CN103674445A - 燃料电池空气系统泄漏诊断的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池空气系统泄漏诊断的方法，具体提供用于识别燃料电池系统的阴极子系统中的泄露的系统和方法。空气流量计被设置在压缩机的上游并且监控流入压缩机的空气。当下达空气泄露诊断命令时，关闭燃料电池堆的旁路阀和背压阀，从而使得没有空气流过电池堆或绕过电池堆流动，并且打开再循环阀，从而使得空气绕过压缩机流动。通过获知经由旁路阀和背压阀的泄露，超过空气流量计测量的那些值的任意气流都表示空气泄露到阴极子系统的部件之外。

Description

燃料电池空气系统泄漏诊断的方法
技术领域
本发明总体涉及用于识别燃料电池系统的阴极子系统中的泄露的系统和方法，更具体地涉及用于识别燃料电池系统的阴极子系统中的空气泄露的系统和方法，该方法包括当阀被设置为使得空气仅绕过压缩机流动时监控流入压缩机的空气。
背景技术
氢是很有吸引力的燃料，因为它清洁并且可以用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极、阴极和它们之间的电解质的电化学设备。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极离解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极与氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此被导引穿过负载以在被传送到阴极之前做功。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细分割的催化剂微粒，通常是附着在碳粒子上并且与离聚物混合的铂（Pt）。催化剂混合物被沉积在膜的相反侧面上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的结合限定膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵并且其有效操作需要特定的条件。
通常在燃料电池堆中组合若干燃料电池以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池可具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是通过压缩机压入电池堆中的空气流。并不是所有的氧都被电池堆消耗，一些空气作为阴极废气（可以包括作为电池堆副产物的水）被输出。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢反应气体。所述电池堆还包括冷却流体流过的流道。
燃料电池堆包括位于电池堆中若干MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道被设置在允许阳极反应气体流到各自的MEA的双极板阳极侧。阴极气体流道被设置在允许阴极反应气体流到各自的MEA的双极板阴极侧。一个端板包括阳极气体流道，而另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电传导到电池堆外部。双极板还包括流过冷却流体流的流道。
在燃料电池系统中存在许多部件、设备和元件，通过它们，反应气体流向燃料电池堆的上游和下游。例如，在阴极子系统中，压缩机通常通过中冷器和水蒸气转移（WVT）单元向电池堆的阴极侧提供空气流，所述中冷器冷却由于压缩而被加热的压缩空气，所述水蒸气转移单元一般利用阴极废物在空气被传送到电池堆之前加湿被冷却的空气。阴极子系统通常还包括用于使空气绕过电池堆的旁路阀和控制阴极侧压力的阴极排放管道中的背压阀。随时间流逝所有这些设备和部件都会发生泄漏，空气会在到达燃料电池堆之前被排出到外部，这减少了提供到燃料电池堆的反应空气量，由此导致性能问题。换言之，燃料电池堆的控制算法可以命令压缩机达到一定速度以输出期望的电池堆输出电流，但是由于空气通过电池堆之前的一个或多个部件时发生泄漏，因此该量的空气不能到达电池堆。因此，作为诊断工具，期望能够确定阴极子系统中是否发生明显泄漏。
发明内容
根据本发明的教导，公开了用于识别燃料电池系统的阴极子系统中的泄露的系统和方法。所述阴极子系统包括以期望流率和压力向燃料电池堆的阴极侧提供阴极空气的压缩机。包括再循环阀的再循环管道绕着压缩机被设置，从而对于某些操作情况，一些或全部压缩空气可以被引导绕过压缩机而不是流过电池堆。阴极子系统还包括允许阴极空气绕过燃料电池堆流动的旁路阀和设置在阴极排放管道中用于控制电池堆的阴极侧内的压力的背压阀。空气流量计被设置在压缩机的上游并且监控流入压缩机的空气。当下达空气泄露诊断命令时，关闭旁路阀和背压阀，从而使得没有空气流过电池堆或绕过电池堆流动，并且打开再循环阀，从而使得空气绕过压缩机流动。通过获知经由旁路阀和背压阀的泄露，超过空气流量计测量的那些值的任意气流都表示空气泄露到阴极子系统的部件之外。
