装置；

用于通过有选择地连接和断开所述电池堆上的负载而向所述燃料电池堆应用具有第二频率的频率信号，以监测通过所述燃料电池堆的阳极侧的氢气气体流的装置，其中所述第一频率与所述第二频率不相同；

用于在应用所述频率信号时测量在所述燃料电池堆上的电压的装置；

用于在应用所述频率信号时测量通过所述燃料电池堆的电流的装置；

用于使用测量的电压和测量的电流计算所述燃料电池的实际复杂阻抗的装置；

用于计算所计算的阻抗值之比的装置；以及

用于将计算的所述燃料电池的阻抗之比与最优燃料电池阻抗作比较，以确定所述反应气体流对于当前电池堆运行条件是否是最优的装置。

技术方案20： 根据技术方案19的系统，其中所述负载为电阻器，有选择地连接和断开所述电阻器通过开关来提供。

技术方案21： 根据技术方案19的系统，其中所述负载为功率变换器。

技术方案22： 根据技术方案19的系统，还包括如果计算的实际复杂的燃料电池阻抗与所述最优燃料电池阻抗之间的差大于预定阈值则采取矫正措施的装置，其中采取矫正措施的装置增大或减小至所述燃料电池堆阴极侧的空气流和/或增大或减小至所述燃料电池堆阳极侧的氢气气体流。

技术方案23： 根据技术方案19的系统，其中所述第一频率约为50 Hz，所述第二频率约为2-5 Hz。

结合附图，从下面的描述和所附权利要求可清楚本发明的其它特征。

附图说明

图1为测量流过燃料电池堆的反应气体流的燃料电池系统的流程框图；以及

图2为用于向燃料电池堆应用微扰频率并测量电池堆的电压和电流的示意图。

具体实施方式

下面涉及用于监测燃料电池堆中反应气体流以确定电池堆异常的系统和方法的本发明实施方式的描述实质上仅仅是示例性的，而不是意欲以任何方式限制本发明或其应用或使用。

图1为包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的流程框图。在系统10中，在线路16上向求和点18提供预定的期望频谱测量值，包括期望的电池堆电压、电池堆电流、燃料电池阻抗等，用以最优化电池堆和系统操作。这些测量和参数被发送至框20处的反应控制算法，该算法还接收线路22上用于期望电池堆输出功率的反应流请求，例如车辆节气门位置。反应控制算法确定恰当的反应气体流，包括用于燃料电池堆12的阴极侧的空气流和用于燃料电池堆12的阳极侧的氢气气流。反应控制算法使用用于最优系统操作的反应请求信号和期望测量值来以本领域技术人员公知的方式确定应当给电池堆12提供多少反应流。然后框20处算法提供的控制信号被送往反应流框24，该框表示对压缩机和氢气燃料源的控制，其中压缩机用于给电池堆12的阴极侧提供阴极空气，氢气燃料源给燃料电池堆的阳极侧提供氢气气体，例如从高压存储罐提供氢气气体的喷射器或喷射器组。

如下面所详细描述的，向电池堆12应用微扰频率，以确定燃料电池阻抗，该阻抗可表示燃料电池堆12的阴极侧和阳极侧的恰当反应气流。需要不同的频率来检测通过电池堆12的阳极和阴极侧的气流。燃料电池堆12的阴极侧和阳极侧需要不同频率的原因与燃料电池中MEA的电极处的催化剂配置有关。微扰频率为比较低的频率，依赖于要确定的特定气流。该特定频率依赖于要使用的电池堆技术，通常可根据试验来确定。对于当前电池堆技术，对通过燃料电池堆12的阳极侧的氢气气流可应用在2-5 Hz范围内的频率信号，和对通过燃料电池堆12的阴极侧的空气流可应用约50 Hz的频率信号。

在框26提供燃料电池堆12的频率测量值，其表现为测量通过电池堆12或者电池堆12中至少一系列燃料电池的电压的电压计，以及测量流过电池堆12的电流或流过电池堆12中一系列燃料电池的电流的电流计。框26的电压和电流测量值被提供给框28的阻抗计算算法，该算法使用那些测量值来计算电池堆12中电池或被测量的串联电池组的实际复杂阻抗。阻抗计算算法使用计算的阻抗，并根据是监测阴极空气还是阳极氢气气体，通过比较程序或阻抗比来确定计算的阻抗是否是燃料电池在当前系统操作条件下的最优阻抗。如果燃料电池的阻抗不是那些操作条件下的期望阻抗，那么阻抗计算算法在线路16向求和点18发送调节期望频谱测量的信号，使得框20处的反应控制算法改变框24处的反应气流。反应控制算法将知道燃料电池堆12的阳极或阳极侧中的哪个当前正在被监测，并且如果必要会就此时仅调节压缩机或氢气气体喷射器中的一个或另一个。

另外，系统控制器可采取其它补救或矫正措施来提高电池阻抗，例如调节阴极进气的湿度、调节流过燃料电池堆12的冷却剂和/或燃料电池堆12的温度、减小电池堆负载电流等。因此，这样，系统10能够监测电池电压，以仅使用用于电压计和电流计的到燃料电池堆12的两个连接来检测异常操作情形，而不是测量燃料电池电压以检测低性能电池通常所需的许多连接。

除了检测异常或不适当的系统操作情形之外，本文所描述的系统和方法可用于调谐或最小化到燃料电池堆12的阴极空气流和氢气气体流。特别地，通过为当前电池堆功率需求或负载确定至电池堆12的最小阴极空气流和/或阳极气流，以上述方式确定电池阻抗可用来确保为有效的系统运行获得最小气流。因此，为了有效运行，可最小化压缩机速度，并最小化在电池堆12提供的氢气量。

