CN103107347B - 使用电控压力调节器产生h2排气传感器测试脉冲的方法 - Google Patents

使用电控压力调节器产生h2排气传感器测试脉冲的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103107347B
CN103107347B CN201210456221.0A CN201210456221A CN103107347B CN 103107347 B CN103107347 B CN 103107347B CN 201210456221 A CN201210456221 A CN 201210456221A CN 103107347 B CN103107347 B CN 103107347B
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
pressure
communicated
electronic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201210456221.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103107347A (zh
Inventor
T.魏斯芬宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN103107347A publication Critical patent/CN103107347A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103107347B publication Critical patent/CN103107347B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04462—Concentration; Density of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

一种用于产生氢测试脉冲的燃料电池系统包括燃料电池堆，燃料电池堆具有经由燃料消耗线路与氢源流体连通的阳极入口、与氧化剂源流体连通的阴极入口、以及阳极出口和阴极出口，所述阳极出口和阴极出口与排气线路流体连通。电子式压力调节器与燃料消耗线路流体连通。过压阀与过压线路流体连通，所述过压线路在电子式压力调节器和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通。氢传感器与排气线路连通且配置成测量氢测试脉冲。

Description

使用电控压力调节器产生H2排气传感器测试脉冲的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，且更具体地涉及利于监督燃料电池系统中的氢排气传感器的系统和方法。
背景技术
燃料电池已经作为清洁、高效和环保的功率源提出，用于各种应用。燃料电池是将燃料（例如，氢）和氧化剂（例如，氧）结合以产生电的电化学装置。氧通常由空气流提供。氢和氧结合以引起水的形成。
各个燃料电池可以串联地堆叠在一起以形成能够提供足以给电动车辆供电的电力量的燃料电池堆。燃料电池堆已经被认为是现代车辆中使用的典型内燃发动机的可能替代。
已知燃料电池系统在燃料电池堆的排气中使用氢传感器以监督排出到环境的氢浓度。然而，在典型燃料电池系统中，在正常操作期间在排气中不存在足够的氢以测试氢传感器。而且，借助于常规燃料电池系统机制，当前不可能产生用于诊断氢传感器的氢排气测试脉冲。
持续需要允许燃料电池系统中的氢传感器诊断的系统和方法。令人期望的是，所述系统和方法提供用于测试燃料电池系统的氢传感器的氢测试脉冲。
发明内容
根据本发明，已经令人惊奇地发现通过提供用于测试燃料电池系统的氢传感器的氢测试脉冲而允许燃料电池系统中的氢传感器诊断的系统和方法。
分析表明，氢传感器测试脉冲对于诊断氢传感器是有益的。当前行业标准，例如IEC61508和ISO26262，需要用于某些系统的高诊断范围。
在示例性实施例中，本发明的系统和方法配置成产生用于诊断氢传感器的氢排气测试脉冲。所述系统包括用于存储氢的高压容器（PV）。所述高压容器可容纳例如一直到大约700bar的压力。罐上阀（on-tank-valve）选择性地截止高压容器。高压传感器（P1）安装在所述罐上阀后面，用于压力测量。还设置第二截止阀（SV），作为所述罐上阀的备用。第二截止阀之后是电子式压力调节器（EPR），以将压力从高压水平减小至适合于燃料电池系统（FCS）操作的水平，例如大约6-10bar的压力。压力再次用电子式压力调节器和燃料电池系统之间的压力传感器（P2）测量。为了在压力调节器故障的情况下保护燃料消耗线路不受过压的影响，还使用过压阀（PRV）。过压阀正常在高于系统的操作压力的预定值时打开，且在激励的情况下排出氢。
电功率在燃料电池系统内从燃料电池堆中的氢和由压缩机提供的空气产生。氢消耗在燃料电池系统内。燃料电池堆的排气通常不包含显著的氢浓度。然而，为了在燃料电池系统故障的情况下阻碍氢释放到环境，使用氢传感器（H1）。氢传感器读数传送给电子控制模块（ECM），所述电子控制模块在测量高氢浓度的情况下关闭罐上阀和第二截止阀。
