對(duì)于燃料電池系統(tǒng)中空氣流量誤差的補(bǔ)救措施的制作方法
【專利摘要】一種系統(tǒng)和方法，用于當(dāng)陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)使車輛中燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組運(yùn)行。所述系統(tǒng)和方法包括估算陰極空氣流速，并檢測(cè)在所估算的陰極空氣流速中的誤差。所述系統(tǒng)和方法還包括當(dāng)在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，利用來(lái)自高頻電阻傳感器的高頻電阻測(cè)量值來(lái)控制燃料電池組的相對(duì)濕度。
【專利說(shuō)明】對(duì)于燃料電池系統(tǒng)中空氣流量誤差的補(bǔ)救措施

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種用于當(dāng)在陰極空氣流量估算中的誤差被檢測(cè)出時(shí)繼續(xù)使燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行的方法，并且更特別地，涉及一種用于當(dāng)在陰極空氣流量估算中的誤差被檢測(cè)出并且最小電池電壓下降到預(yù)定閾值以下時(shí)增加到燃料電池組中空氣流量的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]氫氣是一種非常有吸引力的燃料，因?yàn)樗鼭崈舨⑶夷軌蛴糜谠谌剂想姵刂懈咝У厣a(chǎn)電力。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其包括在其間具有電解質(zhì)的陽(yáng)極和陰極。陽(yáng)極接收氫氣并且陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽(yáng)極催化劑中離解以產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰極催化劑處與氧氣和電子發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生水。來(lái)自陽(yáng)極的電子不能穿過(guò)電解質(zhì)，并且因此在被發(fā)送到陰極之前被引導(dǎo)通過(guò)負(fù)載以做功。
[0003]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種用于車輛的受歡迎的燃料電池。PEMFC總體上包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極典型地包括精細(xì)分割的催化粒子(通常為鉬(Pt))，其被支撐在碳粒子上并與離聚物混合。催化混合物沉積在膜的相對(duì)側(cè)。陽(yáng)極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合定義了一種膜電極組件(MEA)。MEA制造起來(lái)相對(duì)昂貴并且需要一定的條件來(lái)高效運(yùn)行。
[0004]通常，多個(gè)燃料電池組合在燃料電池組中以產(chǎn)生所需的功率。例如，用于車輛的典型的燃料電池組可以具有兩百或更多個(gè)成組的燃料電池。燃料電池組接收陰極輸入氣體(典型地，通過(guò)壓縮機(jī)迫使通過(guò)電池組的空氣流)。并非所有的氧氣都被電池組消耗，并且一些空氣作為陰極排氣被輸出，這些陰極排氣可以包括作為電池組副產(chǎn)品的水。燃料電池組還接收流入電池組陽(yáng)極側(cè)中的陽(yáng)極氫輸入氣體。
[0005]燃料電池組包括定位在電池組中的多個(gè)MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA被定位在兩個(gè)端板之間。雙極板包括用于電池組中相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。陽(yáng)極氣流通道設(shè)置在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上，其允許陽(yáng)極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的MEA。陰極氣流通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，其允許陰極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的MEA。一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣流通道，并且另一個(gè)端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料制成，例如，不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的傳導(dǎo)到電池組之外。雙極板還包括冷卻流體流動(dòng)通過(guò)的流動(dòng)通道。
