利用燃料电池组的燃料电池堆健康监测的制作方法

本说明书总体上涉及用于监测和识别燃料电池堆中的非系统事件的方法和设备，并且更具体地涉及用于对燃料电池堆内的燃料电池进行分组以监测和识别每一组内的单独燃料电池所经受的非系统事件的方法和设备。

背景技术：

燃料电池经由化学反应将燃料转化为可用的电能。这种能量产生方式的显著益处在于其不依赖于作为中间步骤的燃烧而实现。如此，相对于内燃机(ice)以及用于推进和相关动力应用的相关动力产生源而言，燃料电池具有若干环境优势。在典型的燃料电池-例如，质子交换膜或聚合物电解质膜(在任一情况下，简称为pem)燃料电池中，一对催化电极由离子透过电解质层(例如，nafion^tm)分隔开，使得这三个层一起形成通常被称为膜电极组件(mea)的组件。负极和正极上典型的催化剂负载量为每平方厘米的载体表面积(例如多孔碳基垫)约0.05至0.4mg的铂(pt)。当将形式为气态还原剂(例如氢气，h2)的第一反应物引入负极并在负极处电离并且随后让其通过离子透过介质使得其与已经通过另一电极(正极)引入的形式为气态氧化剂(例如氧气，o2)的第二反应物结合时，发生电化学反应；这种反应物的结合形成作为副产物的水。在第一反应物的电离中释放的电子以直流(dc)的形式通过外部电路到达正极，该外部电路通常包括负载(例如电动机以及各种泵、阀、压缩机或其他流体输送部件)，在这里可以进行有用的工作。通过将大量这样的电池组合成更大的发电组件，可以增大由该dc电的流动产生的发电。在一种这样的构造中，燃料电池沿着共同的堆叠尺寸连接-非常像一叠卡片-以形成燃料电池堆。本领域技术人员将理解，在该上下文中，布置成增加总体电压或电流输出的许多单独电池的任何这样的布置被认为是定义了一个堆，即使是在电池的这种精确堆叠布置不明显的情况下。

由于扩散介质(dm)或流动通道中的溢流或冰堵塞以及mea内或跨mea的h2分布不均等因素，燃料电池堆内的一些电池可能经受向负极的h2供应减少；这可能在启动或正常运行期间发生，并且在极端的实例中，供应可能会被完全切断。负极中的总体h2不足(其中h2供应被完全切断)导致称为电池反向的现象，其中负极被极化到比正极高得多的电位。当负极的一小部分被切断h2供应时，正极的与负极的h2不足部分相对应的部分经受比某些关键燃料电池部件的氧化阈值更高的电压电位，这些关键燃料电池部件例如是构成催化剂载体层的碳。这又导致了受影响电池内出现碳腐蚀以及相关的性能损失，或者甚至出现电气短路。

改善负极不足以及随后的电池反向的影响的努力还无法令人满意。在一个这样的努力中，使用电池电压监测(cvm)作为一种监测电池电压变化的方式。不幸的是，这种监测仅提供了已经在电池堆内形成的氢短缺事件的标志。此外，因为对每个电池中的非系统事件进行监测和识别所需的传感器、相关联的电线以及控制器连接的数量的缘故，将cvm布置在电池堆中的每个电池上成本较高。另一种这样的努力可能涉及到促进优先析氧反应的催化剂，作为一种抑制竞争性碳腐蚀反应的方式；单独的石墨化载体策略在经常伴随着燃料电池系统启动、关闭、瞬变或流动阻塞操作条件的总体或局部h2不足问题的情况下，不能充分降低碳腐蚀速率。

因此，需要用于监测和识别燃料电池堆内的非系统事件的替代方法和系统。

技术实现要素：

在一个实施例中，燃料电池堆包括多个电池组和控制器，其中每个电池组包括多个燃料电池和测量相应电池组的一个或多个电气特性的组传感器。控制器包括一个或多个处理器和存储器，并且通信地连接至每个组传感器。一个或多个处理器执行机器可读指令，以将每个电池组的测量的电气特性与存储在存储器中的一个或多个阈值进行比较，并且当比较指示非系统性事件时，指示需要对燃料电池堆进行诊断。

在另一个实施例中，燃料电池推进系统包括控制器、燃料电池堆、一个或多个阀以及一个或多个燃料存储容器。一个或多个阀将一个或多个燃料存储容器流体地联接到燃料电池堆，并且每个燃料存储容器存储反应物或空气。燃料电池堆包括多个电池组，其中每个电池组包括多个燃料电池和组传感器。组传感器测量相应电池组的一个或多个电气特性。控制器包括一个或多个处理器和存储器，并且通信地联接至每个组传感器。一个或多个处理器执行机器可读指令，以将测量的电气特性与存储在存储器中的一个或多个阈值进行比较，并且当比较指示非系统事件时，启动一个或多个阀以调节从燃料存储容器到燃料电池堆的反应物或空气的流量。

结合附图，通过以下的详细描述将更全面地理解由本文描述的实施例提供的这些和其他特征。

附图说明

附图中阐述的实施例是说明性的，并不意图限制由权利要求限定的主题。当结合附图阅读时，可以理解下文对说明性实施例的详细描述，在附图中相同结构用相同的附图标记表示，其中：

图1描述了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的具有燃料电池推进系统的车辆；

图2描述了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的用于燃料电池堆的控制器；

图3图示说明了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的针对电池组中燃料电池的数量的电池组的阻抗(ωcm²)；

图4描述了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的诊断流程图；

图5a描述了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的膜电极组件的顶视图；

图5b描述了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的电池组的侧向剖视图；

图6图示说明了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的基于反应物不足的反向模式所导致的燃料电池反向；

图7图示说明了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的与基于反应物不足的反向模式导致的燃料电池反向有关的另一组数据；

图8图示说明了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在不同组频率下经受燃料电池反向的燃料电池的阻抗比；

