CN105938037B - 用于验证燃料电池系统中检测到的泄漏的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

呈现用于验证燃料电池系统中检测到的泄漏的系统和方法。在某些实施例中，可以调整各个燃料电池堆叠设置点，以使得可以获得足够的H2流量数据，以便识别和验证H2泄漏和/或该泄漏的位置。在一些实施例中，H2流量数据可以通过在各种操作条件和/或模式下调整某些燃料电池系统操作参数并且在这些各种操作条件下测量流量数据来获得。

Description

用于验证燃料电池系统中检测到的泄漏的系统和方法
技术领域
本公开涉及用于检测和验证燃料电池系统中的泄漏的系统和方法。更具体来说，但是非排他地，本公开涉及用于检测和验证燃料电池系统的阳极子系统中的泄漏的系统和方法。
背景技术
客用车辆可以包括燃料电池（“FC”）系统来为车辆的电气和传动系系统的某些特征供电。例如，FC系统可以用于车辆中以便直接（例如，使用电动驱动电机等）和/或通过中间电池系统为车辆的电动传动系部件供电。氢是可用于FC系统中的一种可能燃料。氢是可用于在FC系统中有效地产生电力的一种清洁燃料。氢FC系统是可以在阳极与阴极之间包括电解液的电化学设备。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气游离在阳极中从而产生自由的氢质子和电子。氢质子可以被选择性地引导穿过电解液。来自阳极的电子不能通过电解液，且因此在发送到阴极之前被引导通过负载以执行操作。氢质子与阴极中的氧和电子反应从而产生水。
质子交换膜燃料电池（“PEMFC”）可以用于FC供电的车辆中。PEMFC通常包括固体聚合物电解液质子传导膜，诸如全氟磺酸膜。PEMFC中包括的阳极和阴极可以包括支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合的细碎的催化颗粒（例如，铂颗粒）。可以将催化混合物沉积在膜的相反侧面上。
识别和减轻来自阳极子系统的泄漏的能力在实现持续的PEMFC系统性能和符合某些排放监管要求方面的考虑。具体来说，阳极子系统中的氢气（“H2”）泄漏可能尤其降低整体PEMFC系统效率和/或增加H2排放浓度。监管要求使得PEMFC系统中的H2泄漏的精确识别尤其成为必要，以确保当从阳极子系统失去H2时进行某些反应和/或减轻动作和/或减少错误泄漏检测的发生。然而，用于识别PEMFC泄漏的常规方法可能限于在PEMFC运行时间期间识别泄漏，并且可能不使用足够的阳极H2流量数据来以足够的精确度识别和验证PEMFC系统中的泄漏和/或泄漏的位置。
发明内容
本文呈现的系统和方法可以用于识别PEMFC系统的阳极子系统中的泄漏。更具体来说，所披露的系统和方法的实施例可以用于识别和验证PEMFC系统中的H2泄漏。在一些实施例中，PEMFC系统可以包括阳极室和阴极室。如本文所使用，PEMFC系统可以包括单个电池，或者替代地可以包括以堆叠配置布置的多个电池。FC堆叠可以接收阴极输入气体，所述气体通常是由压缩机迫使通过堆叠的空气流。未由堆叠消耗的氧气和/或空气的一部分可以被输出作为阴极排气，阴极排气可以包括水作为堆叠副产物。FC堆叠还接收流入到堆叠的阳极侧中的阳极H2输入气体。
FC堆叠可以包括放置在几个膜电极组件（例如，阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组件）之间的一系列双极板。双极板包括用于堆叠中的相邻FC的阳极侧和阴极侧。可以在双极板的阳极侧上提供阳极气体流动通道，该通道允许阳极反应气体流到相应的膜电极组件。可以在双极板的阴极侧上提供阴极气体流动通道，该通道允许阴极反应气体流到相应的膜电极组件。一个端板可以包括阳极气体流动通道，而另一个端板可以包括阴极气体流动通道。双极板和端板可以由导电材料制成，诸如不锈钢或导电的复合材料。端板可以将FC所产生的电力传导出堆叠。双极板还可以进一步包括冷却流体可以流过的流动通道。
在某些实施例中，一种用于验证FC系统的阳极子系统中的泄漏的方法包括确定阳极子系统中的第一测量出的泄漏流速超出第一参考流速阈值。可以将FC系统的阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平。在将阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平之后，可以测量第二测量出的泄漏流速。
可以将在多个阳极至阴极压力偏压水平下获得的多个测量出的泄漏流速与第二测量出的泄漏流速相比较。例如，在一些实施例中，可以增加阳极至阴极压力偏压。在增加阳极至阴极压力偏压之后，可以确定第三测量出的泄漏流速超出第二测量出的泄漏流速。随后可以减少阳极至阴极压力偏压。在减少阳极至阴极压力偏压之后，可以确定第四测量出的泄漏流速小于第二测量出的流速和第三测量出的泄漏流速。基于多个测量出的泄漏流速与第二测量出的泄漏流速的比较，可以识别泄漏。