[0006]如在本領(lǐng)域中所良好理解的，燃料電池膜以一定的相對(duì)濕度(RH)運(yùn)行，以便越過(guò)所述膜的離子電阻足夠低以有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。來(lái)自燃料電池組的陰極出口氣體的相對(duì)濕度通常通過(guò)控制多個(gè)電池組運(yùn)行參數(shù)(例如電池組壓力，溫度，進(jìn)入電池組的陰極空氣的陰極化學(xué)當(dāng)量和相對(duì)濕度)被控制從而控制所述膜的相對(duì)濕度。為了電池組的耐用性之目的，期望使所述膜的相對(duì)濕度循環(huán)數(shù)量最小化，因?yàn)樵赗H極值之間循環(huán)已被示出嚴(yán)重限制膜的壽命。膜的RH循環(huán)導(dǎo)致膜膨脹和收縮，這是由于吸收水并且隨后干燥。膜的這種膨脹和收縮導(dǎo)致膜內(nèi)有針孔，其引起氫氣和氧氣橫跨通過(guò)所述膜從而形成熱點(diǎn)，其進(jìn)一步增加了膜內(nèi)孔的尺寸，從而減少了其壽命。
[0007]如上所述，水可以作為電池組運(yùn)行的副產(chǎn)品產(chǎn)生。因此，來(lái)自電池組的陰極排氣將包括水汽和液態(tài)水。本領(lǐng)域中已知的是，使用水汽輸送(WVT)單元來(lái)捕獲在陰極排氣中的一些水，并且使用所述水增濕陰極輸入空氣流。在所述膜一側(cè)的陰極排氣中的水被所述膜吸收，并且輸送到在所述膜另一側(cè)的陰極空氣流。
[0008]在燃料電池的運(yùn)行期間，來(lái)自MEA的水分和外部增濕的濕氣可以進(jìn)入陽(yáng)極和陰極流動(dòng)通道。在低電池功率需求(通常在0.2 A/cm2以下)時(shí)，水可以在流動(dòng)通道內(nèi)積聚，因?yàn)榉磻?yīng)物氣體的流速太低以致于不能迫使水離開(kāi)通道。當(dāng)水積聚時(shí)，小滴在流動(dòng)通道內(nèi)形成。隨著小滴的尺寸增大，流動(dòng)通道被關(guān)閉，并且反應(yīng)物氣體被轉(zhuǎn)移到其它流動(dòng)通道，因?yàn)橥ǖ涝诠灿萌肟诤统隹谄绻苤g是并行的。隨著小滴尺寸的增加，小滴的表面張力可以變得比試圖將小滴推向排出歧管的S壓力大，所以反應(yīng)物氣體可能不流動(dòng)通過(guò)由水阻塞的通道，反應(yīng)物氣體不能迫使水離開(kāi)通道。所述膜的由于通道被阻塞而不接收反應(yīng)物氣體的那些區(qū)域?qū)⒉划a(chǎn)生，從而導(dǎo)致不均勻的電流分配，并且減少了燃料電池的總效率。隨著越來(lái)越多的流動(dòng)通道被水阻塞，由燃料電池生產(chǎn)的下降,其中電池電壓電勢(shì)少于200 mV被視為電池失效。由于燃料電池為串聯(lián)電氣聯(lián)接，所以如果燃料電池中的一個(gè)停止運(yùn)行，全部燃料電池組可能停止運(yùn)行。
[0009]如上所討論的，通常有必要控制電池組的濕度以使得在電池組中的膜具有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電率，但是其中，如果在系統(tǒng)關(guān)閉期間水結(jié)冰，流動(dòng)通道不變得被冰阻塞。本領(lǐng)域中已知的是，在燃料電池系統(tǒng)的陰極空氣入口中提供RH傳感器，以測(cè)量陰極入口氣體流在其進(jìn)入電池組時(shí)的濕度。使用所測(cè)量的入口相對(duì)濕度和水種(water specie)平衡,或水的質(zhì)量平衡，燃料電池系統(tǒng)(包括陰極空氣出口流量)的RH曲線能夠被估算。
[0010]高頻電阻(HFR)是眾所周知的燃料電池特性，并且與燃料電池膜的歐姆電阻或膜質(zhì)子電阻緊密相關(guān)。歐姆電阻自身是燃料電池膜濕潤(rùn)性程度的函數(shù)。因此，通過(guò)在激發(fā)電流具體頻帶內(nèi)測(cè)量燃料電池組燃料電池膜的HFR，燃料電池膜的濕潤(rùn)性程度可以被確定。這種HFR測(cè)量允許單獨(dú)測(cè)量燃料電池膜濕度，從而免于對(duì)RH傳感器的需要。
