诊断燃料电池湿化问题的方法
【专利摘要】本发明涉及用于确定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。
【专利说明】诊断燃料电池湿化问题的方法
【技术领域】
[0001]本发明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。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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，通常是诸如钼(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。
[0004]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。
[0005]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侦U。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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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300 Hz-10 kHz。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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]题为“Utilization of HFR-Based Cathode Inlet RH Model in Comparison toSensor Feedback to Determine Failed Water Vapor Transfer Unit and Utilize fora Diagnostic Code and Message”、2011年8月3日提交、转让给本申请的受让者且通过参考引入本文的美国专利申请序列号13/197535公开了使用HFR和RH传感器测量值来检测WVT单元中的渗透泄漏的系统和方法。
【发明内容】
[0015]根据本发明的教导，公开了用于确定相对湿度(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。所述方法包括:在进入燃料电池堆且增加阴极入口空气的水含量之前，提供通过水蒸汽传输(WVT)单元的阴极入口空气。所述方法还将阴极出口气体提供给WVT单元以提供湿化，用于增加阴极入口空气的水含量。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传感器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改变的速率更快的速率增加。
[0016]方案1.一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。
[0017]方案2.根据方案I所述的方法，其中，确定HFR电路是否正常工作包括:如果HFR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可能多快地变化更大，那么确定HFR电路未正常工作。
[0018]方案3.根据方案2所述的方法，其中，修正水传输模型包括:如果HFR电路未正常工作，那么阻止使用HFR信号修正水传输模型。
[0019]方案4.根据方案I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(WVT)单元，且其中，使用HFR湿化信号或RH信号修正水传输模型包括校正WVT单元降级。
[0020]方案5.根据方案4所述的方法，其中，确定RH传感器或HFR电路是否正常工作包括:如果水传输模型指示WVT单元性能改进超过预定极限值，那么确定RH传感器或HFR电路未正常工作。
[0021]方案6.根据方案5所述的方法，其中，修正水传输模型包括:如果RH传感器或HFR电路未正常工作，那么使用预定值修正水含量模型。
[0022]方案7.根据方案5所述的方法，其中，修正水传输模型包括:如果RH传感器或HFR电路未正常工作，那么使用基于WVT单元已经工作的小时数的值来修正水传输模型。
[0023]方案8.根据方案4所述的方法，其中，确定RH传感器或HFR电路是否正常工作包括:如果水传输模型指示WVT单元的性能在一定时间点低于预定性能，那么确定RH传感器或HFR电路未正常工作。
[0024]方案9.根据方案8所述的方法,其中，修正水传输模型包括:尽管水传输模型指不WVT单元的性能低于预定性能，仍然使用RH传感器读数或HFR电路测量值修正水传输模型。
[0025]方案10.根据方案I所述的方法，还包括:如果确定HFR电路或RH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。
[0026]方案11.根据方案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HFR信号来确定燃料电池堆水含量。
[0027]方案12.—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料电池堆从而增加阴极空气流的水含量之前流动通过水蒸汽传输(WVT)单元；
将阴极出口气体提供给WVT单元，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；
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通过WVT单元传输的水量；
使用HFR湿化信号修正水传输模型以校正WVT单元降级；以及如果HFR信号中的变化比燃料电池堆水含量可能多快地变化更大，那么确定HFR电路未正常工作。
