CN103943871B - 对于燃料电池系统中最小电池电压下降速率的选择性反应 - Google Patents

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Abstract

一种监测燃料电池组中燃料电池的电压下降速率以确定所述电压下降是否由阴极反应物缺乏或阳极反应物缺乏造成的系统和方法。所述方法查看燃料电池的降低电压以确定电压降低速率是否表明燃料电池阳极的氢缺乏正在发生。所述方法还查看燃料电池的正在降低的实际电压以确定其是否低于预定的最小电压阈值，这同样表明燃料电池阳极的氢缺乏正在发生。如果氢缺乏正在发生，所述方法基于速率和电压水平的任意一者来对燃料电池组进行功率限制。

Description

对于燃料电池系统中最小电池电压下降速率的选择性反应
技术领域
本发明总体上涉及一种用于确定燃料电池组中低性能燃料电池的电压下降是否由阳极反应物缺乏而造成的系统和方法，并且更特别地，涉及一种用于通过将电压下降速率与预定阈值比较，来确定燃料电池组中低性能燃料电池的电压下降是否由阳极缺乏而造成的系统和方法。
背景技术
氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为它洁净并且能够用于在燃料电池中高效地生产电力。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括在其间具有电解液的阳极和阴极。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解液到达阴极。质子与氧气和电子在阴极发生反应而产生水。来自阳极的电子无法穿过电解液，并且因此在被发送到阴极之前被引导通过负载以完成工作。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC总体上包括固态聚合物电解液质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括极细的催化剂粒子（通常为铂（Pt）），其被支撑在碳粒子上并与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相反侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合定义了一种膜电极组件（MEA）。MEA制造起来较为昂贵并且需要一定的条件来高效操作。
通常，在燃料电池组中多个燃料电池通过串联联接组合以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池组可以具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入反应气体（典型地，通过压缩机强行通过电池组的空气流）。并非所有的氧气都被电池组消耗，并且一些空气作为阴极废气被输出，这些阴极废气可以包括作为电池组副产品的水。燃料电池组还接收流入电池组阳极侧的阳极氢反应气体。电池组还包括冷却液流过的流动通道。
燃料电池组包括定位在电池组中的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于电池组中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道设置在双极板的阳极侧，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气流通道设置在双极板的阴极侧，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，并且另一个端板包括阴极气流通道。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力传导到电池组之外。双极板还包括冷却液流过的流动通道。
随着燃料电池组的老化，电池组中各个电池的性能由于各种因素而不同程度地降低。此外，存在导致电池不同操作的多种电池组操作条件。还存在低性能电池的多种诱因，例如电池溢流、催化剂损失等，一些是临时性的并且一些是永久性的，一些需要维修，并且一些需要更换电池组来替换低性能的电池。例如，如果一个电池缺乏反应物（尤其是氢气），电池的电压将下降，并且可能发生不希望的副反应。在本领域中公知的是，低性能电池可能是由于电池的阳极反应物或阴极反应物之一或两者缺失，例如，比如说在反应物流动通道中形成了冰。如本文中所使用的，阳极反应物缺乏指的是到达电池的氢气量比维持消耗的电流所需的量少，并且阴极反应物缺乏的意思是到达电池的氧气量比维持消耗的电流所需的量少。
虽然燃料电池被电气串联联接，但是当负载跨过电池组而联接时每个电池的电压不同程度地减小，其中低性能的那些电池具有较低的电压。由于所有的燃料电池被电气串联联接，所以如果电池组中一个燃料电池失效，那么整个电池组就会失效。另外，由于电池被电气串联联接，所以各电池必须生产全部电池组电流。因此，有必要分别监测电池组中燃料电池的电压，以确保电池的电压不会下降到低于预定的阈值电压，从而防止电池电压极性反转（可能会对电池造成永久损坏）。