[0011]燃料電池組的平均HFR (終端到終端)提供了對(duì)平均電池組膜濕潤(rùn)性、RHavg的良好測(cè)量。盡管使用RHavg控制燃料電池組膜濕潤(rùn)性可足以滿足效率目標(biāo)，但是陰極入口流動(dòng)通道和陰極出口流動(dòng)通道內(nèi)液態(tài)水的存在直接與不良的可靠性、耐用性和由燃料電池系統(tǒng)中結(jié)冰引發(fā)的損壞相關(guān)。
[0012]質(zhì)量空氣流量傳感器通常用于估算到達(dá)燃料電池組的陰極空氣流量。陰極旁通閥通常用于控制被發(fā)送到WVT單元以對(duì)陰極入口氣體增濕的陰極排氣的量。當(dāng)質(zhì)量流量計(jì)和陰極旁通閥正常作用時(shí)，陰極空氣流量中的總誤差將是小的，例如，在20-140克/秒的陰極空氣流處誤差大于2%，并且在2-20克/秒的陰極空氣流處誤差小于1.5%。然而，當(dāng)陰極系統(tǒng)中的傳感器或促動(dòng)器故障時(shí)，可能產(chǎn)生陰極空氣流量的較高誤差。因此，本領(lǐng)域中需要提供一種方法以當(dāng)在沒(méi)有由于不良增濕而損壞燃料電池組和/或沒(méi)有在期望的化學(xué)當(dāng)量下運(yùn)行的情況下已經(jīng)發(fā)生陰極空氣流量誤差時(shí)，繼續(xù)使燃料電池系運(yùn)行統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，揭示了一種系統(tǒng)和方法，用于當(dāng)在陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)使車輛中燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組運(yùn)行。所述系統(tǒng)和方法包括估算陰極空氣流速，并且檢測(cè)在所估算的陰極空氣流速中的誤差。所述系統(tǒng)和方法還包括當(dāng)在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，利用來(lái)自高頻電阻傳感器的高頻電阻測(cè)量值來(lái)控制燃料電池組的相對(duì)濕度。
[0014]本發(fā)明還包括如下方案:
1.一種用于使車輛中燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組運(yùn)行的方法，所述方法包括:
估算陰極空氣流速；
檢測(cè)在所估算的陰極空氣流速中的誤差；
確定燃料電池組中燃料電池電壓的預(yù)定最小電池電壓閾值是否已經(jīng)達(dá)到；
如果所述的預(yù)定最小電池電壓已經(jīng)達(dá)到，將到往燃料電池組的陰極空氣流速調(diào)整成大于估算的最小陰極空氣流速閾值；以及
當(dāng)在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，利用來(lái)自高頻電阻傳感器的高頻電阻測(cè)量值來(lái)控制燃料電池組的相對(duì)濕度。
[0015]2.根據(jù)方案I所述的方法，還包括一旦在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，增加能夠施加到燃料電池系統(tǒng)的最小負(fù)載。
[0016]3.根據(jù)方案2所述的方法，其中，增加最小負(fù)載包括給燃料電池系統(tǒng)的蓄電池充電。
[0017]4.根據(jù)方案3所述的方法，還包括:將燃料電池組置于空閑或關(guān)閉模式；并且如果蓄電池的充電狀態(tài)為大約100%，使用蓄電池功率使所述車輛運(yùn)行。
[0018]5.根據(jù)方案I所述的方法，其中，所述估算的最小陰極空氣流速閾值是借助通過(guò)將由陰極空氣誤差估算算法所發(fā)送出的空氣質(zhì)量流速估算標(biāo)準(zhǔn)偏差乘以預(yù)定因數(shù)而定義所述誤差來(lái)確定。
[0019]6.根據(jù)方案5所述的方法，還包括增加最小陰極空氣流速閾值，直至最小電池電壓增加到高于所述預(yù)定最小電池電壓閾值。
[0020]7.根據(jù)方案6所述的方法，還包括維持增加的最小陰極空氣流速，直至檢測(cè)到的陰極空氣流速估算誤差故障條件被清除。
[0021]8.一種用于使車輛中燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組運(yùn)行的方法，所述方法包括: 估算陰極空氣流速；
檢測(cè)在所估算的陰極空氣流速中的誤差；以及