图9图示说明了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的由于非系统性事件而经受mea干涸的燃料电池堆的阻抗和电压；以及

图10图示说明了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的非系统性事件期间阻抗的变化率。

具体实施方式

燃料电池堆的非系统性故障可能仅在燃料电池堆内的几个燃料电池中影响性能或产生短路。这些非系统性故障、失效或事件可能不能被整个燃料电池堆健康监测系统检测到，这是因为受影响的燃料电池的电气特性的变化可能不会大到足以能被整个燃料电池堆健康监测系统识别或测量到。例如，由于管道系统中碎屑引起的单个燃料电池中管道系统的阻塞而经受了非系统性事件(例如，燃料电池反向)的燃料电池可能导致该燃料电池内的短路。需要在燃料电池堆操作期间检测和补救非系统性事件，以防止发生进一步的损坏或防止非系统性故障传播成整个燃料电池堆的系统性故障。使用测量燃料电池堆的电气特性的传感器来监测整个燃料电池堆可能不会识别出由于单个燃料电池内的小幅度变化引起的非系统性事件。电气噪声和其他因素可能会掩盖这种小幅度的测量。此外，对每个单独的燃料电池进行单独监测以识别这些小幅度测量是麻烦的、难以实现的和昂贵的，并且增加了健康监测系统出现错误或故障的机会。应当理解，非系统性事件是影响一个或多个单独的燃料电池的性能但不显著影响整个燃料电池堆的性能的故障。如果非系统性事件未得到补救，它们则可能导致整个燃料电池堆的系统性故障。还应当理解，燃料电池反向是单独的燃料电池的状态，在这种状态下，它是消耗电能而不是产生电能。可以设想，这种状态将表现为燃料电池输出端的电压下降或燃料电池的阻抗变化。

首先参考图1，车辆10(例如但不限于小汽车、面包车、公共汽车、卡车、摩托车、坦克、航天器、船舶、船只或潜艇)包括基于燃料电池的推进系统20，该推进系统包括电动机17和燃料电池堆1。电动机17从燃料电池堆1和/或一个或多个电存储装置27接收其电力，并为车辆10提供动力。燃料电池堆1包括许多单独的燃料电池15。基于燃料电池的推进系统20可以包括一个或多个燃料存储容器22、23，以及功率转换器或相关的电子设备25、电存储装置27(例如，蓄电池，超级电容器等)、提供操作管理的一个或多个控制器30和任何数量的阀、压缩机、管道、温度调节器和其他辅助设备。基于燃料电池的推进系统的结构、相关联的设备及其相互关系的进一步公开披露在共同转让的2015年7月21日提交的第14/804,706号美国申请(代理人案卷号p028916-ptus-che)中，其全部内容通过引用并入本文中。

可以使用任何数量的不同类型的燃料电池15来组成推进系统20的燃料电池堆1；这些燃料电池15可以是金属氢化物、碱性的、电镀锌的或其它变体。燃料电池堆1中的燃料电池15可以串联结合、并联结合或两种方式的组合来结合，以便根据车辆10的需要产生更高的电压或电流产出。

图2示出了用于燃料电池堆1的控制器30。控制器30通信地联接至燃料电池堆1的各种装置和传感器。控制器30包括通信地联接至非瞬态存储器162的一个或多个处理器161(例如，但非限制性地，微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列等)，以及一个或多个接口，例如第一接口163和第二接口164。存储器162可以是能够存储当由处理器161执行时实现本文公开的一个或多个功能的机器可执行指令的任何形式的存储器。例如，但非限制性地，存储器162可以是ram、rom、闪速存储器、硬盘驱动器、eeprom、cd-rom、dvd、其他形式的非瞬态存储器件或不同存储器件的任何组合。在一个实施例中，控制器30可以用作具有其处理器161、输入、输出和存储器162的数据处理或计算机系统，其中存储器162可以用于临时或永久地存储代码、程序、模型或相关算法、共同标记的代码171，使得代码171中包含的指令由处理器161基于输入数据进行操作，使得可以由代码生成输出数据。输出数据可以通过输出传送到另一个程序、用户或部件(例如燃料电池堆1的部件或传感器)。数据总线或电线和关联电路的相关集合组合形成合适的数据通信路径，其可以将控制器30的各种部件以及任何外围设备以允许系统作为整体运行的方式进行互连。实例包括但不限于如下文更详细解释的第一接口163、第二接口164、连接166、168和170等。

控制器30与燃料电池堆1中的各种装置通信，并且在某些情况下提供对这些装置的控制。仍然参考图2，示例性装置包括但不限于一个或多个泵143、一个或多个压缩机、一个或多个阀145以及一个或多个传感器。控制器30直接或间接地接收来自燃料电池堆1的传感器测量值，以监测系统的操作。例如，控制器30可以从与燃料电池堆1相关联的传感器或装置165接收温度、压力、流量计、密度、阀位置、速度、阻抗测量、电压测量、电流测量、感测燃料电池堆1的电气特性，或者其他测量值。应当理解，可以使用任何数量的传感器和传感器配置的不同组合，而不偏离本公开的原理或教导。

一个或多个连接166可以是分别提供控制器30与一个或多个泵143、一个或多个阀145和其它装置165之间的连接的硬连线或无线连接的任何组合。在一个实施例中，一个或多个连接166可以是共享将测量数据传送到控制器30并且将控制命令传送到燃料电池堆1的装置的数据线的一部分。在其他实施例中，一个或多个连接166可以包括一个或多个中间电路(例如，其他微控制器，信号滤波器等)，并且提供控制器30与一个或多个泵143、一个或多个阀145和其他装置165之间的间接连接。如果连接166是无线的，则控制器30和装置(例如，一个或多个泵143、一个或多个阀145和其它装置165)包括用于发送和接收数据的收发器。无线连接可以使用任何已知的协议，例如，诸如等ieee802系列标准。