电池电压监测器或电池组健康监测器用于测量电池组中燃料电池的电压以查看电池中的行为，所述行为表明电池组具有的问题。总体上，电池电压监测器包括在电池组和电池组的端板中的与各双极板或一些数量双极板的电气连接件，以测量各电池的正极侧与负极侧之间的电压电势。
如果最小电池电压下降到低于某一预定的最小电池电压阈值（例如300mV，表明电池出现问题），系统控制将很可能采取某措施来试图防止最小电池电压进一步下降（这可能损坏电池）。可以采取各种补救措施，例如提供更加良好的电池组润湿，增大电池组的化学计量等。然而，应对显著低性能的电池通常所采取的主要补救措施是对电池组进行功率限制或限制其电流，以防止从电池组消耗大量电流。然而，对电池组进行功率限制对于车辆运行和驾驶员满意度具有明显缺陷。
由于成本，希望限制在燃料电池组的电极上提供的催化剂的量。因为阳极侧反应需要较少的催化剂，所以阳极电极和阴极电极将通常具有不同的催化剂装载量，其中阳极催化剂装载量（即，铂的量）少于阴极催化剂装载量，这在电极之间引起不同的电极双层电容。双层电容的差异响应于电池组的变化会引起不同的电压，从而导致阴极电压比阳极电压更缓慢地下降。阳极电极双层电容的典型值在约1F/电池至5F/电池的范围内，并且阴极电极双层电容的典型值在10F/电池至40F/电池的范围内。这意味着当电池在给定的电池组电流密度处完全缺乏反应物时，阴极电极改变自身电压将比阳极电极慢很多。
在本领域中公知，由阴极反应物缺乏引起的低性能电池不会损坏电池组，但是由阳极反应物缺乏引起的低性能电池的确损坏电极催化剂，导致电池受损。如果特定的燃料电池没有接收足够的氧气用于反应，将发生氢气泵送，其中来自阳极侧的氢气通过电池膜被抽送到阴极侧。然而，这种反应不对阴极电极造成任何损坏。阳极缺乏在阳极侧引起反应，这腐蚀了电极催化剂层中的碳载体，导致该电极的电势相对于标准氢电极（SHE）升高（但是与电池组电压相比方向相反），这会引起负电池电压。由于在阳极上的催化剂损失通常较少并且腐蚀效果与电流密度成线性关系，所以由于碳载体损坏导致的催化剂损失在阳极侧具有更加显著的影响。
上述现象能够在下文更加详细地描述。由于电极可能缺乏，但是仍然被供给一部分化学计量反应物，所以一些电流将由其正常的燃料电池反应携带，即，对于阳极：H2→2H++2e-；对于阴极：2H++2e-+½O2→H2O。如果阴极缺乏氧气，非损坏性的氢气泵送将最终建立，其中2H++2e-→H2。如果阳极缺乏氢气，电流将最终被非损坏性的氧释放和损坏性的阳极碳载体腐蚀抬高。两者的比例由阳极催化剂和电极组合物以及电极电势来确定，其中对于阳极：½C+H2O→2H+2e-+½CO2或H2O→½O2+2H++2e-。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种系统和方法，所述系统和方法监测燃料电池组中燃料电池的电压下降速率以确定所述电压下降是否由阴极反应物缺乏或阳极反应物缺乏造成。所述方法包括监测燃料电池组中燃料电池的电压并且确定一个或多个燃料电池的电压正在随着时间而降低。之后，所述方法查看燃料电池的降低电压，以确定电压降低速率是否表明燃料电池阳极的氢缺乏正在发生。所述方法还查看正在下降的燃料电池的实际电压，以确定其是否在预定最小电压阈值以下（这也表明燃料电池的阳极氢缺乏正在发生）。如果所述方法确定燃料电池的电压降低由燃料电池的阳极氢缺乏造成，所述方法基于速率和电压水平的任意一者对燃料电池组执行功率限制。
方案1. 一种用于操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组，所述燃料电池组具有电气串联联接的多个燃料电池，所述方法包括：
监测所述燃料电池组中燃料电池的电压；
确定最小电压燃料电池的电压正在随着时间而降低；
如果电压降低速率大于预定的阈值速率，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述燃料电池阳极的氢缺乏而造成；
如果所述最小电压燃料电池的电压低于预定的电压阈值，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏而造成；并且
如果确定了所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏所造成，对所述燃料电池组的输出进行功率限制。
方案2. 根据方案1所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括随电压降低速率的幅度而变地对所述电池组进行功率限制。
方案3. 根据方案1所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括基于反应物的短缺量而限制所述燃料电池组的电流输出，所述反应物的短缺量由所观测的电压下降速率与可能的最大电压下降速率的差值确定。