与具有不能变化的预定压力设定点的被动压力调节器相比，电子式压力调节器是主动压力调节器。主动电子式压力调节器包括由电子控制模块外部控制的比例阀。这允许通过比例阀的流率的变化。因而，电子式压力调节器的压力设定点可以精密地控制。该系统和方法使用电子式压力调节器的受控变化性与过压阀一起来产生氢传感器的测试脉冲，而不需要燃料电池系统所需的任何附加部件。
操作中，电子式压力调节器被控制至过压阀打开以将氢选择性地供应到燃料电池堆的排气中的水平。为了确定供应给排气的氢的流率，通过评估燃料消耗线路压力可以计算所述量。与从空气压缩机到排气的已知空气流一起，得到的浓度被确定且可以与氢传感器读数进行比较。这允许在没有附加部件的情况下进行氢传感器诊断。
如上所述，为了产生测试脉冲，重要的是已知氢量和在排气线路中混合的空气量。空气量通常被测量或者例如在采用空气压缩机的车辆应用中已知。为了确定氢量，可以使用以下策略：
在燃料电池系统输入阀关闭的情况下，电子式压力调节器用恒定值控制，以打开非常小的开度。在打开孔口保持恒定时，根据以下关系式（1），通过电子式压力调节器的流率与压力差的平方根成比例：
其中，表示进入燃料消耗线路的摩尔流量（moleflow）。
在P1>>P2时，在车辆应用中通常如此，其中，P2<10bar且P1>300bar，该关系式可以简化为以下关系式（2）：
从关系式（2）可以看出，只要驱动压力恒定，流率就保持恒定。
电子式压力调节器的开度导致升高压力p2取决于电子式压力调节器的打开孔口、驱动压力P1和燃料消耗线路的容积。燃料消耗线路中的气体容积的理想气体方程表示为以下关系式（3）：
p2V=n2RT
假定排气线路内的恒定T和V且相对于时间差分得到以下关系式（4）：
根据关系式（4），只要过压阀仍关闭，流率就可以用测量p2来计算。如果电子式压力调节器控制值保持不变，那么氢流率保持恒定，即使过压阀打开也是如此，只要电子式压力调节器的控制值保持恒定即可。借助于该恒定流率与来自于燃料电池系统的空气压缩机的空气一起，浓度可以应用于排气传感器以测试部件。
总的来说，产生测试氢脉冲的方法包括以下步骤：
关闭燃料电池系统输入阀；
用恒定值打开电子式压力调节器，这导致预期小的氢流率（从电子式压力调节器的设计已知）；
通过测量一系列p2根据关系式（1）、（2）、（3）和/或（4）以及标定测量值来计算准确速率；
设定燃料电池系统内的空气压缩机以提供已知空气流，在过压阀以其设定点打开时这导致已知排气氢浓度；以及
读取氢传感器的值且将其与预期测量浓度进行比较。
使用该策略，可以执行氢传感器的诊断，即使在正常操作期间不计划运行该诊断时也是如此，其可以在车间中以特定维护模式运行。
在一个实施例中，一种燃料电池系统包括与燃料消耗线路流体连通的氢源和燃料电池堆。所述燃料电池堆具有与燃料消耗线路流体连通的阳极入口和与空气压缩机流体连通的阴极入口。所述燃料电池堆还具有阳极出口和阴极出口，所述阳极出口和阴极出口与排气线路流体连通。电子式压力调节器在氢源和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通。过压阀与设置在燃料消耗线路和排气线路之间的过压线路流体连通。所述过压线路在电子式压力调节器和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通。第一压力传感器设置在氢源和电子式压力调节器之间。第二压力传感器设置在电子式压力调节器和燃料电池堆之间。氢传感器与排气线路连通且配置成测量排气线路的氢浓度。
在另一个实施例中，所述燃料电池系统还包括电子控制模块。所述电子控制模块与氢传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和电子式压力调节器、以及空气压缩机通信。所述电子控制模块响应于来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值操作电子式压力调节器和空气压缩机以产生氢测试脉冲。
在又一实施例中，一种在燃料电池系统中产生氢测试脉冲的方法，包括以下步骤：控制电子式压力调节器以允许通过电子式压力调节器的恒定氢流率；基于来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值来计算通过电子式压力调节器的恒定氢流率；以已知空气流流率提供从空气压缩机到排气线路的空气流；根据已知空气流流率和所计算的恒定氢流率来计算排气线路中的预期氢浓度；用氢传感器测量排气线路中的测量氢浓度；以及将测量氢浓度与预期氢浓度进行比较。
方案1.一种燃料电池系统，包括：
与燃料消耗线路流体连通的氢源；
燃料电池堆，所述燃料电池堆具有与燃料消耗线路流体连通的阳极入口、与氧化剂源流体连通的阴极入口、以及阳极出口和阴极出口，所述阳极出口和阴极出口与排气线路流体连通；
电子式压力调节器，所述电子式压力调节器在氢源和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；
过压阀，所述过压阀与燃料消耗线路和排气线路流体连通且设置在燃料消耗线路和排气线路之间，所述过压阀在电子式压力调节器和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；以及
与排气线路连通的氢传感器，所述氢传感器配置成测量排气线路的氢浓度。
方案2.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述氢源是具有罐上阀的压力容器。
方案3.根据方案1所述的燃料电池系统，还包括设置在第一压力传感器和电子式压力调节器之间的截止阀。
