經由堆電壓響應分析診斷噴射器故障的制作方法
【專利摘要】經由堆電壓響應分析診斷噴射器故障。具體地，一種用于確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的陽極噴射器是否已經故障的系統和方法。該方法包括監測燃料電池堆的電壓并且執行堆電壓的頻譜分析以識別堆電壓中的幅度峰值。該方法還包括確定堆電壓的頻譜分析在噴射器適當地運行的情況下幅度峰值應出現的位置處是否已經識別到幅度峰值。如果在該位置處未識別到幅度峰值，則該方法確定噴射器未適當地運行。如果在該位置處識別到幅度峰值，則該方法將該幅度峰值與期望的幅度峰值相比較以識別該幅度峰值是否在閾值內從而確定噴射器是否適當地運行。
【專利說明】經由堆電壓響應分析診斷噴射器故障
【技術領域】
[0001]本發明大體涉及一種用于確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的噴射器是否適當地運行的系統和方法，并且更具體地，涉及一種用于通過頻譜地分析堆的電壓響應來確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的噴射器是否適當地運行的系統和方法。
【背景技術】
[0002]因為氫是清潔的，并且可用于在燃料電池中高效地產生電，所以氫是非常有吸引力的燃料。汽車工業在將氫燃料電池系統開發作為車輛的動力源上消耗大量資源。這樣的車輛將是更加有效的并且產生比如今的利用內燃機的車輛更少的排放物。燃料電池車輛預期在不久的將來在汽車市場中越來越流行。
[0003]質子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的流行燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子導電膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常但不總是包括精細分開的催化顆粒，通常為高活性催化劑，例如通常支撐在碳顆粒上并與離聚物混合的鉬(Pt)。催化混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定膜電極組件(MEA)。MEA的制造相對貴并且需要用于有效操作的特定條件。
[0004]若干個燃料電池通常組合在燃料電池堆中，以產生期望的功率。例如，用于車輛的典型的燃料電池堆可以具有兩百個或更多個堆積的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常為通過壓縮機強迫通過堆的空氣流。并非全部氧都被堆消耗，一些空氣作為陰極廢氣輸出，陰極廢氣可包括作為堆副產物的水。燃料電池堆還接收流入到堆的陽極側的陽極氫輸入氣體。
[0005]燃料電池堆包括位于堆中的若干個MEA之間的一系列雙極板，其中，雙極板和MEA位于兩個端板之間。雙極板包括用于堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流場設置在雙極板的陽極側上，從而允許陽極反應物氣體流到相應的MEA。陰極氣體流場設置在雙極板的陰極側上，從而允許陰極反應物氣體流到相應的MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由諸如不銹鋼或導電復合物的導電材料制成。端板將由燃料電池產生的電傳導離開堆。雙極板還包括冷卻流體流經的流動通道。
[0006]在燃料電池堆內的膜需要具有足夠的含水量，使得橫跨膜的離子阻抗是足夠低的以有效地引導質子。膜濕化可來自于堆水副產物或外部濕化。通過堆的流動通道的反應物流在電池膜上具有干燥效果，在反應物流的進口處最明顯。然而，水滴在流動通道內的蓄積可防止反應物流經流動通道，并且可能因為低的反應性氣體流量而導致電池故障，因此影響堆穩定性。在反應性氣體流動通道中以及在氣體擴散層(GDL)內水的蓄積在低堆輸出負荷的情況下是特別令人煩惱的。
[0007]本領域中已知的用于確定膜濕化的技術使用高頻電阻(HFR)濕化措施。HFR濕化措施通過在堆的電負荷上提供高頻成分或AC信號使得在堆的電流輸出上產生高頻波紋而確定。高頻電阻是燃料電池的熟知性質，并且與燃料電池膜的歐姆阻抗或膜質子阻抗密切相關。歐姆阻抗本身是燃料電池膜濕化程度的函數。因此，通過測量激勵電流頻率的特定頻帶內的燃料電池堆的燃料電池膜的HFR，可確定燃料電池膜的濕化程度。
