專利名稱：無相對濕度感測設備反饋的堆陰極入口相對濕度控制的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及用于控制堆陰極入口相對濕度的系統和方法，并且更具體而言涉及當相對濕度感測設備未正常運行時控制堆陰極入口相對濕度以防止燃料電池堆的不正常濕度的系統和方法。
背景技術：
氫是非常有吸引力的燃料，因為其是清潔的并且能夠用于在燃料電池中有效地產生電。氫燃料電池是電化學設備，包括陽極和陰極以及在陽極和陰極之間的電解質。陽極接收氫氣，并且陰極接收氧氣或者空氣。氫氣在陽極催化劑處離解以產生自由質子和電子。 質子經過電解質到達陰極。質子在陰極催化劑處與氧氣和電子反應以產生水。來自陽極的電子不能經過電解質，并且因此在被發送到陰極之前被引導經過負載以做功。質子交換膜燃料電池(PEFMC)是用于車輛的普遍燃料電池。PEMFC通常包括固態聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括精細分割的催化劑微粒， 通常為鉬(Pt)，支承在碳微粒上并與離子聚合物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對兩側上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定膜電極組件(MEA)。每個MEA通常夾在兩片多孔材料、氣體擴散層(GDL)之間，氣體擴散層保護膜的的機械完整性并有助于均勻的反應物和濕度分布。將陽極和陰極流隔開的MEA部分被稱為有效區域，并且只有在該區域中水蒸氣可以在陽極和陰極之間自由交換。MEA制造相對昂貴，并且需要特定條件進行有效操作。數個燃料電池通常結合在燃料電池堆中，以產生所需功率。例如，典型的用于車輛的燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，典型地為由壓縮機強制通過燃料電池堆的空氣流。并非所有氧氣都被燃料電池堆所消耗，部分空氣被輸出作為陰極排氣，其可以包括作為堆副產物的水。燃料電池堆還接收陽極氫輸入氣體，其流入燃料電池堆的陽極側。燃料電池堆包括位于堆中數個MEA之間的一系列雙極板(分隔器)，其中雙極板和 MEA位于兩個端部板之間。雙極板包括用于堆中相鄰燃料電池的陽極側和陰極側流分配器 (流場)。陽極氣體流通道設置在雙極板的陽極側上，其允許陽極反應氣體流動到相應MEA。 陰極氣體流通道設置在雙極板的陰極側上，其允許陰極反應氣體流動到相應MEA。一個端部板包括陽極氣體流通道，而另一個端部板包括陰極氣體流通道。雙極板和端部板由導電材料制成，例如不銹鋼或導電復合物。端部板將燃料電池產生的電傳導出燃料電池堆。雙極板還包括冷卻流體流動通過的流動通道。燃料電池膜已知具有水吸收，其對于提供質子傳導性而言是必須的。但是，如果條件變得更潮或更濕，則燃料電池膜的水吸收特性使得膜的體積增大，并且如果條件變得更干，則使得體積變小。燃料電池膜的體積變化可能引起膜自身或者相鄰燃料電池部件上的機械應力。此外，太濕的膜可能在低溫環境下引起問題，其中燃料電池堆中的水的凍結可能產生阻塞流動通道并影響系統再啟動的冰。太干的膜可能在下一次系統再啟動時具有太低的導電性，這影響再啟動性能并且可能減小燃料電池堆耐久性。在現有技術中已知使用水蒸氣傳送(WVT)單元以捕獲燃料電池堆的陰極排氣中的部分水，并且使用該水來加濕陰極輸入氣流。在現有技術中還已知使用相對濕度(RH)傳感器來監測陰極輸入氣流的濕度。但是，相對濕度傳感器可能不可靠并且可能失效。因此，在現有技術中需要提供一種方法，在相對濕度傳感器未正常運行(這由不正確相對濕度傳感器讀數證明)時維持燃料電池膜濕度的適當水平，以通過減小發生液體水的機會來改進堆性能，延長堆膜的壽命并且增加堆耐久性。
發明內容
根據本發明的教導，公開了一種用于控制燃料電池系統中燃料電池堆的陰極側的相對濕度的方法。燃料電池系統包括在陰極入口管線上的相對濕度傳感器，用于提供指示陰極入口空氣的相對濕度的相對濕度信號。如果相對濕度傳感器提供正確相對濕度信號， 則相對濕度信號被計算為陰極入口空氣的相對濕度平均值。當相對濕度傳感器未提供正確相對濕度信號時，所計算的相對濕度平均值被用于控制陰極入口空氣相對濕度。如果在啟動期間相對濕度傳感器未提供正確信號，則堆功率被暫時設置在已知陰極入口空氣相對濕度的優化水平。本發明涉及下述技術方案。1. 一種用于控制燃料電池系統中的燃料電池堆的相對濕度的方法，所述方法包括