[0028]方案13.根据方案12所述的方法，其中，修正水传输模型包括:如果HFR电路未正常工作，那么阻止使用HFR信号修正水传输模型。
[0029]方案14.根据方案12所述的方法，还包括:如果确定HFR电路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。
[0030]方案15.根据方案14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HFR信号来确定燃料电池堆水含量。
[0031]方案16.—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料电池堆从而增加阴极空气流的水含量之前流动通过水蒸汽传输(WVT)单元；
将阴极出口气体提供给WVT单元，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，RH传感器设置在WVT单元和燃料电池堆之间；
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通过WVT单元传输的水量；
使用HFR湿化信号或RF信号修正水传输模型以校正WVT单元降级；以及确定RH传感器或HFR电路是否正常工作，包括:如果水传输模型指示WVT单元性能改进超过预定极限值，那么确定RH传感器或HFR电路未正常工作。
[0032]方案17.根据方案16所述的方法，其中，修正水传输模型包括:如果RH传感器或HFR电路未正常工作，那么使用预定值修正水传输模型。
[0033]方案18.根据方案16所述的方法，其中，修正水传输模型包括:如果RH传感器或HFR电路未正常工作，那么使用基于WVT单元已经工作的小时数的值来修正水传输模型。
[0034]方案19.根据方案15所述的方法，其中，确定RH传感器或HFR电路是否正常工作包括:如果水传输模型指示WVT单元的性能在一定时间点低于预定性能，那么确定RH传感器或HFR电路未正常工作。
[0035]方案20.根据方案19所述的方法，其中，修正水传输模型包括:尽管水含量模型指示WVT单元的性能低于预定性能，仍然使用RH传感器读数或HFR电路测量值修正水传输模型。
[0036]本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是燃料电池系统的简化示意性框图；
图2是曲线图，水平轴为时间，竖直轴为HFR测量值，示出了基于HFR测量值的突然跳跃指示HFR电路故障的示例；
图3是曲线图，水平轴为时间，竖直轴为测量WVT单元水传输速率，图示了缓慢RH传感器漂移；
图4是曲线图，水平轴为时间，竖直轴为HFR测量值，示出了湿化合理性诊断的示例；和 图5是流程图，示出了用于确定RH传感器或HFR电路是否正常工作的过程。
【具体实施方式】
[0038]涉及用于识别燃料电池系统中的HFR电路或RH传感器故障的系统和方法的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。
[0039]图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意性框图。压缩机14通过测量阴极空气流量的空气流量计36和湿化阴极输入空气的水蒸汽传输(WVT)单元34在阴极输入线路16上提供空气流至燃料电池堆12的阴极侧。阴极排气在阴极排气线路18上从燃料电池堆12输出，该阴极排气线路将阴极排气导向至WVT单元34以提供湿度以湿化阴极输入空气。RH传感器38设置在阴极输入线路16中以在其已经由WVT单元34湿化后提供阴极输入空气流的RH测量。温度传感器42设置为可以在系统10中采用的一个或多个温度传感器的总体表示，其可操作获得系统10中的燃料电池堆12和/或各个流体流动区域的温度。
[0040]燃料电池系统10还包括氢燃料的源20，典型地为高压罐，其提供氢气至喷射器22，该喷射器22在阳极输入线路24上喷射受控量的氢气至燃料电池堆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，截止阀等，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。一个例子是题为 “Combination of Injector/Ejector for Fuel CellSystems”、在2008年I月22日授权、转让给本申请的受让者并且在此作为参考引入的美国专利号7，320，840中描述的喷射器/排出器。
[0041]阳极流出的输出气体在阳极输出线路26上从燃料电池堆12的阳极侧输出，其提供至排出阀28。如本领域技术人员将会更好地理解，来自燃料电池堆12的阴极侧的氮气渗透稀释了燃料电池堆12的阳极侧中的氢气，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流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在阳极流出气体提供至再循环线路30的位置处，再循环线路将阳极气体再循环至喷射器22以作为排出器操作并且将再循环的氢气提供返回至燃料电池堆12的阳极输入。当命令了排出以减少燃料电池堆12的阳极侧中的氮气时，排出阀28被布置为将阳极流出气体导向至在线路18上将阳极流出气体与阴极排气合并的旁通线路32，其中氢气被稀释以适合于环境。尽管系统10是阳极再循环系统，本领域技术人员将很好理解，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。
[0042]燃料电池系统10还包括以本领域技术人员将很好理解的方式确定燃料电池堆12中的膜的燃料电池堆膜湿度的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内的电池膜的湿化作用。HFR电路40通过确定燃料电池堆12的欧姆电阻或膜质子阻力而工作。膜质子阻力是燃料电池堆12的膜湿化作用的函数。