當(dāng)在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，利用來(lái)自高頻電阻傳感器的高頻電阻測(cè)量值來(lái)控制燃料電池組的相對(duì)濕度。
[0022]9.根據(jù)方案8所述的方法，還包括確定燃料電池組中燃料電池電壓的預(yù)定最小電池電壓閾值是否已經(jīng)達(dá)到，其中，如果所述預(yù)定最小電池電壓閾值已經(jīng)達(dá)到，將到往燃料電池組的陰極空氣流速調(diào)整成高于估算的最小陰極空氣流速閾值。
[0023]10.根據(jù)方案8所述的方法，還包括一旦在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，增加能夠施加到燃料電池系統(tǒng)的最小負(fù)載。
[0024]11.根據(jù)方案10所述的方法，其中，增加最小負(fù)載包括給燃料電池系統(tǒng)的蓄電池充電。
[0025]12.根據(jù)方案11所述的方法，還包括:將燃料電池組置于空閑或關(guān)閉模式；并且如果蓄電池的充電狀態(tài)為大約100%，使用蓄電池功率使所述車輛運(yùn)行。
[0026]13.根據(jù)方案8所述的方法，其中，所述估算的最小陰極空氣流速閾值是借助通過(guò)將由陰極空氣誤差估算算法所發(fā)送出的空氣質(zhì)量流速估算標(biāo)準(zhǔn)偏差乘以預(yù)定因數(shù)而定義所述誤差來(lái)確定。
[0027]14.根據(jù)方案13所述的方法，還包括增加最小陰極空氣流速閾值直至最小電池電壓增加到高于所述預(yù)定最小電池電壓閾值，并且維持增加的最小陰極空氣流速直至檢測(cè)到的陰極空氣流速估算誤差故障條件被清除。
[0028]15.一種用于使車輛中燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組運(yùn)行的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
控制單元，所述控制單元包括:
用于估算陰極空氣流速的裝置；
用于檢測(cè)在所估算的陰極空氣流速中的誤差的裝置；以及用于當(dāng)在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，利用來(lái)自高頻電阻傳感器的高頻電阻測(cè)量值來(lái)控制燃料電池組相對(duì)濕度的裝置。
[0029]16.根據(jù)方案15所述的系統(tǒng)，還包括用于確定燃料電池組中燃料電池電壓的預(yù)定最小電池電壓閾值是否已經(jīng)達(dá)到的裝置，其中，如果所述預(yù)定最小電池電壓閾值已經(jīng)達(dá)到，將到往燃料電池組的陰極空氣流速調(diào)整成高于估算的最小陰極空氣流速閾值。
[0030]17.根據(jù)方案15所述的系統(tǒng)，還包括一旦所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出，增加能夠施加到燃料電池系統(tǒng)的最小負(fù)載。
[0031]18.根據(jù)方案 17所述的系統(tǒng)，其中，增加最小負(fù)載包括給燃料電池系統(tǒng)的蓄電池充電。
[0032]19.根據(jù)方案18所述的系統(tǒng)，還包括用于將燃料電池組置于空閑或關(guān)閉模式，并且如果蓄電池的充電狀態(tài)接近最大充電狀態(tài)，使用蓄電池功率而使所述車輛運(yùn)行的裝置。
[0033]20.根據(jù)方案15所述的系統(tǒng)，其中，所述估算的最小陰極空氣流速閾值是借助通過(guò)將由陰極空氣誤差估算算法所發(fā)送出的空氣質(zhì)量流速估算標(biāo)準(zhǔn)偏差乘以預(yù)定因數(shù)而定義所述誤差來(lái)確定。
[0034]本發(fā)明的附加特征將結(jié)合附圖根據(jù)下面的說(shuō)明和所附權(quán)利要求變得顯而易見(jiàn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1是燃料電池系統(tǒng)的示意方塊圖；并且
圖2是用于當(dāng)陰極空氣流量估算誤差被檢測(cè)到時(shí)使燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行的方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明實(shí)施例的以下討論，致力于一種用于當(dāng)質(zhì)量空氣流量計(jì)或陰極閥失效時(shí)而繼續(xù)使燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行的方法，其在本質(zhì)上僅僅是示例性的，并且絕不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。