方案4. 根据方案1所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括以离散的步骤对所述燃料电池组进行功率限制，其中对正在发生氢缺乏的确定在每个功率限制步骤之间执行。
方案5. 根据方案1所述的方法，还包括如果确定了所述电压下降是由电压振荡造成，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由电压振荡造成并且不是由氢缺乏造成，并且阻止对所述燃料电池组的功率限制。
方案6. 根据方案1所述的方法，其中，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由氢缺乏造成的，是基于所述最小电压燃料电池中阳极电极和阴极电极的催化剂装载量而确定的，其中与所述阴极电极的催化剂装载量相比，所述阳极电极的催化剂装载量允许更高的电压降低和电压降低速率。
方案7. 根据方案1所述的方法，其中，所述预定电压阈值大约为-200mV。
方案8. 根据方案1所述的方法，其中，监测所述燃料电池组中燃料电池的电压包括以离散的采样时间来监测所述燃料电池组中所述燃料电池的电压，以从一个采样时间到下一个采样时间对于最小电压燃料电池而产生delta电压。
方案9. 一种用于操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组，所述燃料电池组具有电气串联联接的多个燃料电池，所述方法包括：
监测所述燃料电池组中燃料电池的电压；
确定最小电压燃料电池的电压正在随着时间而降低；
如果电压降低速率大于预定的阈值速率，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏而造成；并且
如果确定了所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏所造成，对所述燃料电池组进行输出功率限制。
方案10. 根据方案9所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括随电压降低速率的幅度而变地对所述电池组进行功率限制。
方案11. 根据方案9所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括基于反应物的短缺量而限制所述燃料电池的电流输出，所述反应物的短缺量由所观测的电压下降速率与可能的最大电压下降速率的差值确定。
方案12. 根据方案9所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括以离散的步骤对所述燃料电池组进行功率限制，其中对正在发生氢缺乏的确定在每个功率限制步骤之间执行。
方案13. 根据方案9所述的方法，还包括如果确定了所述电压下降是由电压振荡造成，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由电压振荡造成并且不是由氢缺乏造成，并且阻止对所述燃料电池组的功率限制。
方案14. 根据方案9所述的方法，其中，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由氢缺乏造成的，是基于所述燃料电池中阳极电极和阴极电极的催化剂装载量而确定的，其中与所述阴极电极的催化剂装载量相比，所述阳极电极的催化剂装载量允许更高的电压降低和电压降低速率。
方案15. 根据方案9所述的方法，其中，监测所述燃料电池组中燃料电池的电压包括以离散的采样时间来监测所述燃料电池组中所述燃料电池的电压，以从一个采样时间到下一个采样时间对于最小电压燃料电池而产生delta电压。
方案16. 一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池组，所述燃料电池组具有电气串联联接的多个燃料电池，所述系统包括：
用于监测所述燃料电池组中燃料电池的电压的装置；
用于确定最小电压燃料电池的电压正在随着时间而降低的装置；
用于如果电压降低速率大于预定的阈值速率，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏而造成的装置；
用于如果所述最小电压燃料电池的电压低于预定的电压阈值，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏而造成的装置；以及
用于如果确定了所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏所造成，对所述燃料电池组的输出进行功率限制的装置。
方案17. 根据方案16所述的系统，其中，用于对所述燃料电池组进行功率限制的装置随电压降低速率的幅度而变地对所述电池组进行功率限制。
方案18. 根据方案16所述的系统，其中，用于对所述燃料电池组进行功率限制的装置基于反应物的短缺量而限制所述燃料电池的电流输出，所述反应物的短缺量由所观测的电压下降速率与可能的最大电压下降速率的差值确定。
