CN106374126A - 用于检测燃料电池系统中的阳极污染物的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了用于检测燃料电池系统中的阳极污染物的系统和方法。在某些实施例中，燃料电池系统的高频电阻响应可以以多个频率进行测量。在某些实施例中，高频电阻响应随着时间的变化率可基于燃料电池中阳极污染物的量在不同频率下而不同。因此，本文公开的系统和方法可比较取自多个测量频率的高频电阻响应以探测阳极污染物以及启动燃料电池系统中的相关恢复过程。

Description

用于检测燃料电池系统中的阳极污染物的系统和方法
技术领域
本公开涉及检测燃料电池系统中的阳极污染物的系统和方法。更具体地但不局限于，本公开涉及基于测得的燃料电池系统的高频电阻用于检测燃料电池系统中的阳极污染物的系统和方法。
发明背景
客车可包括燃料电池(“FC”)系统以便驱动客车电力及传动系统的某些特征件。例如，FC系统可用于车辆中以便直接驱动该车辆的电力传动部件(例如，通过使用电力驱动马达等)和/或通过中间电池系统来驱动该车辆的电力传动部件。氢是一种可以用于FC系统的燃料。氢是一种可用于在FC中高效发电的洁净能源。氢FC系统是一种可包括阳极和阴极之间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。氢气在阳极发生离解来产生自由氢质子和电子。可选择性地在电解质上施用氢质子。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被送到阴极前通过负载做功。氢质子与阴极的氧和电子反应产生水。
质子交换膜燃料电池(“PEMFC”)可用于FC驱动的车辆。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。包括在PEMFC中的阳极和阴极可包括支撑在碳粒子上且与离聚物混合的极细催化剂粒子(例如铂粒子)。催化混合物可沉积在膜的相对侧上。
在操作期间，由于多种机制和/或工艺可能随时间的推移降低PEMFC的性能，PEMFC可能在阳极和阴极电极中被污染。某些PEMFC性能损失可通过激发PEMFC恢复程序来恢复，而其他性能则不可恢复，例如，电极退化引起的损失。然而，可能很难区分可恢复损失(例如，阳极和/或阴极污染引起的损失)和不可恢复损失。
发明内容
在操作期间，FC系统的阳极电极可随着时间的推移被多种污染物，例如一氧化碳，因此，降低了系统的性能。介绍了基于测得的FC系统的高频电阻(“HFR”)用于检测FC系统中阳极污染物的系统和方法。在某些实施例中，所公开系统和方法可与检测阳极污染物以及启动配置成响应于检测阳极污染物而恢复FC系统中的某些性能损失的恢复操作相结合使用。
FC系统的HFR和/或结构电池可表示该系统和/或电池的阳极和阴极的面内阻抗。测得的FC的HFR可能被各种因素影响。例如某些影响HFR的稳态部件可以是在FC设计中固有的。电极水化可进一步影响测定的HFR。根据这里公开的实施例，阳极污染物可进一步影响FC的所测得的HFR。
由于影响所测得的FC的HFR的因素很多，如稳态部件、湿度、阳极污染物等，很难仅基于单次HFR测量区分开这些不同因素。例如，很难仅基于单次HFR测量区分开影响FC中的HFR的阳极湿度的变化和阳极污染物的变化。
按照本文公开的实施例，可在多个频率处测量FC的HFR响应。在某些实施例中，HFR响应随着时间的变化率可基于FC中阳极污染物的量在不同频率下而不同。因此，通过比较在多个测得频率下所作的HFR响应，可检测FC中的阳极污染物。
在一些实施例中，一种用于检测FC系统中的阳极污染物的方法可以包括：测量第一频率下该燃料电池系统(例如，单个电池和/或多个电池)的第一高频电阻响应，以及测量第二频率下该燃料电池系统的第二高频电阻响应，第二频率不同于第一频率。在某些实施例中，第一频率可以包括在第一频率范围内的频率，并且该第二频率可以包括在第二频率范围内的频率，第二频率范围大于第一频率范围。例如，在一些实施例中，第一频率可以包括大于等于200Hz(例如1kHz)的频率，并且该第二频率可以包括大于等于6kHz的频率。第一频率响应和第二频率响应可以在规定时间和/或其他事件窗口期(例如，在单个运行周期等期间)内同步和/或异步测量，并可以使用相同电流测量信道和电压测量信道进行测量。
