利用基于HFR阴极进口RH模型与传感器反馈比较确定水蒸汽传递单元故障并且用于诊断代码和信息

摘要

本发明涉及利用基于HFR阴极进口RH模型与传感器反馈比较确定水蒸汽传递单元故障并且用于诊断代码和信息。具体地，一种用于确定增湿阴极气流至燃料电池系统中的燃料电池堆的WVT单元中是否存在渗透泄漏，或其它故障的系统和方法。燃料电池系统包括确定燃料电池堆中的薄膜的湿度水平的HFR电路和测量至燃料电池堆的阴极侧的气流的相对湿度的RH传感器。HFR湿度计算值与来自RH传感器的RH测量值相比较，并且如果两个RH值之间的差值大于预定校准值，则系统可以确定WVT单元正在故障或需要保养或替换。

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种用于确定燃料电池系统中的水蒸汽传递（WVT）单元是否正确地操作的系统和方法，并且更特别地涉及一种用于通过将测量至燃料电池堆的阴极输入线路中的相对湿度的相对湿度（RH）传感器的输出与由确定燃料电池堆内的薄膜的薄膜湿度的高频电阻（HFR）电路提供的RH值相比较而确定燃料电池系统中的WVT单元是否具有转换接头泄漏的系统和方法。

背景技术

氢由于其干净并且可用于在燃料电池中有效地产生电，因而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是电-化学装置，其包括阳极和阴极以及在其间的电解液。阳极接收氢气并且阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处被分解以产生自由的质子并且电子。质子通过电解液到阴极。质子与在阴极催化剂处的氧和电子起反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解液，并且因此在被发送到阴极之前直接通过负荷执行作业。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种车辆流行的燃料电池。PEMFC通常包括固相聚合物电解质质子传导薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极典型地，但不总是包括精细地分开分割的催化剂粒子，通常为典型地支承在碳粒子并且与离聚物混合的高活性催化剂，诸如铂（Pt）。催化剂混合物沉积在薄膜的相对侧上。阳极催化剂混合物，阴极催化剂混合物和薄膜的组合限定了薄膜电极组件（MEA）。MEA制造起来相对昂贵并且需要用于有效工作的某些条件。

几个燃料电池典型地组合在燃料电池堆中以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百或以上堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地由压缩机增压通过电池堆的空气流。不是所有氧被电池堆消耗并且一些空气作为阴极排气被输出，其可以包括作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括位于电池堆的几个MEA之间的一连串的双极板，其中双极板和MEA布置在两个端板之间。双极板包括用于电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流场设置在允许阳极反应性气体流向各自的MEA的双极板的阳极侧上。阴极气体流场设置在允许阴极反应性气体流向各自的MEA的双阴极的阴极侧上。一个端板包括阳极气流通道，并且另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由有传导性的材料制成，例如不锈钢或传导的合成物。端板传导由电池堆外的燃料电池产生的电流。双极板还包括冷却液流经的流动通道。

燃料电池内的薄膜需要具有充分的含水率从而横过薄膜的离子阻力足够低以有效地传导质子。薄膜增湿可以来自电池堆水副产品或外部增湿。穿过电池堆的气流通道的反应物的流动在单元薄膜上具有干燥作用，在反应物流动的进口处最显著。然而，由于低的反应性气体流动，气流通道内的水滴的累积防止了反应物通过其流动并且可以使得电池故障，因此影响了电池堆的稳定性。在低电池堆输出负载时，反应性气体流动通道中以及气体扩散层（GDL）内的水的累积尤其麻烦。

如上所述，水作为电池堆工作的副产品而产生。所以，来自电池堆的阴极排气将典型地包括显著的水蒸汽和液态水。现有技术中公知的是采用水蒸汽传递（WVT）单元以捕获一些阴极中的水蒸汽，并且使用水蒸汽以对阴极输入气流增湿。在WVT单元内的水传递元件的一侧，例如薄膜的阴极排气中的水，被水传递元件吸收并且传递到在水传递元件的另一侧处的阴极气流中。

如上所述，通常需要控制电池堆湿度从而电池堆中的薄膜具有固有的导电性，但如果水在系统关闭期间结冰则流动通道不会变得被冰堵塞。现有技术中公知的是在燃料电池系统的阴极空气进口中提供RH传感器以当其进入电池堆时测量阴极进口气流的增湿作用。使用测量的进口相对湿度和水种类（specie）平衡，或水的质量平衡，可以估计出包括阴极空气出口流的燃料电池系统的RH曲线。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决定。典型的需要限制传感器的成本，这减少了它的精确度。