[0043]燃料电池系统10还包括冷却流体流泵48，其将冷却流体泵送通过燃料电池堆12内的流动通道和燃料电池堆12外的冷却流体回路50。散热器46以本领域技术人员将很好理解的方式降低流动通过回路50的冷却流体的温度。燃料电池系统10还包括控制系统10操作的控制器44。控制器44操作上文提及类型的水缓冲模型和水传输模型，其分别基于来自于系统10中的部件(包括但不限于质量流量计36和温度传感器42)的多个和各个输入来估计WVT单元34中的燃料电池堆水含量和水传输。控制器44还接收来自于HFR电路40的HFR测量信号和来自于RH传感器38的RH测量信号，且可以在WVT单元34降级时使用这些输入来更新模型。如所述的，控制器44控制系统10的操作，包括排出阀28、压缩机14、喷射器22、泵48等。
[0044]本发明提出了一种用于确定来自于HFR电路40的HFR测量信号是否漂移或者电路40是否发生故障和/或来自于RH传感器38的输出是否漂移或者传感器38是否发生故障的系统和方法。更具体地，下文所述的技术将识别三种独立故障，包括HFR测量值的突然跳跃、缓慢RH传感器或HFR测量漂移和湿化合理性确定，其确定在应当没有变化发生时RH传感器或HFR电路是否提供表示水含量变化的信号。控制器44将操作各个算法和方法以执行下文所述的各个诊断和控制。
[0045]用于确定HFR湿化的突然跳跃的诊断过程监测来自于电路40的HFR测量信号，以基于HFR测量信号中的突然的物理上不可能的跳跃来确定是否提供不合理的值。燃料电池堆12中的MEA可能仅仅基于质量传输和第二定律考虑而如此快地干燥，从而如果发生比膜的理论干燥速率更快的信号跳跃，那么可以推断HFR电路40不正常工作。图2是曲线图，水平轴为时间t，单位:秒，竖直轴为来自于电路40的HFR测量值，示出了可能的事件。曲线图线60示出了在位置62处HFR测量信号在小于I秒内从例如大约50 mQ-cm2至500mQ-cm2的水平的跳跃，这是系统物理上不可能的HFR测量速率增加。最大物理速率可能是阴极空气流量的函数，因为其极大地影响电池膜的干燥速率。在检测该故障时可以采取的一个补救动作是中断使用HFR测量信号调节或修改水传输模型且忽略HFR测量信号。如果HFR信号回到燃料电池堆水缓冲的预测内的线中，诊断过程可通过且正常模型调节将恢复。
[0046]第二诊断过程监测缓慢传感器或HFR测量漂移，其中，漂移可能能够基于在水传输模型调节上设置的护轨或极限值来识别。WVT单元34随着时间的经过应该不以改进的性能操作。因而，如果HFR电路40或RH传感器38开始以表示WVT单元34传输比理论或实际上可能的更多的水的方式漂移，那么可以给出传感器故障诊断。如果传感器38或HFR电路40要以其它方式漂移使得WVT单元34的性能变得更差，那么可能不能断定是传感器38或HFR电路40发生故障还是WVT单元34发生故障。在任一情况下，诊断过程可以设定允许服务技术人员确定哪个元件不正确工作的标志。
[0047]如果由于过高或过低的RH传感器读数或HFR电路测量而触发缓慢漂移诊断，那么可以中断水传输模型校正。基于碰及哪一极限值，模型中的水传输特性可能变化。如果碰及估计WVT单元34基于察觉的错误传感器传输过多水的点，那么WVT单元特性可在水传输模型中变化，使得其工作在可接受湿化器性能范围内一定地方的固定值或者与WVT单元34已经工作的小时数相对应的值。如果碰及传感器38或HFR电路40指示WVT单元34欠佳工作的点，水传输模型可以以低工作极限值调节，直到服务能够确定真实故障。
[0048]图3是曲线图，水平轴是时间t，单位:小时，竖直轴是测量WVT单元性能，以示出该诊断。曲线图线70表示WVT单元性能随着时间的经过增加，其中，一旦在线72上达到最大可能湿化器性能，可实施诊断。
[0049]对于湿化合理性确定诊断，HFR测量值比应当的更高或更低，但是既不是突然跳跃也不是逐渐漂移。在该情况下，假定HFR测量值或RH传感器值提供准确读数，但是燃料电池堆水含量基于不应当的测量值变化。在该诊断下，假定存在与其它系统部件(例如，空气流量计36)有关的问题，这引起测量水含量的变化。在该诊断下，不使用水传输模型，而使用实际HFR测量值或RH传感器读数来确定燃料电池堆水含量。诊断可用于这些其它部件故障，但是还没有识别是哪个原因。在该情况下，由故障部件提供给水传输模型的输入可以使得模型提供不准确RH估计。
[0050]为了确定HFR电路40是否提供合理测量值，可以观察HFR测量值和基于燃料电池堆水缓冲模型的预测HFR测量值之间的差。如果差对于一定时间段过高，控制器44可以设定将表示传感器读数和模型预测之间不匹配的故障。由于不知道是系统10中的哪个部件发生故障，将不可能用更合理值来替换任何值。仍需要采取动作以防止燃料电池堆干燥或溢流。在做任何其它事情之前，需要禁用水传输模型调节，而与模型针对HFR测量值还是RH传感器测量值调节无关。除此之外，策略将借助基于HFR的湿化控制。通过已知技术将HFR测量值与其它操作参数(例如，冷却剂温度、阴极空气流量、阴极压力等)相结合允许控制过程来估计燃料电池堆12的湿化作用。可以制定湿化设定点，使得燃料电池堆12不会过湿或者过干地运行。当电池膜完全饱和水时，继续增加阴极流的过饱和程度将不会由HFR电路40测量。HFR测量信号确定湿化作用的有效性在较干燥条件下(例如，低于100% RH)好很多。由于不知道哪个部件发生故障，该策略将不确保系统10如最佳性能时那样精确地运行。
[0051]通常，由于较低温度通常意味着较低性能，因而存在冷却剂温度设定点的下限，例如40-50°C。膜的传导率随着温度降低而降低。在低温下，电极运动性能变得更缓慢。由于在诊断受挫的情况下传感器错误可能是严重的，因而可能需要具有减少最小温度设定点以确保湿化控制至合理水平的能力。湿化需要与保持一定水平的性能的需要进行平衡。由于系统中存在故障，系统的正常功率容量可能不可用。
[0052]图4是曲线图，水平轴为时间t，单位:秒，竖直轴为HFR测量值，图示了该诊断。在该图示中，特定稳态系统操作的估计HFR测量值由曲线图线80示出，在该时间期间的实际HFR测量信号由曲线图线82示出，其中，曲线图线84表示可能的最大HFR增加速率。在该诊断中，假定HFR测量值正确且由于基于模型的估计值稳定，还假定系统中的一些部件发生故障或以其他方式不工作。
