CN108808044B - 燃料电池体系结构、监测系统及用于表征燃料电池堆中流体流的控制逻辑 - Google Patents

燃料电池体系结构、监测系统及用于表征燃料电池堆中流体流的控制逻辑 Download PDF

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Abstract

公开了燃料电池体系结构、燃料电池堆监测系统以及用于检测燃料电池堆中的流体性质变化的控制逻辑。公开了一种用于检测燃料电池系统中的流体的流性质变化的方法。该方法包括：例如通过系统分析或访问查找表来确定燃料电池系统的电压变化与流体的流性质之间的相关性；以及从电压‑性质相关性确定与流体的性质变化对应的校准电压降。该方法监测系统电压(例如，在稳定状态下操作的燃料电池堆的移动平均电压)，以及例如当阳极排出阀打开时检测系统电压中的电压大小变化。响应于电压大小变化大于校准电压降，生成指示检测到流性质变化的信号。

Description

燃料电池体系结构、监测系统及用于表征燃料电池堆中流体 流的控制逻辑
引言
本公开通常涉及用于将气态氢基燃料转化为电力的燃料电池系统。更具体地，本公开的各方面涉及监测系统和用于表征从燃料电池堆的阳极体积到阴极体积的流体流的相关控制算法。
目前生产的机动车辆(诸如现代汽车)初始就配备有动力系，该动力系操作以推进车辆并为车载电子设备供电。包含并且常常被误分类为车辆传动系的动力系通常包括原动机，该原动机通过多速动力变速器向车辆的最终驱动系统(例如，差速器、车轴和车轮)传递驱动动力。汽车通常由往复活塞式内燃机(ICE)提供动力，这是因为其立即可用性和相对便宜的成本、重量轻以及整体效率。作为一些非限制性示例，这种发动机包括两冲程和四冲程压缩点火(CI)柴油机、四冲程火花点火(SI)汽油机、六冲程体系结构和旋转式发动机。另一方面，混合动力车辆和电动车辆利用诸如电动发电机的替代动力源来推进车辆并且最小化对发动机的动力依赖并因此提高整体燃料经济性。
混合动力电动和全电动车辆动力系采取各种体系结构，其中一些利用燃料电池系统为一个或多个电动牵引电机提供动力。燃料电池是通常由接收氢气(H2)的阳极、接收氧气(O2)的阴极以及介于阳极与阴极之间的电解质构成的电化学设备。引发电化学反应以在阳极处氧化氢分子以产生自由质子(H+)，然后自由质子穿过电解质以便在阴极处用氧化剂(诸如氧气)还原。具体地，氢气在阳极催化剂层中在氧化半电池反应中被催化分裂，产生自由氢质子和电子。这些氢质子穿过电解质到阴极，在阴极处氢质子与阴极中的氧和电子反应生成水。然而，来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在被传送到阴极之前通过诸如电机或电池的负载被重新导向。
汽车应用中通常采用的燃料电池设计利用固体聚合物电解质膜(PEM)(也称为“质子交换膜”(PEM))在阳极与阴极之间提供离子传输。质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常采用固体聚合物电解质(SPE)质子传导膜(诸如全氟磺酸膜)来分离产物气体并除了传导质子之外还提供电极的电绝缘。阳极和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的非常分散的催化颗粒，诸如铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的侧面上以形成阳极催化层和阴极催化层。阳极催化层、阴极催化层和电解质膜的组合限定了膜电极组件(MEA)，在该膜电极组件中，阳极催化剂和阴极催化剂被支撑在离子传导固体聚合物膜的相对面上。
为了产生用于为机动车辆供电所需的电力，通常将多个燃料电池串联或并联地组合成燃料电池堆以实现更高的输出电压并允许更强的电流消耗。例如，用于汽车的典型燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。这些燃料电池堆接收反应气体作为阴极输入，通常作为环境空气流或由压缩机强制通过所述堆的浓缩气态氧流。在正常操作期间，所述堆消耗不定量的氧气；一些剩余氧气作为阴极排出气体输出，其可能包括水作为堆的副产物。燃料电池堆还接收氢气或富含氢气的反应气体作为流入所述堆的阳极侧的阳极输入。氢气在阳极流道内的分布通常基本上保持恒定以用于适当的燃料电池堆操作。在一些操作模式中，将补充氢气供给到燃料电池堆中，使得阳极气体均匀地分布以实现堆输出负载。然而，由于这种额外的氢气输入，阳极排出物中的氢气量可能会增加，这可能导致系统效率降低。
