CN102914441B - 用于检测喷射器是否正确地工作的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及喷射器打开延迟诊断策略。具体地，一种用于检测喷射氢气至燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧的喷射器的间断性故障的系统和方法。所述方法包括以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器，这使得电池堆产生恒定电流，因此恒定的燃料消耗率。当在恒定电流时，喷射器被命令与燃料电池系统中的燃料消耗率相匹配的恒定的工作循环和频率。然后监控产生的燃料压力反馈，并且如果其偏离限定的额定值，以恒定的或者摆动的方式，可以确定喷射器具有间歇性的打开故障。在一个实施例汇总，在燃料电池系统的关闭序列期间执行喷射器故障的确定。

Description

用于检测喷射器是否正确地工作的系统和方法
技术领域
本发明通常涉及一种用于确定喷射氢气燃料到燃料电池堆中的喷射器是否正确地工作的系统和方法，更有其涉及一种通过确定阳极侧压力是否响应于恒定的燃料电池堆输出电流显著地变化而用于确定喷射氢气燃料到燃料电池堆的阳极侧的喷射器是否正确地工作的系统和方法。
背景技术
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是无污染的并且可用于有效地在燃料电池中产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极，它们之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂被分解以产生自由质子和电子。质子经过电解质到阴极。质子在阴极催化剂处与氧和电子发生反应生成水。阳极的电子不能通过电解质，因此在送至阴极之前被引导通过负荷实施作业。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种用于车辆的普遍的燃料电池。PEMFC通常包括固相聚合物电解质质子传导膜，例如全氟化磺酸膜。阳极和阴极典型地，但不总是包括微细催化剂粒子，通常为高活性催化剂，诸如典型地支承在碳粒子上并与离聚物相混合的铂（Pt）。催化剂混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物与膜的结合限定了膜电极装置（MEA）。MEA的制造比较昂贵并且需要一定的条件进行有效工作。
在燃料电池堆中多个燃料电池典型地组合以产生所需电力。例如，一种用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百或更多组的燃料电池。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电池堆的空气流。不是所有氧气都被电池堆消耗，一些空气作为阴极排气被输出，该排气可以包含作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池堆包括布置在电池堆中的多个MEA之间的一连串的双极板，其中双极板和MEA布置在两个端板之间。双极板包括用于电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动场设置在双极板的阳极侧，该阳极侧允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动场设置在双阴极的阴极侧，该阴极侧允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包含阳极气体流动通道，并且另一个端板包含阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板把燃料电池产生的电传导出电池堆。双极板还包含流动通道，冷却流体流过这些通道。
燃料电池堆内的膜需要具有足够的水含量从而穿过膜的离子电阻足够低以有效地传导质子。膜增湿可以来自电池堆水副产品或外部增湿。通过电池堆的流动通道的反应物的流动对电池膜具有干燥作用，在反应物流动的入口最显著。然而，流动通道内的水滴的累积可以防止反应物通过其流动，并且由于低的反应气体流动可以使得电池故障，因此影响电池堆稳定性。在低电池堆输出负载下反应气体流动通道中，以及气体扩散层（GDL）内的水的累积尤其麻烦。
在一个公知类型的燃料电池系统中，氢气燃料通过喷射器喷入燃料电池堆的阳极侧。喷射器基于控制喷射器的打开和关闭的脉冲宽度调制（PWM）控制信号控制用于特定电池堆电流密度的喷射燃料的量。