第二接口164可以配置为接收测量数据并发送控制命令以启动基于燃料电池的推进系统20的一个或多个泵143、一个或多个阀145和其它装置165。第二接口164还可以包括配置为对接收的测量数据进行数字采样或滤波的电路。例如，第二接口164可以在离散时间(例如，k、k+1、k+2等)对经由连接166从泵143的温度传感器接收的温度数据进行采样，以产生离散温度值(例如，t(k)、t(k+1)、t(k+2)等)。例如，控制器30可以启动基于燃料电池的推进系统20的一个或多个泵143、一个或多个阀145和其他装置165，以调节到燃料电池堆1的反应物或空气的流量。

在一些实施例中，控制器30还可以经由连接168与接口装置167(例如但不限于显示器、扬声器、打印机或向用户提供数据和/或从用户接收数据的任何其他电子装置)进行通信。控制器30还可以经由连接170与其他计算系统169(例如但不限于另一个控制器、便携式电子装置、服务器等)进行通信。连接168和170可以是有线和/或无线连接。例如，其他计算系统169可以包括远离图1的车辆10的服务器，并且连接170可以是无线连接。例如，但非限制性地，控制器30可以经由蜂窝、wifi、无线电、卫星连接等将状态条件信息传送到其他计算系统169中的服务器。第一接口163还可以包括配置成发送和接收车辆10的位置信息的一个或多个收发器。例如，但非限制性地，第一接口163可以包括利用三角测量来确定车辆10的位置的gps接收机或蜂窝接收机。应当理解，控制器30不限于仅有两个接口，并且可以具有给定应用所要求的更多或更少的接口。例如，在一个实施例中，第一接口163和第二接口164可以是用于控制器30的单个接口。

尽管图2中将控制器30作为单一装置示出，但应当理解，这仅仅是示例性的，而不旨在具有限制性。例如，处理器161可以包括执行存储在存储器162中的指令的任何数量的计算装置的任何数量的处理器。同样地，存储器162可以包括任何数量的存储器装置，并且不限于位于与处理器161相同的外壳内的存储器装置。在一些情况下，处理器161和/或存储器162甚至可以位于车辆100的外部。还应当理解，控制器30可以是基于燃料电池的推进系统20中的许多控制器中的一个。

仍然参考图2，燃料电池堆1包括一个或多个电池组5。每个电池组5包括多个燃料电池15和组传感器7。组传感器7配置为检测与其联接的相应电池组5的电气特性。控制器30通信地联接到每个组传感器7。如下文更详细地解释的，控制器30和每个组传感器7协作以检测每个电池组5中的非系统事件或故障(例如燃料电池反向)的发生。在一个实施例中，组传感器7可以用于检测相应电池组5的电气特性(例如，电压、电流、阻抗、频率等)。在一个实施例中，每个组传感器7可以包括跨接在每个电池组5两端的高电阻电阻器，使得组传感器7和电池组5中的多个燃料电池15彼此电气并联。在一个实施例中，控制器30可以接收来自每个组传感器7的电压信号，并利用快速傅里叶变换(fft)算法处理这些电压信号，以检测以下至少一个：直流(dc)组电压、交流电(ac)组电压和谐波组电压。在一个实施例中，可以通过组传感器7和控制器30的协作从检测到的电压中得出电池组5的阻抗。可以设想，组传感器7可以包括多个单独的传感器。例如，在一个实施例中，每个组传感器7可以包括阻抗传感器、dc电压传感器、ac电压传感器、谐波传感器等中的至少一个的组合。应当理解，如本领域已知的那样，组传感器7以能使组传感器7测量并识别配置所述组传感器7的电池组5的电气特性的配置与电池组5电气联接。

ac组电压和谐波组电压可以与由ac发电机160产生的堆频率相关。在本实施例中，ac发电机160可以以堆频率向燃料电池堆1供应ac电流。在一个实施例中，ac发电机160可以以组频率向每个电池组5供应ac电流。在一个实施例中，ac发电机160可以为每个电池组生成不同的组频率，使得可以通过向其施加的频率来识别出每个电池组5。尽管图2中未示出，用于每个电池组5的每个ac发电机160可以与每个组传感器7并联联接。本实施例可以有助于通过控制器30将每个电池组5与另一电池组区分开，或者有助于识别老化电池组5中的燃料电池反向，其中燃料电池堆1包括多个电池组5，每一个电池组具有不同的老化程度。对于组频率与电池组5的老化程度之间的关系的论述，请参见下文中对图10的论述。在所有实施例中，ac发电机160产生的一个或多个ac电流的幅度和频率由控制器30确定。换句话说，控制器30通信地联接至ac发电机160，并且可以向ac发电机160提供操作指令以在一个或多个频率下产生一个或多个ac电流。应当理解，本公开不限于仅一个ac发电机160，并且可以使用多个ac发电机。可以设想，在一个实施例中，每个电池组5可以包括ac发电机。

组传感器7可以使用组频率和/或堆频率来测量高频电阻(hfr)，其中该hfr值是电池组5的电气特性。每个单独的组频率(其对于每个电池组5可以是不同的)、应用到每个电池组5的相同的组频率和/或堆频率可以变化以强调由组传感器7测量的hfr值。应当理解，电池组5的hfr值和阻抗是相同的测量。

可以设想，根据下文所提供的实验数据，非系统性故障可能导致电池组5的测量阻抗增加约0.5ωcm²至约10ωcm²或约1.8ωcm²至约7.2ωcm²。如本文所讨论的，计算的估值可以为约2ωcm²，然而，应当理解的是，在计算和确定非系统性故障时，可以在上述规定范围内使用任何阻抗。例如但不限于，可以设想，随着每个电池组5中的燃料电池15发生老化，这个计算估值可能需要改变。参照图10，更详细地讨论老化。