[0037]圖1是包括燃料電池組12的燃料電池系統(tǒng)10的示意方塊圖。壓縮機(jī)14通過(guò)水汽輸送(WVT)單元34在陰極輸入線路16上將空氣流提供到燃料電池組12的陰極側(cè)，所述水汽輸送(WVT)單元34對(duì)陰極輸入空氣增濕。陰極排氣通過(guò)止回閥48在陰極排氣線路18上從電池組12輸出，所述止回閥48將陰極排氣引導(dǎo)至WVT單元34以提供濕度來(lái)對(duì)陰極輸入空氣增濕。旁通線路36圍繞電池組12而設(shè)置以圍繞電池組12引導(dǎo)一些或全部陰極輸入空氣流。旁通閥38設(shè)置在旁通線路36上，其中止回閥48和旁通閥38的位置由控制單元44選擇性地控制從而引導(dǎo)陰極入口空氣流通過(guò)或圍繞電池組12，以便在系統(tǒng)10的啟動(dòng)期間空氣能夠在可能充滿氫氣的電池組周圍繞過(guò)。隨著啟動(dòng)的進(jìn)行，空氣逐漸地給出通過(guò)電池組直至旁通線路36使用旁通閥38而被關(guān)閉。RH傳感器42設(shè)置在陰極輸入線路16上，以提供陰極輸入空氣流在其被WVT單元34增濕后的RH測(cè)量值，并且提供輸入到以下討論的陰極增濕單元(CHU)的RH測(cè)量值。質(zhì)量空氣流量計(jì)46也設(shè)置在陰極輸入線路16上，以提供進(jìn)入燃料電池組12的陰極輸入空氣流的質(zhì)量流量測(cè)量值。
[0038]燃料電池系統(tǒng)10還包括氫燃料或氫氣源20(通常為提供氫氣到注射器22的高壓槽)，所述注射器22在陽(yáng)極輸入線路24上將被控制的氫氣量注射到燃料電池組12的陽(yáng)極偵U。雖然沒(méi)有具體地示出，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，各種壓力調(diào)節(jié)器、控制閥、切斷閥等將被提供以在適于注射器22的壓力下從源20供給高壓氫氣。注射器22可以是適于在此討論的目的的任何注射器。
[0039]陽(yáng)極流出物輸出氣體在陽(yáng)極輸出線路26上從燃料電池組12的陽(yáng)極側(cè)輸出，所述陽(yáng)極輸出線路26被提供到排出閥28。如本領(lǐng)域技術(shù)人員良好理解的，從燃料電池12陰極側(cè)橫跨的氮稀釋了電池組12陽(yáng)極側(cè)中的氫氣，從而影響了燃料電池組12的性能。因此，有必要從陽(yáng)極子系統(tǒng)周期性地排出陽(yáng)極流出氣體以減少陽(yáng)極子系統(tǒng)中的氮量，如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。當(dāng)系統(tǒng)10在正常的非排出模式下運(yùn)行時(shí)，排出閥28處在陽(yáng)極流出氣體被提供到再循環(huán)線路30的位置，所述再循環(huán)線路30將陽(yáng)極氣體再循環(huán)到注射器22以使其運(yùn)行為噴射器并且將再循環(huán)的氫氣提供回到電池組12的陽(yáng)極輸入。當(dāng)命令排出以減少在電池組12陽(yáng)極側(cè)中的氮時(shí)，排出閥28被定位成引導(dǎo)陽(yáng)極流出物離開(kāi)陽(yáng)極輸出線路26。通常，陽(yáng)極流出物被引導(dǎo)至陰極入口線路或陰極排出線路，但是為了清晰起見(jiàn)沒(méi)有示出。盡管系統(tǒng)10是陽(yáng)極再循環(huán)系統(tǒng)，本發(fā)明將應(yīng)用其它類型的燃料電池系統(tǒng)，包括陽(yáng)極流量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
[0040]燃料電池系統(tǒng)10還包括高頻電阻(HFR)電路40，其確定電池組12中膜的電池組膜濕度。HFR電路40確定燃料電池組12的高頻電阻，其中高頻電阻信號(hào)被提供到控制單元44，并且用來(lái)確定電池組12內(nèi)電池膜的濕潤(rùn)性。HFR電路40通過(guò)以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式確定燃料電池組12的歐姆電阻或膜質(zhì)子電阻而運(yùn)行。膜質(zhì)子電阻是燃料電池組12的膜濕潤(rùn)性的函數(shù)。當(dāng)進(jìn)入電池組12陰極側(cè)的空氣流量不準(zhǔn)確時(shí)(例如，誤差大于3%)，燃料電池系統(tǒng)10將基于所述誤差而增加空氣流量(下面詳細(xì)描述)，以便燃料電池系統(tǒng)10可以繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)電池組12沒(méi)有產(chǎn)生足夠的功率以支持燃料電池系統(tǒng)和/或車輛負(fù)載時(shí)，蓄電池32作為功率源而被提供到燃料電池系統(tǒng)10。蓄電池32可以從電池組12接收功率從而以本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的方式充電。
