專利名稱：利用基于hfr陰極進口rh模型與傳感器反饋比較確定水蒸汽傳遞單元故障并且用于診斷 ...的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及一種用于確定燃料電池系統中的水蒸汽傳遞(WVT)單元是否正確地操作的系統和方法，并且更特別地涉及一種用于通過將測量至燃料電池堆的陰極輸入線路中的相對濕度的相對濕度(RH)傳感器的輸出與由確定燃料電池堆內的薄膜的薄膜濕度的高頻電阻(HFR)電路提供的RH值相比較而確定燃料電池系統中的WVT單元是否具有轉換接頭泄漏的系統和方法。
背景技術：
氫由于其干凈并且可用于在燃料電池中有效地產生電，因而是一種非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是電-化學裝置，其包括陽極和陰極以及在其間的電解液。陽極接收氫氣并且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處被分解以產生自由的質子并且電子。質·子通過電解液到陰極。質子與在陰極催化劑處的氧和電子起反應以產生水。來自陽極的電子不能通過電解液，并且因此在被發送到陰極之前直接通過負荷執行作業。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種車輛流行的燃料電池。PEMFC通常包括固相聚合物電解質質子傳導薄膜，例如全氟磺酸薄膜。陽極和陰極典型地，但不總是包括精細地分開分割的催化劑粒子，通常為典型地支承在碳粒子并且與離聚物混合的高活性催化劑，諸如鉬(Pt)。催化劑混合物沉積在薄膜的相對側上。陽極催化劑混合物，陰極催化劑混合物和薄膜的組合限定了薄膜電極組件(MEA)。MEA制造起來相對昂貴并且需要用于有效工作的某些條件。幾個燃料電池典型地組合在燃料電池堆中以產生所需的功率。例如，用于車輛的典型的燃料電池堆可以具有兩百或以上堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，典型地由壓縮機增壓通過電池堆的空氣流。不是所有氧被電池堆消耗并且一些空氣作為陰極排氣被輸出，其可以包括作為電池堆副產品的水。燃料電池堆還接收流入電池堆的陽極側的陽極氫輸入氣體。燃料電池堆包括位于電池堆的幾個MEA之間的一連串的雙極板，其中雙極板和MEA布置在兩個端板之間。雙極板包括用于電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣流場設置在允許陽極反應性氣體流向各自的MEA的雙極板的陽極側上。陰極氣體流場設置在允許陰極反應性氣體流向各自的MEA的雙陰極的陰極側上。一個端板包括陽極氣流通道，并且另一端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由有傳導性的材料制成，例如不銹鋼或傳導的合成物。端板傳導由電池堆外的燃料電池產生的電流。雙極板還包括冷卻液流經的流動通道。燃料電池內的薄膜需要具有充分的含水率從而橫過薄膜的離子阻力足夠低以有效地傳導質子。薄膜增濕可以來自電池堆水副產品或外部增濕。穿過電池堆的氣流通道的反應物的流動在單元薄膜上具有干燥作用，在反應物流動的進口處最顯著。然而，由于低的反應性氣體流動，氣流通道內的水滴的累積防止了反應物通過其流動并且可以使得電池故障，因此影響了電池堆的穩定性。