图3图示说明了针对电池组5中燃料电池15(图2)的数量的电池组5(图2)的阻抗(ωcm²)。可以设想，当单个燃料电池15经受燃料电池反向时，其阻抗将上升至约2ωcm²。例如，但非限制性地，在300个电池的电池组5中，每个燃料电池15的阻抗增加可以为约0.05ωcm²(50mωcm²)至约0.057ωcm²(57mωcm²)。如果300个燃料电池15表示燃料电池堆1(图4)中燃料电池15的总数，那么阻抗的上升将为约0.05ωcm²+(2ωcm²-0.05ωcm²)/300，这相当于每个燃料电池15约0.057ωcm²。这些结果表明，燃料电池堆1的整体阻抗的上升小于0.01ωcm²(10mωcm²)，并且在存在电池堆相关噪声因子以及其他信号有用信息的误差或者不良干扰的情况下，可能难以区分。换言之，整个燃料电池堆1用一个传感器来测量和识别单个燃料电池15何时正经受非系统性事件将难以识别何时燃料电池堆1的总阻抗增加小于约0.01ωcm²。可以设想，本文所讨论的数值可以根据燃料电池堆1中的燃料电池15的数量而变化。

在一个实施例中，电池组5可以包括约30至约50个燃料电池15，并且可以指示程度足以将其与电池堆相关的操作噪声和其他因子区分开的阻抗上升。在本实施例中，对于电池组5，每个燃料电池15的阻抗增加可以为约0.04ωcm²(40mωcm²)，并且是从(2ωcm²-0.05ωcm²)/50计算而得。该阻抗从约0.05ωcm²(50mωcm²)增加到约0.09ωcm²(90mωcm²)，几乎是正常操作阻抗值0.05ωcm²的两倍。0.09ωcm²是从0.05ωcm²+0.04ωcm²计算而得。通过分析可以确定，用约30个至约50个的电池组5大小测得的燃料电池堆1阻抗提供了阻抗值测量值，其在电池堆相关噪声因子以及其他信号有用信息的误差或者不良干扰的情况下也可以识别。例如，但非限制性地，对于具有300个燃料电池15的燃料电池堆1而言，55个燃料电池15的电池组5大小将需要6个燃料电池组5。这种配置将仅增加5个额外的组传感器7，这明显比每个单独的燃料电池15用一个传感器要少，因为如上文所示，整个燃料电池堆1用一个传感器将不能够识别非系统性事件。

再参照图2，当电池组5的测量电气特性指示有非系统性故障时，控制器30可以指示需要对燃料电池堆1进行诊断。在一个实施例中，控制器30可以通过在用户界面(未示出)(例如，车辆的仪表板)上亮灯和/或发出警报来指示需要对燃料电池堆1进行诊断。在一个实施例中，控制器30可以通过改变存储器中的位来指示需要对燃料电池堆1进行诊断，以便技术人员或维护人员稍后访问。在一个实施例中，控制器30可以通过采取补救动作并执行以下各项中的至少一项来指示需要对燃料电池堆1进行诊断：减少燃料电池堆1的电气负载或电力输出、关闭燃料电池堆1、允许燃料电池堆在关闭前操作特定的时间(例如，跛行回家模式)、以及增大流入燃料电池堆1的反应物或空气的流量。在一个实施例中，控制器30可以指示需要对燃料电池堆1进行诊断，并且执行诊断算法172，该诊断算法包括在存储器的机器可读代码中，如图4的流程图300所示。现在参照图2和图4，当控制器30的代码171指示需要进行诊断检查时，诊断算法172开始302。控制器30确定联接到控制器30的每个组传感器7的电气特性。诊断算法确定阈值公式304是否指示在每个相应的电池组5内已经发生或正在发生非系统性事件。如果阈值公式304指示还未发生或当前没有发生非系统事件，那么诊断算法172维持燃料电池堆1的正常操作310并结束312诊断算法172。如果阈值公式304指示已经发生或正在发生非系统性事件，那么诊断算法172执行控制操作306。然后，诊断算法172将重测308阈值公式。如果阈值公式的重测308仍然指示非系统性事件仍在发生，或者如果电池组5指示已发生的非系统事件导致了持续操作效果(即在非系统性事件得到补救之后，由组传感器7检测到的电池组5的电气特性不变或略有变化)，那么诊断算法172将继续执行控制操作306。如果阈值公式的重测308指示非系统性事件已经停止或持续操作效果已经恢复到正常操作状态，那么诊断算法172将返回到燃料电池堆1的正常操作310并结束312诊断算法172。应当理解的是，在控制器30中可以同时运行多次迭代的诊断算法172，每个组传感器7一次，或者联接到控制器30的每个组传感器7顺序运行一个诊断算法172。还可以设想的是，对于整个电池组5，由组传感器7检测的每个电池组5的阻抗电气特性归一化处理为ωcm²。

在一个实施例中，被监测的电气特性是阻抗，阈值公式304可以是最大阻抗阈值，如公式1所示：

电池组阻抗≥最大阻抗公式1

其中电池组阻抗是由每个组传感器7测量的阻抗。最大阻抗可以根据燃料电池堆1(图4)的老化程度、电池组5的老化程度或传递给控制器30的阻抗的幅值而变化。例如，但非限制性地，阈值公式304和阈值公式的重测308可以包括多个增量阈值。与这些多个增量阈值相比，控制操作306可以根据电池组5的阻抗值而不同。而且，因为电池组5的最大阻抗值可能变化，所以控制操作306可以在一次或多次迭代的过程中变化，使其超过阈值公式304和阈值的重测308的多个增量阈值中的一个或多个的不同组合。例如，但非限制性地，如果一个组传感器指示电池组的阻抗增加到大数量值，例如，正常值0.05ωcm²的两倍，那么阈值公式304或阈值公式的重测308可以指示非系统性事件已经发生或正在发生。诊断算法172可以具有用于不同补救动作的多个阈值。例如，在0.1ωcm²时，在持续供应h2(即反应物)和空气的同时，触发限制燃料电池堆上的电气负载的第一补救动作，但是在0.15ωcm²时，触发关闭燃料电池堆的第二补救动作(例如，移除燃料电池堆上的电气负载，并且负载电流在持续供应h2和空气的同时变为零)。