[0041]當(dāng)陰極空氣流速估算不準(zhǔn)確(例如，由于質(zhì)量空氣流量計(jì)誤差或陰極旁通閥38被卡住而開(kāi)著)時(shí)，作為燃料電池系統(tǒng)10控制一部分的算法被開(kāi)啟。對(duì)陰極空氣流速估算不準(zhǔn)確的確定，可以通過(guò)將基于對(duì)于所估算的陰極空氣流量的功率輸出的模型與來(lái)自質(zhì)量流量計(jì)46的輸出比較而做出。圖2是算法的流程圖60，當(dāng)陰極空氣流速估算不準(zhǔn)確時(shí)，所述算法60允許燃料電池系統(tǒng)10繼續(xù)在正常運(yùn)行條件下運(yùn)行。在方框62處，算法檢測(cè)到空氣流速估算不準(zhǔn)確。接著，在決定菱形64處，算法確定最小燃料電池組電壓是否達(dá)到預(yù)定閾值。如果為否，算法返回到方框62處。如果為是，算法將引起燃料電池系統(tǒng)10以空氣流量設(shè)定點(diǎn)運(yùn)行，其保證供給到燃料電池組12陰極側(cè)的空氣流量多于最小空氣流量。此空氣流量設(shè)定點(diǎn)考慮了陰極空氣流速估算的誤差。下降到預(yù)定最小電池電壓閾值以下的最小電池電壓，表明燃料電池組12在處于燃料電池化學(xué)反應(yīng)要發(fā)生所必需的化學(xué)當(dāng)量以下的條件中運(yùn)行。因此，控制單元44的陰極化學(xué)當(dāng)量設(shè)定點(diǎn)產(chǎn)生器將忽略由陰極空氣誤差估算算法發(fā)送出到控制器44的標(biāo)準(zhǔn)偏差誤差估算，而仍然試圖正?？刂脐帢O化學(xué)當(dāng)量，直至在質(zhì)量空氣流量計(jì)46中檢測(cè)到故障或旁通閥38被確定為被卡住而開(kāi)著。當(dāng)這些情況中的一種存在時(shí)，控制單元44的設(shè)定點(diǎn)產(chǎn)生器將繼續(xù)忽略陰極空氣流量誤差直至最小電池電壓下降到預(yù)定最小電池電壓閾值以下。例如，最小電池電壓閾值可以是最小電池電壓下降到從平均電池電壓起300 mV以下時(shí)。
[0042]在決定菱形64處，一旦最小電池電壓閾值已經(jīng)達(dá)到，算法采取措施以防止感知到陰極饑餓的情況。此時(shí)，在方框66處確定流出期望電流密度所需的最小陰極化學(xué)當(dāng)量。一種示例可以是1.4的陰極化學(xué)當(dāng)量。在方框66處，算法通過(guò)將空氣質(zhì)量流速的估算標(biāo)準(zhǔn)偏差乘以某個(gè)因數(shù)從而確定總誤差而確定所必需的最小陰極空氣流。例如，初始推測(cè)可以是將誤差定義為3的標(biāo)準(zhǔn)偏差，這將涵蓋所有陰極空氣流量估算失敗情況的99.7%。從報(bào)告的空氣流速中減去所述3的標(biāo)準(zhǔn)偏差給出了最小流速，所述最小流速考慮了估算的誤差。與對(duì)應(yīng)于最小允許陰極化學(xué)當(dāng)量的情形相比，所述最小流速估算需更大，以修正最小電池電壓條件。如果最小流速估算沒(méi)有修正最小電池電壓，則陰極化學(xué)當(dāng)量設(shè)定點(diǎn)增加，以使最小誤差高于所要求的流速。在方框66處使用陰極空氣流量的增加量(即陰極化學(xué)當(dāng)量的修正)，直至陰極空氣流量估算誤差故障條件清除。
[0043]空氣流速是電池組出口濕潤(rùn)性的最大貢獻(xiàn)因素之一，其對(duì)控制單元44的陰極增濕單元(CHU)模型的輸入和輸出具有巨大影響?？諝饬魉僬`差可能大于25%，因此，當(dāng)陰極空氣流量估算誤差發(fā)生時(shí)，CHU模型將不再具有預(yù)示性。因此，如果在方框62處檢測(cè)到陰極空氣流速估算誤差，在方框68處，來(lái)自HFR電路40的高頻電阻(HFR)反饋被用于控制濕度，而不管最小電池電壓條件如何。更加具體地，如果旁通閥38開(kāi)啟的時(shí)間比預(yù)定閾值長(zhǎng)，或者如果空氣質(zhì)量流量計(jì)46故障被檢測(cè)到，在方框68處HFR用于控制濕度。