方案4.根据方案1所述的燃料电池系统，还包括设置在氢源和电子式压力调节器之间的第一压力传感器，其中，第一压力传感器是配置成测量第一压力的高压传感器。
方案5.根据方案4所述的燃料电池系统，还包括设置在电子式压力调节器和燃料电池堆之间的第二压力传感器，其中，第二压力传感器是配置成测量第二压力的低压传感器。
方案6.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，过压线路在电子式压力调节器和第二压力传感器之间与燃料消耗线路流体连通。
方案7.根据方案5所述的燃料电池系统，还包括电子控制模块，所述电子控制模块与氢传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、和电子式压力调节器以及氧化剂源通信。
方案8.根据方案7所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制模块操作电子式压力调节器以及氧化剂源中的每一个。
方案9.根据方案7所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制模块接收来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值。
方案10.根据方案7所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制模块接收来自于氢传感器的氢浓度测量值。
方案11.根据方案1所述的燃料电池系统，还包括阳极入口阀，所述阳极入口阀与燃料电池堆的阳极入口流体连通且配置成选择性地阻碍从燃料消耗线路到燃料电池堆的氢流。
方案12.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述电子式压力调节器是允许通过电子式压力调节器的流率变化的比例阀。
方案13.一种燃料电池系统，包括：
与燃料消耗线路流体连通的氢源；
燃料电池堆，所述燃料电池堆具有与燃料消耗线路流体连通的阳极入口、与空气压缩机流体连通的阴极入口、以及阳极出口和阴极出口，所述阳极出口和阴极出口与排气线路流体连通；
阳极入口阀，所述阳极入口阀与燃料电池堆的阳极入口流体连通且配置成选择性地阻碍从燃料消耗线路到燃料电池堆的氢流；
电子式压力调节器，所述电子式压力调节器在氢源和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；
过压阀，所述过压阀与设置在燃料消耗线路和排气线路之间的过压线路流体连通，所述过压线路在电子式压力调节器和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；
设置在氢源和电子式压力调节器之间的第一压力传感器；
设置在电子式压力调节器和燃料电池堆之间的第二压力传感器；
与排气线路连通的氢传感器，所述氢传感器配置成测量排气线路的氢浓度；以及
电子控制模块，所述电子控制模块与氢传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和电子式压力调节器、以及空气压缩机通信，其中，所述电子控制模块响应于来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值操作电子式压力调节器和空气压缩机中的每一个，以产生氢测试脉冲。
方案14.一种在燃料电池系统中产生氢测试脉冲的方法，所述方法包括以下步骤：
提供燃料电池系统，所述燃料电池系统具有：与燃料消耗线路流体连通的氢源；燃料电池堆，所述燃料电池堆具有与燃料消耗线路流体连通的阳极入口、与氧化剂源流体连通的阴极入口、以及阳极出口和阴极出口，所述阳极出口和阴极出口与排气线路流体连通；电子式压力调节器，所述电子式压力调节器在氢源和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；过压阀，所述过压阀与燃料消耗线路和排气线路流体连通且设置在燃料消耗线路和排气线路之间，所述过压阀在电子式压力调节器和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；设置在氢源和电子式压力调节器之间的第一压力传感器；设置在电子式压力调节器和燃料电池堆之间的第二压力传感器；以及与排气线路连通的氢传感器；
控制电子式压力调节器以允许通过电子式压力调节器的恒定氢流率；
基于来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值来计算通过电子式压力调节器的恒定氢流率；
以已知空气流流率提供从氧化剂源到排气线路的空气流；
根据已知空气流流率和所计算的恒定氢流率来计算排气线路中的预期氢浓度；
用氢传感器测量排气线路中的测量氢浓度；以及
将测量氢浓度与预期氢浓度进行比较。
方案15.根据方案14所述的方法，其中，所述燃料电池系统还包括阳极入口阀，所述阳极入口阀与燃料电池堆的阳极入口流体连通且配置成选择性地阻碍从燃料消耗线路到燃料电池堆的氢流。
方案16.根据方案15所述的方法，还包括步骤：在打开电子式压力阀之前，关闭阳极入口阀。
方案17.根据方案16所述的方法，其中，通过电子式压力调节器的恒定氢流率根据以下关系式计算：
。
方案18.根据方案16所述的方法，其中，来自于第一压力传感器的压力测量值大于来自于第二压力传感器的压力测量值。
方案19.根据方案18所述的方法，其中，通过电子式压力调节器的恒定氢流率根据以下关系式计算：