在陰極入口管線上設置相對濕度傳感器，所述相對濕度傳感器測量陰極入口空氣的相對濕度；
在燃料電池系統啟動時確定相對濕度傳感器是否提供正確的相對濕度信號； 在燃料電池系統的運行模式期間確定相對濕度傳感器是否提供正確的相對濕度信
號；
如果在燃料電池系統的運行模式期間相對濕度傳感器提供正確的相對濕度信號，計算在預定時間段上的相對濕度信號的平均值，該預定時間段由相對濕度傳感器的感測信號特性確定；
如果在運行模式期間相對濕度傳感器變得不正確，使用所計算的相對濕度信號的平均值，以使得燃料電池堆能夠利用閉環陰極入口相對濕度控制來操作；
如果在系統啟動時相對濕度信號不正確，則在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆達預定時段，其中優化堆功率水平提供最高堆相對濕度而不會在堆內產生液體水；和
在所述預定時段屆滿后使用最高堆相對濕度以閉環陰極入口相對濕度控制來操作燃料電池堆。2.根據方案1所述的方法，其中在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆包括將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較。3.根據方案2所述的方法，其中將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較包括如果優化堆功率水平高于所述功率請求，則對系統電池充電。4.根據方案3所述的方法，其中將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較包括如果優化堆功率水平高于所述功率請求并且所述蓄電池處于最大荷電狀態，則在系統部件中耗散功率。5.根據方案1所述的方法，其中如果所述相對濕度傳感器未提供正確的相對濕度信號，則采取補救措施。6.根據方案1所述的方法，其中所述預定時段由堆特性確定。7. 一種用于控制燃料電池系統中的燃料電池堆的相對濕度的方法，所述方法包括
在陰極入口管線上設置相對濕度傳感器以測量陰極入口空氣的相對濕度； 在燃料電池系統的運行模式期間確定相對濕度傳感器是否提供正確的相對濕度信
號；
如果在燃料電池系統的運行模式期間相對濕度傳感器提供正確的相對濕度信號，對每個相繼的預定時間段計算相對濕度信號的平均值；和
如果在運行模式期間相對濕度信號變得不正確，使用所計算的相對濕度信號的平均值，以防止燃料電池堆被不正確地加濕。8.根據方案7所述的方法，其中用于計算相對濕度平均值的該時間段由相對濕度傳感器的感測信號特性確定。9.根據方案7所述的方法，還包括如果在系統啟動時相對濕度信號不正確，則在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆達預定時段，以提供陰極入口空氣的預定相對濕度。10.根據方案9所述的方法，其中在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆包括將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較。11.根據方案10所述的方法，其中將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較包括如果優化堆功率水平高于所述功率請求，則對系統電池充電。12.根據方案11所述的方法，其中將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較包括如果優化堆功率水平高于所述功率請求并且所述蓄電池處于最大荷電狀態，則在系統部件中耗散功率。13.根據方案9所述的方法，其中在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆的所述預定時段由堆設計確定。14. 一種用于控制燃料電池系統中的燃料電池堆的相對濕度的方法，所述方法包括
在陰極入口管線上設置相對濕度傳感器，所述相對濕度傳感器測量陰極入口空氣的相對濕度；