[0008]通常，用于燃料電池系統的氫氣在高壓下被存儲在包括一個或多個互連壓力容器的氣體儲存系統中以為燃料電池堆提供必需的氫氣燃料。該氫氣存儲系統通常包括至少一個壓力調節器作為氫存儲系統的運行所需的不同和大量的閥、計量表、以及配件的一部分，其中該壓力調節器將來自容器中的高壓的氫氣的壓力降低到適合于燃料電池堆的恒定壓力。
[0009]在一種已知類型的燃料電池系統中，通過噴射器將氫氣從氣體儲存系統噴射到燃料電池堆的陽極側中。通過調節噴射器流以匹配被消耗的氫使噴射器受到控制以維持陽極子系統內期望的壓力。典型地，這通過脈沖寬度調制(PWM)控制信號來完成，其中負載循環和頻率被限定并且控制器產生用于期望脈沖的控制信號。壓力調節器可以將氫氣壓力從高達875Mpa的罐壓力降低至近似SOOkpa以將恒定的供應壓力提供給噴射器。噴射器然后提供脈沖流以將堆陽極壓力調節在IOOkpa和300kpa之間的范圍內。在維持陽極壓力的過程中，對燃料電池系統提供功率所需的氫流得到滿足。重要的是要注意，需要調節器和噴射器兩者在遍及車輛運行的功率瞬變的整個范圍上維持精確的壓力控制。噴射器頻率和脈沖寬度受到來自陽極壓力傳感器的反饋的控制。此外，噴射器當被開啟時可以為將氣體流從堆出口循環到堆進口的注射器(ejector)提供高速流。該脈沖運行結合再循環流對維持持久且穩定的系統運行是至關重要的。
[0010]在車輛的壽命中，噴射器將經歷數以億計的運行循環。因為提供給噴射器的氫氣的高壓以及與燃料電池堆運行相關聯的高溫和內噴射器摩擦，所以對于氫燃料噴射器而言，定期故障是相對常見的。如果噴射器故障并且未將期望量的氫提供給堆，則可發生陽極缺料(anode starvation),這會導致電池電極的永久損傷。此外，調制陽極噴射器脈沖串以管理陽極中的氮和水管理兩者，這也會導致陽極缺料。
[0011]用于使用來自陽極子系統的壓力反饋來監測噴射器是否適當地運行的上述技術總體可接受。然而，壓力傳感器也會發生故障和/或不適當地運行，這不允許壓力讀數來確定噴射器故障。對于需要壓力讀數的那些操作，響應于陽極壓力傳感器故障，將模型合并到系統算法中以操作系統。然而，如果陽極壓力傳感器也已經失靈，則這樣的模型無法確定噴射器是否已經發生故障。
【發明內容】
[0012]根據本發明的教義，公開了一種用于確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的陽極噴射器是否已經發生故障的系統和方法。該方法包括監測燃料電池堆的電壓并且執行堆電壓的頻譜分析以識別堆電壓中的幅度峰值。該方法還包括確定堆電壓的頻譜分析在噴射器適當地運行的情況下幅度峰值應出現的位置處是否已經識別到幅度峰值。如果在該位置處未識別到幅度峰值，則該方法確定噴射器未適當地運行。如果在該位置處識別到幅度峰值，則該方法將該幅度峰值與期望的幅度峰值相比較以識別該幅度峰值是否在閾值內從而確定噴射器是否適當地運行。
[0013]本發明還提供如下方案:
1.一種用于確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的噴射器是否適當地運行的方法，所述方法包括:
使用電壓監測裝置監測所述燃料電池堆的電壓；
執行所述堆電壓的頻譜分析以識別所述堆電壓中的幅度峰值；
識別頻譜分析幅度峰值在所述噴射器適當地運行時應出現在何處；
確定所述頻譜分析在頻譜分析幅度峰值應出現的位置處是否已經識別到頻譜分析幅度峰值；
如果所述頻譜分析在頻譜分析幅度峰值應出現的位置處未識別到頻譜分析幅度峰值，則確定所述噴射器未適當地運行；
確定所述頻譜分析在所述頻譜分析幅度峰值應出現的位置處已經識別到頻譜分析幅度峰值；
確定在所述噴射器適當地運行時在頻譜分析幅度峰值應出現的位置處的所識別的頻譜分析峰值是否具有在所述噴射器適當地運行時在所述頻譜分析幅度峰值的幅度的預定閾值內的幅度；以及
如果所述頻譜分析幅度峰值的幅度不在所述閾值內，則確定所述噴射器可能未適當地運行。
[0014]2.根據方案I所述的方法，其中，僅在監測陽極子系統的壓力的壓力傳感器已經故障的情況下執行用于確定所述噴射器是否適當地運行的方法。