。
方案20.根据方案16所述的方法，其中，温度和容积假定为恒定，通过电子式压力调节器的恒定氢流率由以下关系式计算：
。
附图说明
根据优选实施例的以下详细描述结合附图考虑，本领域技术人员将容易清楚本发明的上述以及其它优点。
附图是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
以下详细描述和附图描述和图示了本发明的各个示例性实施例。所述描述和附图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且不旨在以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所示步骤本质上是示例性地，因而步骤的顺序不是必要的或关键的。
附图示出了根据本发明的燃料电池系统2。燃料电池系统2具体地配置成产生用于诊断目的的氢排气测试脉冲。作为一个非限制性示例，燃料电池系统2可以用于电动车辆的推进系统中。燃料电池系统2在电动车辆之外的用途也在本发明的范围内。
燃料电池系统2包括氢源4、燃料电池堆6、电子式压力调节器8、过压阀10、第一压力传感器12、第二压力传感器14和氢传感器16。氢源4与燃料消耗线路18流体连通。氢源4可以是配置成容纳用于燃料电池堆6的氢燃料的压力容器。在氢源4是压力容器时，罐上阀17可安装在压力容器上，用于选择性地打开和关闭或截止到压力容器的通路的目的。类似地，截止阀19也可以与压力容器流体连通，且可以用作罐上阀17的操作备用。本领域技术人员可以根据期望使用其它类型的氢源，例如重整器等。
燃料电池堆6具有阳极入口20、阴极入口22、阳极出口24以及阴极出口26。阳极入口20与燃料消耗线路18流体连通。阳极入口阀27可以与燃料电池堆6的阳极入口20流体连通。阳极入口阀27将燃料消耗线路18的压力减小至燃料电池堆6操作所期望的水平。阳极入口阀27还配置成在期望将氢流绕过燃料电池堆6时选择性地截止从氢源4通过燃料消耗线路18到燃料电池堆6的氢流。阴极入口22与氧化剂源28（例如，空气压缩机）流体连通。阳极出口24和阴极出口26可以与排气线路30流体连通。与阳极入口20的阳极入口阀27类似，阴极入口22、阳极出口24和阴极出口2中的每个也可以具有与其连通的截止阀（未示出）。应当理解的是，排气线路30根据期望可以是再循环回路的一部分，或者可以直接排出到环境。
本发明的电子式压力调节器8在氢源4和燃料电池堆6之间与燃料消耗线路18流体连通。在具体实施例中，电子式压力调节器8包括比例阀。电子式压力调节器8的比例阀可以通过电子控制模块32在外部控制。电子式压力调节器8允许通过电子式压力调节器的氢流率的变化，从而利于控制燃料电池系统2内的压力设定点。在本发明的范围内还可以使用用于控制通过电子式压力调节器8的氢流率的其它装置。
过压线路34设置在燃料消耗线路18和排气线路30之间，且提供将氢流绕过燃料电池堆6的装置。在某些实施例中，过压线路34在电子式压力调节器8和燃料电池堆6之间与燃料消耗线路18流体连通。过压阀10与过压线路34流体连通。过压阀10可以是在指定或预定压力下打开的被动阀。过压阀10配置成在压力升高超过预定值时选择性地允许通过过压线路34的流动，以使得氢流绕过燃料电池堆6。
燃料电池系统2内的氢和空气的压力可以在不同位置测量。例如，第一压力传感器12可以设置在氢源4和电子式压力调节器8之间。在附图所示的说明性实施例中，第一压力传感器12设置在燃料消耗线路18中在氢源4的罐上阀17和第二截止阀19之间。作为另一示例，第二压力传感器14可以设置在燃料消耗线路18中在电子式压力调节器8和燃料电池堆6之间。第一压力传感器12配置成测量燃料消耗线路18在电子式压力调节器8之前的第一压力。第二压力传感器14配置成测量燃料消耗线路18在电子式压力调节器8之后的第二压力。应当理解的是，第一压力传感器12因而可以是高压传感器，第二压力传感器14可以是低压传感器。
氢传感器16与排气线路30连通。氢传感器16配置成测量排气线路30中的氢浓度，例如在燃料电池堆6的操作期间。本领域技术人员应当理解，适合于测量氢浓度的任何类型的传感器都可以用作本发明的氢传感器16。
在燃料电池系统2包括电子控制模块32时，电子控制模块32可以与氢传感器16、第一压力传感器12、第二压力传感器14、和电子式压力调节器8、以及氧化剂源28中的至少一个通信。电子控制模块32可具有处理器和数据存储装置，以利于操作软件的执行以及获取来自于燃料电池系统2的各个部件的数据两者。
在某些实施例中，电子控制模块32配置成操作电子式压力调节器8以及氧化剂源28中的每个。电子控制模块32还可以接收来自于第一压力传感器12和第二压力传感器14中的至少一个的压力测量值以及来自于氢传感器16的氢浓度测量值。
操作中，本发明的燃料电池系统2可以有利地用于产生用于诊断或测试氢传感器16的测试氢脉冲。一种产生燃料电池系统中的氢测试脉冲的方法可首先包括控制电子式压力调节器8以允许通过电子式压力调节器8的恒定氢流率。在说明性实施例中，恒定氢流率被选择为相对于与燃料电池堆6的正常操作有关的流率小。通过电子式压力调节器8的恒定氢流率于是可以基于来自于第一压力传感器12和第二压力传感器14中的至少一个的压力测量值计算。
恒定氢流率可以使用各种策略计算。在一个实施例中，通过电子式压力调节器的恒定氢流率可以根据以下关系式（1）计算：
。