用于确定薄膜增湿作用的技术在本领域公知的是高频电阻（HFR）增湿作用测量。HFR增湿作用测量通过在电池堆的电负荷上提供高频分量或信号从而在电池堆的电流输出上产生高频电波。高频分量的电阻然后由检测器来测量，其是电池堆中薄膜的增湿作用的水平的涵数。高频电阻是燃料电池的公知的属性，并且与燃料电池薄膜的欧姆电阻，薄膜质子阻力紧密相关。欧姆电阻是燃料电池薄膜增湿作用度它本身的涵数。因此，通过测量激发电流频率的具体频带内的燃料电池堆的燃料电池薄膜的HFR，可以确定燃料电池薄膜的增湿作用度。该HFR测量考虑了燃料电池薄膜增湿作用的单独测量，其可以省去对RH传感器的需要。

典型的WVT单元包括由具体材料制成的薄膜，其中在薄膜一侧上的潮温流动通过薄膜传递以对薄膜另一侧上的干燥流动增湿。因为制成薄膜的材料相对较薄并且由压缩机提供的阴极进口侧上的压力比在阴极出口侧的压力大，WVT单元有时产生故障，其中在薄膜中形成孔从而WVT单元的输入侧上的气流在没有通过燃料电池堆的情况下直接流入到WVT单元的输出侧。由于存在进入燃料电池堆的气流损失，在燃料电池堆中可利用的提供至反应的氧减少，这降低了电池堆的性能。此外，作为气流渗透的结果通过阴极流动通道的较少的气流降低了能够从阴极流动通道除去水的气流的量。此外，如果阴极进口空气的相对湿度与检测到的不同，则阴极化学计量将与期望的不同，这也会影响电池堆的性能。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于确定增湿阴极气流至燃料电池系统中的燃料电池堆的WVT单元中是否存在渗透泄漏，或其它故障的系统和方法。燃料电池系统包括确定燃料电池堆中的薄膜的湿度水平的HFR电路和测量至燃料电池堆的阴极侧的气流的相对湿度的RH传感器。HFR湿度计算值与来自RH传感器的RH测量值相比较，并且如果两个RH值之间的差值大于预定校准值，则系统可以确定WVT单元正在故障或需要保养或替换。

结合附图，从以下说明书和所附的权利要求中本发明的附加特征将会变得显而易见。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种用于确定水蒸汽传递（WVT）单元是否已经故障或正在发生故障的方法，所述水蒸汽传递（WVT）单元增湿至燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极气流，所述方法包括：

测量从WVT单元提供至燃料电池堆的阴极气流的相对湿度（RH）以提供第一RH值；

使用高频电阻（HFR）电路计算燃料电池堆中的薄膜的高频电阻相对湿度以提供第二RH值；

将第一RH值与第二RH值相比较以产生RH值差值；

提供校准值；

将RH值差值与校准值进行比较；以及

如果RH差值大于校准值则确定WVT单元已经故障或正在发生故障。

2. 根据方案1所述的方法，其中提供校准值包括提供在全部电池堆电流密度中相同的校准值。

3. 根据方案1所述的方法，其中提供校准值包括提供随电池堆电流密度增加而增加的校准值。

4. 根据方案1所述的方法，其中提供校准值包括提供约为计算的高频电阻相对湿度的20%的校准值。

5. 根据方案1所述的方法，其中测量阴极气流的相对湿度（RH）包括使用RH传感器。

6. 根据方案1所述的方法，其中确定WVT单元已经故障或正在发生故障包括确定从WVT单元内的薄膜的干侧至WVT单元中的薄膜的湿侧的阴极气流的渗透泄漏。

7. 根据方案1所述的方法，还包括每当RH差值大于校准值时增加计数器值，并且仅仅如果计数器值超过预定计数值确定WVT单元已经故障或正在发生故障。

8. 一种用于确定水蒸汽传递（WVT）单元是否已经故障或正在发生故障的方法，所述水蒸汽传递（WVT）单元增湿至燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极气流，所述方法包括：

使用RH传感器测量从WVT单元提供至燃料电池堆的阴极气流的相对湿度（RH）以提供第一RH值；

使用高频电阻（HFR）电路计算燃料电池堆中的薄膜的高频电阻相对湿度以提供第二RH值；

将第一RH值与第二RH值相比较以产生RH值差值；

提供校准值；

将RH值差值与校准值进行比较；

如果RH差值大于校准值则增加计数器值；

确定计数器值是否大于预定计数值；以及

如果RH差值大于预定计数值则确定WVT单元已经故障或正在发生故障，其中确定WVT单元已经故障或正在发生故障包括确定从WVT单元内的薄膜的干侧至WVT单元中的薄膜的湿侧存在阴极气流的渗透泄漏。