由于非常快速的氢氧化反应动力学和较低的氢气质量传递，堆电压通常对氢浓度不敏感。因此，除氢气不足事件外，堆电压通常不会因氢浓度的变化而显示出显著的变化。同样地，交流阻抗响应通常对阳极中的氢浓度表现出很小敏感性或不敏感。由于这种感知的不敏感性，堆电压在历史上不被用来推断燃料电池的阳极室和阴极室中的氢浓度或氧浓度。相反，已知的方法将实际气体流量与模拟阀门流量进行比较以推断气体浓度，或者采用专用电子传感器来检测这种浓度。然而，由于系统泄漏和操作条件波动(例如，温度、电流密度、相对湿度、压力等)，流量比较具有有限的精度。根据专用感测电子设备，氮和氢传感器是非常昂贵的部件，并且对于估计燃料电池状态(诸如在系统的使用寿命期间确定燃料电池系统的各部分中的氢浓度或氧浓度)是相对不可靠的设备。
发明内容
本文公开了车辆燃料电池体系结构、燃料电池堆监测系统和用于估计燃料电池状态(诸如检测燃料电池堆中的从阳极输送到阴极的从液体到气体和从固体到气体变化的体相流体)的相关控制逻辑。作为示例而非限制，提出了一种用于使用改进阳极阀流表征的燃料电池堆电压响应表征从阳极体积到阴极体积的流体流的新颖程序，以帮助优化堆效率并减少不期望的堆排放。在该示例中，当阳极阀打开时，液态水可以首先流过阀孔口，随后是气体流过孔口。通过监测堆电压并识别校准值的电压骤降事件，可以检测孔口处的体相流体性质变化，诸如液体到气体。当额外的氢气被输送到堆的阴极侧时会发生这种事件，这将通过燃烧在催化剂表面处稀释O2并消耗O2而相应地降低电极中的氧浓度。这种阴极电极处O2浓度的降低将降低燃料电池堆的电压。校准或模拟的电压降大小与阳极阀流有关，以表征阀门处的流体状态变化(液体到气体、气体到液体、气体到固体、固体到气体的体相性质变化)。
对于至少一些所公开构思的伴随益处包括改进的系统可靠性、提高的堆效率、减少的堆排放以及降低的系统成本。例如，所公开的检测方法不需要专用感测设备或使用估计流量作为相检测的基础，而是监测系统电压变化以检测液体到气体或固体到气体的体相流体转变，从而提高可靠性和效率。这种方法通过减少与流量比较相关的精度缺失来提高系统可靠性，并通过消除专用感测设备来降低系统成本。即使系统压力传感器发生故障，也可以通过向系统提供流体特性反馈来实现改进的可靠性。在车辆在崎岖地形上行驶的运行状况期间，由于晃动液体可能产生“噪声”阀流信号；所公开的方法消除了这种信号噪声，从而提供更清晰的信号。其它伴随益处可以包括通过消除对物理传感器的依赖来最小化环境变化的影响和可替换部件故障。
本公开的各方面涉及用于表征燃料电池堆中的流体流以及响应于例如用气态流体替换液体流体来调节系统操作的控制算法。例如公开了一种用于表征从阳极体积到阴极体积的流体流以确定一种流体状态到另一种流体状态(例如，液体到气体和气体到液体)的转变的方法。用于检测燃料电池系统中的流体的整体流性质变化的方法以任何顺序以及以任何所公开特征的任何组合包括：例如通过系统分析、系统建模和/或访问查找表，确定燃料电池系统的电压变化与流体的流性质变化之间的电压-性质相关性；从该电压-性质相关性确定与流体的体相流体性质转变相对应的校准电压降；监测燃料电池系统的系统电压(例如，计算在稳定状态下操作的燃料电池堆的移动平均电压)；例如当阳极排出阀打开时，检测系统电压中的电压大小变化；以及响应于电压大小变化大于模拟或校准电压降的确定，输出指示检测到流动流体性质变化的信号。该信号可以包括用于关闭阳极排出阀的命令信号和/或具有燃料电池系统的液态水分离器是空的或接近空的指示的信号。