[0044]為了使HFR電路40的HFR靈敏度最大化，燃料電池組12在比正常更干燥的設(shè)定點(diǎn)條件下運(yùn)行。否則，控制單元44將不能使期望的燃料電池組12濕潤(rùn)性設(shè)定點(diǎn)(例如75-90%的相對(duì)濕度(RH))與可能導(dǎo)致電池組12不穩(wěn)定的更潮濕的條件區(qū)分開(kāi)。因此，控制單元44使用產(chǎn)生(yield)HFR值的RH設(shè)定點(diǎn),其遠(yuǎn)離如上討論的濕式漸近線至少10 mOhm-cm2。然而，電池組12的這種連續(xù)干燥運(yùn)行的確排除了任何基于HFR的電阻信息(learning)，這詳細(xì)討論于共同待審的申請(qǐng)序列號(hào)N0.12/262，212,其題為“Online Estimat1n ofCahtode Inlet and Outlet RH from Stack Average HFR”(“根據(jù)電池組平均 HFR 而對(duì)陰極入口和出口的RH的在線估算”)，在2009年11月19日提交，其被分配給本申請(qǐng)的受讓人并通過(guò)參考引入本文。在沒(méi)有基于HFR的電阻信息的情況下，如果電池組12最近經(jīng)歷了空氣/空氣調(diào)制(這使HFR的可恢復(fù)性漂流重置)，在方框68處使用HFR控制濕度的準(zhǔn)確性可能變差。
[0045]超出空氣流速設(shè)定點(diǎn)的范圍是燃料電池系統(tǒng)10能夠展示以保持電池組12脫離能夠引起嚴(yán)重過(guò)度干燥的條件的行為。在低電流密度處并且因此在低空氣流速處，陰極空氣流量誤差將成為最高。在某些情況下，誤差可以是所報(bào)告陰極空氣流量值的+/- 100%。因此，在方框70處，算法把能夠施加到燃料電池系統(tǒng)10的最低負(fù)載增加到預(yù)定的最低負(fù)載閾值(例如> 0.1 A/cm2)。在方框70處所需的最低負(fù)載變?yōu)檐囕v必須滿足的綁定要求。
[0046]燃料電池系統(tǒng)10依靠蓄電池32以支持低于預(yù)定閾值的負(fù)載(例如低于0.1 A/cm2)。如果蓄電池32的充電狀態(tài)例如是設(shè)計(jì)最高充電狀態(tài)的90%，算法可以關(guān)閉燃料電池組12，并且車輛可以依靠蓄電池電源運(yùn)轉(zhuǎn)。如果蓄電池32的充電狀態(tài)為低(例如是設(shè)計(jì)最低充電狀態(tài)的20%以內(nèi))，算法可以使燃料電池組12在其最高效的點(diǎn)處運(yùn)行以給蓄電池32充電，直至蓄電池32的充電狀態(tài)高于預(yù)定的充電狀態(tài)閾值，例如大約100%。所述電池組12的最高效運(yùn)行點(diǎn)可以是陰極空氣流速模型具有最高重現(xiàn)精度的情形。
[0047]使用上面討論的算法，當(dāng)質(zhì)量空氣流量計(jì)46或陰極旁通閥38已經(jīng)失效時(shí)，燃料電池系統(tǒng)10可以繼續(xù)運(yùn)行，但預(yù)期的是，燃料電池系統(tǒng)10和/或車輛的性能將降低。
[0048]如本領(lǐng)域技術(shù)人員將良好理解的，本文所討論用于描述本發(fā)明的多個(gè)和各種步驟和過(guò)程可以涉及由計(jì)算機(jī)、處理器或其它電子計(jì)算設(shè)備(其使用電氣現(xiàn)象操縱和/或轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù))執(zhí)行的操作。那些計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備可以采用各種易失性和/或非易失性存儲(chǔ)器，包括非暫態(tài)的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其具有儲(chǔ)存于其上的可執(zhí)行程序，所述可執(zhí)行程序包括各種能夠被計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行的代碼或可執(zhí)行指令，其中所述存儲(chǔ)器和/或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括所有形式和類型的存儲(chǔ)器和其它計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