方案19. 根据方案16所述的系统，其中，对所述燃料电池组进行功率限制的装置以离散的步骤对所述燃料电池组进行功率限制，其中对正在发生氢缺乏的确定在每个功率限制步骤之间执行。
方案20. 根据方案16所述的系统，还包括用于如果确定了所述电压下降是由电压振荡造成，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由电压振荡造成并且不是由氢缺乏造成，并且阻止对所述燃料电池组进行功率限制的装置。
结合附图，本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书变得明显。
附图说明
图1是燃料电池系统的简单方框图；
图2是示出了由阳极反应物缺乏或阴极反应物缺乏造成的电池电压损失面积的图表，水平轴线上为电池组电流密度，垂直轴线上为可能的最大电池电压损失；
图3是是图表，时间在水平轴线上，电池电压在图表上部处的垂直轴线上，并且电池组电流密度在图表下部处的垂直轴线上；
图4是流程图，示出了用于确定最小电池电压下降是否由阳极缺乏或阴极缺乏而造成的过程；以及
图5是示出阳极缺乏事件中电池电压和电池组电流的双倍图，时间在水平轴线上，电流在下方的垂直轴线上，并且电压在上方的垂直轴线上。
具体实施方式
本发明针对一种用于确定燃料电池组中低性能燃料电池的电压下降是否由阳极反应物缺乏或阴极反应物缺乏而造成的系统和方法，其实施例的如下讨论在本质上仅仅是示例性的，并且决非旨在限制本发明或其应用或用途。例如，本发明对于车辆上的燃料电池系统具有特定应用。然而，如本领域技术人员良好理解的是，本发明的系统和方法可以应用其它燃料电池系统。
图1是燃料电池系统10的简单示意性方框图，所述燃料电池系统10包括具有一系列燃料电池22的燃料电池组12。线条24旨在统一表示与特定燃料电池22相关联的阳极电极或阴极电极。压缩机14在阴极输入线路16上通过例如水汽输送（WVT）单元18（其润湿阴极输入空气）将空气流提供到燃料电池组12的阴极侧。阴极废气在阴极废气线路20上从电池组12输出，所述阴极废气线路20将阴极废气引导到WVT单元18以提供水分，从而以本领域技术人员良好理解的方式来润湿阴极输入空气。
燃料电池组12还自氢气源26接收氢气，所述氢气源26在阳极输入线路28上通过例如注入器30将氢气提供到燃料电池组12的阳极侧。阳极废气在再循环线路32上从燃料电池组12输出，所述再循环线路32通过将阳极废气提供到注入器30而使阳极废气再循环回到阳极输入，该注入器可以起到被本领域技术人员公知的注入器/喷射器的作用。注入器/喷射器的一个合适示例在美国专利申请号7,320,840中描述，其题为“用于燃料电池系统的注入器-喷射器组合”，被让与本申请的受让人并通过参考引入本文。在替代实施例中，线路32的再循环功能可以由泵或压缩机代替注入器/喷射器来执行。如本领域中良好理解的是，氮积聚在电池组12的阳极侧，这减小了此处氢气的浓度，并影响了系统10的性能。放泄阀34设置在再循环线路32上以周期性地放出废气和液体，从而将氮从阳极子系统中除去。放出的阳极废气在放泄线路36上被提供到阴极废气线路20。燃料电池系统10还包括冷却液流动泵48，该冷却液流动泵48通过电池组12内的流动通道和电池组12外的冷却液回路42泵送冷却液。辐射器46以本领域技术人员良好理解的方式降低流动通过回路42的冷却液的温度。
系统10还包括电池电压监测器40，所述电池电压监测器40监测电池组12内各燃料电池22的电压。电池电压监测器40旨在统一表示任何合适的电池电压监测电路或系统（例如电气联接到各双极板上的物理线路，所述各双极板将燃料电池组12中的燃料电池27隔开），所述电池电压监测电路或系统在燃料电池组12内适当的结构或元件之间提供各种电气连接、光学连接等。控制器44控制系统10的操作（所述系统10包括压缩器14、泵48、阀门30和34等），并且接收来自电池电压监测器40的电池电压信号。
本发明提出了一种系统和方法，所述系统和方法用于通过电池电压监测器40来监测燃料电池组12中低性能电池22的电压下降速率、并使用该速率来确定所述电压下降是否由阳极反应物缺乏或阴极反应物缺乏或部分阳极缺乏造成（这将暗示不同的补救措施）。如上所讨论的，因为阳极电极和阴极电极通常具有不同的催化剂装载量（其中阴极电极的催化剂装载量显著高于阳极电极的催化剂装载量），所以阴极电极中的电极双层电容显著高于阳极电极，这导致阴极电极中的电压变化速率较慢。由于阴极电极和阳极电极之间这种不同的电压变化速率，所以控制器44能够监测电压下降速率来确定该电压下降是由阳极上的作用（即阳极反应物缺乏）还是阴极上的作用（即阴极反应物缺乏）而造成。