这些类型的喷射器接收来自氢存储罐的相对较高的压力气体并且以适于燃料电池堆的压力提供控制的氢气的喷射。由于提供至喷射器的氢气的高压力，以及与燃料电池堆工作和内部喷射器摩擦相关的高温，对于氢燃料喷射器具有周期性的故障是相对普遍的。一种尤其难以检测到的共同的喷射器故障是与PWM控制信号的喷射脉冲的前沿相比的喷射器点火时间的间歇性改变。换句话说，当PWM信号命令喷射器打开时，由于故障在打开时可能存在一些延迟，其中控制器在喷射器实际没打开时认为它打开了。在该特别的故障模式中，喷射器未能在规定的打开时间打开，这使得喷射器打开时间比命令低，这可能使得较少的燃料提供至电池堆。典型地，在时间的期望量脉冲不足以从座上提升喷射器枢轴期间，由于作用至喷射器的电流，该间断性故障出现。这可以是在低温状态下形成的冰或喷射器枢轴磨损的结果，其中枢轴可以在孔内旋塞并且被堵塞。因此，喷射器可以具有将克服的额外的摩擦力，这使得比期望的打开得慢。这将产生较短的打开时间，并且因此所需燃料的全部量将不会提供至电池堆。
因此这些类型的故障倾向于间歇性的，在确定该故障时传统的喷射器诊断技术并不典型地有用，这意味着并不是每次喷射时间都具有故障。尤其地，传统的喷射器检测故障技术仅可以检测当喷射器阻塞打开或当喷射器阻塞关闭时。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于检测喷射氢气至燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧的喷射器的间断性故障的系统和方法。所述方法包括以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器，这使得电池堆产生恒定电流，因此恒定的燃料消耗率。当在恒定电流时，喷射器被命令与燃料电池系统中的燃料消耗率相匹配的恒定的工作循环和频率。然后监控产生的燃料压力反馈，并且如果其偏离限定的额定值，以恒定的或者摆动的方式，可以确定喷射器具有间歇性的打开故障。在一个实施例中，在燃料电池系统的关闭序列期间执行喷射器故障的确定。
结合附图，从以下说明书和所附的权利要求中本发明的附加特征将会变得显而易见。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种用于检测喷射氢气至燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧的喷射器是否正确地工作的方法，所述方法包括：
在固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器从而使得电池堆产生恒定电流；
当电池堆产生恒定电流的时候，监控燃料电池系统的阳极子系统中的压力；以及
如果来自监控阳极子系统中的压力的压力测量值表示压力超过预定压力值，则确定喷射器没有正确地工作。
2. 根据方案1所述的方法，还包括如果确定喷射器没有正确地工作，则增加预定量的喷射器电流，从而控制喷射器的工作。
3. 根据方案2所述的方法，还包括在喷射器电流已经增加后基于阳极子系统压力是否在预定校准压力之上确定喷射器是否正确地工作，并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作则将喷射器电流再次增加预定量。
4. 根据方案3所述的方法，还包括仅增加喷射器电流三次并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作，则发布警报信号。
5. 根据方案1所述的方法，还包括在以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器之前，确定燃料电池系统从运行模式转换到关闭模式。
6. 根据方案1所述的方法，还包括使用恒定电流对系统电池充电。
7. 一种用于检测喷射氢气至燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧的喷射器是否正确地工作的方法，所述方法包括：
确定燃料电池系统是否从运行模式转换到关闭模式；
如果燃料电池系统从运行模式转换到关闭模式，则以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器从而使得电池堆产生恒定电流；
当电池堆产生恒定电流的时候，监控燃料电池系统的阳极子系统中的压力；
如果来自监控阳极子系统中的压力的压力测量值表示压力超过预定压力值，则确定喷射器没有正确地工作；以及
如果确定喷射器没有正确地工作，则将喷射器电流增加预定量从而控制喷射器的工作。
8. 根据方案7所述的方法，还包括在喷射器电流已经增加后基于阳极子系统压力是否在预定校准压力之上确定喷射器是否正确地工作，并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作则将喷射器电流再次增加预定量。
9. 根据方案8所述的方法，还包括仅增加喷射器电流三次并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作，则发布警报信号。