可以确定第一高频电阻响应和该第二高频电阻响应之间的差值，然后可以将该差值与阈值进行比较。在一些实施例中，该阈值可以包括表明燃料电池系统中阳极污染物的阈值水平的阈值。基于该差值超过阈值的判定，可以启动该燃料电池系统中的恢复程序。在某些实施例中，该恢复程序可以包括在该燃料电池系统中引入氧气用来氧化一氧化碳。
在某些实施例中，上述方法可以由FC控制系统和/或任何其他计算系统来实施和/或使用存储了相关可执行指令的非暂时性计算机可读介质来实现。
附图说明
参照附图描述了本公开的非限制性和非穷尽实施例，包括本公开的各种实施例，其中：
图1示出一种包含在根据本文所公开的实施例的车辆中的FC系统的示意图。
图2示出了根据本文所公开的实施例的多个测量频率下FC的HFR响应的曲线图。
图3A示出了根据本文所公开的实施例的用于测量与确定HFR响应有关的电流的示例性信道的框图。
图3B示出了根据本文所公开的实施例的用于测量与确定HFR响应有关的电压的示例性信道的框图。
图4示出了根据本文所公开的实施例的用于检测燃料电池系统中阳极污染物的示例性方法的流程图。
图5示出了用于实现本公开系统和方法的各种实施例的系统的示意图。
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具体实施方式。虽然描述了若干个实施例，但应该理解的是，本公开不限于任何一个实施例，而相反涵盖许多替代、修改和等同物。而且，虽然在以下描述中为了提供本发明的透彻理解而阐述了多个特定细节，没有某些或全部这些细节情况下，能够实践一些实施例。此外，为了清晰起见，未详细描述相关领域中公知的特定技术材料以免使本公开不明确。
参考附图将最好地理解本公开的多个实施例，其中相同部件可以通过同样的编号表示。本公开的部件，如本文附图中所大体描述和展示，可以按各种不同的构造进行布置和设计。因此，以下本公开的系统和方法的实施例的详细说明不意在限定本公开所要求保护的范围，而是仅仅表示本公开的可能实施例。另外，不必要求以任何特定次序或甚至顺序地执行方法的步骤，也不要求这些步骤仅仅执行一次，除非另有说明。
本文中所公开的系统及方法可以与基于多个频率下测量的FC的HFR响应来检测FC系统中阳极污染物结合起来使用。具体地，通过比较多个测量频率下所作出的HFR响应，可以检测FC中的阳极污染物。
在某些实施例中，可以通过启动FC系统中的电压恢复程序来恢复与FC中的阳极污染物相关的性能损失。然而，某些恢复程序可以对FC系统造成最少的不可恢复退化。因此，当电压损失恢复可以有效地实现以便降低不可恢复退化时，可以启动恢复程序。所公开系统和方法的实施例可以用于正确地探测FC系统中阳极污染物的出现以及响应于所述探测而启动恢复程序。
图1示出了包含在根据本文所公开实施例的车辆100的FC系统102的示意图。车辆系统100可以为机动车辆、海上运输工具、飞机和/或其他类型的车辆，且可包括结合本文所公开系统和方法的任何合适类型的传动系。所公开系统和方法的附加实施例可以与其他类型的FC系统102(例如包括静态FC系统，如用于建筑物和/或类似物的备用电源)结合使用。
车辆100可包括FC系统102，FC系统102包括FC堆112，在某些实施例中，FC堆112可与高压(“HV”)电池系统(未示出)耦合。HV电池系统可以用于向车辆100的电动传动系部件(未示出)提供动力。在另外的实施例中，FC堆112可以与低电压电池耦合并可以配置成向各种车辆100系统(例如包括发光系统、气候控制系统等等)供应电能。在又一些实施例中，FC系统102可以配置成直接向某些车辆系统提供动力。在一些实施例中，FC系统102可包括单个电池或者如所示，可包括设置成堆叠构造的多个电池114。