如果控制器44确定电压下降是由阳极反应物缺乏造成的（这较为严重），那么控制器44可能对燃料电池组12进行功率限制以防止电池损坏，这将对车辆驾驶员具有暗示。同样地，如果控制器44确定电压下降是由阴极反应物缺乏（这对阴极电极没有退化作用）造成，那么控制器44将不对电池组12进行功率限制，但是可以采取其它不这么严重的补救措施。另外，控制器44还查看低性能电池22的实际电压，并且如果实际电压低于某最小阈值电压（例如-200mV），那么控制器44在这种情况下将限制功率，而不论低性能电池的电压下降速率是否没有表明阳极反应物缺乏（这将是部分阴极反应物缺乏）。
当电极24缺乏反应物时，其不消耗反应物亦或消耗少于电流需求的反应物。如果电流中的一些由反应物提供，不足将由来自阴极双层放电或阳极双层充电的电流而补充。使反应物提高一部分电流的意思是电压跌落速率将比理论上可能的跌落速率更低。如果电压的跌落比阴极能生产的电压快，但是比阳极理论上能生产的电压慢，可以得出结论：电压的跌落是由部分阳极缺乏造成。如果电压正在比基于总阴极缺乏的最大值跌落得慢，这并不必然意味着阴极缺乏反应物，而还可能是阳极缺乏反应物，只是程度非常小而已。因为这种缺乏在一定程度上是轻度的，所以功率限制响应可以延迟，直到电池电压低到足以清楚地判定为阳极缺乏，例如小于约-200mV。即使在这些相当低的电池电压，阳极电势也没有这么高。在这种情况下典型的阴极电势是800mV，以便-400mV的电池电压将仅仅意味着约1.2V的最大阳极电势。在这些电势时，损坏性的碳腐蚀量将在短时间内是微不足道的。
当电压电势达到极限时，附加反应就会开始以得到显著量的电流。当阴极电势低于约100mV时，由氢气泵送反应引起的氢释放会带走大量电流。将期望伴随阴极反应物缺乏的最低电压为大约-200mV，这种电压只有在电池组12被冻结时才能看到。当阳极电势变得足够高时，碳腐蚀和氧释放将显著地开始。类似于正常燃料电池反应，这将降低电压跌落速率。当来自碳腐蚀和氧释放的电流变得非常大时，将显而易见的是：阳极缺乏正在发生，并且控制器44能够因此进行功率限制。
在图2的图表中至少部分地图示了上述关系，其中以A/cm2为单位的电池组电流密度在水平轴线上，并且以V/s为单位的可能的最大电压损失在垂直轴线上。对于特定的电池组电流密度，如果电池电压的下降速率在区域50中，那么所述电压下降对于阴极电极来说太快，并且这一定是阴极反应物缺乏引起电压的下降。对于特定的电池组电流密度，如果电池电压的下降速率在区域52中，那么电压下降或者由阴极反应物缺乏或者由缓慢的或部分的阳极反应物缺乏引起（在电压下降落入低阈值标准之前，这两者对催化剂碳腐蚀没有显著影响）。在区域52中，将不知道由电池组12产生的电流是由阴极反应还是由部分阳极反应引起的。在区域54中的任何电压下降都不可能是由于电极缺乏，并且一定是一些其它故障。
图3是图表，时间在水平轴线上，以mV为单位的电池电压在竖直轴线的顶部，并且以A/cm2为单位的电池组电流密度在竖直轴线的底部。图线60表示最小电池电压随着时间的下降，其下降速率将在图2所示图表的区域52中。基于该速率，控制器44将不知道这是如上所述的部分阳极反应物缺乏还是阴极反应物缺乏。在本文所述的本发明之前，控制器44可能已经查看了由图线62表示的阈值电压（约300mV），并且如果电池电压低于阈值电压，将采取一些补救措施（例如功率限制）来阻止电池电压持续下降。然而，作为阳极反应物缺乏的结果，在阳极电极上将不发生实际的催化剂腐蚀，直到电池电压更低。根据本发明，因为电池电压的下降速率在区域52中，并且不知道这是阴极反应物缺乏还是部分阳极反应物缺乏，所以控制器44将不采取剧烈的补救措施（例如功率限制），直到电池电压降低到更低的电压阈值（在这里由图线64表示，约-200mV）以下。在此示例中，最小电池电压没有降低到图线64处的阈值以下，这意味着控制器44现在将知道没有发生阳极反应物缺乏，但是正在发生阴极反应物缺乏，并且因此在这种情况下将不采取对驾驶员有影响的补救措施。
如果最小电池电压持续降低到图线64处的阈值以下，那么控制器44将知道其为部分阳极缺乏，并且此时将需要采取功率限制的措施。如果电池电压的下降速率更大而进入区域50，那么控制器44可以在最小电池电压达到图线64处的阈值之前采取严重的补救措施。如以下将详细讨论的，控制器44判定电池电压下降在区域50中（这表明阳极反应物缺乏），控制器44可以基于电池电压靠近阈值的程度来提供不同水平的功率限制或电池组电流控制。
图线66表示如果（当最小电池电压下降到图线62处的阈值以下时）功率限制被执行，燃料电池组12的电流密度。图线68表示对于此示例，电池组电流密度将不下降，因为阴极反应物缺乏正在发生并且功率限制将不执行。
在一个实施例中，电池电压测量将以离散的时间间隔更新。算法将从上述的用于每个电池22的两个电压测量中查找电压delta值（即，电压的变化），以确定电压延衰减率。如果电压衰减超过阴极缺乏阈值，将采取以下讨论的适当补救措施。在电池电压开始增大后，电压下降速率将被重新设置并且操作将正常继续。
如果电池电压监测器40发现电池电压正在降低，阴极反应物缺乏可能被假定，并且将没有功率限制发生，除非其在最大阴极退化以上。一旦电压下降到最小阈值以下，将执行先前在现有技术中采取的基于最小电池电压的功率限制。控制器44将基于目前消耗的电流而开始限制电流消耗，并且在电压减小到阈值以下时将严重限制电流。