本公开的其它方面涉及具有根据任何所公开的性质检测程序调节的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的机动车辆。本文使用的“机动车辆”可以包括任何相关的车辆平台，诸如乘客车辆(燃料电池混合动力的、燃料电池电动的、完全或部分自主的乘客车辆等)、商用车辆、工业车辆、履带式车辆、越野和全地形车辆(ATV)、农场设备、船只、飞机等。根据所公开的性质-变化-检测程序调节的燃料电池组件可以用于其它应用，诸如便携式燃料电池设备(例如用于为住宅和商业设备供电)，以及固定式燃料电池发电厂(例如，设计成为机场、医院、学校、银行和家庭提供清洁、可靠的电力来源)。公开了一种燃料电池供电的机动车辆，其包括车体、多个车轮以及附接到车体以驱动一个或多个车轮的牵引电机。向牵引电机供电的车载燃料电池系统包括：燃料电池堆，其具有介于阴极与阳极之间的质子交换膜；以及阳极排出阀，其调节从阳极到液态水分离器的排出气体的排放。
燃料电池供电的机动车辆还包括用于监测和控制燃料电池系统的车辆控制器，诸如可编程动力系电子控制单元(ECU)。车辆控制器被编程为识别燃料电池系统的电压变化与燃料电池系统中的氢基流体的流性质变化之间的电压-性质相关性，并且从该电压-性质相关性确定与氢基流体的体相流体性质变化对应的校准或阈值电压降。例如当阳极排出阀处于关闭状态和打开状态时，车辆控制器监测燃料电池系统电压，以在阳极排出阀从关闭状态转变到打开状态时检测系统电压中的电压大小变化。响应于电压大小变化大于校准(例如，模拟)电压降，控制器输出指示检测到流动相变化的信号和关闭阳极排出阀的命令信号。可选地，该控制器信号还可以包括临时关闭燃料电池系统的命令。
本公开的其它方面涉及存储可由一个或多个车载电子控制单元的一个或多个处理器中的至少一个处理器执行的指令的非暂时性计算机可读介质。这些指令在执行时使得ECU(一个或多个)执行各种操作，这些操作可以以任何顺序以及以本公开中呈现的任何特征的任何组合包括：确定燃料电池系统的电压变化与燃料电池堆中的流体的性质之间的相关性；从该电压-性质相关性确定与流体的变化对应的模拟或校准电压降；监测燃料电池系统的系统电压；检测堆电压中的电压大小变化；以及响应于电压大小变化大于校准电压降的确定，输出指示检测到流性质变化的信号。
以上概述并非旨在表示本公开的每个实施例或每个方面。相反，前面的概述仅仅提供对在此阐述的一些新颖构思和特征的示例。从以下结合附图和所附权利要求对用于执行本公开的代表性实施例和代表性模式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得显而易见。此外，本公开明确地包括上下文中呈现的元件和特征的任何和所有的组合及子组合。
附图说明
图1是具有根据本公开的各方面的具有流体流相检测能力的代表性燃料电池系统的插图示意图的代表性机动车辆的透视图示。
图2是根据本公开概念的各方面的用于燃料电池相位检测算法的流程图，该算法可以对应于由车载控制逻辑电路、一个或多个可编程电子控制单元或机动车辆的其它基于计算机的设备执行的存储器存储指令。
图3是示出根据本公开的各方面的使用燃料电池堆平均电压来表征从阳极体积到阴极体积的流体流的代表性燃料电池程序的曲线图。
本公开容许各种修改和替代形式，并且一些代表性实施例已经通过示例在附图中示出并且将在下文中详细描述。然而，应该理解的是，本公开的新颖方面不限于附图中示出的精确形式。相反，本公开将覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的范围和精神内的所有修改、等同物、组合、子组合、置换、分组和替代。
具体实施方式
本公开容许许多不同形式的实施例。在附图中示出并且将在下文中详细描述本公开的代表性实施例，应该理解的是，这些代表性实施例将被认为是本公开的原理的示例，并且不旨在将本公开的宽泛方面限制于所示的实施例。就此而言，例如在摘要、发明内容和具体实施方式部分中公开但未在权利要求中明确阐述的元件和限制不应通过暗示、推断或其它方式而单独或集体地并入权利要求中。出于本详细描述的目的，除非明确地否认：单数包括复数，反之亦然；词语“和”和“或”应该是连接的和分离的；词语“所有”意味着“任何和所有”；词语“任何”意味着“任何和所有”；并且词语“包括”和“包含”和“具有”意味着“包括但不限于”。此外，诸如“约”、“几乎”、“基本上”、“近似”等近似词语可以在本文中以例如“在...处、在...附近或接近”或“在…的3-5％内”或“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合的含义使用。