[0053]图5是流程图90，示出了基于上文的讨论来确定RH传感器38和/或HFR电路40是否正常工作的过程。框92处的时间t和框94处的时间t - δ t的HFR电路测量值提供给比较菱形块96，以确定HFR测量值是否增加超过最大计算可能速率。如果是，算法在框98设定故障，表示HFR电路测量值无效且不应当使用。如果在比较菱形块96处两个HFR电路测量值读数之间的差是物理上可能的值，那么算法在框100确定HFR测量值有效。算法然后在框102将调节WVT单元性能度量与最大预期度量进行比较且在判定菱形块104处确定该比较是否高于预定最大性能度量。如果在判定菱形块104处算法确定WVT单元34的性能好于合理可能的，在框106处算法确定用于调节水传输模型的RH传感器38或HFR电路40的故障。如果在判定菱形块104处WVT单元34的性能是可接受的，那么算法在框108处将从水缓冲模型估计的燃料电池堆12中的水含量与HFR电路测量值进行比较，且在判定菱形块110处确定其是否处于预定范围内。如果在判定菱形块110处其处于预定范围内，那么在框112，HFR测量值与模型估计值匹配且系统正常工作。如果在判定菱形块110处比较不处于预定范围内，那么在框114，算法提供表示一些系统部件不正常工作的故障且运行预定缓解策略。
[0054]要注意的是，上文讨论的所有实施例涉及包括用于湿化阴极入口空气的WVT单元的燃料电池系统。然而，本领域已知使用氧消耗的阴极排气直接湿化阴极入口空气，而不需要WVT单元。两个设计都具有优点。本领域技术人员将容易认识到上文讨论的“突然跳跃”诊断和“合理性确定”诊断可以如何修改用于不采用WVT单元而包括阴极再循环设计的那些系统。例如，不是使用WVT模型来预测返回阴极入口的水含量的数量，可以使用确定再循环流量的其它模型或测量值。
[0055]本领域技术人员将很好地理解，在此讨论用来描述本发明的几个和多个步骤和处理可以称为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可执行程序的非暂态计算机可读介质，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所有形式和类型的存储器以及其它计算机可读介质。
[0056]前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。
【权利要求】
1.一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。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定HFR电路是否正常工作包括:如果HFR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可能多快地变化更大，那么确定HFR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HFR电路未正常工作，那么阻止使用HFR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(WVT)单元，且其中，使用HFR湿化信号或RH信号修正水传输模型包括校正WVT单元降级。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定RH传感器或HFR电路是否正常工作包括:如果水传输模型指示WVT单元性能改进超过预定极限值，那么确定RH传感器或HFR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RH传感器或HFR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RH传感器或HFR电路未正常工作，那么使用基于WVT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RH传感器或HFR电路是否正常工作包括:如果水传输模型指示WVT单元的性能在一定时间点低于预定性能，那么确定RH传感器或HFR电路未正常工作。
9.一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料电池堆从而增加阴极空气流的水含量之前流动通过水蒸汽传输(WVT)单元； 将阴极出口气体提供给WVT单元，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； 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通过WVT单元传输的水量； 使用HFR湿化信号修正水传输模型以校正WVT单元降级；以及 如果HFR信号中的变化比燃料电池堆水含量可能多快地变化更大，那么确定HFR电路未正常工作。
10.一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料电池堆从而增加阴极空气流的水含量之前流动通过水蒸汽传输(WVT)单元； 将阴极出口气体提供给WVT单元，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，RH传感器设置在WVT单元和燃料电池堆之间； 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通过WVT单元传输的水量； 使用HFR湿化信号或RF信号修正水传输模型以校正WVT单元降级；以及确定RH传感器或HFR电路是否正常工作，包括:如果水传输模型指示WVT单元性能改进超过预定极限值，那么确定RH传感器或HFR电路未正常工作。
【文档编号】H01M8/04GK103915641SQ201310734126
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】D.R.勒布策尔特, D.H.克斯库拉, T.K.普雷斯顿, J.P.诺兰 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司