在燃料電池系統啟動時確定相對濕度傳感器是否提供正確的相對濕度信號；和如果在系統啟動時相對濕度信號不正確，則在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆達預定時段，其中優化堆功率水平提供已知的陰極入口相對濕度。15.根據方案14所述的方法，還包括在預定時段屆滿后使用已知的陰極入口相對濕度以閉環陰極入口相對濕度控制來操作燃料電池堆。16.根據方案14所述的方法，其中在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆包括將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較，并且將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較包括如果優化堆功率水平高于所述功率請求，則對系統電池充電。17.根據方案16所述的方法，其中將優化堆功率水平與所述功率請求相比較包括如果優化堆功率水平高于所述功率請求并且所述蓄電池處于最大荷電狀態，則在系統部件中耗散功率。18.根據方案14所述的方法，其中所述預定時段由堆特性確定。19.根據方案14所述的方法，其中如果在燃料電池系統啟動時和燃料電池系統的運行模式期間相對濕度傳感器提供正確的相對濕度信號，對每個相繼的預定時間段計算相對濕度信號的平均值；和
20.根據方案19所述的方法，其中如果相對濕度信號變得不正確，使用所計算的相對濕度信號的平均值，以防止燃料電池堆被不正確地加濕。本發明的其他特征結合附圖從如下說明和所附權利要求變得明顯。
圖1是燃料電池系統的示意性框圖；和
圖2A和圖2B是流程圖，圖示了用于在相對濕度傳感器故障期間提供燃料電池相對濕度控制的方法。
具體實施例方式涉及當相對濕度傳感器未正常運行時用于控制燃料電池或一組燃料電池的陰極入口相對濕度的系統和方法的本發明實施例下述討論，本質上僅僅是示例性的，并且絕不意在限制本發明或其應用或使用。圖1是燃料電池系統10的示意性框圖，燃料電池系統10包括燃料電池堆12。燃料電池堆12在陽極輸入管線16上從氫氣源14接收氫氣，并且在管線18上提供陽極輸出。 泄放閥沈設置在陽極排氣管線18中，以允許陽極周期性地或持續地從堆12泄放陽極廢物流，典型地為氮氣。壓縮機20在陰極入口管線22上通過水蒸氣傳送(WVT)單元M提供空氣流給燃料電池堆12的陰極側，水蒸氣傳送(WVT)單元M加濕陰極入口空氣。陰極入口管線22中的相對濕度(RH)傳感器36測量進入堆12的陰極入口空氣的相對濕度。陰極排氣在陰極排氣管線觀上從堆12輸出。排氣管線觀引導陰極排氣到WVT單元M以提供濕氣來加濕陰極入口空氣。旁通管線30設置在WVT單元M周圍以允許陰極排氣繞過WVT單元24。旁通閥32設置在旁通管線30中并且被控制以選擇性地重定向陰極排氣通過或繞過 WVT單元M以通過所需的濕氣量給陰極入口空氣。蓄電池(未示出)供應功率給燃料電池系統10的各個部件，例如壓縮機20。系統 10還包括從相對濕度傳感器36接收相對濕度測量信號并控制壓縮機20速度、從氫氣源14 的氫氣噴射和旁通閥32與泄放閥沈的位置的控制器34。在已知系統中，當相對濕度傳感器36未正確運行，即當相對濕度傳感器測量值不正確時，控制器34失去其反饋，并且從反饋控制切換到開環控制。開環控制器(即無反饋控制器)僅使用當前狀態并且不使用反饋來確定是否其輸入已經實現期望目標，這對本領域技術人員而言顯而易見。開環控制可能導致不正確的燃料電池堆12濕度，因此，下述算法已經根據本發明被開發出來，以在相對濕度傳感器36未正確運行時提供對開環控制的替代方案。圖2是控制到燃料電池堆12的陰極入口空氣的相對濕度(RH)的算法的非限制性實施例的流程圖40。燃料電池系統10在方框46處開始，并且算法在方框50處提供系統暖機和其他啟動程序。在暖機和其他啟動程序完成后，燃料電池系統10在方框52處進入正常操作模式或運行模式。在燃料電池系統10進入運行模式后，或者在啟動程序期間，算法在判斷菱形框M處確定相對濕度傳感器36是否提供正確相對濕度值。任何適當的算法可以使用來確定傳感器36的讀數是否正確，例如確定傳感器讀數是否是可能值的算法。如果在判斷菱形框M處相對濕度傳感器36感測到正確相對濕度值，在方框56處通過控制器34利用來自相對濕度傳感器36的反饋以提供閉環控制，旁通閥32被使用來控制陰極入口相對濕度。