在另一个实施例中，在来自于第一压力传感器12的压力测量值大于来自于第二压力传感器14的压力测量值时，在电子式压力调节器8的打开孔口与在燃料电池堆6操作期间的开度相比适当小时通常如此，通过电子式压力调节器8的恒定氢流率可以由以下关系式（2）计算：
。
在又一实施例中，其中，温度和容积假定为恒定，通过电子式压力调节器8的恒定氢流率可以由以下关系式（4）计算：
。
在计算恒定氢流率之后，来自于氧化剂源28的空气流以已知空气流流率提供给排气线路30。根据期望，空气流可以通过燃料电池堆6的阴极侧提供，或者可选地被引导绕过燃料电池堆且直接到排气线路30。
在关闭阳极入口阀27和恒定氢流率时，燃料消耗线路18中的压力将增加，直到过压阀10打开。过压阀10的打开将允许从燃料消耗线路18通过过压线路34进入排气线路30的氢流。来自于燃料消耗线路18的氢流与来自于氧化剂源28的空气流混合以在排气线路30中提供预期氢浓度，用于氢测试脉冲。应当理解的是，由于使用本发明的电子式压力调节器8，可以产生具有不同预期氢浓度的多个氢测试脉冲。
排气线路30中的预期氢浓度可以根据已知空气流流率和所计算的恒定氢流率来计算。排气线路30中的测量氢浓度于是可以用氢传感器16测量，且与预期氢浓度进行比较，用于诊断氢传感器16是否正常操作的目的。
有利地，本发明的燃料电池系统2和方法利于在没有附加部件的情况下产生氢测试脉冲且允许在燃料电池系统2的操作寿命期间排气氢传感器16的更大诊断范围。
虽然为了说明本发明已经示出了某些代表性实施例和细节，但是本领域技术人员将清楚，可以作出各种变化，而不偏离在所附权利要求中进一步描述的本发明范围。

Claims (19)

1.一种燃料电池系统，包括：
与燃料消耗线路流体连通的氢源；
燃料电池堆，所述燃料电池堆具有与燃料消耗线路流体连通的阳极入口、与氧化剂源流体连通的阴极入口、以及阳极出口和阴极出口，所述阳极出口和阴极出口与排气线路流体连通；
电子式压力调节器，所述电子式压力调节器在氢源和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；
阳极入口阀，所述阳极入口阀与燃料电池堆的阳极入口流体连通；过压阀，所述过压阀与燃料消耗线路和排气线路流体连通且设置在燃料消耗线路和排气线路之间，所述过压阀在电子式压力调节器和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；
与排气线路连通的氢传感器，所述氢传感器配置成测量排气线路的氢浓度；
在氢源和电子式压力调节器之间的第一压力传感器；和
设置在所述燃料消耗线路中的在电子式压力调节器和燃料电池堆之间的第二压力传感器；以及
电子控制模块，所述电子控制模块与氢传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、和电子式压力调节器以及氧化剂源通信，所述电子式压力调节器被控制以允许通过所述电子式压力调节器的恒定氢流率，
其中所述电子控制模块配置成：基于来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值来计算通过电子式压力调节器的恒定氢流率；以已知空气流流率提供从氧化剂源到排气线路的空气流；根据已知空气流流率和所计算的恒定氢流率来计算排气线路中的预期氢浓度；用氢传感器测量排气线路中的测量氢浓度；以及将测量氢浓度与预期氢浓度进行比较。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述氢源是具有罐上阀的压力容器。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括设置在第一压力传感器和电子式压力调节器之间的截止阀。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，第一压力传感器是配置成测量第一压力的高压传感器。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，第二压力传感器是配置成测量第二压力的低压传感器。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，过压线路在电子式压力调节器和第二压力传感器之间与燃料消耗线路流体连通。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制模块操作电子式压力调节器以及氧化剂源中的每一个。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制模块接收来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制模块接收来自于氢传感器的氢浓度测量值。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，所述阳极入口阀配置成选择性地阻碍从燃料消耗线路到燃料电池堆的氢流。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电子式压力调节器是允许通过电子式压力调节器的流率变化的比例阀。
12.一种燃料电池系统，包括：
与燃料消耗线路流体连通的氢源；
燃料电池堆，所述燃料电池堆具有与燃料消耗线路流体连通的阳极入口、与空气压缩机流体连通的阴极入口、以及阳极出口和阴极出口，所述阳极出口和阴极出口与排气线路流体连通；
阳极入口阀，所述阳极入口阀与燃料电池堆的阳极入口流体连通且配置成选择性地阻碍从燃料消耗线路到燃料电池堆的氢流；