现在参考附图，其中相同的附图标记在几个视图中表示相同的特征，在图1中示出了代表性汽车的图示，为了讨论目的，代表性汽车总体上用10表示并且这里作为四门轿车型乘用车描述。封装在汽车10的车体12内的是总体上用14表示的代表性燃料电池系统，用于为可操作以驱动车辆的车轮18的一个或多个牵引电机16提供电力。示出的汽车10(在本文中也简称为“机动车辆”或“车辆”)仅仅是可以实践本公开的许多方面和特征的示例性应用。同样地，将本发明构思实施为PEMFC型燃料电池系统14也应理解为本文所公开的新颖构思的示例性应用。这样，将理解的是，本公开的许多方面和特征可以应用于其它燃料电池系统体系结构，用于其它的汽车和非汽车应用，并且由任何逻辑相关类型的机动车辆来实现。最后，本文呈现的附图不一定按比例绘制，而是仅仅用于指导目的。因此，附图中所示的具体和相对尺寸不应被解释为限制。
图1的质子交换膜燃料电池系统14配备有一个或多个燃料电池堆20，每个燃料电池堆由例如彼此串联安装的PEM类型的多个燃料电池22组成。在所示的体系结构中，每个燃料电池22例如是具有由质子传导性全氟磺酸膜28隔开的阳极侧24和阴极侧26的多层结构。阳极扩散介质层30设置在PEMFC 22的阳极侧24上，其中阳极催化剂层32介于膜28与相应的扩散介质层30之间并且操作性地连接两者。类似地，阴极扩散介质层34设置在PEMFC 22的阴极侧26上，其中阴极催化剂层36介于膜28与相应的扩散介质层34之间并且操作性地连接两者。这两个催化剂层32和36与膜28配合以全部或部分地限定MEA 38。扩散介质层30和34是多孔构造，其提供到MEA 38的流体入口输送和从其的流体排出输送。阳极流场板(或“双极板”)40以与阳极扩散介质层30邻接的关系设置在阳极侧24上。同样地，阴极流场板(或“双极板”)42以与阴极扩散介质层34邻接的关系设置在阴极侧26上。冷却剂流道44横穿每个双极板40和42，以允许冷却流体流过燃料电池22。各个流体入口端口和歧管将氢燃料和氧化剂引导至阳极流场板和阴极流场板中的通路。
图1还提供了燃料电池系统体系结构的简化框图，其允许估计燃料电池状态，诸如检测燃料电池堆中的离散位置处的流体流的液体到气体、气体到液体、固体到气体和气体到固体的相变。通过附图中的示例已经示出了燃料电池系统的选择部件，并且将在此详细描述。尽管如此，在不背离本公开的预期范围的情况下，燃料电池系统可以包括许多附加的和替代的特征以及其它公知的外围部件。作为示例而非限制，氢气(H2)入口流(无论其是气态的、浓缩的、夹带的还是其它形式的)经由(第一)流体进入管线或软管48从氢气源46传输到燃料电池堆20的阳极侧24。阳极排出物经由(第一)流体排出导管或歧管50离开堆20。压缩机或泵52经由(第二)流体进入管线或软管54将例如环境空气和/或浓缩气态氧(O2)的阴极入口流提供至堆20的阴极侧26。阴极排出物经由(第二)流体排出导管或歧管56从堆20输出。燃料电池系统14还采用阳极再循环，其中阳极再循环气体从阳极排气歧管50供给，通过阳极再循环管线58和流体进入管线48，再循环回到阳极侧24输入，以便节约堆20中的氢气。流量控制阀、流量限制器、过滤器和用于调节流体流的其它已知设备可以由图1的系统14实现。
水是操作燃料电池系统14的副产物；为了从排出歧管50中的阳极排出气流中去除液态水，使其不在阳极再循环气体中被输送回阳极，在排出歧管50与阳极再循环管线58之间设置水分离设备(或“分离器”)60。水分离设备60可以是主动或被动的离心或文氏管、筛网或丝网等，该水分离设备包括容纳由分离器60收集的水的贮存器或罐。泄放/排放阀64流体地耦接到贮存器的底部，该排出/排放阀操作以排放储存器并且任选地从再循环的阳极气体中泄放氮气。在该实施例中，排放的气体和水在排放管线66上被输送到第二水分离设备(或“分离器”)68，该第二水分离设备在将阴极入口流通过流体进入管线54输送到堆20的阴极侧26之前从阴极入口流和排放流中去除水。流量控制阀或孔口71调节流出第二分离器68的流体的流量和/或压力。从该分离器68泄放的水在管线72上被输送以与排出歧管56中的阴极排出气体混合，例如以确保泄放废气内的氢在通过燃料电池系统(FCS)排出口78离开之前被稀释到远低于可燃水平。
