诊断燃料电池湿化问题的方法技术

本发明专利技术涉及用于确定RH传感器或HFR电路是否正常工作的系统和方法，RH传感器测量提供给燃料电池堆的阴极入口空气的相对湿度，HFR电路测量燃料电池堆水含量。所述方法提供通过WVT单元的阴极入口空气，从而阴极入口空气增加的水含量。所述方法使用水缓冲模型，用于基于来自于多个系统部件的输入而确定燃料电池堆的水含量，且使用HFR湿化信号或RH信号来修正水传输模型，以校正WVT单元降级。所述方法确定RH传感器或HFR电路是否正常工作，例如通过确定HFR湿化信号是否以比燃料电池堆水含量能够增加的速率更快的速率增加。

【技术实现步骤摘要】
诊断燃料电池湿化问题的方法
本专利技术总体上涉及用于确定相对湿度（RH）传感器或高频电阻（HFR）测量电路是否正常工作的系统和方法，RH传感器测量提供给燃料电池堆的阴极入口空气的相对湿度，HFR测量电路测量燃料电池堆水含量，且更具体地涉及通过确定来自于RH传感器或HFR电路的输出信号是否有效来确定RH传感器或HFR电路是否正常工作的系统和方法。
技术介绍
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极催化剂处反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常但不总是包括细分的催化剂颗粒，通常是诸如铂（Pt）的高活性催化剂，所述催化剂颗粒通常支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应物气体流向相应MEA。阴极气体流场设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应物气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。燃料电池内的膜需要具有足够的水含量，从而经过膜的离子阻力足够低以有效地传导质子。膜湿化可以来自于燃料电池堆水副产物或外部湿化。通过燃料电池堆流动通道的反应物流对电池膜具有干燥效应，最明显在反应物流的入口处。然而，在流动通道内的水滴积聚将防止反应物从中流过，且由于低的反应物气体流可能导致电池故障，从而影响燃料电池堆稳定性。在反应物气体流动通道内以及在气体扩散层（GDL）内的水积聚在低燃料电池堆输出负载时特别易出故障。如上所述，水作为燃料电池堆操作的副产物产生。因而，来自于燃料电池堆的阴极排气通常包括大量的水蒸汽和液体水。本领域已知使用水蒸汽传输（WVT）单元来捕获阴极排气中的一些水含量，且使用所述水含量来湿化阴极输入空气流。在WVT单元内的水传输元件的一侧处的阴极排气中的水由水传输元件吸收且传输给水传输元件的另一侧处的阴极空气流。典型的WVT单元包括由特定材料制成的膜，其中，膜的一侧上的湿流通过膜传输以湿化膜的另一侧上的干流。如上所述，通常需要控制燃料电池堆水含量，使得燃料电池堆中的膜具有合适的质子传导率，但是此时如果水在系统关闭期间冻结，流动通道未被冰阻塞。本领域已知在燃料电池系统的阴极空气入口中提供RH传感器，以在阴极入口气体流进入燃料电池堆时测量阴极入口气体流的湿化作用。使用测量的入口相对湿度和水物质平衡或者水质量平衡，可以估计燃料电池系统的RH曲线，包括阴极空气出口流。RH传感器提供RH的准确读数的能力由传感器的成本和复杂性确定。通常期望限制传感器的成本，这降低其准确性。确定燃料电池堆水含量的另一技术在本领域中已知为高频电阻（HFR）湿化作用测量，其中，在该上下文中，高频通常为300Hz-10kHz。HFR湿化作用测量通过在燃料电池堆的电负载上提供高频分量或信号而产生，使得在燃料电池堆的电流输出上产生高频脉动。高频分量的电阻然后由检测器测量，其是燃料电池堆中的膜的湿化水平的函数。高频电阻是燃料电池的熟知属性，且与燃料电池膜的欧姆电阻或膜质子阻力紧密相关。欧姆电阻本身是燃料电池膜湿化程度的函数。因而，通过测量激励电流频率特定频带内燃料电池堆的燃料电池膜的HFR，可以确定燃料电池膜湿化程度。该HFR测量允许独立测量燃料电池膜湿化作用，可消除对RH传感器的需要。燃料电池系统中有时采用模型来确定燃料电池堆中的水含量。例如，已知采用水缓冲模型，其估计在任何给定时间燃料电池堆中的水量。而且，水传输模型是已知的，其使用水缓冲模型来估计WVT单元中的水传输。水传输模型可以估计阴极空气入口相对湿度，且通过考虑燃料电池堆中的水缓冲，使用该值和燃料电池堆的各个操作参数（例如，温度、阴极化学计量比、压力、燃料电池堆电流密度等）估计阴极出口气体的相对湿度。燃料电池堆内的MEA和扩散介质具有一些水承载容量，从而上述条件的变化不会立即转换为输出湿度的稳态值。使用阴极出口气体的相对湿度的估计值和WVT单元的水传输能力，模型然后修正阴极入口空气的相对湿度的估计值。如果燃料电池堆操作条件需要阴极出口气体的不同相对湿度，那么系统控制可以改变流动通过燃料电池堆的冷却流体的温度，以改变燃料电池堆的温度，这改变阴极空气可以吸收多少水。具体地，如果燃料电池堆温度增加，流动通过燃料电池堆的阴极空气水饱和的能力增加，其中，阴极空气的绝对湿度可保持相同，但是阴极空气的相对湿度下降。WVT单元随着时间的经过降级，其中，其将水从阴极出口气体传输给阴极入口空气的效率下降。该现象可能是各种原因的结果，例如膜污染、膜降级等。对于采用位于WVT单元和燃料电池堆之间的RH传感器和/或HFR测量电路的那些系统，传感器或电路的输出可以用于校正水传输模型，使得阴极入口空气的相对湿度的估计值在WVT单元降级时被调节。然而，RH传感器或HFR电路本身有时失效和/或漂移，其中，传感器或电路可能不能给出阴极入口空气的水含量的准确读数。在该情况下，模型可能基于不准确的相对湿度测量值调节，从而引起燃料电池堆操作性能问题。例如，如果RH传感器或HFR电路给出低于实际值的阴极入口空气的相对湿度测量值，水传输模型可将燃料电池堆的温度调节更低，从而补偿察觉的燃料电池堆干燥。这将使得实际阴极入口和出口相对湿度上升至比期望值更高的水平，这将由于流动通道溢流而引起燃料电池堆不稳定性。此外，系统中的其它传感器或装置可能发生故障，例如，冷却剂温度传感器、阴极空气流量计、压力传感器等。因而，RH传感器或HFR电路输出可在传感器测量值准确时指示WVT单元降级，但是系统控制可能不能正确地编译该变化。题为“UtilizationofHFR-BasedCathodeInletRHModelinComparisontoSensorFeedbacktoDetermineFailedWaterVaporTransferUnitandUtilizeforaDiagnosticCodeandMes本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于识别确定燃料电池堆中的水含量的失败的方法，所述方法包括：将阴极空气流提供给燃料电池堆的阴极侧；将阴极出口气体提供给阴极空气流，以提供湿化，用于增加阴极入口空气的水含量；从确定燃料电池堆中的水含量的高频电阻（HFR）电路提供HFR湿化信号；从测量阴极空气流中的相对湿度（RH）的RH传感器提供RH信号；基于来自于多个系统部件的输入使用水缓冲模型来确定燃料电池堆的水含量；使用水传输模型，以使用来自于水缓冲模型的水含量估计值来确定传输给阴极空气流的水量；使用HFR湿化信号或RH信号修正水传输模型；以及确定RH传感器或HFR电路是否正常工作。