方案1. 一种用于确定阴极空气的向外泄露的方法，该阴极空气被提供到燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极侧，所述方法包括：
将向电池堆提供阴极空气的压缩机设定到预定压缩机速度；
关闭位于阴极排放管道内的背压阀，以防止阴极空气流过燃料电池堆；
关闭旁路阀，以防止空气绕过燃料电池堆流动；
打开再循环阀，以使阴极空气能绕过压缩机流动并且被传送返回压缩机输入端；
在再循环的阴极空气被传送到压缩机的位置的上游测量流入压缩机的空气流量；以及
确定测量的空气流量是否表示阴极空气从系统泄漏。
方案2. 根据方案1所述的方法，进一步包括对背压阀和旁路阀的泄露建模，并且从测量的空气流量中减去阀泄露，以给出用于确定阴极空气泄露量的经修改的流量值。
方案3. 根据方案1所述的方法，进一步包括测量来自压缩机的阴极空气的温度，并且如果测量温度超过预定温度阈值，则终止确定测量的空气流量是否表示泄露的步骤。
方案4. 根据方案1所述的方法，其中，所述方法至少确定通过燃料电池系统中的中冷器和水蒸气转移单元的向外泄露。
方案5. 一种用于确定阴极空气的向外泄露的方法，该阴极空气被提供到燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极侧，所述方法包括：
将向电池堆提供阴极空气的压缩机设定到预定压缩机速度；
控制一个或多个阀，以防止或允许空气流过燃料电池堆或绕过燃料电池堆流动；
测量流入压缩机的空气流量；
对通过所述一个或多个阀的泄露建模，所述阀防止或允许空气流过燃料电池堆或绕过燃料电池堆流动；
从测量的空气流量中减去通过所述一个或多个阀的空气泄露以得到经修改的空气流量值；以及
确定经修改的空气流量值是否表示阴极空气从系统泄漏。
方案6. 根据方案5所述的方法，进一步包括允许空气绕过压缩机流动并且被传送回压缩机输入端，其中，测量流入压缩机的空气流量包括在绕过压缩机的空气流被传送回压缩机输入端的位置的上游测量流入压缩机的空气流量。
方案7. 根据方案6所述的方法，其中，控制一个或多个阀包括打开再循环阀以允许阴极空气绕过压缩机流动并且被传送回压缩机输入端。
方案8. 根据方案5所述的方法，其中，控制一个或多个阀包括稍微打开位于阴极排放管道中的背压阀，以允许阴极空气流过燃料电池堆。
方案9. 根据方案5所述的方法，其中，控制一个或多个阀包括控制位于阴极排放管道内的背压阀，以防止阴极空气流过燃料电池堆。
方案10. 根据方案5所述的方法，其中，控制一个或多个阀包括控制旁路阀以防止空气绕过燃料电池堆流动。
方案11. 根据方案5所述的方法，进一步包括测量来自压缩机的阴极空气的温度，并且如果测量温度超过预定温度阈值，则终止确定测量的空气流量是否表示泄露的步骤。
方案12. 根据方案5所述的方法，其中，所述方法至少确定通过燃料电池系统中的中冷器和水蒸气转移单元的向外泄露。
方案13. 一种用于确定阴极空气的向外泄露的系统，该阴极空气被提供到燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极侧，所述系统包括：
用于将向电池堆提供阴极空气的压缩机设定到预定压缩机速度的装置；
用于控制一个或多个阀以防止或允许空气流过燃料电池堆或绕过燃料电池堆流动的装置；
用于测量流入压缩机的空气流量的装置；以及
用于确定测量的空气流量是否表示阴极空气从系统泄漏的装置。
方案14. 根据方案13所述的系统，进一步包括用于允许空气绕过压缩机流动并且被传送回压缩机输入端的装置，其中，用于测量流入压缩机的空气流量的装置在绕过压缩机的空气流被传送回压缩机输入端的位置的上游测量流入压缩机的空气流量。
方案15. 根据方案14所述的系统，其中，用于控制一个或多个阀的装置打开再循环阀以允许阴极空气绕过压缩机流动并且被传送回压缩机输入端。
方案16. 根据方案13所述的系统，其中，用于控制一个或多个阀的装置稍微打开位于阴极排放管道内的背压阀，以允许阴极空气流过燃料电池堆。
方案17. 根据方案13所述的系统，进一步包括用于对所述一个或多个阀的泄露建模并且从测量的空气流量中减去阀泄露以得出用于确定阴极空气的泄露的经修改的流量值的装置。
方案18. 根据方案13所述的系统，其中，用于控制一个或多个阀的装置控制位于阴极排放管道内的背压阀以防止阴极空气流过燃料电池堆，并且控制旁路阀以防止空气绕过燃料电池堆流动。
方案19. 根据方案13所述的系统，进一步包括一装置，该装置用于测量来自压缩机的阴极空气的温度，并且如果测量温度超过预定温度阈值，则终止确定测量的空气流量是否表示泄露的步骤。
方案20. 根据方案13所述的系统，其中，所述系统至少确定通过燃料电池系统中的中冷器和水蒸气转移单元的向外泄露。
通过结合附图的以下描述和所附权利要求，本发明的其它特征将变得显而易见。
附图说明
图1是燃料电池系统的阴极子系统的示意性方块图；以及
图2是示出用于确定图1所示的阴极子系统中的泄露的过程的流程图。
具体实施方式