在低電池堆輸出負載時，反應性氣體流動通道中以及氣體擴散層(GDL)內的水的累積尤其麻煩。如上所述，水作為電池堆工作的副產品而產生。所以，來自電池堆的陰極排氣將典型地包括顯著的水蒸汽和液態水。現有技術中公知的是采用水蒸汽傳遞(WVT)單元以捕獲一些陰極中的水蒸汽，并且使用水蒸汽以對陰極輸入氣流增濕。在WVT單元內的水傳遞元件的一側，例如薄膜的陰極排氣中的水，被水傳遞元件吸收并且傳遞到在水傳遞元件的另一側處的陰極氣流中。如上所述，通常需要控制電池堆濕度從而電池堆中的薄膜具有固有的導電性，但如果水在系統關閉期間結冰則流動通道不會變得被冰堵塞。現有技術中公知的是在燃料電池系統的陰極空氣進口中提供RH傳感器以當其進入電池堆時測量陰極進口氣流的增濕作用。使用測量的進口相對濕度和水種類(specie)平衡，或水的質量平衡，可以估計出包括陰極空氣出口流的燃料電池系統的RH曲線。RH傳感器提供RH的準確讀數的能力由傳感器的成本和復雜性決定。典型的需要限制傳感器的成本，這減少了它的精確度。 用于確定薄膜增濕作用的技術在本領域公知的是高頻電阻(HFR)增濕作用測量。HFR增濕作用測量通過在電池堆的電負荷上提供高頻分量或信號從而在電池堆的電流輸出上產生高頻電波。高頻分量的電阻然后由檢測器來測量，其是電池堆中薄膜的增濕作用的水平的涵數。高頻電阻是燃料電池的公知的屬性，并且與燃料電池薄膜的歐姆電阻，薄膜質子阻力緊密相關。歐姆電阻是燃料電池薄膜增濕作用度它本身的涵數。因此，通過測量激發電流頻率的具體頻帶內的燃料電池堆的燃料電池薄膜的HFR，可以確定燃料電池薄膜的增濕作用度。該HFR測量考慮了燃料電池薄膜增濕作用的單獨測量，其可以省去對RH傳感器的需要。典型的WVT單元包括由具體材料制成的薄膜，其中在薄膜一側上的潮溫流動通過薄膜傳遞以對薄膜另一側上的干燥流動增濕。因為制成薄膜的材料相對較薄并且由壓縮機提供的陰極進口側上的壓力比在陰極出口側的壓力大，WVT單元有時產生故障，其中在薄膜中形成孔從而WVT單元的輸入側上的氣流在沒有通過燃料電池堆的情況下直接流入到WVT單元的輸出側。由于存在進入燃料電池堆的氣流損失，在燃料電池堆中可利用的提供至反應的氧減少，這降低了電池堆的性能。此外，作為氣流滲透的結果通過陰極流動通道的較少的氣流降低了能夠從陰極流動通道除去水的氣流的量。此外，如果陰極進口空氣的相對濕度與檢測到的不同，則陰極化學計量將與期望的不同，這也會影響電池堆的性能。
發明內容
根據本發明的教導，公開了一種用于確定增濕陰極氣流至燃料電池系統中的燃料電池堆的WVT單元中是否存在滲透泄漏，或其它故障的系統和方法。燃料電池系統包括確定燃料電池堆中的薄膜的濕度水平的HFR電路和測量至燃料電池堆的陰極側的氣流的相對濕度的RH傳感器。HFR濕度計算值與來自RH傳感器的RH測量值相比較，并且如果兩個RH值之間的差值大于預定校準值，則系統可以確定WVT單元正在故障或需要保養或替換。結合附圖，從以下說明書和所附的權利要求中本發明的附加特征將會變得顯而易見。本發明還提供了以下方案I.一種用于確定水蒸汽傳遞(WVT)單元是否已經故障或正在發生故障的方法，所述水蒸汽傳遞(WVT)單元增濕至燃料電池系統中的燃料電池堆的陰極氣流，所述方法包括測量從WVT單元提供至燃料電池堆的陰極氣流的相對濕度(RH)以提供第一 RH值；使用高頻電阻(HFR)電路計算燃料電池堆中的薄膜的高頻電阻相對濕度以提供第二RH值;
將第一 RH值與第二 RH值相比較以產生RH值差值；
提供校準值；