FC堆112可以与FC控制系统104相关。FC控制系统104可以配置成监测并控制FC堆112的某些操作。例如，FC控制系统104可以配置成监测并控制可调节性能参数和/或管理FC堆112的充电和放电操作。在某些实施例中，FC控制系统104可以与一个或多个传感器106(例如，电压传感器、电流传感器和/或类似物等)和/或配置成能够使FC控制系统104监测和控制FC堆112和/或其组成电池114的其他系统通信地耦合。
根据本文所公开实施例，与FC堆112通信的传感器106可为FC控制系统104和/或其他系统(例如，内部车辆计算机系统108和/或外部计算机系统110)提供信息，所述信息可以用于测量各种频率下FC系统的HFR响应和/或基于测得的响应来探测阳极污染物。FC控制系统104可进一步配置成向包含在车辆100的其他系统提供信息和/或从包含在车辆100的其他系统接收信息。例如，FC控制系统104可以与内部车辆计算机系统108和/或外部计算机系统110通信地耦合。
控制系统104可包括内部控制系统、外部控制系统，和/或任何其他车辆控制和/或计算机系统。在进一步的实施例中，控制系统104可进一步配置成向包含在车辆100的其他系统和/或车辆100的操作员提供信息和/或从包含在车辆100的其他系统和/或车辆100的操作员接收信息。虽然与单个控制器系统104结合示出，但应当理解，所公开系统和方法的实施例可以使用多个合适的控制和/或计算系统来实现。
在某些实施例中，控制系统104、内部车辆计算机系统108和/或外部计算机系统110可以包括模块116，当由控制系统104和/或内部车辆计算机系统108、和/或外部计算机系统110执行时，模块116使所述系统104、108和/或110实现所公开系统和方法的各实施例。例如，在某些实施例中，模块116可使所述系统104、108和/或110在各种频率下测量FC系统的HFR响应和/或基于测得的响应来探测阳极污染物。在进一步的实施例中，至少部分地基于所探测的阳极污染物，模块116可以使所述系统104、108和/或110启动FC系统中的恢复程序。
应当理解的是，在本发明主体工作的范围内可对结合图1所示的结构、关系和示例作出多种改变。例如，上述某些装置和/或系统功能可以以任何合适的配置被集成到单个装置和/或系统和/或装置和/或系统的任何合适组合中。类似地，虽然所公开系统和方法的某些实施例被描述为由FC控制系统104来实施，但是，应当理解的是，内部车辆计算机系统108、外部计算机系统110和/或任何其他计算机系统可实施本文所公开的实施例。因而应当理解的是，提供结合图1所示的结构、关系和示例是为了说明和解释，而不是限制。
图2示出了曲线图200，其示出了根据本文所公开实施例在多个测量频率下的FC的HFR响应206和208。在所示曲线图200中，x轴202表示FC系统的操作运行时间(例如，按小时测量)，且y轴204表示FC系统的测量的HFR(例如，按Ωcm2测量)。
根据本文所公开实施例，可基于在多个频率下测量的FC的HFR响应206和208来检测FC系统中的阳极污染物。在一些实施例中，可在设定的电流密度(例如，1.5A/cm2)、操作温度(例如，87C)和/或相应湿度水平下来进行HFR测量。在某些实施例中，可在1kH(例如，HFR响应206)和6kHt(例如，HFR响应208)测量频率下来进行HFR测量，但是应当理解的是，可结合所公开实施例使用其他测量频率。例如，可在大于等于200Hz和小于等于6kHt的频率下来进行HFR测量。可以以各种方式测量HRF响应，这些方式包括，例如，通过注入特定频率的信号和/或多接入FC堆栈的信号测量响应中的阻抗。
在某些实施例中，HFR响应206和208随着时间200的变化率可基于FC中阳极污染物的量在不同频率下而不同。因此，通过比较在多个测量频率下进行的HFR频率响应206和208，可检测到FC中的阳极污染物。例如，如所示，当HFR频率响应206和208之间的差值210超过特定阈值时，可确定，阳极中的污染物已经达到了阈值水平且可启动阳极污染物回收程序。在某些实施例中，可通过FC表征测试或类似物获得的阈值可包括在查阅表和/或任何其他合适的逻辑，其将不同频率下的HFR频率响应之间的差值与触发回收程序的阳极污染物水平进行关联。