當相對濕度傳感器讀數是正確的時，控制器34在方框58處計算并記錄在可標定時間段上傳感器測量值的陰極入口相對濕度平均值或者濾波平均值，該可標定時間段由相對濕度傳感器36的感測信號特性所確定。換言之，該算法計算每個預定時間段內的相對濕度測量值的平均值。先前時間段的相對濕度平均值或濾波平均值由控制器34 在方框58處記錄并且存儲在存儲器中，例如非易失性存儲器。該算法在判斷菱形框60處再次確定相對濕度傳感器36是否在感測正確的相對濕度值。如果在判斷菱形框60處相對濕度傳感器36繼續感測到正確的相對濕度值，則算法返回到方框56以繼續根據來自相對濕度傳感器36的反饋控制陰極入口相對濕度，并且控制器34在方框58處繼續為每個時間段計算并存儲相對濕度平均值或濾波平均值。如果在判斷菱形框60處相對濕度傳感器36未感測到正確的相對濕度值，在方框62處從存儲器取回由控制器34在方框58處存儲的預定時間段的相對濕度傳感器36的相對濕度平均值或濾波平均值。在方框64處取回的相對濕度值由相對濕度估計模型使用，以向控制器34提供陰極入口相對濕度的估計反饋。只要在判斷菱形框60處相對濕度傳感器36未讀取到正確的相對濕度值，算法就繼續在方框62處從存儲器取回相對濕度值，并繼續在方框64處使用該值估計陰極入口相對濕度。如果相對濕度傳感器36在判斷菱形框60處恢復讀取正確的相對濕度值，則算法返回方框56并且根據來自相對濕度傳感器36的反饋控制陰極入口相對濕度，如上所述。如果在系統啟動程序期間相對濕度傳感器36在判斷菱形框M處未感測到正確的相對濕度值，則歷史記錄的陰極入口相對濕度數據并不存在并且不可由相對濕度估計模型使用。因此，控制器34要求燃料電池堆12使用開環陰極入口相對濕度控制操作在預定的優化功率水平。該優化功率水平是堆12具有最高相對濕度而不會在燃料電池堆12內產生液體水的水平。優化功率水平由堆設計確定，并且能夠通過分析和實驗離線獲得。除了設定堆輸出功率為優化水平外，系統控制算法可以起動補救動作以使得傳感器36正確操作。一旦在方框68處用于堆12的優化功率水平被確定并設定，控制器34在方框78處調節旁通閥32的位置以將陰極入口相對濕度設定為與優化功率水平相對應的期望水平。 接下來，該算法在判斷菱形框80處確定預定時間段是否屆滿。該時間段基于堆特性，例如堆12中的燃料電池數量，并且該時間段被用于確定堆在優化功率水平下可以正常操作的時間量，該時間量通常是有限的小時間量。如果在判斷菱形框80處該時間段尚未屆滿，則算法在判斷菱形框70處確定來自堆12的功率需求(例如來自車輛操作的功率需求)是否大于由燃料電池堆12在優化功率水平下產生的功率。如果在判斷菱形框70來自堆12的功率需求不大于由燃料電池堆12在優化功率水平下產生的功率，這意味著堆12在產生比滿足負載要求所需功率更多的功率，則該算法在判斷菱形框72處確定蓄電池的荷電狀態(SOC) 是否小于預定充電閾值。如果在判斷菱形框72處蓄電池SOC小于預定充電閾值，這意味著蓄電池能夠接受電荷，則蓄電池在方框74處使用由操作在優化功率水平下的堆12產生的額外功率充電，其中堆產生的功率和負載消耗的功率之間的差可能需要較小。如果蓄電池 SOC等于或高于預定充電閾值，則在方框76處堆12產生的額外功率被耗散到系統10或系統10所放置車輛的部件。例如，算法產生的額外功率可以用于起動車輛或者可以由其他功率消耗部件使用，這取決于車輛的功率管理結構。一旦選擇使用過量功率，算法就返回判斷菱形框80以確定該時間段是否屆滿。如果在方框70處來自堆12的功率需求大于由堆12在優化功率水平下產生的功率，蓄電池可以被用于提供所請求的高于在優化功率水平下操作的燃料電池堆12產生功率量的額外功率。然后算法返回到判斷菱形框80以確定該時間段是否屆滿。一旦在判斷菱形框80處該時間段已經屆滿，則算法進行到方框56，以使用用于優化功率水平的相對濕度值(其在方框58處存儲在存儲器中)來提供閉環相對濕度控制。此外，算法允許堆功率被設定為功率需求。如果傳感器36在判斷菱形框60處仍然讀取不正確的信號，則模型在方框64處使用用于優化功率水平的存儲相對濕度值。上述討論僅僅公開并描述了本發明的示例性實施例。本領域普通技術人員將從這些討論并從附圖和權利要求容易認識到，在不背離所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍的情況下能夠在其中進行各種變化、修改和改進。
權利要求