將RH值差值與校準值進行比較；以及
如果RH差值大于校準值則確定WVT單元已經故障或正在發生故障。2.根據方案I所述的方法，其中提供校準值包括提供在全部電池堆電流密度中相同的校準值。 3.根據方案I所述的方法，其中提供校準值包括提供隨電池堆電流密度增加而增加的校準值。4.根據方案I所述的方法，其中提供校準值包括提供約為計算的高頻電阻相對濕度的20%的校準值。5.根據方案I所述的方法，其中測量陰極氣流的相對濕度(RH)包括使用RH傳感器。6.根據方案I所述的方法，其中確定WVT單元已經故障或正在發生故障包括確定從WVT單元內的薄膜的干側至WVT單元中的薄膜的濕側的陰極氣流的滲透泄漏。7.根據方案I所述的方法，還包括每當RH差值大于校準值時增加計數器值，并且僅僅如果計數器值超過預定計數值確定WVT單元已經故障或正在發生故障。8. 一種用于確定水蒸汽傳遞(WVT)單元是否已經故障或正在發生故障的方法，所述水蒸汽傳遞(WVT)單元增濕至燃料電池系統中的燃料電池堆的陰極氣流，所述方法包括
使用RH傳感器測量從WVT單元提供至燃料電池堆的陰極氣流的相對濕度(RH)以提供第一 RH值；
使用高頻電阻(HFR)電路計算燃料電池堆中的薄膜的高頻電阻相對濕度以提供第二RH值;
將第一 RH值與第二 RH值相比較以產生RH值差值；
提供校準值；
將RH值差值與校準值進行比較；
如果RH差值大于校準值則增加計數器值；
確定計數器值是否大于預定計數值；以及
如果RH差值大于預定計數值則確定WVT單元已經故障或正在發生故障，其中確定WVT單元已經故障或正在發生故障包括確定從WVT單元內的薄膜的干側至WVT單元中的薄膜的濕側存在陰極氣流的滲透泄漏。9.根據方案8所述的方法，其中提供校準值包括提供在全部電池堆電流密度中相同的校準值。10.根據方案8所述的方法，其中提供校準值包括提供隨電池堆電流密度增加而增加的校準值。11.根據方案8所述的方法，其中提供校準值包括提供約為計算的高頻電阻相對濕度的20%的校準值。12. 一種用于確定水蒸汽傳遞(WVT)單元是否已經故障或正在發生故障的系統，所述水蒸汽傳遞(WVT)單元增濕至燃料電池系統中的燃料電池堆的陰極氣流，所述系統包括
測量從WVT單元提供至燃料電池堆的陰極氣流的相對濕度(RH)以提供第一 RH值的裝
置；
計算燃料電池堆中的薄膜的高頻電阻(HFR)相對濕度值以提供第二 RH值的裝置； 將第一 RH值與第二 RH值相比較以產生RH值差值的裝置；
提供校準值的裝置；
將RH值差值與校準值進行比較的裝置；以及
如果RH差值大于校準值則確定WVT單元已經故障或正在發生故障的裝置。13.根據方案12所述的系統，其中用于提供校準值的裝置提供了在全部電池堆電流密度中相同的校準值。14.根據方案12所述的系統，其中用于提供校準值的裝置提供了隨電池堆電流密度增加而增加的校準值。15.根據方案12所述的系統，其中用于提供校準值的裝置提供了約為計算的高頻電阻相對濕度的20%的校準值。16.根據方案12所述的系統，其中測量陰極氣流的相對濕度(RH)的裝置使用RH傳感器。17.根據方案12所述的系統，其中用于確定WVT單元已經故障或正在發生故障的裝置確定從WVT單元內的薄膜的干側至WVT單元中的薄膜的濕側存在陰極氣流的滲透泄漏。18.根據方案12所述的系統，還包括裝置，其在每當RH差值大于校準值時增加計數器值，并且僅僅如果計數器值超過預定計數值確定WVT單元已經故障或正在發生故障。