燃料电池系统14还配备有各种感测设备，这些感测设备协助监测堆操作、检测流体相变以及调节燃料电池排出和再循环。一些非限制性示例分别包括第一和第二水位指示器62和63，其各自产生指示相应分离器60、68的贮存器中的水位的传感器信号。从这些信号，系统14可以确定何时排放每个分离器贮存器。电压/电流传感器70可操作以在其操作期间测量、监测或以其它方式检测从堆20中的燃料电池22输出的燃料电池系统电压和/或电流。就此而言，电连接器或电缆74将燃料电池堆20连接至车辆的电源76，该电源可以具有牵引电池组的性质。作为另一示例，温度传感器80测量、监测或以其它方式检测燃料电池堆20的温度值。
可编程电子控制单元(ECU)82有助于控制燃料电池系统14的操作。作为示例，ECU82从指示燃料电池堆20的温度的温度传感器80接收一个或多个温度信号T1；ECU 82可以被编程为响应地发出一个或多个命令信号C1以调节堆20和/或燃料电池堆温度控制子系统(未示出)的操作。图1的ECU 82还接收来自电压传感器70的一个或多个电压信号V1；ECU82可以被编程为响应地发出一个或多个命令信号C2以调节氢气源46和/或压缩机/泵52的操作，从而调节堆20的电输出。图1的ECU 82还示出了从水位指示器62、63接收一个或多个流体液位信号L1；ECU 82可以被编程为响应地发出一个或多个命令信号C2以调节泄放/排放阀64和/或流量控制阀/孔口71的操作。ECU 82可以接收额外的传感器信号SN并且可以发出额外的控制命令CN，例如以控制本文所示和/或描述的任何其它子系统或部件。下面更详细地讨论可由ECU 82执行的用于监测燃料电池堆状态的示例性算法。在图1中，源自或延伸到ECU 82的箭头是电子信号或其它通信交换的象征，通过这些通信交换将数据和/或控制命令从一个部件传输到另一个部件。
为了帮助优化燃料电池效率和减少氢气排放，燃料电池系统配备有改进的堆监测功能，其利用堆电压响应来表征从阳极体积到阴极体积的流体流。例如，通过将燃料电池电压降与由于阳极阀开口引起的流动介质相变相关联，可以检测对于燃料电池系统的体相流体性质变化。当阳极阀打开时，正常的是首先液态水流过阀孔口，随后气体流过孔口。如果将额外的氢气输送到阴极，则电极处的氧浓度因通过燃烧在催化剂表面处稀释O2并消耗O2而降低。这种阴极电极处氧浓度的降低将降低燃料电池堆的电压。通过使该电压降的大小与阳极阀流相关联，可以检测流体流相变(液体到气体、气体到液体、气体到固体、固体到气体)。这样，所公开的相变检测程序可以增加燃料电池工作寿命预期并降低系统成本和保修问题，同时使阴极排出氢气浓度最小化。
在至少一些所公开的实施例中，当阳极阀打开时和当阳极阀关闭时，基于电压骤降的相检测计算燃料电池堆电压差。通过使电压变化和流相变(例如从液体到气体)相关联，可以确定相检测。该方法的一个新颖部分是使用操作燃料电池电压响应变化而不是流量变化来确定流相变的时刻。该方法的另一个新颖部分是减少对物理传感器的依赖，这最小化了环境变化和可更换部件故障的影响。与需要三个传感器(阳极入口处的压力传感器、阴极入口处的压力传感器和冷却剂入口的温度传感器)来完成相估计程序的一些传统方法不同，采用单个电压传感器来完成所公开方法中的相估计。
现在参考图2的流程图，根据本公开的各方面，通常以100描述用于操作燃料电池系统(诸如图1的燃料电池系统14)的改进方法或控制策略，例如，用于对流入或流出堆中的一个或多个燃料电池(诸如图1中的堆20的燃料电池22)的流体的整体流性质进行表征。图2中示出并且在下面进一步详细描述的一些或全部操作可以表示对应于处理器可执行指令的算法，这些处理器可执行指令可以存储在例如主存储器或辅助存储器或远程存储器中，并且例如由ECU、中央处理单元(CPU)、车载或远程控制逻辑电路或其它设备执行，以执行与所公开的构思相关联的以上和/或下面描述的任何或全部功能。