如果观测到阳极反应物缺乏，算法就会基于先前从电池组12中引出的是什么电流而开始限制电流。电流减小的量是基于电压下降到阈值电压以下并造成阳极电极损坏是如何迅速。因此，高电流密度处的部分阳极反应物缺乏会比低电流密度处的总缺乏更快且更大程度地受到功率限制。在电池电压下降到阈值电压以下之前的时间量将被计算为当前电池电压与阈值之间的电压差距除以电流密度。如果表明：若维持该电流所述电压会在相对于所述电池电压监测器40采样速率的短时间内下降到阈值电压以下，电池组12的功率限制将是严重的。如果需要较长的时间，那么功率将被限制，但不这么显著。这将是一个校准，其将极大地取决于信号和命令到达和离开电池电压监测器40与控制器44的速度。
一个功率限制策略可以是以电流的短缺量对电池组电流进行减少。如果在该电流密度处的总缺乏应当生产-24V/s的电压下降速率，但是仅测量到-6V/s，那么算法将确定电池22仅仅是25%缺乏反应物。因此，如果电流密度减小了25%，算法将认为充足的氢气正在被提供。该前馈电流限制可以允许电池组健康养护，同时使对车辆驾驶员的影响最小化。
在电池电压的降低速率在预定速率以上的情况下（这也具有影响驾驶舒适性的问题），上述讨论的算法提供功率限制。在替代实施例中，如果实际电池电压水平在上述讨论的阈值以上例如200mV（其不会发生电池损坏），那么即使阳极缺乏的速率被观测到，也可能希望阻止功率限制。通过忽略更高电池电压下的阳极缺乏，电池在受到功率限制之前将有时间来修正问题。
一旦阳极从氢氧化中获得了足够的电流，电压跌落速率应当变为零。一旦氢气到电池的流动速率大于氢气的消耗，电压将增大，因为氢分压被建立并且电双层被再充电。如果在缺乏结束并且最小电池电压开始攀升时电压处于静态阈值以上，算法将发现最小电池电压具有正斜率，并且电流极限会立即增大。相反，在阳极反应物缺乏之后需要一稳定时间段，在此期间电流极限在其最低值保持恒定。这个时间段可以小到500ms，这取决于需要何种数据。此后，电流限制将缓慢增大，直到其为总体极大值。一旦达到总体极大值，阳极缺乏时间段将结束，并且诊断被重新设置。
图4是示出一种过程的流程图90，所述过程用于确定是否阳极反应物缺乏正在发生，并且若如此，基于上述的讨论而对电池组12提供功率限制。图5是倍图，其在图表顶部示出了相对于时间t的电池组电压V，并且在图表底部示出了相对于时间t的电流I，其中图线70是电池组电压，并且图线72是电池组电流。在方框92处，算法测量了最小电压电池22的电池电压，并且将其与上次以期望的采样速率测量的电池电压进行比较，以产生判定电池电压是否在采样时间之间发生变化的delta值，并且若发生了变化，变化率是多少。算法在决定菱形94处查看最小电压电池22的delta值并且确定对于电池22是否满足阳极反应物缺乏标准，即，所述delta值是否在区域50内。
如果在决定菱形94处阳极反应物缺乏标准已经满足，那么算法在决定菱形96处确定是否低电池电压标准已经满足。即使阳极缺乏正在发生，如果最小电池电压在一相对高的预定电压（例如400-600mV）以上（此时最小电池性能不低），算法不采取补救措施。如果在决定菱形96处低电池电压标准已经满足，特别地，最小电池电压在预定电压以下,那么算法在决定菱形98处确定是否电池组电流标准已经满足。因为最大缺乏电压损失率极度依赖于电池组电流，所以电池组电流的误差可能给出“假性肯定”，即，在没有发生阳极缺乏时判定为发生了阳极缺乏。为了避免这种基于电流的假性肯定，如果电流误差大于预定值（例如电流测量的10%），算法对于阳极缺乏不采取补救措施。通常，这处于低电流范围内，因为大部分电流传感器不仅具有与电流成比例的线性误差而且具有与电流不成比例的偏移误差。
如果电池电压的变化速率在区域50中，并且在决定菱形94处阳极缺乏标准已经满足，在决定菱形96处电池电压标准已经满足并且在决定菱形98处电池组电流标准已经满足，那么算法进行到方框100以根据所确定的电压变化速率大小对电池组12施加功率限制。特别地，控制器44将查看电池电压在采样时间段内下降的速率快慢，并且基于该速率来限制电池组12的电流输出。在图5的图表中，线条76表示一个采样时间，并且线条78表示下一个采样时间，其中在线条76与78之间的最小电池电压下降速率表明阳极缺乏标准已经满足。
如果在决定菱形98处电池组电流标准没有满足，那么算法在决定菱形102处确定最小电池电压是否已经下降到最小电压阈值（其在图3中由图线64表示并且在图5中由图线74表示）以下。如果在决定菱形102处最小电池电压不在阈值以下，在决定菱形94处阳极缺乏标准没有满足并且在决定菱形96处电池电压标准没有满足，那么算法在下一个采样时间返回到方框92以确定最小电压电池22的电压delta值。一旦在方框96处根据电压下降速率大小施加了电流限制，算法还进行到决定菱形102以确定电池电压是否在阈值以下。如果在决定菱形102处最小电池电压在阈值以下，那么算法在方框104处提供功率限制。图5中的线条80表示采样时间，在该采样时间最小电池电压开始降低，但是降低的速率没有满足阳极缺乏标准。在采样时间线条82处，最小电池电压降低到阈值以下，其中算法从决定菱形98处进行到方框100处以基于最小电池电压来限制电池组电流，这在采样时间线条82与采样时间线条84之间发生。