圖I是燃料電池系統的簡化的方框圖；以及
圖2是示出了基于HFR計算與RH傳感器測量之間的比較用于確定WVT單元中潛在的故障的處理的流程解。
具體實施例方式涉及用于確定設置在燃料電池系統中的增濕陰極進口空氣的WVT單元是否已經存在故障或正存在故障的系統和方法的本發明的實施例的以下討論實質上僅僅是示例性的，并且并不以任何方式旨在限制本發明或其應用或使用。圖I是包括燃料電池堆12的燃料電池系統10的示意性方框圖。壓縮機14通過閥48和對陰極輸入空氣增濕的水蒸汽傳遞(WVT)單元34提供氣流至在陰極輸入線路16上的燃料電池堆12的陰極側。陰極排氣從陰極排氣線路18上的電池堆12輸出，該陰極排氣線路將陰極排氣導向至WVT單元34以提供濕度以對陰極輸入空氣增濕。圍繞WVT單元34提供了旁通線路36以對圍繞WVT單元34的一些或全部陰極輸入氣流導向。旁通閥38設置在旁通線路36中，其中閥48和旁通閥38的位置被控制為有選擇地通過或圍繞WVT單元34對陰極進口氣流導向從而當穿過WVT單元34和旁通線路36的氣流混合時,所需或適當的量的增濕作用提供至陰極輸入氣流，增濕作用的量隨電池堆電流密度的變化而變化。RH傳感器42設置在陰極輸入線路16中以在其已經由WVT單元34增濕后提供陰極輸入氣流的RH測量。燃料電池系統10還包括氫燃料或氣體的源20，典型地為高壓罐，其提供氫氣至噴射器22，該噴射器22噴射控制的量的氫氣至在陽極輸入線路24上燃料電池堆12的陽極偵U。盡管未具體地示出，本領域技術人員將會理解將要提供各種壓力調節器，控制閥，關閉閥等從而以適于噴射器22的壓力從源20供給高壓氫氣。噴射器22可以是適于在此討論的目的的任意噴射器。一個例子是在轉讓給本申請的受讓人的、2008年I月22日公布的、標題為用于燃料電池系統的噴射器/排出器的美國專利號No. 7, 320, 840中描述的噴射器/排出器并且其在此結合作為參考。 陽極流出的輸出氣體是從在陽極輸出線路26上的燃料電池堆12的陽極側輸出的，其提供至放氣閥28。如本領域技術人員將會更好地理解，來自燃料電池堆12的陰極側的滲透氮氣稀釋了電池堆12的陽極側中的氫，由此影響了燃料電池堆的性能。因此，需要周期性地將來自陽極子系統的陽極排出氣體排出以減少陽極子系統中氮氣的量。當系統10在正常的非排出模式中工作時，排出閥28在陽極排出氣體提供至再循環管路30的位置處，在該位置處再循環管路將陽極氣體再循環至噴射器22以由排出器操作并且將再循環的氫氣提供返回至電池堆12的陽極輸入。當命令了排出以減少電池堆12的陽極側中的氮氣時，排出閥28被布置為將陽極排出氣體導向至在線路18上將陽極排出氣體與陰極排氣合并的旁通線路32上，其中氫氣被稀釋并且適合于環境。盡管系統10是陽極再循環系統，本領域技術人員將會理解，本發明將應用到其它類型的燃料電池系統中，包括陽極流量轉換系統。燃料電池系統還包括以本領域技術人員將很好理解的方式確定電池堆12中的薄膜的電池堆薄膜濕度的HFR電路40。HFR電路40確定燃料電池堆12的高頻電阻，該高頻電阻然后用來確定燃料電池堆12內的電池薄膜的增濕。HFR電路40通過確定燃料電池堆12的歐姆電阻，或薄膜質子電阻而工作。薄膜質子電阻是燃料電池堆12的薄膜增濕作用的涵數。本發明提出了一種用于確定WVT單元34是否具有滲透泄漏或其它的故障，或開始故障的系統和方法。在該實施例中，系統10包括確定WVT單元故障可能發生的處理器44。