图3A示出了根据本文所公开实施例用于结合确定HFR响应测量电流的示例性信道300a的框图。如所示，电流测量信道300a可包括，但不限于，罗柯夫斯基(Rogowski)线圈AC电流传感器302，其耦合至集成器和信号调理电路304。在一些实施例中，罗柯夫斯基(Rogowski)线圈AC电流传感器302可包括非铁磁电流转换器且可被配置成使得AC信号不同且在较大DC电流存在下捕获较小AC信号。集成器和信号调理电路304可集成并缩减AC电流信号的带宽(例如，经由低通滤波器)且恢复原始信号用于专注于所关注信号区域的后处理同时减小对于数字捕获的图形保真。
集成器和信号调理电路304的输出可经由一个或多个通信信道306被提供至与相关联微处理器进行通信的模数(“A/D”)转换器306。A/D转换器306可被配置成移动所接受信号的电平，并将该信号转换成数字信号(例如，16位数字信号)。在转换之后，A/D转换器可将转换的信号经由一个或多个通信信道308提供至微处理器，其继而可在期望频率下提取电流的幅度。在转换之后，A/D转换器可将转换的信号经由一个或多个通信信道308提供至微处理器，其继而可在期望频率下提取电流的幅度。
图3B示出了用于测量与确定与这里所公开的实施例相一致的HFR响应相关的电压的示例性信道300b的框图。如图所示，电压测量信道300b可包括耦合到FC堆的正端子的测量电容器310(负端子耦合到独立的参考312)。测量电容器310可阻断直流电压含量。放大器和信号调节电路314可放大信号以提高信号质量，然后将放大后的信号通过低通滤波器以缩减交流电压信号的宽带至感兴趣期望的频率，且可能降低数字捕获信号抗锯齿。
可以通过一个或多个通信信道318将放大器和信号调节电路314的输出提供给与相关联的微处理器相通信的A/D转换器316。A/D转换器316可配置成改变已接收信号的电平并将该信号转化为数字信号(例如，16位数字信号)。转化之后，A/D可通过一个或多个通信信道308将转化后的信号提供至微处理器，这反过来可以在期望的频率提取电压幅度。
这里所公开的实施例可以利用多频率下的、准确一致的HFR响应来检测阳极污染物。在特定实施例中，多频率下的HFR响应测量可能会在一个时间范围内同步地表现和/或顺序地表现，这样可以将测得的响应有效地与所公开的系统和方法一起进行比较使用。在另一些实施例中，测量信道300a、300b可使得在多个频率同步HFR响应测量，同时减少处理器负荷。
在一些实施例中，测量信道300a、300b还可以允许通过线性测量在感兴趣的整个频率范围内减少测量偏差和测量点之间的讹误。在某些实施例中，这样可以简化测量数据采集，允许单个采集周期和减小的测量硬件。在另一些实施例中，由于在测量采样过程中变化的工作条件，所述HFR响应同步测量可以帮助减少任何变化，从而改进所述阳极污染物检测。
图4示出用于根据本文所公开的实施例的FC系统中的所述检测阳极污染物的示例性方法400的流程图。在一些实施例中，可以至少部分地通过使用FC控制系统和/或其他任何合适的计算机系统来执行示出的方法300和/或任何其组成步骤。
方法400可开始于402。在某些实施例中，方法400可以基于限定的窗口策略启动(例如，在某些电源窗口组启动、关闭等)。在404，可以测量在第一频率的FC系统的HFR响应。例如，在一些实施例中，可以在1kHz测量FC系统的HFR响应。
在406，可以测量在第二频率的所述FC系统的HFR响应。例如，在一些实施例中，可以在6kHz测量FC系统的HFR响应。根据本文所公开的实施例，在某些实施例中，可以同步地捕获在404和406测量的HFR响应。在其他实施例中，可以异步地收集响应，但在一个时间周期内，可有效地比较所得到的HFR响应以确定阳极污染物。
可以在408比较404处的第一频率下测量的HFR响应和在406处的在第二频率下测量的HFR响应以确定响应之间的差值是否超过阈值。在一些实施例中，可以通过FC特性测试来获得阈值，并且该阈值可包括HFR差值阈值，指示阳极污染物的水平，其中应当启动恢复程序。
如果差值没有超过阈值，方法400可返回406和408，其中，可再次获得在第一和第二频率下的HFR响应用于比较。如果在不同的频率下测量的HFR响应之间的差值超过阈值，然而，方法400可前进到410，可以在那里启动阳极污染物恢复程序。