10. 根据方案7所述的方法，还包括使用恒定电流对系统电池充电。
11. 一种用于检测喷射氢气至燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧的喷射器是否正确地工作的检测系统，所述检测系统包括：
用于以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器从而使得电池堆产生恒定电流的装置；
当电池堆产生恒定电流的时候，用于监控燃料电池系统的阳极子系统中的压力的装置；以及
如果来自监控阳极子系统中的压力的压力测量值表示压力超过预定压力值，用于确定喷射器没有正确地工作的装置。
12. 根据方案11所述的检测系统，还包括如果确定喷射器没有正确地工作，则增加预定量的喷射器电流从而控制喷射器的工作的装置。
13. 根据方案12所述的检测系统，还包括在喷射器电流已经增加后基于阳极子系统压力是否在预定校准压力之上确定喷射器是否正确地工作，并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作则将喷射器电流再次增加预定量的装置。
14. 根据方案13所述的检测系统，还包括仅增加喷射器电流三次并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作，则发布警报信号的装置。
15. 根据方案11所述的检测系统，还包括在以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器之前，确定燃料电池系统从运行模式转换到关闭模式的装置。
16. 根据方案11所述的检测系统，还包括使用恒定电流对系统电池充电的装置。
附图说明
图1是燃料电池系统的简化的示意方框图；以及
图2是示出了用于检测燃料电池系统中的喷射器故障的处理的流程图。
具体实施方式
下面对涉及用于检测喷射氢气燃料至燃料电池堆的阳极侧中的喷射器的间断性故障的系统和方法的本发明的实施例的以下描述实质上仅仅是示例性的，并且并不旨在限制本发明或其应用或使用。
在一种为燃料电池系统设计的公知的氢气燃料喷射中，系统确定的燃料的量需要具体命令的电池堆电流密度，其是基于阳极子系统内的压力的。例如，系统监控阳极子系统中的压力，并且，对于所需的电池堆负载，系统基于用于该负载的预定压力之下的压力下降设定喷射器打开时间并且基于用于该负载的所需压力之上的压力上升设定喷射器关闭时间。所需的喷射器打开和关闭时间转换成具有特定脉冲宽度和工作循环的工作循环的用于喷射器的PWM命令信号。当喷射器正确地工作时，喷射器打开时间与所需燃料消耗相匹配，这应当给出稳定的压力读数。如果喷射器当接收命令信号的时候正在间歇地阻塞，由于间歇性的喷射器打开故障因而阳极子系统系统内的检测压力将不会处于所需的压力则工作循环将要连续地改变。
如上所述，用于控制通过燃料喷射器喷入燃料电池堆的阳极侧的燃料的量的公知的技术是通过测量阳极子系统中的压力而提供的。尤其，包括脉冲宽度和脉冲频率两者的喷射器的工作循环是为特定的阳极子系统压力而设定的，该阳极子系统压力将给出所需的或命令的电池堆电流密度所需要的燃料的量。如果喷射器由于故障没有正确地打开和关闭，用于特定电池堆电流密度的压力读数将是错误的并且将会使得喷射器工作循环更不规律地工作。不稳定的打开时间还使得喷射器流动估计变得错误，这可能使得燃料电池系统中在别处的模型误差。
本发明提出了监控阳极子系统中的压力以检测喷射器的工作循环中的不稳定的的变化从而确定喷射器不能正确地工作。在一个实施例，当检测到不稳定的压力读数时，作用到喷射器上以打开喷射器的电流的量增加以求克服额外的枢轴摩擦力并且使得喷射器正确地工作。
图1包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的简化框图。燃料电池系统10还包括将阴极输入线路16上的空气提供至燃料电池堆12的阴极侧的压缩机14，其中阴极排气从在阴极排气线路18上的电池堆12输出。燃料电池系统10还包括氢气的源20，典型地高压罐，其提供氢气至喷射器22，该喷射器在阳极输入线路24上喷射控制量的氢气至燃料电池堆12的阳极侧。尽管没有特别地示出，本领域技术人员将会理解将要提供各种调压器，控制阀，关闭阀等以将高压气体从源20供给适于喷射器22的压力。喷射器22可以是适于在此讨论目的的任意喷射器。一个合适的例子是如美国专利号No. 7,320,840中描述的，2008年1月22日公开的、名为用于燃料电池系统的喷射器-排出器的组合，转让给本申请的申请人并且在此结合作为参考的一个/多个喷射器。