作为一个更具体的实例，但非限制性地，一组阈值可以包括电池组5的阻抗测量值的第一阈值(高于0.09ωcm²)、第二阈值(约0.075ωcm²和约0.09ωcm²之间)、第三阈值(约0.05ωcm²和约0.075ωcm²之间)、以及第四阈值(低于约0.05ωcm²)。这个实例参照图4，在第一次迭代中，阻抗测量值可以是约0.06ωcm²，控制操作306(例如，第一补救动作)可以增加流入燃料电池堆1的空气和/或反应物的量，以便加压并强行去除电池组5的负极通道181或正极通道180(图5b)的阻塞。在阈值公式的重测308期间，阻抗测量值可以增加到约0.08ωcm²，然后控制操作306(例如，第二补救动作)可以减少燃料电池堆1上的电气负载以进行补偿。在第二次迭代中，阈值公式的重测308可以识别阻抗测量值为约0.091ωcm²，然后控制操作306可以关闭燃料电池堆1。相反，在第二次迭代中，阈值公式的重测308可以识别阻抗测量值为约0.04ωcm²，然后控制操作306可以将燃料电池堆1的电气负载和空气供应返回到正常操作310。

此外，被监测的电气特性可以是电流，诊断算法172可以考虑电池组5中的电流密度来监测燃料电池堆1的健康情况。如上关于阻抗测量所讨论的，电流密度可以使用一组阈值，以识别已经发生或正在发生的非系统性事件。电流密度是燃料电池15的电流与有效面积的比率。下文将结合图5a和图5b讨论电流密度。例如，但非限制性地，产生约400amps并具有300cm²有效面积的燃料电池堆1的电流密度将为约1.33a/cm²。如果燃料电池15的一部分中电流的浓度(即电流密度)大于1.33a/cm²，那么诊断算法172可以识别非系统性事件，并根据与该组阈值相比较的测量值(例如，阻抗和/或电流密度)来启动适当的补救响应。应该理解的是，可以根据燃料电池推进系统20(图1)的配置来确定阻抗测量值和/或电流密度的阈值，并且更具体地，燃料电池堆1配置为给燃料电池推进系统20供电。在一个实施例中，可以根据mea的组成以及mea的表面积的量来确定阈值。

当诊断算法172识别非系统事件(例如负极反应物不足)时，控制操作306将触发补救动作。在电池(例如，电存储装置27(图1))的供电可用的情况下，这种补救动作可以包括利用电池供电通过氢泵进行高速旋转或通过由燃料电池堆产生的电力的间歇性增加，在较高压力偏压下进行主动泄放，这又将增加h2的喷射器流量，从而补救任何溢流状况。作为氢泵高速旋转的替代或者在氢泵高速旋转进行的同时，可以打开调节器或喷射器来增加h2的喷射量或压力。而且，随着h2的喷射量或压力的增加，燃料电池堆上的电气负载可以降低。可以设想，在考虑电池的充电状态的同时，可以根据对泵143(图2)和/或喷射器(例如，其他装置165(图2))的压力增加的控制来增加h2的流量。

在较高电流密度(和较高冷却剂温度)的情况下，诊断算法172将有一组高电流密度阈值，用于燃料电池堆1的电力限制和关闭。例如，但非限制性地，下表1中“燃料电池堆的关闭”可以包括通过诊断算法172检测燃料电池15的mea的过度干涸，并且控制操作306可以响应地关闭燃料电池堆1。在另一个非限制性实例中，下表1中“燃料电池堆的关闭”可以包括控制操作306在燃料电池堆1关闭期间运行用于泄漏检测的诊断。如果检测到大量泄漏，那么控制操作306可以执行如申请14/742,785所示和所述的改进的关闭策略，其全部内容通过引用并入本文中。在另一个实例中，下表1中“燃料电池堆的关闭”可以包括一旦燃料电池堆1被控制操作306关闭，就禁止燃料电池堆1重新启动的能力。对于所有实施例，下表1是诊断算法172如何处理非系统事件的实例。

表1-控制操作动作

下面描述阈值公式304和阈值公式的重测308的几个实施例。应当理解的是，尽管具体提及了阻抗和电压，但在阈值公式304和阈值公式的重测308中可以使用本文所述的任何电气特性。换言之，阈值公式304和阈值公式的重测308并不仅限于阻抗和电压。

在一个实施例中，阈值公式304和阈值公式的重测308可以是

d(电池组阻抗)/dt≥最大阻抗率公式2

在本实施例中，如果诊断算法检测到电池组中有阻抗突变，那么实施控制操作306。阈值公式304和阈值公式的重测308可以实施为大于阈值(例如，0.01ωcm²/s)的电池组阻抗的导数增加或者只是在一定时间(例如，1秒)内大于阈值的电池组阻抗值的差异。表1是本实施例的控制操作306的实例。

在一个实施例中，阈值公式304和阈值公式的重测308可以是

电池组阻抗≤γ*燃料电池堆中另一个电池组的电池组阻抗

公式3

在本实施例中，阈值公式304和阈值公式的重测308包括分离因子γ，其可以是例如1.5或2。分离因子γ是阈值且用于识别燃料电池组中一个电池组的阻抗大于其他电池组的阻抗的情况，并且可以指示经受非系统性事件的电池组。例如，但非限制性地，如果燃料电池堆内一个电池组的阻抗大于其他电池组的其他阻抗(公式3)并且检测到该电池组的大于其他电池组的阻抗突变(公式2)并且任选地分离持续(即，持续性操作效果)，那么控制操作306被触发。应该注意的是，上述分离因子(公式3)公式可以写成：