[0015]3.根據方案I所述的方法，其中，執行所述堆電壓的頻譜分析包括忽視在由施加到所述燃料電池堆的高頻電阻(HFR)激勵信號引起的位置處的頻譜分析幅度峰值。
[0016]4.根據方案3所述的方法，其中，應出現的頻譜分析幅度峰值是在比在由所述HFR激勵信號引起的位置處的頻譜分析幅度峰值更低的頻率。
[0017]5.根據方案I所述的方法，其中，執行所述堆電壓的頻譜分析包括執行所述堆電壓的快速傅里葉變換(FFT)分析。
[0018]6.根據方案I所述的方法，還包括識別所述堆電壓與陽極子系統壓力之間的關
系O
[0019]7.根據方案6所述的方法，還包括使用所述堆電壓與所述壓力之間的關系來確定在所述陽極子系統中是否存在泄漏。
[0020]8.根據方案I所述的方法，其中，所述噴射器是在陽極再循環系統中的組合噴射器和注射器。
[0021]9.一種用于確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的噴射器是否適當地運行的方法，所述方法包括:
使用電壓監測裝置監測所述燃料電池堆的電壓；
執行所述堆電壓的快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析以識別所述堆電壓中的幅度峰
值；
將在所述堆電壓的頻譜分析中所識別的幅度峰值與在所述噴射器適當地運行時應出現的頻譜分析幅度峰值相比較；以及
基于所述比較確定所述噴射器是適當地運行還是未適當地運行。
[0022]10.根據方案9所述的方法，其中，僅在監測陽極子系統的壓力的壓力傳感器已經故障的情況下執行用于確定所述噴射器是否適當地運行的方法。[0023]11.根據方案9所述的方法，其中，執行所述堆電壓的FFT頻譜分析包括忽視在由施加到所述燃料電池堆的高頻電阻(HFR)激勵信號引起的位置處的頻譜分析幅度峰值。
[0024]12.根據方案11所述的方法，其中，應出現的頻譜分析幅度峰值是在比在由所述HFR激勵信號引起的位置處的頻譜分析幅度峰值更低的頻率。
[0025]13.根據方案9所述的方法，還包括識別所述堆電壓與陽極子系統壓力之間的關
系O
[0026]14.根據方案13所述的方法，還包括使用所述堆電壓與所述壓力之間的關系來確定在所述陽極子系統中是否存在泄漏。
[0027]15.根據方案9所述的方法，其中，所述噴射器是在陽極再循環系統中的組合噴射器和注射器。
[0028]16.一種用于確定在與燃料電池堆相關聯的陽極子系統中是否存在泄漏的方法，所述方法包括:
使用電壓監測裝置監測燃料電池堆的電壓；
識別所述堆電壓與陽極子系統壓力之間的關系；以及
使用所述堆電壓與所述壓力之間的關系來確定在所述陽極子系統中是否存在泄漏。
[0029]17.根據方案16所述的方法，其中，監測所述燃料電池堆的電壓包括監測在所述燃料電池堆中的各個燃料電池的電壓。
[0030]18.根據方案17所述的方法，還包括使用所述電池電壓與所述壓力之間的關系來確定在所述燃料電池堆中的燃料電池之一中是否存在泄漏。
[0031]19.一種用于確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的噴射器是否適當地運行的系統，所述系統包括:
使用電壓監測裝置監測燃料電池堆的電壓的裝置；
執行所述堆電壓的快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析以識別所述堆電壓中的幅度峰值的裝置；
將在所述堆電壓的頻譜分析中所識別的幅度峰值與在所述噴射器適當地運行時應出現的頻譜分析幅度峰值相比較的裝置；以及
基于所述比較確定所述噴射器是適當地運行還是未適當地運行的裝置。
[0032]20.根據方案19所述的系統，其中，所述系統僅在監測陽極子系統的壓力的壓力傳感器已經發生故障的情況下確定所述噴射器是否適當地運行。
[0033]本發明的額外特征將從下列描述和所附權利要求并結合附圖變得明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是燃料電池系統的簡化示意框圖；
圖2是示出相對于噴射器脈沖的堆電壓響應的圖形，其中時間在橫軸上，并且電壓在縱軸上；