在一些实施例中，方法可以进一步包括识别FC系统中的泄漏位置。例如，在某些实施例中，可以增加FC系统的阴极子系统中的压力。在增加阴极子系统中的压力之后，可以测量第五测量出的泄漏流速。可以确定第五测量出的泄漏流速基本上近似于第二测量出的泄漏流速，并且基于该确定，可以识别阴极子系统中的泄漏位置。在其他实施例中，可以确定第五测量出的泄漏流速大于第二测量出的泄漏流速，并且基于该确定，可以识别阳极子系统中的泄漏位置。
在其他实施例中，方法可以进一步包括确认和/或以其他方式验证识别的泄漏。例如，可以监控在FC系统的关机操作期间阳极子系统的压力降低速率。基于降低速率比参考阈值降低速率快的确定，可以确认和/或以其他方式验证识别的泄漏。
在其他实施例中，方法可以包括响应于识别泄漏而实施至少一个保护动作以减轻对FC系统的损害。例如，响应于识别泄漏，可以在FC系统中开始关机操作。在其他实施例中，响应于识别泄漏，可以立即终止FC系统中氢气的注入。
在某些实施例中，上述方法可以至少部分地由与PEMFC系统相关的控制电子器件来执行和/或使用存储相关的可执行指令的永久计算机可读介质来实施。
本发明包括以下技术方案：
1. 一种用于验证燃料电池系统的阳极子系统中的泄漏的方法，所述方法包括：
确定阳极子系统中的第一测量出的泄漏流速超出第一参考流速阈值；
将燃料电池系统的阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平；
在将阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平之后，测量第二测量出的泄漏流速；
将在多个阳极至阴极压力偏压水平下获得的多个测量出的泄漏流速与第二测量出的泄漏流速相比较；以及
基于所述比较识别泄漏。
2. 如方案1所述的方法，其中将在多个阳极至阴极压力偏压水平下获得的多个测量出的泄漏流速相比较进一步包括：
增加阳极至阴极压力偏压；
在增加阳极至阴极压力偏压之后，确定第三测量出的泄漏流速超出第二测量出的泄漏流速；
减少阳极至阴极压力偏压；以及
在减少阳极至阴极压力偏压之后，确定第四测量出的泄漏流速小于第二测量出的流速和第三测量出的泄漏流速。
3. 如方案1所述的方法，其中所述方法进一步包括：
识别燃料电池系统中的泄漏位置。
4. 如方案3所述的方法，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置包括：
增加燃料电池系统的阴极子系统中的压力；以及
在增加阴极子系统中的压力之后，测量第五测量出的泄漏流速。
5. 如方案4所述的方法，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置进一步包括：
确定第五测量出的泄漏流速基本上近似于第二测量出的泄漏流速；以及
基于所述确定，识别阴极子系统中的泄漏位置。
6. 如方案4所述的方法，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置进一步包括：
确定第五测量出的泄漏流速大于第二测量出的泄漏流速；以及
基于所述确定，识别阳极子系统中的泄漏位置。
7. 如方案1所述的方法，其中所述方法进一步包括：
确认所识别的泄漏，其中所述确认包括：
监控在燃料电池系统的关机操作期间阳极子系统的压力降低速率；
确定降低速率比参考阈值降低速率快；以及
至少部分地基于所述确定，确认所识别的泄漏。
8. 如方案1所述的方法，其中所述方法进一步包括响应于识别泄漏而实施至少一个保护动作以减轻对燃料电池系统的损害。
9. 如方案8所述的方法，其中保护动作包括开始燃料电池系统的关机操作。
10. 如方案8所述的方法，其中保护动作包括终止燃料电池系统中氢气的喷射。
11. 一种存储指令的永久计算机可读存储介质，所述指令在由处理器执行时使得处理器执行验证燃料电池系统的阳极子系统中的泄漏的方法，所述方法包括：
确定阳极子系统中的第一测量出的泄漏流速超出第一参考流速阈值；
将燃料电池系统的阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平；
在将阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平之后，测量第二测量出的泄漏流速；
将在多个阳极至阴极压力偏压水平下获得的多个测量出的泄漏流速与第二测量出的泄漏流速相比较；以及
基于所述比较识别泄漏。
12. 如方案11所述的永久计算机可读存储介质，其中将在多个阳极至阴极压力偏压水平下获得的多个测量出的泄漏流速相比较进一步包括：
增加阳极至阴极压力偏压；
在增加阳极至阴极压力偏压之后，确定第三测量出的泄漏流速超出第二测量出的泄漏流速；
减少阳极至阴极压力偏压；以及
在减少阳极至阴极压力偏压之后，确定第四测量出的泄漏流速小于第二测量出的流速和第三测量出的泄漏流速。