针对确定燃料电池系统的阴极子系统中的向外（overboard）泄露的系统和方法的本发明的实施例的下述讨论在本质上仅是示例性的，并且决非意在限制本发明或其应用或用途。例如，本发明具体应用于车辆的燃料电池系统。然而，本领域技术人员应该理解，本发明可以应用于其它燃料电池系统。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10中的阴极子系统的示意性方块图。系统10包括经由电动机16进行操作的压缩机14以抽取和压缩管道18中的空气，该空气通过阴极输入管道20被提供到燃料电池堆12的阴极侧。来自压缩机14的空气由于压缩过程而被加热，并且因此在本领域技术人员充分理解的过程中通过中冷器22被冷却。中冷器22可以是适于此目的的任何换热器，诸如液体-气体换热器。阴极废气通过阴极排气管道26从燃料电池堆12排出。在WVT单元24中加湿来自中冷器22的冷却空气，以增加空气的相对湿度，从而更适合用于燃料电池堆的反应过程。管道26中的废气中的湿气和水蒸气用于提供水分，以增加WVT单元24中的阴极输入空气的相对湿度。背压阀28被设置在排气管道26中，并且是比例阀，其位置受控以控制燃料电池堆12的阴极侧内的压力，包括关闭管道26以防止气流通过电池堆12的阴极侧。旁路阀30被设置在旁路管道32中，从而使得空气可以选择性地绕过电池堆12被引导，其中，阀30也是比例阀，从而可以选择性地控制流过电池堆12和绕过电池堆12流动的空气量。
系统10还包括绕过压缩机14的具有再循环阀36的再循环管道34。可能存在某些操作情况，在这些情况中，电池堆12需求的功率很低以至于无法将压缩机14的速度设置为小得仅提供必需的空气，即，压缩机14具有提供大于所需的空气的最小速度。在该情形中，选择性地控制再循环阀36，使得至少部分空气流回输入管道18而非流向电池堆12。此外，对于从电池堆12输出的功率迅速减少的低瞬时需求，可以控制阀36以防止空气流向电池堆12直到压缩机14能够减小其速度。空气流量计38被设置在输入管道18中，以在再循环空气再次返回进入压缩机14的输入端的汇合处的上游测量流入管道18的气流。温度传感器40测量压缩机14和中冷器22之间的空气的温度。系统10包括控制系统10的操作的控制器42，与本文的讨论相一致，包括控制阀28、30和36的位置，设定压缩机14的速度，接收来自空气流量计38等的空气流量测量值以及接收所有输入并提供用于确定阴极子系统的向外泄露的任何控制方式，如在此讨论的。
本发明提出用于确定燃料电池系统10的阴极子系统中是否有部件泄露了明显影响系统10的操作的足量空气的技术。这些部件包括但不限于中冷器22、WVT单元24、阀、配件、管等。如本领域技术人员充分理解的，本领域已知利用阀的位置作为反馈来确定通过该特定阀的泄露的模型。因此，并不通过在此描述的向外泄露过程来确定通过阀28、30和36的泄露，这类模型被用于确定该泄露，然后从流中减去该泄露，下面对此进行更详细的讨论。
当系统控制单元确定将要执行向外泄露诊断时，关闭阀28和30，从而使得没有空气流过电池堆12或绕过电池堆12流动。打开阀36，从而使得从压缩机14流出的全部或大多数空气返回压缩机14的输入端。压缩机14被设置到预定诊断速度，这很可能是或接近最小压缩机速度。空气中的一些将通过阀28和30泄露，对于特定的压缩机速度该泄漏可以利用如上所述的位置反馈来建模。已损失并且未再循环返回压缩机14的输入端的该最小量的空气被管道18吸入并且被空气流量计38测量。由于已知该泄露量，因此其可以从空气流量测量值中被减去，如果在阴极子系统中未发生其它泄露，则提供零值。
如果在阴极子系统中存在除阀28和30之外的部件或设备泄露，那么空气流量计38也会测量出该泄露。因此，一旦从空气流量计测量值中减去计算出的阀泄露，空气流量计38测量的其它空气流量就指示泄露量。如果泄露值超过某一预定阈值，则表示阴极子系统存在过大的泄露，诊断可以被设定为指示发生向外泄露并且应该维修系统10。温度传感器40可以测量诊断期间的温度，并且如果达到最大温度阈值，则终止诊断。然而，如果将压缩机14的速度设定为或接近最小速度，则阴极空气的加热程度应该不明显。
在某些燃料电池系统中，压缩机14可以是能够以足够低的速度运转的类型，以在所有可应用的系统操作情况下提供最小的流率，从而可以省略再循环阀36和再循环管道34。对于该类型的系统，背压阀28需要至少稍微打开以克服压缩机喘振问题。在该系统中，可以通过对流过稍微打开的背压阀28的小气流建模并且从空气流量计38测量的气流中减去该气流值来执行泄露检测。
应该注意，在某些燃料电池系统中，背压阀28可以被阴极进气阀44代替，并且可以与本文的讨论一致地确定通过阀44的泄露。还应该注意，根据具体系统，阀28、30、36和44可以是比例阀或离散阀。
用于确定阴极子系统向外泄露的诊断可以在任意合适的时间和以任意合适的速率执行。例如，可以在每五十次停机操作中的一次系统停机时执行诊断。此外，存在各种操作模式，其中电池堆12可以不产生用以操作车辆的功率，诸如当车辆在红灯处时的备用模式。在不需要电池堆功率的那些操作情况下可以执行上述诊断。