电子式压力调节器，所述电子式压力调节器在氢源和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；
过压阀，所述过压阀与设置在燃料消耗线路和排气线路之间的过压线路流体连通，所述过压线路在电子式压力调节器和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；
设置在氢源和电子式压力调节器之间的第一压力传感器；
设置在所述燃料消耗线路中的在电子式压力调节器和燃料电池堆之间的第二压力传感器；
与排气线路连通的氢传感器，所述氢传感器配置成测量排气线路的氢浓度；以及
电子控制模块，所述电子控制模块与氢传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和电子式压力调节器、以及空气压缩机通信，其中所述电子式压力调节器被控制以允许通过所述电子式压力调节器的恒定氢流率，其中，所述电子控制模块配置成：响应于来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值操作电子式压力调节器和空气压缩机中的每一个，以产生氢测试脉冲；基于来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值来计算通过电子式压力调节器的恒定氢流率；以已知空气流流率提供从氧化剂源到排气线路的空气流；根据已知空气流流率和所计算的恒定氢流率来计算排气线路中的预期氢浓度；用氢传感器测量排气线路中的测量氢浓度；以及将测量氢浓度与预期氢浓度进行比较。
13.一种在燃料电池系统中产生氢测试脉冲的方法，所述方法包括以下步骤：
提供燃料电池系统，所述燃料电池系统具有：与燃料消耗线路流体连通的氢源；燃料电池堆，所述燃料电池堆具有与燃料消耗线路流体连通的阳极入口、与氧化剂源流体连通的阴极入口、以及阳极出口和阴极出口，所述阳极出口和阴极出口与排气线路流体连通；电子式压力调节器，所述电子式压力调节器在氢源和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；过压阀，所述过压阀与燃料消耗线路和排气线路流体连通且设置在燃料消耗线路和排气线路之间，所述过压阀在电子式压力调节器和燃料电池堆之间与燃料消耗线路流体连通；设置在氢源和电子式压力调节器之间的第一压力传感器；设置在所述燃料消耗线路中的在电子式压力调节器和燃料电池堆之间的第二压力传感器；以及与排气线路连通的氢传感器；
控制电子式压力调节器以允许通过电子式压力调节器的恒定氢流率；
基于来自于第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个的压力测量值来计算通过电子式压力调节器的恒定氢流率；
以已知空气流流率提供从氧化剂源到排气线路的空气流；
根据已知空气流流率和所计算的恒定氢流率来计算排气线路中的预期氢浓度；
用氢传感器测量排气线路中的测量氢浓度；以及
将测量氢浓度与预期氢浓度进行比较。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述燃料电池系统还包括阳极入口阀，所述阳极入口阀与燃料电池堆的阳极入口流体连通且配置成选择性地阻碍从燃料消耗线路到燃料电池堆的氢流。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括步骤：在打开电子式压力阀之前，关闭阳极入口阀。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过电子式压力调节器的恒定氢流率根据以下关系式计算：
，其中，表示进入燃料消耗线路的摩尔流量，p1表示第一压力传感器的压力测量值和p2表示第二压力传感器的压力测量值。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，来自于第一压力传感器的压力测量值大于来自于第二压力传感器的压力测量值。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过电子式压力调节器的恒定氢流率根据以下关系式计算：
，其中，表示进入燃料消耗线路的摩尔流量，p1表示第一压力传感器的压力测量值。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，温度和容积假定为恒定，通过电子式压力调节器的恒定氢流率由以下关系式计算：
，其中，表示进入燃料消耗线路的摩尔流量，p2表示第二压力传感器的压力测量值。
CN201210456221.0A 2011-11-14 2012-11-14 使用电控压力调节器产生h2排气传感器测试脉冲的方法 Expired - Fee Related CN103107347B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/295,659 2011-11-14
US13/295,659 US8852824B2 (en) 2011-11-14 2011-11-14 Method to generate H2-exhaust sensor test pulse using electrically controlled pressure regulator
US13/295659 2011-11-14

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103107347A CN103107347A (zh) 2013-05-15