阳极排出气体从阳极输出线路26上的燃料电池堆12的阳极侧输出，其提供至排出阀28。如本领域技术人员将会更好地理解，来自燃料电池堆12的阴极侧的渗透氮气稀释了电池堆12的阳极侧中的氢，由此影响了燃料电池堆的性能。因此，需要周期性地将阳极排出气体从阳极子系统中排出以减少阳极子系统中氮气的量。当系统10在正常的非排出模式中工作时，阀28在阳极排出气体提供至再循环管路30的位置处，在该位置处再循环管路将阳极气体再循环至喷射器22以由排出器操作并且将再循环的氢气提供返回至电池堆12的阳极输入。当命令了排出以减少电池堆12的阳极侧中的氮气时，阀28被命令将阳极排出气体导向至在线路18上将阳极排出气体与阴极排气合并的旁通线路32上，其中氢气被稀释并且适合于环境。压力传感器34测量阳极输出线路26中的压力，但可以在阳极子系统内的任意位置以提供阳极侧压力测量。尽管系统10是阳极再循环系统，本领域技术人员将会理解，本发明将应用到其它类型的燃料电池系统中，包括阳极流量转换系统。
当燃料电池系统10关闭时，关闭顺序典型地执行，使得各种系统部件在关闭状态中从而它们能够在下一系统启动时更好地进行它们的工作。例如，一种公知的燃料电池系统关闭技术包括提供电池堆清洁，其中空气被强制通过燃料电池堆12中的阴极侧流动通道并且氢气强制通过电池堆12中的阳极侧流动通道以除去流动通道中累计的水，该水在系统关闭期间可能凝固并且在下一启动中产生问题。典型地，由于其它工作不需要电流，否则将会浪费，在关闭模式和电池清洁期间产生的电池堆电流用来对燃料电池系统10中的高压电池36再充电。
对于这类型的关闭顺序，本发明提出了以恒定电流操作燃料电池堆12从而喷射器脉冲宽度和频率可以命令至恒定值，并且同样地，如果系统正确地工作，来自压力传感器34的压力读数将是恒定的。因此，喷射器22的打开和关闭将被固定，在关闭顺序期间可以用来对电池36充电的电流的量将是恒定的并且阳极子系统中的压力将是恒定的。在这些条件下如果压力读数不是恒定的，则系统10可以假定喷射器22具有间歇性的打开延迟，这意味着在命令喷射器22打开的脉冲的上升时其没有打开。系统10包括执行和控制在此讨论的各种操作的处理器38。
图2是示出了用于检测不正确地工作的喷射器并且如果检测到故障修正喷射器的工作的流程图。在方框42，算法确定在车辆钥匙拔出时系统10是否从正常运行模式转变至关闭模式。如果算法检测到该转变，然后算法设定用于流向电池堆12的阴极侧的气流的正确的压缩机流速以及用于燃料电池堆12的阳极侧的用于操作喷射器22的正确的或所需的喷射器脉冲宽度和频率以在方框44的关闭顺序期间提供用于对电池充电的恒定的电池堆电流。一旦恒定的电池堆电流已经被命令并且通过电池堆12产生，在方框46算法监控来自压力传感器34的压力测量值，并且在判定菱形区50将压力测量值与预定的压力校准值相比较。如果压力测量值在稳定状态或恒定并且在判定菱形区50不超过压力校准值，则喷射器22在方框52正确地工作，并且算法返回方框42以等到从运行模式至关闭模式的下一次转变。
如果算法确定压力测量值是不稳定的并且在判定菱形区50超过校准压力值，则在方框54算法识别出可能的喷射器问题。算法可以立即指示喷射器故障或可以增加故障计数器，其中故障没有识别直到计数器达到预定值为止，例如三个计数。不论潜在的故障是否对车辆驾驶员精确地识别出，算法在方框56增加预定量的电流的量，该电流量将提供给喷射器22以使得其用于下一运行模式的PWM命令信号的打开并且返回方框42以等待从运行模式至关闭模式的下一转变。因此，当系统10下次起动时，将用于操作喷射器22的电流的量将比系统10可操作的上一次高，这将使得喷射器22正确地工作。
当在方框42检测到下一关闭模式时，系统10将经历相同的操作以确定喷射器22在新的喷射器电流是否具有间歇性打开故障，并且如果再次检测到故障将在方框56将喷射器电流再次增加至超过以前增加的电流。如上所述，算法可以在随后的关闭中增加电流三次，其将为车辆驾驶员提供警告：喷射器22需要更换。应当注意在方框56处提供给喷射器22的电流增加并不减少原始的电流，其中一旦喷射器电流增加其将维持在增加值指导在此增加或发布故障检测为止。
本领域技术人员将要很好地理解，在此讨论用来描述本发明的几个和多个步骤和处理可以由使用电学现象操作和/或转换数据的计算机，处理器或其它电子计算装置执行操作。那些计算机和电子装置可以使用各种易失性和/或非易失性存储器，包括具有存储在其上的具有可执行程序的非暂时性计算机可读介质，该可执行程序包括能够由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括全部形式或类型的存储器以及其它计算机可读介质。
公开的上述讨论和描述仅仅是本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这样的讨论以及附图和权利要求中很容易地理解到，在不背离以以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变，修改以及变化。

Claims (16)

1.一种用于检测喷射氢气至燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧的喷射器是否正确地工作的方法，所述方法包括：