處理器44接收表示燃料電池堆12中薄膜的濕度水平的來自RH傳感器42的RH測量信號和來自電路40的基于HFR的相對濕度信號。兩個值在處理器44中進行比較，如果差值大于預定容許的校準值，然后可能發生潛在的WVT單元故障，這樣可以提供至報警裝置46，例如燈。無論WVT單元34中是否存在滲透泄漏，HFR電路40將檢測薄膜的實際濕度從而如果由于滲透存在較少的流動，則在相同的電池堆電流密度時薄膜將實際變濕。然而，由于泄漏因而陰極進口中存在較少的濕度，陰極輸入線路16中的RH傳感器42將提供較小的HR
測量值。
圖2是示出了用于確定WVT單元34中是否存在滲透泄漏或一些其它潛在故障的處理的流程圖50，其中陰極輸入線路16上的增濕氣流比期望和/或所需的低。用于確定WVT單元34中是否存在滲透泄漏，或一些其它潛在故障的確定的處理可以在任意適當的時間執行，例如系統啟動時，或每次認為合適時，其可以增加系統壽命。在方框52，算法確定在方框54提供的來自傳感器42的RH測量值與在方框56提供的來自電路40的HFR薄膜濕度計算值之間的差值。這兩個RH值之間的差值提供至決定菱形框58，其確定差值是否大于在方框60處提供的預定濕度校準值。對于不同的燃料電池系統，濕度校準值可能不同。濕度校準值可以通過任意適當的技術確定，并且取決于電池堆工作情況可以固定或可以變化。在一個非限制的實施例中，校準值設定為HFR薄膜濕度計算值的20%。校準值在燃料電池堆12的整個電流密度輸出中可以是相同的或可以隨燃料電池堆12的電流密度的增加而增加，其中對于電池堆12的正確工作可以需要更多的增濕。如果在決定菱形框58處兩個RH至之間的差值沒有大于校準值，則算法在方框62處終止，顯示WVT單元34沒有問題。如果RH值之間的差值大于在決定菱形框58處的校準值，則算法在方框64處增加計數值，并且然后在決定菱形框66處確定計數值是否大于預定 計數，該預定計數可以是一個或其它適當的值。如果在決定菱形框66處計數值沒有大于預定計數，則算法不發布故障，并且在方框62處終止。如果在決定菱形框66處計數值超過了預定計數，則算法在方框68處設定診斷問題代碼(DTC)。其可以由車輛的儀表板上的故障燈提供，指示WVT單元34可能故障并且應當進行保養。本領域技術人員將要很好地理解，在此討論用來描述本發明的幾個和多個步驟和處理可以由使用電學現象操作和/或轉換數據的計算機，處理器或其它電子計算裝置執行操作。那些計算機和電子裝置可以使用各種易失性和/或非易失性存儲器，包括具有存儲在其上的具有可執行程序的非暫時性計算機可讀介質，該可執行程序包括能夠由計算機或處理器執行的各種代碼或可執行指令，其中存儲器和/或計算機可讀介質可以包括全部形式或類型的存儲器以及其它計算機可讀介質。公開的上述討論和描述僅僅是本發明的示例性實施例。本領域技術人員將從這樣的討論以及附圖和權利要求中很容易地理解到，在不背離以以下權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下可以做出各種改變，修改以及變化。
權利要求
1.一種用于確定水蒸汽傳遞(WVT)單元是否已經故障或正在發生故障的方法，所述水蒸汽傳遞(WVT)單元增濕至燃料電池系統中的燃料電池堆的陰極氣流，所述方法包括 測量從WVT單元提供至燃料電池堆的陰極氣流的相對濕度(RH)以提供第一 RH值； 使用高頻電阻(HFR)電路計算燃料電池堆中的薄膜的高頻電阻相對濕度以提供第二RH值; 將第一 RH值與第二 RH值相比較以產生RH值差值； 提供校準值； 將RH值差值與校準值進行比較；以及 如果RH差值大于校準值則確定WVT單元已經故障或正在發生故障。