[0049]上述討論僅僅公開(kāi)并描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易根據(jù)這種討論并根據(jù)附圖和權(quán)利要求認(rèn)識(shí)到，在不偏離如下面的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，能夠在其中做出各種改變、修改和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種用于使車輛中燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組運(yùn)行的方法，所述方法包括: 估算陰極空氣流速； 檢測(cè)在所估算的陰極空氣流速中的誤差； 確定燃料電池組中燃料電池電壓的預(yù)定最小電池電壓閾值是否已經(jīng)達(dá)到； 如果所述的預(yù)定最小電池電壓已經(jīng)達(dá)到，將到往燃料電池組的陰極空氣流速調(diào)整成大于估算的最小陰極空氣流速閾值；以及 當(dāng)在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，利用來(lái)自高頻電阻傳感器的高頻電阻測(cè)量值來(lái)控制燃料電池組的相對(duì)濕度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括一旦在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，增加能夠施加到燃料電池系統(tǒng)的最小負(fù)載。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，增加最小負(fù)載包括給燃料電池系統(tǒng)的蓄電池充電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括:將燃料電池組置于空閑或關(guān)閉模式；并且如果蓄電池的充電狀 態(tài)為大約100%，使用蓄電池功率使所述車輛運(yùn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述估算的最小陰極空氣流速閾值是借助通過(guò)將由陰極空氣誤差估算算法所發(fā)送出的空氣質(zhì)量流速估算標(biāo)準(zhǔn)偏差乘以預(yù)定因數(shù)而定義所述誤差來(lái)確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括增加最小陰極空氣流速閾值，直至最小電池電壓增加到高于所述預(yù)定最小電池電壓閾值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括維持增加的最小陰極空氣流速，直至檢測(cè)到的陰極空氣流速估算誤差故障條件被清除。
8.一種用于使車輛中燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組運(yùn)行的方法，所述方法包括: 估算陰極空氣流速； 檢測(cè)在所估算的陰極空氣流速中的誤差；以及 當(dāng)在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，利用來(lái)自高頻電阻傳感器的高頻電阻測(cè)量值來(lái)控制燃料電池組的相對(duì)濕度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括確定燃料電池組中燃料電池電壓的預(yù)定最小電池電壓閾值是否已經(jīng)達(dá)到，其中，如果所述預(yù)定最小電池電壓閾值已經(jīng)達(dá)到，將到往燃料電池組的陰極空氣流速調(diào)整成高于估算的最小陰極空氣流速閾值。
10.一種用于使車輛中燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組運(yùn)行的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 控制單元，所述控制單元包括:
用于估算陰極空氣流速的裝置；
用于檢測(cè)在所估算的陰極空氣流速中的誤差的裝置；以及
用于當(dāng)在所估算的陰極空氣流速中的誤差被檢測(cè)出時(shí)，利用來(lái)自高頻電阻傳感器的高頻電阻測(cè)量值來(lái)控制燃料電池組相對(duì)濕度的裝置。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK104051757SQ201410094227
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】D.R.勒布策爾特, L.德夫里斯, T.K.普雷斯頓, J.馬斯羅, J.P.諾蘭 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司