在固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器从而使得电池堆产生恒定电流；
当电池堆产生恒定电流的时候，监控燃料电池系统的阳极子系统中的压力；以及
如果来自监控阳极子系统中的压力的压力测量值表示压力超过预定压力值，则确定喷射器没有正确地工作。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括如果确定喷射器没有正确地工作，则增加预定量的喷射器电流，从而控制喷射器的工作。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在喷射器电流已经增加后基于阳极子系统压力是否在预定压力值之上确定喷射器是否正确地工作，并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作则将喷射器电流再次增加预定量。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括仅增加喷射器电流三次并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作，则发布警报信号。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器之前，确定燃料电池系统从运行模式转换到关闭模式。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括使用恒定电流对系统电池充电。
7.一种用于检测喷射氢气至燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧的喷射器是否正确地工作的方法，所述方法包括：
确定燃料电池系统是否从运行模式转换到关闭模式；
如果燃料电池系统从运行模式转换到关闭模式，则以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器从而使得电池堆产生恒定电流；
当电池堆产生恒定电流的时候，监控燃料电池系统的阳极子系统中的压力；
如果来自监控阳极子系统中的压力的压力测量值表示压力超过预定压力值，则确定喷射器没有正确地工作；以及
如果确定喷射器没有正确地工作，则将喷射器电流增加预定量从而控制喷射器的工作。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在喷射器电流已经增加后基于阳极子系统压力是否在预定压力值之上确定喷射器是否正确地工作，并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作则将喷射器电流再次增加预定量。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括仅增加喷射器电流三次并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作，则发布警报信号。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括使用恒定电流对系统电池充电。
11.一种用于检测喷射氢气至燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧的喷射器是否正确地工作的检测系统，所述检测系统包括：
用于以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器从而使得电池堆产生恒定电流的装置；
当电池堆产生恒定电流的时候，用于监控燃料电池系统的阳极子系统中的压力的装置；以及
如果来自监控阳极子系统中的压力的压力测量值表示压力超过预定压力值，用于确定喷射器没有正确地工作的装置。
12.根据权利要求11所述的检测系统，还包括如果确定喷射器没有正确地工作，则增加预定量的喷射器电流从而控制喷射器的工作的装置。
13.根据权利要求12所述的检测系统，还包括在喷射器电流已经增加后基于阳极子系统压力是否在预定压力值之上确定喷射器是否正确地工作，并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作则将喷射器电流再次增加预定量的装置。
14.根据权利要求13所述的检测系统，还包括仅增加喷射器电流三次并且如果确定喷射器仍然没有正确地工作，则发布警报信号的装置。
15.根据权利要求11所述的检测系统，还包括在以固定的喷射器脉冲宽度和频率操作喷射器之前，确定燃料电池系统从运行模式转换到关闭模式的装置。
16.根据权利要求11所述的检测系统，还包括使用恒定电流对系统电池充电的装置。
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