9. 根据方案8所述的方法，其中提供校准值包括提供在全部电池堆电流密度中相同的校准值。

10. 根据方案8所述的方法，其中提供校准值包括提供随电池堆电流密度增加而增加的校准值。

11. 根据方案8所述的方法，其中提供校准值包括提供约为计算的高频电阻相对湿度的20%的校准值。

12. 一种用于确定水蒸汽传递（WVT）单元是否已经故障或正在发生故障的系统，所述水蒸汽传递（WVT）单元增湿至燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极气流，所述系统包括：

测量从WVT单元提供至燃料电池堆的阴极气流的相对湿度（RH）以提供第一RH值的装置；

计算燃料电池堆中的薄膜的高频电阻（HFR）相对湿度值以提供第二RH值的装置；

将第一RH值与第二RH值相比较以产生RH值差值的装置；

提供校准值的装置；

将RH值差值与校准值进行比较的装置；以及

如果RH差值大于校准值则确定WVT单元已经故障或正在发生故障的装置。

13. 根据方案12所述的系统，其中用于提供校准值的装置提供了在全部电池堆电流密度中相同的校准值。

14. 根据方案12所述的系统，其中用于提供校准值的装置提供了随电池堆电流密度增加而增加的校准值。

15. 根据方案12所述的系统，其中用于提供校准值的装置提供了约为计算的高频电阻相对湿度的20%的校准值。

16. 根据方案12所述的系统，其中测量阴极气流的相对湿度（RH）的装置使用RH传感器。

17. 根据方案12所述的系统，其中用于确定WVT单元已经故障或正在发生故障的装置确定从WVT单元内的薄膜的干侧至WVT单元中的薄膜的湿侧存在阴极气流的渗透泄漏。

18. 根据方案12所述的系统，还包括装置，其在每当RH差值大于校准值时增加计数器值，并且仅仅如果计数器值超过预定计数值确定WVT单元已经故障或正在发生故障。

附图说明

图1是燃料电池系统的简化的方框图；以及

图2是示出了基于HFR计算与RH传感器测量之间的比较用于确定WVT单元中潜在的故障的处理的流程图图解。

具体实施方式

涉及用于确定设置在燃料电池系统中的增湿阴极进口空气的WVT单元是否已经存在故障或正存在故障的系统和方法的本发明的实施例的以下讨论实质上仅仅是示例性的，并且并不以任何方式旨在限制本发明或其应用或使用。

图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意性方框图。压缩机14通过阀48和对阴极输入空气增湿的水蒸汽传递（WVT）单元34提供气流至在阴极输入线路16上的燃料电池堆12的阴极侧。阴极排气从阴极排气线路18上的电池堆12输出，该阴极排气线路将阴极排气导向至WVT单元34以提供湿度以对阴极输入空气增湿。围绕WVT单元34提供了旁通线路36以对围绕WVT单元34的一些或全部阴极输入气流导向。旁通阀38设置在旁通线路36中，其中阀48和旁通阀38的位置被控制为有选择地通过或围绕WVT单元34对阴极进口气流导向从而当穿过WVT单元34和旁通线路36的气流混合时，所需或适当的量的增湿作用提供至阴极输入气流，增湿作用的量随电池堆电流密度的变化而变化。RH传感器42设置在阴极输入线路16中以在其已经由WVT单元34增湿后提供阴极输入气流的RH测量。

燃料电池系统10还包括氢燃料或气体的源20，典型地为高压罐，其提供氢气至喷射器22，该喷射器22喷射控制的量的氢气至在阳极输入线路24上燃料电池堆12的阳极侧。尽管未具体地示出，本领域技术人员将会理解将要提供各种压力调节器，控制阀，关闭阀等从而以适于喷射器22的压力从源20供给高压氢气。喷射器22可以是适于在此讨论的目的的任意喷射器。一个例子是在转让给本申请的受让人的、2008年1月22日公布的、标题为用于燃料电池系统的喷射器/排出器的美国专利号No.7,320,840中描述的喷射器/排出器并且其在此结合作为参考。