13. 如方案11所述的永久计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
识别燃料电池系统中的泄漏位置。
14. 如方案13所述的永久计算机可读存储介质，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置包括：
增加燃料电池系统的阴极子系统中的压力；以及
在增加阴极子系统中的压力之后，测量第五测量出的泄漏流速。
15. 如方案14所述的永久计算机可读存储介质，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置进一步包括：
确定第五测量出的泄漏流速基本上近似于第二测量出的泄漏流速；以及
基于所述确定，识别阴极子系统中的泄漏位置。
16. 如方案14所述的永久计算机可读存储介质，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置进一步包括：
确定第五测量出的泄漏流速大于第二测量出的泄漏流速；以及
基于所述确定，识别阳极子系统中的泄漏位置。
17. 如方案11所述的永久计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
确认所识别的泄漏，其中所述确认包括：
监控在燃料电池系统的关机操作期间阳极子系统的压力降低速率；
确定降低速率比参考阈值降低速率快；以及
至少部分地基于所述确定，确认所识别的泄漏。
18. 如方案11所述的永久计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括响应于识别泄漏而实施至少一个保护动作以减轻对燃料电池系统的损害。
19. 如方案18所述的永久计算机可读存储介质，其中保护动作包括开始燃料电池系统的关机操作。
20. 如方案18所述的永久计算机可读存储介质，其中保护动作包括终止燃料电池系统中氢气的喷射。
附图说明
参照附图描述本公开的非限制性和非排他性实施例，包括本公开的各种实施例，其中：
图1示出根据本文披露的实施例的PEMFC系统的图。
图2示出根据本文披露的实施例的用于检测和验证PEMFC系统中的泄漏的方法的概念图。
图3示出展示根据本文披露的实施例的在模拟的阳极泄漏事件期间随着时间的泄漏流量的示例性估计的图表。
图4示出根据本文披露的实施例的用于检测和验证FC系统中的泄漏的示例性方法的流程图。
具体实施方式
以下提供根据本公开的实施例的系统和方法的详细描述。虽然描述了几个实施例，但是应理解，本公开并不限于任一个实施例，而是涵盖若干替代、修改和等效物。此外，虽然在以下描述中阐述若干具体细节以提供对本文披露的实施例的全面理解，但是一些实施例可以在没有这些细节中的一些或所有的情况下实践。此外，为了清晰的目的，并不详细描述相关领域中已知的某些技术材料以避免不必要地模糊本公开。
本公开的实施例将通过参照图式来最佳理解，其中相同部分可以由相同数字指定。如本文图中大体上描述和示出的所披露的实施例的部件可以多种不同的配置来布置和设计。因此，本发明的系统和方法的实施例的以下详细描述并不意欲限制如所要求的本发明的范围，而是仅代表本公开的可能实施例。此外，方法的步骤并不必需要以任何特定次序或者甚至顺序地执行，也不需要步骤仅执行一次，除非另有指示。
本文提供的系统和方法可以用于检测、验证和/或管理PEMFC系统的阳极子系统中的H2的泄漏。在某些实施例中，可以调整各个FC堆叠设置点，以使得可以获得足够的H2流量数据，以便至少部分地基于流量数据来识别和验证H2泄漏和/或该泄漏的位置。在一些实施例中，这些H2流量数据可以通过在各种操作条件和/或模式（例如，FC堆叠运行、空闲/待机和/或关机模式）下调整某些PEMFC系统操作参数（例如，系统压力和/或功率水平）并且在这些各种操作条件下测量流量数据来获得。
图1示出根据本文披露的实施例的包括在车辆100中的PEMFC系统102的图。车辆100可以是机动车辆、海上运载工具、飞机和/或任何其他类型的车辆，并且可以包括用于并入本文披露的系统和方法的任何适合类型的传动系。所披露的系统和方法的额外实施例可以用于任何其他类型的FC系统，包括例如固定FC系统（例如，发电机）。如所示出，车辆100可以包括配置成为车辆100的某些部件提供电力的PEMFC系统102。例如，PEMFC系统102可以被配置成为车辆100的电动传动系部件提供电力。
在一些实施例中，PEMFC系统102可以被配置成直接为电动传动系部件提供电力。在某些实施例中，PEMFC系统102可以被配置成通过中间电池系统（未示出）为电动传动系部件提供电力。在其他实施例中，PEMFC系统102可以被配置成为包括低压电池系统（例如，铅酸12V汽车电池）的一个或多个其他电池系统提供电力，所述电池系统将电能供应到各种车辆100系统，包括例如电动冷却液泵、照明系统、音频系统和/或类似系统。