上述的阳极缺乏诊断可以通过对特殊情形的控制来增强。在一些燃料电池操作条件下，电池电压可能由于电极反应物缺乏之外的其它一些非有害影响而上下振荡。在这种情况下，在振荡期间发生的电压下降可能触发对阳极反应物缺乏的上述诊断（取决于振荡发生的快慢），这将不是所期望的。为了克服这种情形并且防止限制电池组的电流，算法可以被修改以提供统计最小电池电压的斜率变化数量的移动窗口。如果斜率变化数量大于预定值，那么算法将确定电压正在振荡并且不是在连续下降。如果确定做出，那么算法将不限制电池组12的电流。
另外，如上所讨论的，取决于电压下降速率和实际电池电压，显著的功率限制可以被实施以防止电池损坏。然而，算法实际上可能不知道低电压问题的严重程度。因为功率限制对车辆性能有显著的影响，所以算法可以被修改以根据算法的响应时间分阶段地限制电池组电流的减小。
作为本领域技术人员将良好理解的，本文中所讨论用于描述本发明的几个和多种步骤和过程可以指代由计算机、处理器或其他电子计算设备（其使用电子现象来操纵和/或变换数据）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，包括非瞬态的计算机可读介质，可执行程序存储于所述非瞬态的计算机可读介质上，所述可执行程序包括能被计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中所述存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和种类的存储器和其他计算机可读介质。
上述讨论仅仅公开并讨论了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员将容易根据这些讨论以及根据附图和权利要求书认识到，在不脱离如下面的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，能够在其中做出多种改变、修改和变型。

Claims (20)

1.一种用于操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组，所述燃料电池组具有电气串联联接的多个燃料电池，所述方法包括：
监测所述燃料电池组中燃料电池的电压；
确定最小电压燃料电池的电压正在随着时间而降低；
如果电压降低速率大于预定的阈值速率，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是否由所述燃料电池阳极的氢缺乏而造成；
如果所述最小电压燃料电池的电压低于预定的电压阈值，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏而造成；并且
如果确定了所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏所造成，对所述燃料电池组的输出进行功率限制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括随电压降低速率的幅度而变地对所述电池组进行功率限制。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括基于反应物的短缺量而限制所述燃料电池组的电流输出，所述反应物的短缺量由所观测的电压下降速率与可能的最大电压下降速率的差值确定。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括以离散的步骤对所述燃料电池组进行功率限制，其中对正在发生氢缺乏的确定在每个功率限制步骤之间执行。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括如果确定了所述电压下降是由电压振荡造成，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由电压振荡造成并且不是由氢缺乏造成，并且阻止对所述燃料电池组的功率限制。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由氢缺乏造成的，是基于所述最小电压燃料电池中阳极电极和阴极电极的催化剂装载量而确定的，其中与所述阴极电极的催化剂装载量相比，所述阳极电极的催化剂装载量允许更高的电压降低和电压降低速率。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定电压阈值大约为-200mV。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，监测所述燃料电池组中燃料电池的电压包括以离散的采样时间来监测所述燃料电池组中所述燃料电池的电压，以从一个采样时间到下一个采样时间对于最小电压燃料电池而产生delta电压。