图2的方法100从框101开始，其中监测燃料电池系统阀，诸如图1的阳极泄放/排放阀64或流量控制阀/孔口71，以检测阀是处于打开状态(允许液体或气体通过阀)还是处于关闭状态(防止液体或气体通过阀)。在确定阀的操作状态之前、同时或之后，ECU 82将确定燃料电池系统的电压变化与流过阀的流体的流体性质变化(例如，流动相)之间的相关性(本文中也称为“电压-性质相关性”)。通过燃料电池系统分析，通过访问系统校准的查找表或任何其它逻辑相关的手段来确定近似的电压-性质相关性。作为非限制性示例，可以通过使燃料电池系统的堆电压响应与阳极阀处于关闭状态然后处于打开状态时流体的流相变相关来确定电压-性质相关性。在甚至更具体的示例中，电压-性质相关性包括(1)在燃料电池的稳态操作期间，(2)当阳极阀打开时，以及(3)在阳极侧上有压力偏差时，使电压变化与流相变相关。当瞬变效应不再显著时(例如，当燃料电池堆电流密度没有急剧变化时)，可以说燃料电池系统在“稳态”下操作。例如，在负载瞬变期间，响应于来自用户的输入请求，从燃料电池堆汲取的电力显著增加或减少，并且燃料电池堆的操作条件和负载(或电流)相应地改变。为了减轻对瞬时瞬变的信号响应，可以将模拟信号处理滞后块添加到系统以过滤电压信号。
从电压-性质相关性，系统可以识别与流体的流性质变化对应的校准或模拟的“阈值”电压降(Vdip)值。对于至少一些应用，在电流密度(CD)为约0.1安培至1.0安培每平方厘米(A/cm2)之间并且阳极-阴极压力偏差为约20千帕至100千帕(kPa)之间时，校准/模拟的电压降为约0.005伏至0.015伏(V)之间。根据一个具体示例，在电流密度为约1.0A/cm2且阳极侧上的压力偏差为约20kPa时，Vdip值为约5毫伏(mV)。在电流密度为约0.4A/cm2且阳极上的压力偏差为约40kPa时，Vdip值为约10毫伏(mV)。在另一示例中，在电流密度为约0.1A/cm2且阳极侧上的压力偏差为约40kPa时，Vdip值为约15毫伏(mV)。在100kPa下，以大约2秒的阀泄放，Vdip值可能会增加到约25mV(干)至35mV(湿)。对于阳极与阴极之间的低压差，对于至少一些应用可能需要利用低电流密度区(<＝1.0A/cm2)；在高电流密度区(>1.0A/cm2)中，对于至少一些应用可能需要提高阳极与阴极之间的压力差。
继续参考图2，方法100进行到框103并监测燃料电池系统的系统电压。该系统电压可以包括选定的燃料电池子集、随机采样的燃料电池或燃料电池堆中的所有燃料电池的平均电池电压。在具体示例中，监测系统电压包括在稳态条件下操作时计算移动平均燃料电池电压。这可以包括在阳极阀处于关闭状态时计算第一电压值V1。就此而言，判定框105是对于ECU检测阳极阀是否已经从关闭状态转变到打开状态的可执行指令。如果阳极阀没有打开(框105＝否)，则方法100将循环回到框103并继续监测系统电压。
响应于阳极阀已经转变到打开状态的确定(方框105＝是)，方法100将在临时存储器(或“锁存器”)中存储第一电压值V1，如框107所示，然后在框109处在阳极阀处于打开状态时确定第二电压值V2并检测电压大小变化ΔV。作为示例而非限制，可通过将开阀操作燃料电池电压V2与闭阀操作燃料电池电压V1进行比较并计算第一电压值与第二电压值之间的差：ΔV＝V1-V2来确定电压大小变化ΔV。在判定框111，ECU 82将确定系统电压中的电压大小变化是否大于校准模拟模的电压降(Vdip)值。如果所计算的电压大小变化不大于校准电压降(框111＝否)并且阀保持打开，则方法100将循环回到框109并继续监测系统电压，然后确定新的开阀操作燃料电池电压V2，从而检测新的电压大小变化，然后确定这个新的电压大小变化是否大于与指定的流体性质变化相关的Vdip值。
响应于电压大小变化大于校准/模拟的电压降的确定(框111＝是)，方法100进行到框113并输出指示检测到流相变的信号。响应于电压大小变化大于校准/模拟的电压降而输出的信号还可以包括燃料电池系统14的阳极液态水分离器60为空或接近空的指示。对于至少一些系统体系结构，可能期望该输出信号还包括例如在框115处用于关闭所监测的一个或多个阀的相应命令信号。在图2所示的代表性示例中，燃料电池系统电压响应也可以用于诊断卡住或发生其它故障的阀组件。在判定框117处，方法100可以确定是否停止运行燃料电池堆20。响应于正性确定(框117＝是)，ECU82可以在框119处输出命令信号以停用或以其它方式临时中断燃料电池堆20和/或系统14的任何其它部件的操作。相反，响应于不停止运行燃料电池堆的确定(框117＝否)，方法100将循环回到框103，并且ECU 82将重新执行在框105-119中阐述的一个或多个可编程指令。