电池组阻抗/其他电池组的电池组阻抗≥γ公式4

表1是本实施例的控制操作306的实例。

在一个实施例中，阈值公式304和阈值公式的重测308可以是公式4，其中电压作为被监测的电气特性，而非阻抗。电压的分离因子γ可以是约0.9伏(或约10％的分离)。表1是本实施例的控制操作306的实例。

在一个实施例中，阈值公式304和阈值公式的重测308可以是公式2，其中电压作为被监测的电气特性，而非阻抗。表1是本实施例的控制操作306的实例。

在一个实施例中，阈值公式304和阈值公式的重测308可以是

电池组阻抗≥γ公式5

在本实施例中，诊断算法通过将测量电池组阻抗与正常操作下的电池组阻抗进行评估来确定在电池组中是否正在发生非系统性事件。阻抗比是从组传感器得到的测量阻抗除以正常操作下的电池阻抗。表1是本实施例的控制操作306的实例。

在一个实施例中，阈值公式304和阈值公式的重测308可以是公式4，其中被监测的是每个电池组的阻抗比，而非每个电池组的阻抗。表1是本实施例的控制操作306的实例。

在一个实施例中，阈值公式304和阈值公式的重测308可以是

((d(电池组阻抗))/dt)/((d(正常操作下的电池组阻抗))/dt)≥γ公式6

其中将每个电池组的变化率与正常电池组中的阻抗变化率进行比较，以确定每个电池组内是否正在发生非系统性事件。表1是本实施例的控制操作306的实例。可以设想，正常电池组的变化率可以是设定的阈值，或者是燃料电池堆1中每个电池组5的电气特性的变化率彼此的对比以及对任何将指示至少一个电池组5正在经受非系统性事件的无关测量值的识别。

在一个实施例中，阈值公式304和阈值公式的重测308可以是

(d(电池组阻抗))/dt≥ξ公式7

其中将每个电池组的变化率与正常电池组中的阻抗变化率进行比较，以确定该电池组内是否正在发生非系统性事件。表1是本实施例的控制操作306的实例。

参照图5a和图5b，燃料电池反向的原因包括使燃料电池15的电压(vcell)反向的反应物不足(即，基于反应物不足的反向模式)或由阻抗损失导致的反向(即，基于ir损失的反向模式)。可以设想的是，燃料电池堆1内空气不足不会引起燃料电池反向。由于空气不足引起的这种反向远低于每个燃料电池15约-1伏特，并且通常是在每个燃料电池单元15约-0.1伏特的范围内。

如果在水或碳腐蚀反应(cor)存在的情况下燃料电池15的电极可以支持析氧反应(oer)，那么基于反应物不足的反向模式通常使燃料电池反向小于约-1伏特。虽然cor导致了电极降解，但并不会导致硬短路。然而，一旦燃料电池15的电极中的碳用尽，就不能支持这些反应中的任何一个，那么燃料电池15的电压可能下降到约-1伏特以下，并导致硬短路。硬短路的定义为燃料电池15电极中的一个或两个中的电流量集中。硬短路可能使燃料电池15出现永久损坏，例如双极板(例如，图5b中的第一双极板55a和/或第二双极板55b)出现孔洞。而软短路不会造成永久损坏，但确实会使受影响的燃料电池15在产生电力时发生寄生电力损失。可以对以上所讨论的补救动作进行修改，以补救软短路。

在燃料电池15内，还可能因为ir损失而发生燃料电池反向。“vcell＝ve-ir＝ve–∑jxr”，其中ve是电极(即，图5b中的第一双极板55a或第二双极板55b)的电压，i是所产生的电流，j是分数电流，r是电极的电子电阻、dm以及mea50的质子电阻的和。

图5a是mea50的顶视图，图5b是包括多个燃料电池15并突出了中心燃料电池15b中电流量集中的位置的电池组5的一部分的侧视图。首先参照图5a，示出了燃料电池15的mea50，其具有负极入口200、负极出口201、正极入口202和正极出口203。燃料电池反向的共同根源是电流密度分布不均。在图5a和图5b中电流流动用箭头表示，电流密度分布不均用彼此靠近的一系列或集中的箭头表示。上述反应物不足或过度的膜干涸可能导致电流密度分布不均。在反应物不足的情况下，如图5a所示，电流密度向负极入口200附近移动并集中(用点表示)。在过度的膜干涸的情况下，电流密度向正极出口203附近的mea50的最湿润区域移动并集中。

参照图5b，对于电流分布不均的情况，经受燃料电池反向的燃料电池15(例如，中心燃料电池15b)中的电流分布导致双极板55(例如，第一双极板55a和/或第二双极板55b)中产生平面内电流，而dm又由于燃料电池15(例如，中心燃料电池15b)中的阻抗损失导致较大的电压(ir)下降。双极板55a和55b中的平面内电流在中心燃料电池15b中是示出为一系列指示双极板55a和55b内的电流流动方向的箭头。参照图5a所讨论的电流密度分布不均在中心燃料电池15b中是示出为通过mea50从第二双极板55b到第一双极板55a的紧邻的平行箭头。外燃料电池15(例如，上燃料电池15a和下燃料电池15c)说明了具有均匀电流密度的正常操作燃料电池15。

如图5b中垂直相邻的燃料电池15(例如上燃料电池15a、中心燃料电池15b和下燃料电池15c)所示，与其中电流移动通过平面并且路径小于0.5毫米(或100x量级)的正常操作相比，平面内路径可以是几十厘米。这种大而长的平面内路径增加导致了较大的电阻，而该电阻可以由检测燃料电池15中的燃料电池反向的组传感器7经由阻抗、高频电阻或对应于ir损失的电压下降而测量出。