CN103107347B true CN103107347B (zh) 2015-11-18

Family

ID=48145381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210456221.0A Expired - Fee Related CN103107347B (zh) 2011-11-14 2012-11-14 使用电控压力调节器产生h2排气传感器测试脉冲的方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8852824B2 (zh)
CN (1) CN103107347B (zh)
DE (1) DE102012220331A1 (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013015398B4 (de) 2013-09-17 2023-07-20 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Druckregelung
DE102014200938A1 (de) * 2014-01-20 2015-07-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem mit einem in einem Gehäuse integrierten Brennstoffzellenstack
KR101655591B1 (ko) * 2014-12-03 2016-09-07 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 배기구 구조
DE102016225597A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Robert Bosch Gmbh Verfahren zu einer Prüfung und/oder einer Kalibration zumindest eines Gaskon-zentrationssensors eines Brennstoffzellensystems
AT522100B1 (de) * 2019-02-08 2022-01-15 Avl List Gmbh Verfahren zum Einstellen einer Injektionsstrategie für einen Injektor eines Brennstoffzellensystems
US20210135256A1 (en) * 2019-11-06 2021-05-06 GM Global Technology Operations LLC Process and system for anode overpressure remedial action in a fuel cell system
CN112290061B (zh) * 2020-10-29 2021-12-28 英飞腾(上海)氢能源发展有限公司 燃料电池模拟装置、方法和存储介质
CN115000459A (zh) * 2022-06-09 2022-09-02 一汽解放汽车有限公司 一种燃料电池氢气喷射器的可靠性测试装置及测试方法
DE102022207297A1 (de) * 2022-07-18 2024-01-18 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands eines Wasserstoffsensors in einem Brennstoffzellensystem

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101364650A (zh) * 2007-08-09 2009-02-11 上海神力科技有限公司 一种控制燃料电池空气和氢气运行压力稳定的方法
CN102128651A (zh) * 2009-12-11 2011-07-20 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于燃料电池应用的喷射器流量测量

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4470346B2 (ja) * 2001-01-18 2010-06-02 トヨタ自動車株式会社 車載用燃料電池システムおよび水素オフガス排出方法
US7368192B2 (en) 2003-09-17 2008-05-06 General Motors Corporation Method and apparatus for hydrogen detection and dilution
JP2005327635A (ja) * 2004-05-14 2005-11-24 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US8402808B2 (en) * 2010-06-09 2013-03-26 GM Global Technology Operations LLC Function test of fuel cell exhaust gas stream hydrogen sensor by generating defined hydrogen pulses while driving and at regular service with fuel cell system immanent devices