图2为用于向包括多个串联燃料电池44的燃料电池堆42应用微扰频率的系统40的示意图，如上所述。正极电线46联接至燃料电池堆42的正极端，负极电线48联接至燃料电池堆42的负极端，其中电线46和48向要被供能的特定系统提供电池堆电力。电流计50设在正极电线46上，测量流过电池堆42的电流，电压计52电联接成横跨电线46和48，测量穿过电池堆42的电势。

本发明考虑用于给电池堆42提供微扰频率以便以上述方式确定电池阻抗的任意适当技术。在该非限制性实施方式中，系统40包括具有一定谐振频率的负载54，例如适当的电阻器，和电联接至通过电池堆42的电线46和48的MOSFET开关56，如图所示。当通过电池堆42提供电力时，开关56以期望的的频率（即，负载54的谐振频率）打开和关闭，使得除电池堆12提供的DC功率信号之外，还向电池堆42应用AC频率信号。电池堆42上的电压和通过电池堆42的电流以开关56打开和关闭的频率来测量。这些测量值用于以本领域技术人员公知的方式确定电池堆42中电池44的实际反应阻抗。以开关56打开和关闭的频率测量电压和电流来确定电池阻抗与开关56打开时作为电容放电的MEA中的电极有关。另外，每个不同催化剂材料将提供不同的电池阻抗。当确定阴极空气流时，开关56以一个期望的频率打开和关闭，当确定阳极燃料流时，开关56以不同的频率打开和关闭。在另一实施方式中，开关56可为能够同时提供阴极频率和阳极频率的某一装置。

在上面的描述中，微扰频率由为此目的添加至系统的元件来提供。在另一设计中，负载54可为燃料电池系统10中现有的部件，例如端部电池加热器、功率变换器、DC/DC升压变换器等。

前面的描述仅仅公开和描述了本发明的示例性实施方式。本领域的技术人员从该描述及附图和权利要求可容易地认识到，在不脱离由权利要求定义的本发明实质和范围的情况下，可对其进行各种改变、修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于监测包括多个串联燃料电池的燃料电池堆的方法，所述方法包括：

向所述燃料电池堆应用频率信号；

测量所述燃料电池堆上的电压；

测量通过所述燃料电池堆的电流

使用测量的电压和测量的电流计算所述燃料电池的实际复杂阻抗；以及

将计算的所述燃料电池的阻抗与最优燃料电池阻抗作比较，以确定燃料电池堆特性。

2.根据权利要求1的方法，其中向所述燃料电池堆应用频率信号包括为所述燃料电池堆的阴极侧选择具有第一频率的频率信号，或为所述燃料电池堆的阳极侧选择具有第二频率的频率信号，其中所述第一频率与第二频率不相同。

3.根据权利要求2的方法，其中所述第一频率约为50 Hz，所述第二频率约为2-5 Hz。

4.根据权利要求1的方法，还包括如果计算的燃料电池阻抗与所述最优燃料电池阻抗之间的差大于预定阈值，那么采取矫正措施。

5.根据权利要求4的方法，其中采取矫正措施包括增大或减小至所述燃料电池堆阴极侧的空气流和/或增大或减小至所述燃料电池堆阳极侧的氢气气体流。

6.根据权利要求4的方法，其中采取矫正措施包括改变至所述燃料电池堆的阴极气流的湿度、调节至所述燃料电池堆的冷却流体流、或降低所述燃料电池堆上的负载电流。

7.根据权利要求1的方法，其中向所述燃料电池堆应用频率信号包括将所述燃料电池堆上的负载有选择地连接或断开。

8.根据权利要求7的方法，其中所述负载为电阻器，有选择地连接和断开所述电阻器通过开关来提供。

9.一种用于监测流过包括多个串联燃料电池的燃料电池堆的反应气体流的方法，所述方法包括：

通过有选择地连接和断开所述电池堆上的负载而向所述燃料电池堆应用具有第一频率的频率信号，以监测通过所述燃料电池堆的阴极侧的空气流；

通过有选择地连接和断开所述电池堆上的负载而向所述燃料电池堆应用具有第二频率的频率信号，以监测通过所述燃料电池堆的阳极侧的氢气气体流，其中所述第一频率与所述第二频率不相同；

当应用所述频率信号时，测量所述燃料电池堆上的电压；

当应用所述频率信号时，测量通过所述燃料电池堆的电流；

使用测量的电压和测量的电流计算所述燃料电池的实际复杂阻抗；以及

将计算的所述燃料电池的阻抗与最优燃料电池阻抗作比较，以确定反应气体流对于当前电池堆运行条件是否是最优的。

10.一种用于监测流过包括多个串联燃料电池的燃料电池堆的反应气体流的系统，所述系统包括：

用于通过有选择地连接和断开所述电池堆上的负载而向所述燃料电池堆应用具有第一频率的频率信号，以监测通过所述燃料电池堆的阴极侧的空气流的装置；

用于通过有选择地连接和断开所述电池堆上的负载而向所述燃料电池堆应用具有第二频率的频率信号，以监测通过所述燃料电池堆的阳极侧的氢气气体流的装置，其中所述第一频率与所述第二频率不相同；

用于在应用所述频率信号时测量在所述燃料电池堆上的电压的装置；

用于在应用所述频率信号时测量通过所述燃料电池堆的电流的装置；

用于使用测量的电压和测量的电流计算所述燃料电池的实际复杂阻抗的装置；

用于计算所计算的阻抗值之比的装置；以及

用于将计算的所述燃料电池的阻抗之比与最优燃料电池阻抗作比较，以确定所述反应气体流对于当前电池堆运行条件是否是最优的装置。

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