图2是示出用于向外泄露诊断的上述过程的流程图50。诊断开始于方块52并且在方块54将压缩机14设定到期望压缩机速度。然后在方块56设定阀，其中，关闭阀28和30，并打开阀36。在方块58确定空气流量测量值并且在方块60获得和减去阀泄露模拟值。然后在方块62将修改的测量值与阈值进行比较，并且如果修改的测量值超过阈值，则在方块64设定诊断结果。
如本领域技术人员将充分理解的，在此讨论的描述本发明的若干和各种步骤和过程可能涉及通过计算机、处理器或利用电气现象操纵和/或变换数据的其它电子计算设备执行的操作。这些计算机和电子设备可以采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括其上存储有可执行程序的非临时性计算机可读介质，该可执行程序包括计算机或处理器能够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所有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。
前述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。通过这些讨论和附图，本领域技术人员将容易地认识到，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行各种改变、改型和变型。

Claims (10)

1.一种用于确定阴极空气的向外泄露的方法，该阴极空气被提供到燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极侧，所述方法包括：
将向电池堆提供阴极空气的压缩机设定到预定压缩机速度；
关闭位于阴极排放管道内的背压阀，以防止阴极空气流过燃料电池堆；
关闭旁路阀，以防止空气绕过燃料电池堆流动；
打开再循环阀，以使阴极空气能绕过压缩机流动并且被传送返回压缩机输入端；
在再循环的阴极空气被传送到压缩机的位置的上游测量流入压缩机的空气流量；以及
确定测量的空气流量是否表示阴极空气从系统泄漏。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对背压阀和旁路阀的泄露建模，并且从测量的空气流量中减去阀泄露，以给出用于确定阴极空气泄露量的经修改的流量值。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括测量来自压缩机的阴极空气的温度，并且如果测量温度超过预定温度阈值，则终止确定测量的空气流量是否表示泄露的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法至少确定通过燃料电池系统中的中冷器和水蒸气转移单元的向外泄露。
5.一种用于确定阴极空气的向外泄露的方法，该阴极空气被提供到燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极侧，所述方法包括：
将向电池堆提供阴极空气的压缩机设定到预定压缩机速度；
控制一个或多个阀，以防止或允许空气流过燃料电池堆或绕过燃料电池堆流动；
测量流入压缩机的空气流量；
对通过所述一个或多个阀的泄露建模，所述阀防止或允许空气流过燃料电池堆或绕过燃料电池堆流动；
从测量的空气流量中减去通过所述一个或多个阀的空气泄露以得到经修改的空气流量值；以及
确定经修改的空气流量值是否表示阴极空气从系统泄漏。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括允许空气绕过压缩机流动并且被传送回压缩机输入端，其中，测量流入压缩机的空气流量包括在绕过压缩机的空气流被传送回压缩机输入端的位置的上游测量流入压缩机的空气流量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，控制一个或多个阀包括打开再循环阀以允许阴极空气绕过压缩机流动并且被传送回压缩机输入端。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，控制一个或多个阀包括稍微打开位于阴极排放管道中的背压阀，以允许阴极空气流过燃料电池堆。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，控制一个或多个阀包括控制位于阴极排放管道内的背压阀，以防止阴极空气流过燃料电池堆。
10.一种用于确定阴极空气的向外泄露的系统，该阴极空气被提供到燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极侧，所述系统包括：
用于将向电池堆提供阴极空气的压缩机设定到预定压缩机速度的装置；
用于控制一个或多个阀以防止或允许空气流过燃料电池堆或绕过燃料电池堆流动的装置；
用于测量流入压缩机的空气流量的装置；以及
用于确定测量的空气流量是否表示阴极空气从系统泄漏的装置。
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