在一些实施例中，恢复程序可能将氧气引入FC堆以便氧化任何在阳极被污染的CO，尽管任何其他合适的恢复程序设计为恢复与阳极污染物相关联的性能损失，也可以与所公开的实施例结合使用。例如，在一些实施例中，阀可连接到阳极和阴极。在恢复程序期间，可以使阳极压力比阴极压力低，以便当阀被打开时，将空气(例如，21％的O2)引入阳极，从而氧化污染物。方法400可以继续前进至412终止。
图5示出系统500的图，用来实施所公开系统和方法的多个实施例。在特定实施例中，计算机系统500可以是个人计算机系统、服务器计算机系统、车载计算机、内部FC控制系统、外部FC控制系统和/或任何其他适合实施公开系统和方法的系统类型。在另一些实施例中，计算机系统500可以是任何便携的电子计算机系统或电子设备，包括，例如，笔记本计算机、智能手机和/或台式电脑。
如图所示，计算机系统500可包括，其中，一个或多个处理器502、随机存储器(RAM)504、通信接口506、用户接口508、永久计算机可读存储介质510。处理器502、RAM404、通信接口506、用户接口508、计算机可读存储介质510可以是通过公用数据总线512通信地彼此耦合。在一些实施例中，计算机系统500的各种组件可采用硬件、软件、固件和/或其任何组合来实现。
用户接口508可包括任何数量的设备，允许用户与计算机系统500交互。例如，用户接口508可用于为用户显示交互式接口。用户接口508可以是单独的接口系统，通信地与计算机系统500耦合或，选择地，可以是集成系统，例如为笔记本电脑或其他类似设备的显示接口。在特定实施例中，用户接口508可以用来生产触摸式显示屏。用户接口508还可包括任何数量的其他输入装置包括，例如，键盘、轨迹球，和/或指针设备。
通信接口506可以是任何接口，能够与其他计算机系统通信，外围设备，和/或其他装置通信地与计算机系统500耦合。例如，通信接口506可允许计算机系统500与其他计算机系统通信(例如，与外部数据库和/或因特网相关联的计算机系统)，允许转移和接收来自此类系统的数据。通信接口506可包括，其中，调制解调器、卫星数据传输系统、，以太网卡和/或任何其他合适设备，可使计算机系统500连接到数据库和网络，例如局域网，广域网，城域网和因特网。在另一些实施例中，通信接口506还可以与一个或多个传感器通信(例如，电流传感器、电压传感器)和/或其他系统，配置成测量和/或以其他方式提供信息，用于有关本公开实施例的使用。
处理器502可包括一个或多个通用处理器、专用处理器、可编程微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可程式闸列阵、其他可定制或可编程处理设备和/或任何其他设备或设备设置，能够实施在此公开的的系统和方法。
处理器502可配置成执行存储在永久计算机可读存储介质510上的计算机可读指令。计算机可读存储介质510可存储所期望的其他数据或信息。在某些实施例中，计算机可读指令可包括计算机可执行功能模块514。例如，计算机可读指令可包括一个或多个功能模块，配置成实施以上所描述的系统和方法的全部或部分功能。可存储在计算机可读存储介质510上的特殊功能模块可包括配置成协调测量和/或以其他方式确定HFR在多个频率对FC系统作出反应的模块，配置成对比测得HFR频率响应和限值之间差值的模块，配置成启动基于对比的恢复程序的模块，和配置成以其他方式控制关联恢复程序的模块，和/或配置成实施在此公开的系统和方法的任何其他模块或多个模块。
尽管为了清楚理解的目的而对上述内容进行详细描述，但是显而易见的是，在不偏离本发明原则的情况下，可以进行某些改变和修改。本文中所公开的实施例的某些特征可在任何合适的配置或组合中被配置和/或被合并。此外，本文中所公开的某些系统和/或方法可用于不包括在车辆中的FC系统(例如，备用电源电池系统等)。应注意的是，有许多可选择的方式来实施本文中所描述的工艺和装置。另外，尽管根据测量和比较在两种频率下采用的FC系统的HFR响应来进行讨论，但是应当理解，所公开的系统和方法的实施例可与任何合适数量的多个频率一起使用。相应地，本实施例应被认为说明性的而非限制性的，以及本发明不限于本文中提供的细节，但可在所附权利要书的范围和和等同物内进行修改。