PEMFC系统102可以包括单个电池或者以PEMFC堆叠104配置布置的多个电池，并且可以包括以上描述的某些PEMFC系统元件和/或特征。FC堆叠104可以包括阳极侧和阴极侧。压缩机108可以通过使得阴极输入空气湿润的水汽输送（“WVT”）单元110将空气流提供给阴极输入线路106上的FC堆叠104的阴极侧。阴极排气可以经由回压阀114通过阴极排气线路112从FC堆叠104输出。压力传感器116可以测量阴极排气线路112的压力。
FC堆叠104的阳极侧可以从阳极输入线路122上的氢气源124接收氢气并且在阳极再循环线路126上提供阳极再循环气体。当需要堆叠104的阳极侧中的气体的净化或渗出时，可以使得阳极排气通过可以提供在阳极排气线路120中的阀128渗出到阴极线路106中。压力传感器134可以被提供在阳极子系统中的一个位置中，诸如在阳极再循环线路126中，以测量FC堆叠104的阳极侧的压力。
PEMFC系统102和/或相关的系统和/或部件可以与相关的控制系统136通信地联接。控制系统可以被配置成监控和控制PEMFC系统102和/或相关的系统和/或部件的某些操作。例如，除其他操作之外，控制系统136可以尤其从压力传感器116、118、134接收压力信息信号并且至少部分地基于这些信息来控制FC堆叠104的各种操作。例如，控制系统136可以被配置成监控和控制PEMFC系统102的启动、关机、充电、放电和/或诊断操作。在某些实施例中，控制系统136可以被配置成检测和/或以其他方式验证PEMFC系统102中的泄漏和/或实施所披露的系统和方法的实施例中的任一个。
图2示出根据本文披露的实施例的用于检测和验证PEMFC系统的阳极子系统中的泄漏的方法的概念图200。在某些情况下，可以在相关的喷射器未点火时基于从监控阳极子系统的压力降低获得的信息（例如，基于从相关的压力传感器和/或类似传感器获得的测量）来计算与阳极子系统中的H2泄漏相关的泄漏流量。例如，可以在与喷射器控制系统相关的脉冲的下降沿的检测之后开始存储压力读数，并且可以在喷射器再次开始点火时停止存储。基于这些读数，可以确定阳极子系统的阳极降低。
若干压力读数样本可以至少部分地基于PEMFC系统的电流密度而改变，其中在相对高的电流密度下，喷射更频繁和/或喷射器起作用持续相对较长周期。在较低电流密度下，喷射器可以点火持续相对较短周期，由此允许在相对较长的下降时间期间的更多压力读数。当喷射器再次停止点火时，压力数据可以由新读数更新。
可以使用多种方法来基于测量出的压力信息确定来自阳极子系统的泄漏流速。例如，可以基于质量平衡方法和/或压力降低方法来确定泄漏流速。在某些实施例中，这些方法可以基于以下：
方程1
其中是泄漏流量，是喷射器流量，是H2燃烧速率，并且是由于阳极压力改变导致的流速。在某些实施例中，当喷射器关闭时间相对较短时，可以在高功率操作条件下使用质量平衡方法。当喷射器关闭时间相对较长时，可以在低功率操作条件下使用压力降低方法。
在某些实施例中，与使用上述方法获得的检测到的泄漏流速相关的信号可能相对嘈杂，从而使得难以确定泄漏何时最初发生。检测到的泄漏流速信号的精确度也可以取决于用来获得相关压力和电流信息的压力和电流传感器的精确度。
根据本文披露的实施例，可以通过在各种操作条件和/或模式（例如，FC堆叠运行、空闲/待机和/或关机模式）下调整某些PEMFC系统操作参数和/或条件（例如，系统压力和/或功率水平）并且在这些各种操作条件下测量流量数据来获得更精确的H2流量数据。例如，可以在FC堆叠运行和/或空闲/待机模式期间调整堆叠操作条件，并且可以监控在相关的检测到的泄漏流速信号中的所得响应。在FC堆叠关机模式期间，可以监控在喷射器关闭时阳极系统压力的降低速率。
结合图2的概念图200所示的方法可以实施以上提及的系统和方法的实施例。所示的概念图200展示在各种操作模式（例如，运行206、空闲/待机208、关机212）期间阴极子系统216和阳极子系统214的随时间202的测量出的压力204（例如，以kPa为单位测量）。还展示与各个测量出的压力214、216有关的示例性电流密度218。方法可以包括若干步骤220-230，每个步骤与PEMFC系统的操作模式206、208和212相关。例如，步骤220-224和228可以与PEMFC系统的运行模式206相关，步骤226可以与PEMFC系统的待机/空闲模式208相关，并且步骤230可以与PEMFC系统的关机模式212相关。在一些实施例中，待机/空闲模式208可以是运行模式206的子集操作模式 ，其中PEMFC系统在以相对低的电流密度工作。
在步骤220，可以基于阳极子系统压力的改变来持续地计算泄漏流速以产生泄漏流速信号。当泄漏流速信号水平超出第一阈值并且所有阳极阀关闭时，可以识别疑似的阳极子系统泄漏。基于在所有阳极阀打开的情况下泄漏流速信号水平超出第二阈值（如可能在由于阳极阀被吸开而导致泄漏时发生），可以类似地识别疑似的阳极子系统泄漏。一旦检测到疑似的阳极子系统泄漏，则可以存储相关的泄漏流速信号水平，本文表示为L A 。还可以存储PEMFC系统的电流密度和阳极至阴极压力偏压。