1.一種用于控制燃料電池系統中的燃料電池堆的相對濕度的方法，所述方法包括 在陰極入口管線上設置相對濕度傳感器，所述相對濕度傳感器測量陰極入口空氣的相對濕度；在燃料電池系統啟動時確定相對濕度傳感器是否提供正確的相對濕度信號； 在燃料電池系統的運行模式期間確定相對濕度傳感器是否提供正確的相對濕度信號；如果在燃料電池系統的運行模式期間相對濕度傳感器提供正確的相對濕度信號，計算在預定時間段上的相對濕度信號的平均值，該預定時間段由相對濕度傳感器的感測信號特性確定；如果在運行模式期間相對濕度傳感器變得不正確，使用所計算的相對濕度信號的平均值，以使得燃料電池堆能夠利用閉環陰極入口相對濕度控制來操作；如果在系統啟動時相對濕度信號不正確，則在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆達預定時段，其中優化堆功率水平提供最高堆相對濕度而不會在堆內產生液體水；和在所述預定時段屆滿后使用最高堆相對濕度以閉環陰極入口相對濕度控制來操作燃料電池堆。
2.根據權利要求1所述的方法，其中在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆包括將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較。
3.根據權利要求2所述的方法，其中將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較包括如果優化堆功率水平高于所述功率請求，則對系統電池充電。
4.根據權利要求3所述的方法，其中將優化堆功率水平與來自燃料電池堆的功率請求相比較包括如果優化堆功率水平高于所述功率請求并且所述蓄電池處于最大荷電狀態，則在系統部件中耗散功率。
5.根據權利要求1所述的方法，其中如果所述相對濕度傳感器未提供正確的相對濕度信號，則采取補救措施。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述預定時段由堆特性確定。
7.一種用于控制燃料電池系統中的燃料電池堆的相對濕度的方法，所述方法包括 在陰極入口管線上設置相對濕度傳感器以測量陰極入口空氣的相對濕度；在燃料電池系統的運行模式期間確定相對濕度傳感器是否提供正確的相對濕度信號；如果在燃料電池系統的運行模式期間相對濕度傳感器提供正確的相對濕度信號，對每個相繼的預定時間段計算相對濕度信號的平均值；和如果在運行模式期間相對濕度信號變得不正確，使用所計算的相對濕度信號的平均值，以防止燃料電池堆被不正確地加濕。
8.根據權利要求7所述的方法，其中用于計算相對濕度平均值的該時間段由相對濕度傳感器的感測信號特性確定。
9.根據權利要求7所述的方法，還包括如果在系統啟動時相對濕度信號不正確，則在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆達預定時段，以提供陰極入口空氣的預定相對濕度。
10.一種用于控制燃料電池系統中的燃料電池堆的相對濕度的方法，所述方法包括在陰極入口管線上設置相對濕度傳感器，所述相對濕度傳感器測量陰極入口空氣的相對濕度；在燃料電池系統啟動時確定相對濕度傳感器是否提供正確的相對濕度信號；和如果在系統啟動時相對濕度信號不正確，則在預定優化堆功率水平下操作燃料電池堆達預定時段，其中優化堆功率水平提供已知的陰極入口相對濕度。
全文摘要
一種用于控制燃料電池系統中的燃料電池堆的相對濕度的方法，所述方法包括在陰極入口管線上設置相對濕度傳感器，以提供指示陰極入口空氣的相對濕度的相對濕度信號。如果相對濕度傳感器提供正確的相對濕度信號，相對濕度信號被計算為陰極入口空氣的相對濕度平均值。當相對濕度傳感器未提供正確的相對濕度信號時，使用所計算的相對濕度平均值，以控制陰極入口空氣。如果在系統啟動期間相對濕度傳感器未提供正確的相對濕度信號，則堆功率被暫時設定在用于已知陰極入口空氣相對濕度的預定優化堆功率水平。
文檔編號H01M8/04GK102299358SQ201110176379
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月28日 優先權日2010年6月28日
發明者陳 D., C. 柯克林 M., W. 羅根 V. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司