参照多个实施例已对上述说明书进行描述。然而，本领域的普通技术人员应理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行各种修改和改变。可以不同的方式来实施各种操作步骤以及用于执行操作步骤的部件，这取决于具体的应用或鉴于与该系统的操作相关联的任何数量的成本函数。相应地，可删除、修改该步骤中的任何一个或多个步骤或将其与其他步骤相结合。另外，本发明将被视为具有说明性而非限制性意义，以及所有这种修改旨在包括在本发明的范围内。同样，上文参考各种实施例，描述了益处、其他优势以及问题的解决方案。然而，益处、优势、问题的解决方案以及可带来任何益处、优势或问题的解决方案或变得更为突出的任何要素不应被理解为关键、必要或基本特征或要素。
如本文中所使用，术语“包含”和“包括”，以及这两个术语的任何其他变体旨在涵盖非排他性包含，从而包含一系列要素的工艺、方法、物品或装置不仅包括这些要素，还可包括其他未明确列出或这种工艺、方法、系统、物品或装置所固有的其他要素。而且，如本文中所使用，术语“已耦合”、“耦合”以及这两个术语的任何其他变体旨在涵盖物理连接、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。
本领域技术人员应理解，在不偏离本发明的基本原理的情况下，可对上述实施例的细节做出许多改变。因此，本发明的范围应仅由下列权利要求书来确定。

Claims (10)

1.一种用于启动由系统执行的燃料电池系统中的恢复程序的方法，所述系统包含处理器和存储指令的通信耦合非暂时性计算机可读存储介质，当所述处理器执行所述指令时，所述指令使所述处理器执行所述方法，所述方法包括：
以第一频率测量所述燃料电池系统的第一高频电阻响应；
以第二频率测量所述燃料电池系统的第二高频电阻响应；
确定所述第一高频电阻响应和所述第二高频电阻响应之间的差值；
将所述差值与阈值进行比较；以及
基于所述差值超过所述阈值而启动所述燃料电池系统中的恢复程序。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一频率包括第一频率范围内的频率以及所述第二频率包括第二频率范围内的频率，所述第二频率范围大于所述第一频率范围。
3.如权利要求1所述的方法，其中同步测量所述第一高频电阻响应和所述第二高频电阻响应。
4.如权利要求1所述的方法，其中在限定时间窗内异步测量所述第一高频电阻响应和所述第二高频电阻响应。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述阈值包括表明染料电池系统中的阳极污染物的阈值水平的阈值。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述阳极污染物包括所述燃料电池系统中的一氧化碳污染，且所述恢复程序包括将氧气引入所述燃料电池系统中以氧化所述一氧化碳。
7.如权利要求1所述的方法，其中使用单流测量信道和电压测量信道测量所述第一高频电阻响应和所述第二高频电阻响应。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池包括单个电池。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池包括多个电池。
10.一种存储指令的非暂时性计算机可读存储介质，当通过处理器执行所述指令时，所述指令使所述处理器执行用于启动燃料电池系统中的恢复程序的方法，所述方法包括：
以第一频率测量所述燃料电池系统的第一高频电阻响应；
以第二频率测量所述燃料电池系统的第二高频电阻响应；
确定所述第一高频电阻响应和所述第二高频电阻响应之间的差值；
将所述差值与阈值进行比较；以及
基于所述差值超过所述阈值而启动所述燃料电池系统中的恢复程序。
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