在存储泄漏流速L A 之后，在步骤222，可以将用于电流密度218和阳极至阴极压力偏压的设置点调整到某些设置水平。例如，可以将电流密度218设置为0.03 A/cm2，并且可以将阳极至阴极压力偏压调整为20 kPa，然而其他设置水平也可以用于本文披露的实施例。在这些条件下，可以存储新的泄漏流速信号水平，本文表示为L B 。在某些实施例中，可以基于泄漏表征测试来识别所使用的设置点，所述泄漏表征测试被设计成模仿阳极子系统中的H2泄漏，并且可以代表用于泄漏信号比较目的的参考条件。
在步骤224，可以增加阳极至阴极压力偏压。例如，可以将阳极至阴极压力偏压从20 kPa调整到40 kPa，然而其他增加也可以用于本文披露的实施例。在增加之后，可以存储新的泄漏流速信号水平，本文表示为LC1。通过增加阳极至阴极压力偏压，阳极压力和泄漏流速应增加，这可以通过将LC1与L B 相比较来确认。
在增加阳极至阴极压力偏压之后，可以减少阳极至阴极压力偏压。例如，可以将阳极至阴极压力偏压从40 kPa调整到10 kPa，然而其他减少也可以用于本文披露的实施例。在减少之后，可以存储新的泄漏流速信号水平，本文表示为LC2。通过减少阳极至阴极压力偏压，阳极压力和泄漏流速应减少，这可以通过将LC2与L B 相比较确认。类似地，可以将LC2与LC1相比较。在阳极子系统的泄漏的情况下，LC1应大于LC2。
在步骤226，可以将PEMFC系统设置为待机/空闲操作模式208。在待机/空闲操作模式208条件期间，其中喷射器可以在相对低的频率下点火，可以获得更多样本点来计算阳极子系统内的压力降低。这些额外的样本点可以尤其允许更精确的泄漏流速确定。此外，可以监控阳极子系统中的压力降低速率，并且可以使用监控到异常降低速率来验证阳极子系统中的疑似泄漏。可以存储泄漏流速信号水平，本文表示为LD。此外，也可以存储泄漏流速信号水平的改变速率，本文表示为dLD。
在某些实施例中，可以将泄漏流速信号水平的改变速率与阈值降低速率（本文表示为KE）相比较。可以用多种方式来确定阈值降低速率。例如，在一些实例中，阈值降低速率可以包括被校准以实现可接受的泄漏检测验证性能的降低速率。在某些实施例中，可以基于PEMFC系统（例如，非泄漏系统）的测试和/或表征来确定阈值降低速率，以确定PEMFC系统的标称降低速率。
在步骤228，可以确定PEMFC系统中的泄漏位置。在某些实施例中，此确定可以在PEMFC系统可以被设置为运行操作模式206时来执行。为了识别PEMFC系统中的泄漏位置，可以增加阴极压力。可以维持阳极至阴极压力偏压。例如，可以将阴极压力增加到150 kPa（然而其他增加也可以用于本文披露的实施例），同时可以将阳极至阴极压力偏压维持在20kPa。在增加之后，可以存储新的泄漏流速信号水平，本文表示为LE。通过维持阳极至阴极压力偏压并增加阴极压力，如果泄漏流速信号水平保持恒定（即，LE=LB），则可以确定泄漏位于阴极子系统中。如果泄漏流速信号水平增加（即，LE>LB），则泄漏位置可以是来自阳极子系统的机外泄漏（例如，到周围环境中的泄漏，诸如由（而不限于）PEMFC系统板密封泄漏、泄漏的氢气喷射器、氢气源线路泄漏等所导致）。
在一些实施例中，在步骤230，可以通过监控在PEMFC系统的关机模式212期间的阳极子系统压力的降低速率来确认泄漏。如果阳极子系统压力的降低速率（本文表示为dLF）比阈值降低速率快，则可以确认PEMFC系统中的泄漏（即，小于阈值降低速率的标称降低速率可能与泄漏无关，而超出阈值的较快降低速率可能与异常条件相关，诸如导致较快压降的H2泄漏）。如果阳极子系统压力的降低速率比阈值降低速率慢，则不可以确认PEMFC系统中的泄漏。
在某些实施例中，可以在相对短的时间周期（例如，1秒或更少）执行步骤220-228。在某些实施例中，此周期可以允许在由于更严重的泄漏导致的损害开始之前进行泄漏识别和/或确认。
将了解，可以对在发明作品主体的范围内的根据图2呈现的概念做出若干变化。例如而非限制，在一些实施例中，步骤220-230中的一些或所有可以按不同的次序和/或在不同的操作模式206-212期间执行。因此，将了解，图2是提供用于说明和解释目的而非限制。
图3示出展示根据本文披露的实施例的在阳极泄漏事件期间随着时间302（例如，以秒为单位测量）的泄漏流速304（例如，以摩尔/秒为单位测量）的示例性估计的图表300。具体来说，图表300示出在时间306开始并且在时间308结束的模拟泄漏期间示例性检测到的泄漏流速信号310。如结合图表300所示，检测到的泄漏流速信号310呈现出在模拟泄漏开始之后（即，在时间306之后）增加并且在模拟泄漏终止之后（即，在时间308之后）减少。根据本文披露的实施例，可以至少部分地基于此泄漏流速信号来验证PEMFC系统的阳极子系统中的泄漏。