圖3是示出提供給燃料電池堆的HFR激勵信號的圖形，其中時間在橫軸上，并且電流在縱軸上；
圖4是示出在堆上的電壓的FFT頻譜分析的圖形，其中頻率在橫軸上，并且幅度在縱軸
上； 圖5是示出在關于噴射器脈沖的FFT頻譜分析的圖形，其中頻率在橫軸上，并且幅度在縱軸上；以及
圖6是示出用于基于堆電壓的頻譜分析確定陽極噴射器是否適當地運行的過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0035]對涉及用于確定陽極噴射器是否適當地運行的系統和方法的本發明的實施例的下列討論，本質上僅僅是示例性的，并且決不旨在限制本發明或其應用或使用。
[0036]圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統10的簡化的示意框圖。燃料電池系統10還包括壓縮機14，該壓縮機14將在陰極輸入線16上的空氣提供給燃料電池堆12的陰極偵牝其中陰極排氣從在陰極排氣線18上的堆12輸出。燃料電池系統10還包括氫氣源20，典型地高壓罐，該氫氣源20提供氫氣給噴射器22，該噴射器22將在陽極輸入線24上的受控量的氫氣噴射到燃料電池堆12的陽極側。盡管未特別地示出，但是本領域的技術人員將理解，將設置各種壓力調節器、控制閥、切斷閥等以將來自源20的高壓氣體供應至適合于噴射器22的壓力。噴射器22可為適合于本文所討論的目的的任何噴射器。一個適當的示例是如在 2008 年 I 月 22 日授予的、題為 “Combination of Injector-Ejector for FuelCell Systems (用于燃料電池系統的噴射器-注射器的組合)”、轉讓給本申請的受讓人并且通過引用并入本文的美國專利N0.7，320，840中描述的噴射器/注射器。
[0037]陽極排出氣體在陽極輸出線26上從燃料電池堆12的陽極側輸出，所述陽極輸出線26設置到排放閥28。如本領域的技術人員很好地理解的，從燃料電池堆12的陰極側的氮跨越稀釋在堆12的陽極側中的氫，從而影響燃料電池堆性能。因此，必須定期地使陽極排放氣體從陽極子系統泄放以減少陽極子系統中氮的量。當系統10在正常非泄放模式下操作時，閥28處在如下位置:在該位置中，陽極排放氣體被提供給再循環線30，該再循環線30使陽極氣體再循環到噴射器22以將其操作為注射器并且以提供再循環的氫返回到堆12的陽極輸入。當命令泄放以減少堆12的陽極側中的氮時，命令閥28將陽極排放氣體引導至旁路線32，該旁路線32將陽極排出氣體與線18上的陰極排氣結合，其中氫氣被稀釋并且適合于環境。
[0038]壓力傳感器34測量陽極輸出線26中的壓力，但可在陽極子系統內的任何位置以提供陽極側壓力測量。控制器36從壓力傳感器34接收壓力讀數，并且確定壓力傳感器34是否如本文的討論適當地運行。此外，控制器36執行確定噴射器22是否也如本文的討論適當地運行的操作。盡管系統10是陽極再循環系統，但是本發明對于其它類型的燃料電池系統將具有應用，所述其它類型的燃料電池系統包括本領域的技術人員很好地理解的陽極流移位系統。
[0039]如將在下文中詳細地討論的，本發明提出用于基于堆電壓響應于由噴射器22打開和關閉引起的陽極子系統壓力如何改變來確定噴射器22是否適當地運行的算法。換言之，如上文所討論的，當噴射器22響應于其負載循環控制信號打開和關閉時，陽極子系統內的壓力響應于噴射器22的位置上升和下降。在當前燃料電池系統中，壓力中的這種變化由高速壓力傳感器即壓力傳感器34測量，并且該壓力變化可用來確保噴射器22如預期那樣運行。然而，如果壓力傳感器34失靈或故障，則系統10仍然可使用各種壓力模型運行，但是不存在用于確定噴射器22適當地運行的已知方法。因為堆電壓響應于這些壓力改變而改變，所以如果壓力傳感器34故障，則監測堆電壓可用來確定噴射器22是否適當地運行。
[0040]圖2是示出響應于噴射器22以特定噴射器負載循環打開和關閉的堆電壓的圖形，其中時間在橫軸上，并且電壓在縱軸上。如上所述，一些已知的燃料電池系統將AC HFR激勵信號施加到堆12，從而用來確定堆含水量。圖3是示出這種HFR激勵信號的圖形，該HFR激勵信號將其本身表示為圖2中所示的電壓信號上的噪聲，其中時間在橫軸上，并且電流在縱軸上。