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101364650A (zh) * 2007-08-09 2009-02-11 上海神力科技有限公司 一种控制燃料电池空气和氢气运行压力稳定的方法
CN102128651A (zh) * 2009-12-11 2011-07-20 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于燃料电池应用的喷射器流量测量

Also Published As

Publication number Publication date
CN103107347A (zh) 2013-05-15
DE102012220331A1 (de) 2013-05-16
US8852824B2 (en) 2014-10-07
US20130122386A1 (en) 2013-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103107347B (zh) 使用电控压力调节器产生h2排气传感器测试脉冲的方法
CN113036186B (zh) 一种燃料电池系统及其氢系统瓶阀故障检测方法、装置
CN103748722B (zh) 用于检查燃料电池系统的气体密封性的方法
US8846262B2 (en) Reactive compressor surge mitigation strategy for a fuel cell power system
US8387441B2 (en) Injector flow measurement for fuel cell applications
US8900768B2 (en) Fuel cell system, electrode catalyst degradation judgment method, and moving body
US20170301931A1 (en) Hydrogen consumption measuring method for fuel cell system
KR20200042568A (ko) 연료전지의 수소 공급 이상 진단시스템 및 진단방법
EP1966846A2 (en) Fuel cell system, moving object equipped with fuel cell system, and abnormality judgment method for fuel cell system
US8956773B2 (en) System and method for detecting a fuel cell anode gas composition
US11239481B2 (en) Control of an electrochemical device with integrated diagnostics, prognostics and lifetime management
JP2002352824A (ja) 燃料電池システム
CN112054230A (zh) 一种用于氢燃料电池排水排气装置的故障诊断方法及系统
US8701468B2 (en) Flow estimation based on anode pressure response in fuel cell system
US7359790B2 (en) Apparatus for converting energy that can be operated with fuel, in particular fuel cell assembly
US20080094054A1 (en) Fuel Cell State Monitor Apparatus and Method
CN112786927A (zh) 燃料电池的劣化估计系统、氢气供应系统及氢气供应方法
US11139493B2 (en) Method and system for controlling hydrogen purging of fuel cell
JP2006086117A (ja) 燃料電池システム
US20140199605A1 (en) Transient Inlet Relative Humidity Estimation Via Adaptive Cathode Humidification Unit Model And High Frequency Resistance
US8697303B2 (en) Optimized cathode fill strategy for fuel cell
US8445149B2 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
CN110651390B (zh) 用于识别能量转换器系统中的泄露的方法
CN116706157B (zh) 燃料电池车辆及排氢阀/排水阀故障诊断方法和装置
JP2008305700A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20151118