图4示出根据本文披露的实施例用于检测PEMFC系统中的泄漏的示例性方法400的流程图。所示方法400可以至少部分地使用与PEMFC系统相关的控制系统和/或一个或多个阀、压力调节器和/或传感器、电流传感器（例如，电流密度传感器）、流速传感器和/或类似装置来执行，然而也可以使用其他适合的系统和/或系统组合。
方法400可以在402开始。在某些实施例中，方法400可以基于进入运行操作模式的PEMFC来开始。在此操作模式下，可以持续地和/或周期性地监控（例如，基于方程1等）阳极子系统压力信息，以根据本文披露的实施例识别和/或验证疑似泄漏。
在404，可以接收阳极子系统压力信息。在某些实施例中，可以从与PEMFC系统的阳极子系统相关的一个或多个压力传感器接收阳极子系统压力信息。在406，可以至少部分地基于阳极子系统压力信息来计算泄漏流速以产生泄漏流速信号。
在408，可以进行关于泄漏流速信号是否超出泄漏流速阈值的确定。在某些实施例中，泄漏流速阈值可以基于测试和/或以其他方式表征PEMFC系统的阳极子系统中的模拟机外泄漏（例如，通过泄漏检测测试）来确定。在一些实施例中，阈值可以包括用于检测PEMFC系统中的机外泄漏的最小可检测信号阈值。例如，在一些实施例中，模拟机外泄漏的受控流速可以被减少直到相关的流速信号达到检测阈值（例如，最小检测阈值）。此阈值随后可以用作所披露的实施例的泄漏流速阈值。如果泄漏流速信号超出泄漏流速阈值，则可以怀疑泄漏并且方法400可以进行到410。如果泄漏流速信号未超出泄漏流速阈值，则方法400可以进行到在442终止。
在410，可以存储与在408的确定中使用的信号水平相关的第一流速信号水平。在412，可以将PEMFC系统的阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到某些设置水平。例如，在某些实施例中，可以将阳极至阴极压力偏压设置为20 kPa，并且可以将电流密度设置为0.03A/cm2，然而其他设置水平也可以用于本文披露的实施例。在某些实施例中，可以基于泄漏表征测试来识别设置水平，所述泄漏表征测试被设计成模仿阳极子系统中的H2泄漏，并且可以代表用于泄漏信号比较目的的参考条件。
在414，可以存储与在412的调整之后发生的信号水平相关的第二流速信号水平。在存储第二流速信号水平之后，在416，可以增加阳极至阴极压力偏压。例如，可以将阳极至阴极压力偏压从20 kPa调整为40 kPa，然而其他增加也可以用于本文披露的实施例。在增加之后，在418，可以存储第三流速信号水平。
在420，可以进行关于第三流速信号水平是否大于第二流速信号水平的确定。如果第三流速信号水平小于第二流速信号水平，则可以不怀疑泄漏并且方法可以进行到在442终止。在泄漏的情况下增加阳极至阴极压力偏压可以导致增加的阳极压力和增加的泄漏流速。因此，如果第三流速信号水平大于第二流速信号水平，则可以怀疑泄漏并且方法400可以进行到422。
在422，可以减少阳极至阴极压力偏压。例如，可以将阳极至阴极压力偏压从40kPa调整为10 kPa，然而其他减少也可以用于本文披露的实施例。在减少之后，在424，可以存储第四流速信号水平。
在426，可以将第四流速信号水平与第二流速信号水平和第三流速信号水平相比较以确定第四流速信号水平是否大于第二和第三信号水平。通过减少阳极至阴极压力偏压，阳极压力和泄漏流速应减少。因此，如果第二和第三流速信号水平大于第四流速信号水平，则可以怀疑泄漏并且方法400可以进行到428。否则，方法400可以进行到在442终止。
在428，可以将PEMFC系统设置为待机/空闲操作模式，并且可以监控阳极子系统中的压力降低速率。在此操作模式期间，PEMFC系统的喷射器在相对低的频率下点火，从而允许更多样本点用于监控阳极子系统内的压力降低。在430，可以将监控到的压力降低速率与压力降低速率阈值（例如，与通过系统测试和/或表征等获得的标称降低速率相关的阈值）相比较。如果监控到的压力降低速率超出压力降低速率阈值，则可以怀疑泄漏并且方法400可以进行到432。否则，方法400可以进行到在422终止。
在432，为了识别PEMFC系统中的泄漏位置，可以将PEMFC系统设置为操作模式，可以增加阴极子系统压力，并且可以维持阳极至阴极压力偏压。例如，可以将阴极压力增加到150 kPa（然而其他增加也可以用于本文披露的实施例），同时可以将阳极至阴极压力偏压维持在20 kPa。
在增加之后，在434，可以确定泄漏流速是否恒定。如果泄漏流速恒定，则可以确定泄漏位置在阴极子系统中，并且方法400可以进行到在442终止。如果泄漏流速增加，则可以确定泄漏在阳极子系统和/或机外位置中，并且方法400可以进行到436。