【技术特征摘要】
2012.12.28 US 13/7303751.一种用于识别确定燃料电池堆中的水含量的失败的方法，所述方法包括：将阴极空气流提供给燃料电池堆的阴极侧；将阴极出口气体提供给阴极空气流，以提供湿化，用于增加阴极入口空气的水含量；从确定燃料电池堆中的水含量的高频电阻电路提供高频电阻湿化信号；从测量阴极空气流中的相对湿度的相对湿度传感器提供相对湿度信号；基于来自于多个系统部件的输入使用水缓冲模型来确定燃料电池堆的水含量，所述系统部件至少包括测量阴极空气流量的质量流量计和温度传感器；使用水传输模型，以使用来自于水缓冲模型的水含量估计值来确定传输给阴极空气流的水量；使用水传输模型来确定相对湿度传感器或高频电阻电路是否正常工作；以及基于相对湿度传感器或高频电阻电路是否正常工作，使用高频电阻湿化信号或相对湿度信号修正水传输模型。2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定高频电阻电路是否正常工作包括：如果高频电阻湿化信号中的变化显示燃料电池堆的水含量下降比燃料电池堆水含量的理论干燥速率更大，那么确定高频电阻电路未正常工作。3.根据权利要求2所述的方法，其中，修正水传输模型包括：如果高频电阻电路未正常工作，那么阻止使用高频电阻湿化信号修正水传输模型。4.根据权利要求1所述的方法，其中，将阴极空气流提供给燃料电池堆的阴极侧包括：在进入燃料电池堆从而增加阴极空气流的水含量之前，使得阴极空气流流动通过水蒸汽传输单元，且其中，使用高频电阻湿化信号或相对湿度信号修正水传输模型包括校正水蒸汽传输单元降级。5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定相对湿度传感器或高频电阻电路是否正常工作包括：如果水传输模型指示水蒸汽传输单元性能改进超过预定极限值，那么确定相对湿度传感器或高频电阻电路未正常工作。6.根据权利要求5所述的方法，其中，修正水传输模型包括：如果相对湿度传感器或高频电阻电路未正常工作，那么使用预定值修正水含量模型。7.根据权利要求5所述的方法，其中，修正水传输模型包括：如果相对湿度传感器或高频电阻电路未正常工作，那么使用基于水蒸汽传输单元已经工作的小时数的值来修正水传输模型。8.根据权利要求4所述的方法，其中，确定相对湿度传感器或高频电阻电路是否正常工作包括：如果水传输模型指示水蒸汽传输单元的性能在一定时间点低于预定性能，那么确定相对湿度传感器或高频电阻电路未正常工作。9.根据权利要求8所述的方法，其中，修正水传输模型包括：尽管水传输模型指示水蒸汽传输单元的性能低于预定性能，仍然使用相对湿度传感器读数或高频电阻电路测量值修正水传输模型。10.根据权利要求1所述的方法，还包括：如果确定高频电阻电路或相对湿度传感器正常工作但是水缓冲模型指示燃料电池堆水含量在不应当变化时变化，确定系统部件中的一个未正常工作。11.根据权利要求10所述的方法，其中，使用水传输模型包括阻止使用水传输模型来确定燃料电池堆水含量且使用高频电阻湿化信号来确定燃料电池堆水含量。12.一种用于识别确定燃料电池堆中的水含量的失败的方法，所述方法包括：将阴极空气流提供给燃料电池堆的阴极侧，所述阴极空气流在进入燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：DR勒布策尔特，DH克斯库拉，TK普雷斯顿，JP诺兰，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US