阳极流出的输出气体是从在阳极输出线路26上的燃料电池堆12的阳极侧输出的，其提供至放气阀28。如本领域技术人员将会更好地理解，来自燃料电池堆12的阴极侧的渗透氮气稀释了电池堆12的阳极侧中的氢，由此影响了燃料电池堆的性能。因此，需要周期性地将来自阳极子系统的阳极排出气体排出以减少阳极子系统中氮气的量。当系统10在正常的非排出模式中工作时，排出阀28在阳极排出气体提供至再循环管路30的位置处，在该位置处再循环管路将阳极气体再循环至喷射器22以由排出器操作并且将再循环的氢气提供返回至电池堆12的阳极输入。当命令了排出以减少电池堆12的阳极侧中的氮气时，排出阀28被布置为将阳极排出气体导向至在线路18上将阳极排出气体与阴极排气合并的旁通线路32上，其中氢气被稀释并且适合于环境。尽管系统10是阳极再循环系统，本领域技术人员将会理解，本发明将应用到其它类型的燃料电池系统中，包括阳极流量转换系统。

燃料电池系统还包括以本领域技术人员将很好理解的方式确定电池堆12中的薄膜的电池堆薄膜湿度的HFR电路40。HFR电路40确定燃料电池堆12的高频电阻，该高频电阻然后用来确定燃料电池堆12内的电池薄膜的增湿。HFR电路40通过确定燃料电池堆12的欧姆电阻，或薄膜质子电阻而工作。薄膜质子电阻是燃料电池堆12的薄膜增湿作用的涵数。

本发明提出了一种用于确定WVT单元34是否具有渗透泄漏或其它的故障，或开始故障的系统和方法。在该实施例中，系统10包括确定WVT单元故障可能发生的处理器44。处理器44接收表示燃料电池堆12中薄膜的湿度水平的来自RH传感器42的RH测量信号和来自电路40的基于HFR的相对湿度信号。两个值在处理器44中进行比较，如果差值大于预定容许的校准值，然后可能发生潜在的WVT单元故障，这样可以提供至报警装置46，例如灯。

无论WVT单元34中是否存在渗透泄漏，HFR电路40将检测薄膜的实际湿度从而如果由于渗透存在较少的流动，则在相同的电池堆电流密度时薄膜将实际变湿。然而，由于泄漏因而阴极进口中存在较少的湿度，阴极输入线路16中的RH传感器42将提供较小的HR测量值。

图2是示出了用于确定WVT单元34中是否存在渗透泄漏或一些其它潜在故障的处理的流程图50，其中阴极输入线路16上的增湿气流比期望和/或所需的低。用于确定WVT单元34中是否存在渗透泄漏，或一些其它潜在故障的确定的处理可以在任意适当的时间执行，例如系统启动时，或每次认为合适时，其可以增加系统寿命。

在方框52，算法确定在方框54提供的来自传感器42的RH测量值与在方框56提供的来自电路40的HFR薄膜湿度计算值之间的差值。这两个RH值之间的差值提供至决定菱形框58，其确定差值是否大于在方框60处提供的预定湿度校准值。对于不同的燃料电池系统，湿度校准值可能不同。湿度校准值可以通过任意适当的技术确定，并且取决于电池堆工作情况可以固定或可以变化。在一个非限制的实施例中，校准值设定为HFR薄膜湿度计算值的20%。校准值在燃料电池堆12的整个电流密度输出中可以是相同的或可以随燃料电池堆12的电流密度的增加而增加，其中对于电池堆12的正确工作可以需要更多的增湿。

如果在决定菱形框58处两个RH至之间的差值没有大于校准值，则算法在方框62处终止，显示WVT单元34没有问题。如果RH值之间的差值大于在决定菱形框58处的校准值，则算法在方框64处增加计数值，并且然后在决定菱形框66处确定计数值是否大于预定计数，该预定计数可以是一个或其它适当的值。如果在决定菱形框66处计数值没有大于预定计数，则算法不发布故障，并且在方框62处终止。如果在决定菱形框66处计数值超过了预定计数，则算法在方框68处设定诊断问题代码（DTC）。其可以由车辆的仪表板上的故障灯提供，指示WVT单元34可能故障并且应当进行保养。

本领域技术人员将要很好地理解，在此讨论用来描述本发明的几个和多个步骤和处理可以由使用电学现象操作和/或转换数据的计算机，处理器或其它电子计算装置执行操作。那些计算机和电子装置可以使用各种易失性和/或非易失性存储器，包括具有存储在其上的具有可执行程序的非暂时性计算机可读介质，该可执行程序包括能够由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括全部形式或类型的存储器以及其它计算机可读介质。

公开的上述讨论和描述仅仅是本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这样的讨论以及附图和权利要求中很容易地理解到，在不背离以以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变，修改以及变化。