对于至少一些可选的配置，方法100可以利用基于估计流体流的相变检测来补充前述操作的基于燃料电池电压响应的相变检测。也就是说，ECU 82可以进一步被编程为将阳极阀关闭操作条件期间的气体流量与阳极阀打开操作条件期间的气体流量进行比较。如果气体流量变化显著，则生成指示检测到相变的信号。作为示例而非限制，ECU 82可以进一步被编程为在阳极阀的关闭状态和阳极阀的打开状态期间监测燃料电池流体的气体流量。如果监测的气体流量的变化超过校准的流量变化值，则系统将通过输出指示检测到流相变的信号来作出响应。
图3图示了使用燃料电池堆平均电压的代表性燃料电池相检测程序(“基于Vdip的相检测保护”)。在这个示例中，基于Vdip的相检测由电压大小变化表示，在图3中用201表示，根据移动平均燃料电池电压209计算，并与图3中用流信号203表示的基于调谐流的相检测进行比较。在图3中用205表示的Vdip值大小在约1.0A/cm2的电流密度下设定为约0.005V。相比之下，基于流的相阈值以207示出。根据示出的示例，在基于流的程序没有如在2700秒至2750秒之间的211所指示的情况下，基于Vdip的程序检测相变。在这种情况下，基于Vdip检测完成泄放并关闭排放阀。阳极-阴极压力偏差可以例如从20kPa的默认值变化到40kPa，以增加预期的Vdip值，并且因此有助于改善由于Vdip引起的相检测。当通过Vdip程序或基于流的程序检测到相时，阀流可以被确定为具有单相流量的非零值，并且计算出的氢浓度可以开始增加；当计算出的氢浓度增加高于H2阈值的计算百分比(例如3％)时，可以关闭阀。当通过Vdip或基于流的程序检测到相变时，排放槽可以认为是空的；完成排放，并且可以命令关闭阀。
在一些实施例中，本公开的各方面可以通过计算机可执行指令程序(诸如程序模块，通常称为软件应用程序或由车载计算机执行的应用程序)来实现。在非限制性示例中，软件可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件和数据结构。该软件可以形成界面以允许计算机根据输入源作出反应。软件还可以与其它代码段配合以响应于接收到的数据与接收到的数据源一起来发起各种任务。软件可以存储在各种存储介质中的任何一种上，诸如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器和半导体存储器(例如各种类型的RAM或ROM)。
此外，本公开的各方面可以用各种计算机系统和计算机网络配置来实施，包括多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费者电子设备、小型计算机、大型计算机等。另外，本公开的各方面可以在分布式计算环境中实施，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储设备的本地和远程计算机存储介质中。因此，本公开的各方面可以在计算机系统或其它处理系统中结合各种硬件、软件或其组合来实现。
本文所描述的任何方法可以包括用于由(a)处理器、(b)控制器和/或(c)任何其它适当的处理设备执行的机器可读指令。本文公开的任何算法、软件或方法可以以存储在有形介质(诸如闪存、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字多功能盘(DVD)或其它存储设备)上的软件来实现，但是本领域普通技术人员将容易理解，整个算法和/或其部分可以替代地由除了控制器之外的设备执行和/或以固件或专用硬件以众所周知的方式来实现(例如，它可以通过专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、离散逻辑等来实现)。此外，虽然参照本文描绘的流程图描述了特定算法，但本领域普通技术人员将容易理解，可以替代地使用实现示例性机器可读指令的许多其它方法。例如，可以改变框的执行顺序，和/或可以改变、消除或组合所描述的一些框。