在436，可以监控阳极子系统中的压力降低速率。在某些实施例中，可以在PEMFC系统的关机模式期间监控此压力降低速率。在438，可以将压力降低速率与参考阈值降低速率相比较。在某些实施例中，可以基于PEMFC系统的测试和/或表征来确定阈值降低速率以识别标称降低速率。如果压力降低速率不比阈值降低速率快，则可以不确认泄漏并且方法400可以进行到在422终止。然而，如果压力降低速率比阈值降低速率快，则方法400可以进行到440，其中可以确认阳极子系统中的泄漏并且PEMFC系统可以参与在一个或多个保护动作中（例如，防止对系统的损害的动作）。例如，在某些实施例中，PEMFC系统可以被切换到关机模式，其中除了其他操作之外，可以将空气泵送到PEMFC堆叠中。在其他实施例中，PEMFC系统可以参与在快速停止中（例如，从运行模式快速过渡到停止模式），由此可以快速地终止PEMFC系统中的氢气喷射。方法400可以进行到在442终止。
本文披露的某些系统和方法可以至少部分地使用一个或多个计算机系统来实施。例如，在某些实施例中，与PEMFC系统相关的控制系统可以至少部分地使用一个或多个计算机系统来实施。本文披露的系统和方法并不固有地与任何特定计算机或其他装置有关，并且可以由硬件、软件和/或固件的适合的组合来实施。软件实施可以包括具有可执行代码/指令的一个或多个计算机程序，所述可执行代码/指令在由处理器执行时可以使得处理器执行至少部分地由可执行指令定义的方法。计算机程序可以用任何形式的编程语言来写入，包括编译或解释性语言，并且可以用任何形式来部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或者适用于计算环境中的其他单元。另外，计算机程序可以被部署为在一个计算机或在一个地点或分布在多个地点处并且由通信网络互连的多个计算机上执行。软件实施例可以被实施为包括配置成存储计算机程序和指令的永久存储介质的计算机程序产品，所述计算机程序和指令在由处理器执行时被配置成使得处理器执行根据所述指令的方法。在某些实施例中，永久存储介质可以采用能够将处理器可读指令存储在永久存储介质上的任何形式。永久存储介质可以由光盘、数字视盘、磁带、伯努利驱动器、磁盘、穿孔卡、闪存、集成电路或者任何其他永久数字处理装置存储器设备。
尽管为了清晰目的已经稍微详细描述以上内容，但是将显而易见的是，在不脱离其原理的情况下，可以进行某些改变和修改。例如，在某些实施例中，本文披露的系统和方法可以用于未包括在车辆中的FC系统中（例如，如备用电源等中）。应注意，存在许多实施本文描述的过程和系统的替代方式。因此，本发明的实施例被认为是说明性而非限制性的，并且本发明并不限于本文提供的细节，而是在随附权利要求的范围和等效物内可以进行修改。
参照各个实施例已描述以上说明。然而，本领域技术人员将了解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。例如，取决于特定应用或者考虑到与系统操作相关的任何数量的成本函数，可以用替代方式来实施各个操作步骤以及用于执行操作步骤的部件。因此，步骤中的任何一个或多个可以被删除、修改或者与其他步骤组合。另外，本公开应被认为是说明性而非限制性意义，并且所有这样的修改意欲包括在其范围之内。同样，以上关于各个实施例已描述的益处、其他优点以及对问题的解决方案。然而，益处、优点、对问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更加显著的任何元件并不被解释为关键、需要或必要的特征或元件。
如本文所使用，术语“包括”和“包含”以及其任何其他变体意欲涵盖非排他性包括，诸如包括一系列元件的过程、方法、物品或装置并不仅包括那些元件，而是可以包括未明确列出或者所述过程、方法、系统、物品或装置固有的其他元件。另外，如本文所使用，术语“通信”、“联接”以及其任何其他变体意欲涵盖物理连接、电气连接、磁性连接、光学连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。
本领域技术人员将了解，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由以下权利要求确定。

Claims (20)

1.一种用于验证燃料电池系统的阳极子系统中的泄漏的方法，所述方法包括：
确定阳极子系统中的第一测量出的泄漏流速超出第一参考流速阈值；
将燃料电池系统的阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平；
在将阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平之后，测量第二测量出的泄漏流速；
将在多个阳极至阴极压力偏压水平下获得的多个测量出的泄漏流速与第二测量出的泄漏流速相比较；以及
基于所述比较识别泄漏。
2.如权利要求1所述的方法，其中将在多个阳极至阴极压力偏压水平下获得的多个测量出的泄漏流速相比较进一步包括：
增加阳极至阴极压力偏压；
在增加阳极至阴极压力偏压之后，确定第三测量出的泄漏流速超出第二测量出的泄漏流速；
减少阳极至阴极压力偏压；以及