9.一种用于操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组，所述燃料电池组具有电气串联联接的多个燃料电池，所述方法包括：
监测所述燃料电池组中燃料电池的电压；
确定最小电压燃料电池的电压正在随着时间而降低；
如果电压降低速率大于预定的阈值速率，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是否由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏而造成；并且
如果确定了所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏所造成，对所述燃料电池组进行输出功率限制。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括随电压降低速率的幅度而变地对所述电池组进行功率限制。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括基于反应物的短缺量而限制所述燃料电池的电流输出，所述反应物的短缺量由所观测的电压下降速率与可能的最大电压下降速率的差值确定。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，对所述燃料电池组进行功率限制包括以离散的步骤对所述燃料电池组进行功率限制，其中对正在发生氢缺乏的确定在每个功率限制步骤之间执行。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括如果确定了所述电压下降是由电压振荡造成，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由电压振荡造成并且不是由氢缺乏造成，并且阻止对所述燃料电池组的功率限制。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由氢缺乏造成的，是基于所述燃料电池中阳极电极和阴极电极的催化剂装载量而确定的，其中与所述阴极电极的催化剂装载量相比，所述阳极电极的催化剂装载量允许更高的电压降低和电压降低速率。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，监测所述燃料电池组中燃料电池的电压包括以离散的采样时间来监测所述燃料电池组中所述燃料电池的电压，以从一个采样时间到下一个采样时间对于最小电压燃料电池而产生delta电压。
16.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池组，所述燃料电池组具有电气串联联接的多个燃料电池，所述系统包括：
用于监测所述燃料电池组中燃料电池的电压的装置；
用于确定最小电压燃料电池的电压正在随着时间而降低的装置；
用于如果电压降低速率大于预定的阈值速率，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是否由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏而造成的装置；
用于如果所述最小电压燃料电池的电压低于预定的电压阈值，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏而造成的装置；以及
用于如果确定了所述最小电压燃料电池的电压降低是由所述最小电压燃料电池阳极的氢缺乏所造成，对所述燃料电池组的输出进行功率限制的装置。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，用于对所述燃料电池组进行功率限制的装置随电压降低速率的幅度而变地对所述电池组进行功率限制。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，用于对所述燃料电池组进行功率限制的装置基于反应物的短缺量而限制所述燃料电池的电流输出，所述反应物的短缺量由所观测的电压下降速率与可能的最大电压下降速率的差值确定。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，对所述燃料电池组进行功率限制的装置以离散的步骤对所述燃料电池组进行功率限制，其中对正在发生氢缺乏的确定在每个功率限制步骤之间执行。
20.根据权利要求16所述的系统，还包括用于如果确定了所述电压下降是由电压振荡造成，确定所述最小电压燃料电池的电压降低是由电压振荡造成并且不是由氢缺乏造成，并且阻止对所述燃料电池组进行功率限制的装置。
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