尽管已经参照所示实施例详细描述了本公开的各方面，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对其作出许多修改。本公开不限于本文公开的精确构造和构成；从以上描述显而易见的任何和所有修改、改变和变型都在所附权利要求中所限定的本公开的范围内。此外，本发明构思明确地包括前述元件和特征的任何和所有的组合及子组合。

Claims (10)

1.一种用于检测燃料电池系统中的流体的整体流性质变化的方法，其中，所述燃料电池系统包括阳极阀，所述阳极阀能够在关闭状态和打开状态之间转变，所述方法包括：
确定所述燃料电池系统的电压变化与所述流体的流性质变化之间的电压-性质相关性；
从所述电压-性质相关性确定与所述流体的流性质变化对应的校准电压降；
监测所述燃料电池系统的系统电压；
检测当所述阳极阀的状态转变时所述系统电压中的电压大小变化；以及
响应于所述电压大小变化大于所述校准电压降的确定，输出指示检测到所述流性质变化的信号，
其中，所述流性质变化为阳极阀处的流体的体相变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括阳极阀，并且其中，确定所述电压-性质相关性包括：当所述阳极阀处于关闭状态时以及当所述阳极阀处于打开状态时，使所述燃料电池系统的电压变化与所述流体的流性质相关。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括具有阴极侧、阳极侧和阳极阀的燃料电池堆，并且其中，确定所述电压-性质相关性包括：当所述阳极阀打开时且在所述阳极侧上具有压力偏差的情况下，在所述燃料电池堆的稳态操作期间，使所述燃料电池系统的电压变化与所述流体的流性质相关。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述压力偏差在所述阳极侧上比所述阴极侧高20至100千帕(kPa)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括阳极阀，并且其中，监测所述系统电压包括：在所述阳极阀处于关闭状态时确定第一电压值，并且在所述阳极阀处于打开状态时确定第二电压值。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：
确定所述阳极阀是否已经从所述关闭状态转变到所述打开状态；以及响应于所述阳极阀已经转变到所述打开状态的确定，通过计算所述第一电压值与第二电压值之间的差来检测所述电压大小变化。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：响应于所述电压大小变化不大于所述校准电压降的确定，重复监测系统电压以及检测电压大小变化步骤。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括具有阴极侧、阳极侧和阳极排出阀的燃料电池堆，所述阳极排出阀接收来自所述燃料电池堆的所述阳极侧的排出气体，并且其中，响应于所述电压大小变化大于所述校准电压降而输出的信号包括关闭所述阳极排出阀的命令信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述燃料电池系统还包括液态水分离器，所述液态水分离器接收来自所述阳极排出阀的阳极排出气体，并且其中，响应于所述电压大小变化大于所述校准电压降而输出的信号包括液态水分离器为空或接近空的指示。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括阳极阀，所述方法还包括：
在所述阳极阀的关闭状态和所述阳极阀的打开状态期间，监测所述流体的气体流量；以及
响应于所述监测的气体流量中的变化超过校准流量变化值的确定，输出指示检测到流性质变化的信号。
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