2.根據權利要求I所述的方法，其中提供校準值包括提供在全部電池堆電流密度中相同的校準值。
3.根據權利要求I所述的方法，其中提供校準值包括提供隨電池堆電流密度增加而增加的校準值。
4.根據權利要求I所述的方法，其中提供校準值包括提供約為計算的高頻電阻相對濕度的20%的校準值。
5.根據權利要求I所述的方法，其中測量陰極氣流的相對濕度(RH)包括使用RH傳感器。
6.根據權利要求I所述的方法，其中確定WVT單元已經故障或正在發生故障包括確定從WVT單元內的薄膜的干側至WVT單元中的薄膜的濕側的陰極氣流的滲透泄漏。
7.根據權利要求I所述的方法，還包括每當RH差值大于校準值時增加計數器值，并且僅僅如果計數器值超過預定計數值確定WVT單元已經故障或正在發生故障。
8.一種用于確定水蒸汽傳遞(WVT)單元是否已經故障或正在發生故障的方法，所述水蒸汽傳遞(WVT)單元增濕至燃料電池系統中的燃料電池堆的陰極氣流，所述方法包括 使用RH傳感器測量從WVT單元提供至燃料電池堆的陰極氣流的相對濕度(RH)以提供第一 RH值； 使用高頻電阻(HFR)電路計算燃料電池堆中的薄膜的高頻電阻相對濕度以提供第二RH值; 將第一 RH值與第二 RH值相比較以產生RH值差值； 提供校準值； 將RH值差值與校準值進行比較； 如果RH差值大于校準值則增加計數器值； 確定計數器值是否大于預定計數值；以及 如果RH差值大于預定計數值則確定WVT單元已經故障或正在發生故障，其中確定WVT單元已經故障或正在發生故障包括確定從WVT單元內的薄膜的干側至WVT單元中的薄膜的濕側存在陰極氣流的滲透泄漏。
9.根據權利要求8所述的方法，其中提供校準值包括提供在全部電池堆電流密度中相同的校準值。
10.一種用于確定水蒸汽傳遞(WVT)單元是否已經故障或正在發生故障的系統，所述水蒸汽傳遞(WVT)單元增濕至燃料電池系統中的燃料電池堆的陰極氣流，所述系統包括測量從WVT單元提供至燃料電池堆的陰極氣流的相對濕度(RH)以提供第一 RH值的裝 置；計算燃料電池堆中的薄膜的高頻電阻(HFR)相對濕度值以提供第二 RH值的裝置；將第一 RH值與第二 RH值相比較以產生RH值差值的裝置；提供校準值的裝置；將RH值差值與校準值進行比較的裝置；以及 如果RH差值大于校準值則確定WVT單元已經故障或正在發生故障的裝置。
全文摘要
本發明涉及利用基于HFR陰極進口RH模型與傳感器反饋比較確定水蒸汽傳遞單元故障并且用于診斷代碼和信息。具體地，一種用于確定增濕陰極氣流至燃料電池系統中的燃料電池堆的WVT單元中是否存在滲透泄漏，或其它故障的系統和方法。燃料電池系統包括確定燃料電池堆中的薄膜的濕度水平的HFR電路和測量至燃料電池堆的陰極側的氣流的相對濕度的RH傳感器。HFR濕度計算值與來自RH傳感器的RH測量值相比較，并且如果兩個RH值之間的差值大于預定校準值，則系統可以確定WVT單元正在故障或需要保養或替換。
文檔編號H01M8/04GK102916206SQ20121027491
公開日2013年2月6日 申請日期2012年8月3日 優先權日2011年8月3日
發明者T.K.普雷斯頓, S.E.加西亞, J.C.馬楚卡 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司