实验结果

图6图示说明了由非系统故障导致的燃料电池反向，诸如基于反应物不足的反向模式(即，五电池燃料电池堆中的燃料电池的负极不足)。纵向轴线说明了以秒为单位的时间，而左边的垂直轴线说明了电流密度[a/m²]、负极化学计量(比)、电压[v]、以及阻抗，即电阻[ωcm²]。包括五个串联连接的燃料电池的燃料电池堆被用来收集图6中图示地描绘的数据。传感器(例如图2的组传感器7)联接至燃料电池堆以检测作为整体的燃料电池堆的电压、阻抗和ir。换句话说，传感器检测电池组的电气特性，而不是每个单独燃料电池的电气特性。

通过阻断中心燃料电池(即3号)的一些负极通道181(图5b)，导致了五电池堆中的非系统故障，使得其运行比燃料电池堆中其余燃料电池更低的负极化学计量(三角形曲线图)。燃料电池堆以约0.6a/cm²的恒定电流密度(x曲线图)的一致功率输出操作。在约2200秒处，负极化学计量(三角形曲线图)降低至接近1。然而非不足燃料电池(1号、2号、4号和5号)没有使从约+0.8伏反向至约-1.6伏(菱形曲线图)的不足燃料电池(即，3号)反向(图6中未示出)。与此同时，燃料电池3号电池的阻抗(圆形曲线图)增加至约3ωcm²，并且ir校正电压(即，电极电压ve)(正方形曲线图)为约-0.4伏。应注意，经受反向的燃料电池的正常阻抗值在约0.05ωcm²的量级上。将图6的阻抗值(圆形曲线图)与正常阻抗值相比，燃料电池3号的阻抗增加了60倍。应注意，由于燃料电池组中单一燃料电池的基于反应物不足的反向模式，所检测到的阻抗增加由连接至整个五电池燃料电池堆的传感器检测到。

返回参照图2，一个燃料电池15中的增加阻抗在整个电池组5的阻抗变化中是可识别的。例如，对于包括五十个燃料电池15的电池组5来说，在正常操作中，电池组5的阻抗可以为约0.05ωcm²x50＝2.5ωcm²。具有故障的相同电池组5(例如一个电池组经受了燃料电池反向)，电池组5的阻抗可以为约0.05ωcm²x49+(3ωcm²x1)＝5.45ωcm²。如之前结合图6所讨论的，部分公式(3ωcm²x1)中的因子“3ωcm²”指示出，经受燃料电池反向的燃料电池具有约3ωcm²的阻抗值。该计算说明，当五十个串联连接的燃料电池的电池组5具有经受燃料电池反向的燃料电池时，由组传感器7检测的阻抗可以大致从约2.5ωcm²翻倍至约5.45ωcm²。换句话说，标准化的每个燃料电池15的阻抗值将从约0.05(2.5/50)ωcm²增加至约0.109(5.45/50)ωcm²。

图7图示说明了由基于反应物不足的反向模式(即，三电池燃料电池堆中燃料电池的负极不足，其以约0.6a/cm²操作)导致的另一个数据组。包括三个燃料电池(1号、2号和3号)的燃料电池堆在燃料电池2号的一些气体场(即，一个或多个负极通道181(图5b))被阻断的条件下操作。电池电压和阻抗在燃料电池2号上的各个位置处都进行测量。而且，阻抗数据在从约100hz至约10khz范围的不同组频率下进行收集。图7说明了以下内容：燃料电池堆电压(圆形轨迹)、燃料电池堆阻抗(六边形曲线图)、燃料电池1号和3号的燃料电池电压(正方形曲线图)；燃料电池1号和3号的阻抗(三角形曲线图)；燃料电池2号的阻抗(菱形曲线图)；和燃料电池2号的燃料电池电压(x曲线图)。第一电气特性传感器(例如组传感器7(图2))联接至燃料电池1号，第二电气特性传感器联接至燃料电池2号，第三电气特性传感器联接至燃料电池3号，以及堆传感器联接至燃料电池堆。如图所示，当燃料电池堆的负极化学计量降低时，燃料电池1号和3号不会经受负极不足，并且因此不会反向。然而，燃料电池2号经受了负极不足并且表现出燃料电池反向。同时，堆(六边形曲线图)和电池2号(菱形曲线图)的阻抗从约1ωcm²增加至约6.5ωcm²或者接近正常值的约120倍。在约998秒处并且从此时开始，由于在持续向燃料电池堆供应h²和空气的同时释放了电气负载，因此，电流密度变为零(0a/cm²)。

图8是不同组频率下经受燃料电池反向的燃料电池的阻抗比的图示说明：100hz(圆形曲线图)、200hz(三角形曲线图)、300hz(菱形曲线图)、500hz(正方形曲线图)和10khz(x曲线图)。当经受燃料电池反向的燃料电池的电压以负的幅值(即，负电压在零以下增加)增加时，阻抗比也增加。在图8的代表点处，在所有五个曲线图上，三条垂直轴线代表约32％230、75％231和113％232的阻抗比。

在约-2伏处，无论是何种频率，阻抗比都是相似的，但是由于燃料电池反向的增加，电池电压的更大反向导致了更大的阻抗比。可以设想，由于传感器没有拾取电极效应，因此正常操作条件下的mea50的阻抗在较高频率下可以更低。图8说明的是，不管应用至电池组的单独燃料电池的组频率如何，阻抗比都随着经受燃料电池反向的燃料电池的电池电压幅值的增加而增加。可以设想，当燃料电池经受燃料电池反向时，组频率可以进行修改，以提供阻抗比的最大增加。例如，可以设想，组频率越大，阻抗比就越大。当然，组频率必须考虑到背景噪声和信号损失等。