[0041]堆電壓與陽極壓力之間的關系可示出如下。圖2中所示的堆電壓的上升是電池平衡電壓中的增加的結果，即，由于能斯脫(Nernst)方程:
【權利要求】
1.一種用于確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的噴射器是否適當地運行的方法，所述方法包括: 使用電壓監測裝置監測所述燃料電池堆的電壓； 執行所述堆電壓的頻譜分析以識別所述堆電壓中的幅度峰值； 識別頻譜分析幅度峰值在所述噴射器適當地運行時應出現在何處； 確定所述頻譜分析在頻譜分析幅度峰值應出現的位置處是否已經識別到頻譜分析幅度峰值； 如果所述頻譜分析在頻譜分析幅度峰值應出現的位置處未識別到頻譜分析幅度峰值，則確定所述噴射器未適當地運行； 確定所述頻譜分析在所述頻譜分析幅度峰值應出現的位置處已經識別到頻譜分析幅度峰值； 確定在所述噴射器適當地運行時在頻譜分析幅度峰值應出現的位置處的所識別的頻譜分析峰值是否具有在所述噴射器適當地運行時在所述頻譜分析幅度峰值的幅度的預定閾值內的幅度；以及 如果所述頻譜分析幅度峰值的幅度不在所述閾值內，則確定所述噴射器可能未適當地運行。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，僅在監測陽極子系統的壓力的壓力傳感器已經故障的情況下執行用于確定所述噴射器是否適當地運行的方法。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，執行所述堆電壓的頻譜分析包括忽視在由施加到所述燃料電池堆的高頻電阻(HFR)激勵信號引起的位置處的頻譜分析幅度峰值。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，應出現的頻譜分析幅度峰值是在比在由所述HFR激勵信號引起的位置處的頻譜分析幅度峰值更低的頻率。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，執行所述堆電壓的頻譜分析包括執行所述堆電壓的快速傅里葉變換(FFT)分析。
6.根據權利要求1所述的方法，還包括識別所述堆電壓與陽極子系統壓力之間的關系O
7.根據權利要求6所述的方法，還包括使用所述堆電壓與所述壓力之間的關系來確定在所述陽極子系統中是否存在泄漏。
8.一種用于確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的噴射器是否適當地運行的方法，所述方法包括: 使用電壓監測裝置監測所述燃料電池堆的電壓； 執行所述堆電壓的快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析以識別所述堆電壓中的幅度峰值； 將在所述堆電壓的頻譜分析中所識別的幅度峰值與在所述噴射器適當地運行時應出現的頻譜分析幅度峰值相比較；以及 基于所述比較確定所述噴射器是適當地運行還是未適當地運行。
9. 一種用于確定在與燃料電池堆相關聯的陽極子系統中是否存在泄漏的方法，所述方法包括: 使用電壓監測裝置監測燃料電池堆的電壓；識別所述堆電壓與陽極子系統壓力之間的關系；以及 使用所述堆電壓與所述壓力之間的關系來確定在所述陽極子系統中是否存在泄漏。
10.一種用于確定將氫氣噴射到燃料電池堆的陽極側中的噴射器是否適當地運行的系統，所述系統包括: 使用電壓監測裝置監測燃料電池堆的電壓的裝置； 執行所述堆電壓的快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析以識別所述堆電壓中的幅度峰值的裝置； 將在所述堆電壓的頻譜分析中所識別的幅度峰值與在所述噴射器適當地運行時應出現的頻譜分析幅度峰值相比較的裝置；以及 基于所述比較確定所述噴射器是適當地運行還是未適當地運行的裝置。
【文檔編號】G01R31/36GK103575515SQ201310330482
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月1日 優先權日:2012年8月1日
【發明者】M.辛哈, D.C.迪菲奧爾, J.C.費格利, S.R.法爾塔 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司