在减少阳极至阴极压力偏压之后，确定第四测量出的泄漏流速小于第二测量出的流速和第三测量出的泄漏流速。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括：
识别燃料电池系统中的泄漏位置。
4. 如权利要求3所述的方法，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置包括：
增加燃料电池系统的阴极子系统中的压力；以及
在增加阴极子系统中的压力之后，测量第五测量出的泄漏流速。
5. 如权利要求4所述的方法，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置进一步包括：
确定第五测量出的泄漏流速基本上近似于第二测量出的泄漏流速；以及
基于所述确定，识别阴极子系统中的泄漏位置。
6. 如权利要求4所述的方法，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置进一步包括：
确定第五测量出的泄漏流速大于第二测量出的泄漏流速；以及
基于所述确定，识别阳极子系统中的泄漏位置。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括：
确认所识别的泄漏，其中所述确认包括：
监控在燃料电池系统的关机操作期间阳极子系统的压力降低速率；
确定降低速率比参考阈值降低速率快；以及
至少部分地基于所述确定，确认所识别的泄漏。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括响应于识别泄漏而实施至少一个保护动作以减轻对燃料电池系统的损害。
9.如权利要求8所述的方法，其中保护动作包括开始燃料电池系统的关机操作。
10.如权利要求8所述的方法，其中保护动作包括终止燃料电池系统中氢气的喷射。
11.一种存储指令的永久计算机可读存储介质，所述指令在由处理器执行时使得处理器执行验证燃料电池系统的阳极子系统中的泄漏的方法，所述方法包括：
确定阳极子系统中的第一测量出的泄漏流速超出第一参考流速阈值；
将燃料电池系统的阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平；
在将阳极至阴极压力偏压和电流密度调整到参考水平之后，测量第二测量出的泄漏流速；
将在多个阳极至阴极压力偏压水平下获得的多个测量出的泄漏流速与第二测量出的泄漏流速相比较；以及
基于所述比较识别泄漏。
12.如权利要求11所述的永久计算机可读存储介质，其中将在多个阳极至阴极压力偏压水平下获得的多个测量出的泄漏流速相比较进一步包括：
增加阳极至阴极压力偏压；
在增加阳极至阴极压力偏压之后，确定第三测量出的泄漏流速超出第二测量出的泄漏流速；
减少阳极至阴极压力偏压；以及
在减少阳极至阴极压力偏压之后，确定第四测量出的泄漏流速小于第二测量出的流速和第三测量出的泄漏流速。
13.如权利要求11所述的永久计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
识别燃料电池系统中的泄漏位置。
14. 如权利要求13所述的永久计算机可读存储介质，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置包括：
增加燃料电池系统的阴极子系统中的压力；以及
在增加阴极子系统中的压力之后，测量第五测量出的泄漏流速。
15. 如权利要求14所述的永久计算机可读存储介质，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置进一步包括：
确定第五测量出的泄漏流速基本上近似于第二测量出的泄漏流速；以及
基于所述确定，识别阴极子系统中的泄漏位置。
16. 如权利要求14所述的永久计算机可读存储介质，其中识别燃料电池系统中的泄漏位置进一步包括：
确定第五测量出的泄漏流速大于第二测量出的泄漏流速；以及
基于所述确定，识别阳极子系统中的泄漏位置。
17.如权利要求11所述的永久计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
确认所识别的泄漏，其中所述确认包括：
监控在燃料电池系统的关机操作期间阳极子系统的压力降低速率；
确定降低速率比参考阈值降低速率快；以及
至少部分地基于所述确定，确认所识别的泄漏。
18.如权利要求11所述的永久计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括响应于识别泄漏而实施至少一个保护动作以减轻对燃料电池系统的损害。
19.如权利要求18所述的永久计算机可读存储介质，其中保护动作包括开始燃料电池系统的关机操作。
20.如权利要求18所述的永久计算机可读存储介质，其中保护动作包括终止燃料电池系统中氢气的喷射。
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