图9图示说明了具有五个燃料电池的燃料电池堆在经受由非系统事件(诸如基于ir损失的反向模式)导致的mea干涸时的阻抗和电压。通过阻断中心燃料电池(即3号)的一些冷却剂通道182(图5b)，导致了五电池堆中的非系统故障，使得其以最大功率输出运行，冷却剂温度为其1.1a/cm²的电流密度(圆形曲线图)的最大允许操作值，冷却剂为95℃。由于燃料电池3号的某些但非全部冷却剂通道182被阻断，与在接近105℃的温度下运行的燃料电池1号、2号、4号和5号相比，燃料电池3号在比105℃高出10℃的温度下运行。燃料电池3号的入口相对湿度降低至约25％，使得当对比所有五个燃料电池的出口相对湿度时，燃料电池1号、2号、4号和5号在正极出口处具有约70％的相对湿度，而燃料电池3号在其正极出口处具有约50％的相对湿度。在这些操作条件下，在燃料电池堆启动约5438秒之后，燃料电池3号经受了燃料电池反向。燃料电池3号反向至约-5伏(三角形曲线图)，并且燃料电池3号的相关联阻抗从约0.05ωcm²增加至约2.8ωcm²(正方形曲线图)。燃料电池堆的阻抗也从约0.4ωcm²增加至约3ωcm²(菱形曲线图)。剩余电池(燃料电池1号、2号、4号和5号)的阻抗(x曲线图)在整个燃料电池反向中保持在约0.1ωcm²。与剩余燃料电池的阻抗相比，这约为燃料电池3号的阻抗的30倍(3ωcm²/0.1ωcm²)放大。

现在参照图10，示出了非系统事件期间阻抗的变化率。图10使用了不同组频率下的来自图7的燃料电池2号的数据：100hz(圆形曲线图)和10khz(三角形曲线图)。可以设想，非系统故障的另一个检测方法可以采用监测阻抗(d(阻抗)/dt)的变化率来区别由非系统故障引起的阻抗增加。例如，可以设想，可以通过使用下面的公式8识别和区分两个非系统事件。由电流分布不均(即，左侧的第一个术语)引起的阻抗上升率的动态可以与由膜水合(即，左侧的第二个术语)引起的阻抗上升率相区分。

(d(由组传感器测量的阻抗)/dt-(d(由水平衡监测模块测量的阻抗))/dt)＝∝公式8

通过使用公式8，当差值α超过阈值时，其是燃料电池中电流分布不均的指示并且可以用于触发补救动作。如本文更详细解释的，补救动作可以与功率限制或关闭的控制动作相似。

图10也说明了由燃料电池的老化引起的变化。经受了非系统事件的燃料电池的阻抗变化根据燃料电池的电极的降解量而变化。在燃料电池降解之前，新曲线图190示出了新燃料电池(即，寿命初期)的电池组的组传感器。寿命初期可能意味着正处于燃料电池堆刚启动或者还是全新的时候。示出了老化组曲线图191，从而在与新曲线图190相比时突出燃料电池和燃料电池堆的老化在测量阻抗值方面的差异。可以设想，当监测和识别非系统事件时，用来检测非系统故障的诊断算法可能要考虑燃料电池和/或燃料电池堆的寿命和/或启动。可以设想，随着燃料电池堆1的老化，控制器30可以使用表格或图表来调整存储在存储器中且用来识别非系统事件的一个或多个阈值。

使用最小量的传感器和相关联设备来识别燃料电池堆内的非系统事件或故障的能力使得控制器能够消除或至少减少燃料电池承受的损坏量，并且可以增强燃料电池堆继续操作以使车辆到达修理地点的能力。由于经受非系统事件的燃料电池的电气特性的微小变化，需要进行单独燃料电池监测。如本文所述，单独燃料电池监测的替代方案是对燃料电池分组。对燃料电池分组降低了监测的复杂度，并且降低了监测燃料电池堆的健康所需要的部件数量。

应注意，本文所使用的术语“传感器”指的是测量物理量并将其转换为与物理量的测量值相关的信号的装置。此外，术语“信号”指的是能够从一个位置传递至另一个位置的电气、磁性或光学波形，诸如电流、电压、磁通量、dc、ac、正弦波、三角波、方波等。本领域技术人员应当理解，指示电气特性的极性仅用于参考目的，并且可以根据传感器连接而反向。可以设想，本文给出的极性指示优选的传感器连接。

除非另有定义，本文所用的所有技术和科学术语具有所要求保护的主题所属领域中普通技术人员通常理解的相同含义。本说明书中所用的术语仅用于描述具体实施例，并非旨在进行限制。如说明书和所附权利要求所使用的，除非上下文另外明确指出，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式。

应注意，本文中可利用术语“基本上”和“约”来表示可能归因于任何定量比较、值、测量或其它表达的不确定性的内在程度。本文还利用这些术语来表示这样的程度：定量表达可以变化而不同于规定参考值，而不会导致所述主题的基本功能发生变化。

本公开所使用的某些术语仅出于方便目的而非进行限制。词语“左”、“右”、“前”、“后”、“上”和“下”指的是所参照的附图中的方向。术语包括上面提到的词语及其衍生词和类似的外来词。

在此以及下文中，术语“阻抗”常用的意思是可以包括欧姆、以及电容和/或电感部件的电气阻抗。相应地，术语“阻抗值”通常指反映阻抗部件中的任何一个或全部的复值和值向量。在一些实施例中，阻抗是欧姆电阻，并且对应的阻抗值是电阻器值。然而，电容和/或电感阻抗部件可以替代地或另外地被评价为欧姆阻抗部件。术语“阻抗值”可以进一步称为与阻抗或阻抗部件相关的且从阻抗或阻抗部件得出的值，诸如比电导率、容量等，并且也可称为与阻抗或阻抗部件相关的电气测量值，诸如阻抗上的电压下降。

尽管本文已经示出并描述了具体实施例，但应当理解，在不背离所要求保护的主题的精神和范围的情况下可作出各种其它变化和修改。另外，虽然本文已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但这些方面不需要组合地利用。因此，目的在于所附权利要求涵盖属于所要求保护的主题的范围内的所有此类变化和修改。