用于诊断燃料电池堆的状态且控制燃料电池系统的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及用于诊断燃料电池堆的状态且控制燃料电池系统的系统和方法，更为具体而言，涉及通过使用施加于燃料电池堆的多频电流的阻抗大小来确定燃料电池堆的含水量，如干涸/浸水状态(例如，排水)从而诊断燃料电池堆的状态且控制燃料电池系统的方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池交通工具包括:用作动力源的燃料电池堆，其中组合了多个燃料电池；给燃料电池堆提供氢气的燃料供应系统；给电化学反应提供氧气作为所需氧化剂的空气供应系统；以及调节燃料电池堆温度的水和热管理系统。燃料供应系统将储存在氢气罐中的压缩氢气解压，并将该解压的氢气提供给堆栈的燃料电极(阳极)；空气供应系统将由吹风机从外部吸入的空气提供给堆栈的空气电极(阴极)。
[0003]当氢气和氧气被分别提供给燃料电极和空气电极时，氢气在燃料电极处通过催化剂分成质子和电子，质子穿过电解质隔膜移动到空气电极，同时电子通过外部电路从阳极被拉到阴极，因此产生电力。一旦到达空气电极，质子与电子重新结合，并与氧气反应生成水，因此也产生电力。换言之，在燃料电极处氢气电化学氧化和在空气电极处氧气电化学还原的结合引起电子连续地从阳极移动到阴极，并伴随着电力和热量的产生。另外，氢气与氧气的电化学反应产生水蒸气或液相水。
[0004]设置用于排出在燃料电池堆中电力产生期间所产生的例如水蒸气、水和热量的副产物以及例如氢气和氧气的未反应的成分的排放装置。气体如水蒸气、氢气和氧气通过通风装置排放到大气中。用于操作燃料电池的组件，包括吹风机、氢气再循环鼓风机、水栗等，连接到主总线以促进燃料电池的操作。主总线也可与各种用于促进供电中断和连接的继电器以及用于防止反向电流流向燃料电池的二极管连接。
[0005]由吹风机提供的干燥空气使用加湿器加湿并提供给燃料电池堆的空气电极，同时来自空气电极的废气经由内部产生的水而在加湿状态下输送给加湿器，并用来加湿由吹风机提供的干燥空气。当燃料电池堆处于干涸或浸水状态时，燃料电池堆输出功率降低，且恢复输出功率到适度水平的所需时间增加。另外，干涸或浸水状态的延续可导致燃料电池堆耐久性和寿命的降低。因此，有必要准确诊断燃料电池堆的状态，包括干涸或浸水(例如，排水状态)，并根据诊断的状态进行堆栈的恢复操作以确保燃料电池堆的快速恢复。
[0006]相关技术公开了一种通过测量燃料电池的交流电(AC)阻抗以诊断燃料电池堆的含水量的方法。换而言之，当电流阻抗基本恒定时，燃料电池可诊断为正常。此外，当燃料电池在电流阻抗上显示显著变化时，可以确定燃料电池的浸水。逐渐增加的电流阻抗可能表示燃料电池处于干涸状态。由于该公开的方法通过确定阻抗值的改变来确定浸水，然而这需要测量随着时间的推移的两个或多个阻抗值并计算阻抗值的变化，因此该方法需要大量时间来检测浸水。另外的问题是，测量几百Hz的阻抗频率范围可导致测量精度的降低。
[0007]另一个相关技术公开了一种用于防止燃料电池堆干涸的方法，其通过使用相对湿度图确定燃料电池堆的相对湿度并且通过当相对湿度确定为增加时减少空气流量并增加驱动压力来防止燃料电池堆干涸，其中，该相对湿度图基于有关吹风机出口、加湿器入口和冷却液出口的各自温度的测量数据。然而，该方法问题在于，由于燃料电池堆内部的湿度非常易受各种因素的影响，包括被吸入到燃料电池堆中的空气的温度和湿度、空气出口处的温度和湿度、所提供氢气的温度和湿度、燃料电池堆的产物水的量和燃料电池堆本身的温度，因此从有关吹风机出口、加湿器入口和冷却液出口的各自温度的数据估计相对湿度会降低准确程度。
[0008]此外，另一个相关技术公开了一种在燃料电池堆中恢复水平衡的方法。当燃料电池堆中发生干涸情况，其中燃料电池中的水平衡小于预定值时，燃料电池堆通过连续进行下述工序以限制燃料电池的输出来恢复，即，依次进行减少空气的化学计量比、减少燃料电极压力、增加燃料电极循环容量和增加空气压力的工序。然而，该连续工序缺点在于需要大量时间恢复处于干涸状态的燃料电池堆。
【发明内容】
[0009]因此，本发明提供一种用于诊断燃料电池堆的状态的方法，其能够通过施加多频电流提高燃料电池堆的诊断性能，测量多频电流的阻抗，且迅速诊断燃料电池堆的含水量，包括燃料电池堆的干涸/浸水状态。另外，本发明提供一种基于燃料电池堆的状态控制燃料电池系统的方法，该方法能够使燃料电池堆从异常状态迅速恢复到正常状态(例如，从干涸或浸水状态到无故障状态)。
[0010]根据本发明的一个方面，用于诊断燃料电池堆的状态的方法可包括:同时将分别具有第一和第二频率的电流施加到燃料电池堆；根据所施加的电流计算从燃料电池堆输出电流和电压的傅里叶变换；使用在所计算的输出电流和电压之中具有第一频率和第二频率的电流和电压的振幅和相位，计算第一频率阻抗的实部和第二频率阻抗的虚部；通过所计算的第一频率阻抗的实部的大小和所计算的第二频率阻抗的虚部的大小确定燃料电池堆的状态，其中第一频率大于第二频率。
[0011]第一频率可约为10Hz以上，第二频率可在约IHz至10Hz之间的范围内。确定燃料电池堆的状态的步骤可基于所计算的实部和虚部的大小根据燃料电池堆的状态图来进行，该燃料电池堆的状态图中对应于第一频率阻抗的实部和第二频率阻抗的虚部的大小来绘制燃料电池堆的状态。燃料电池堆的状态图显示燃料电池堆的含水量与第一频率阻抗的实部和第二频率阻抗的虚部的大小等级之间的关系。该等级可根据多个预定的边界值来划分。
[0012]确定燃料电池堆的状态的步骤也可包括，根据所计算实部和虚部的大小所属于的等级来确定燃料电池堆的含水量。此外，确定燃料电池堆的状态的步骤的方法可包括使用基于模糊逻辑的诊断工具的输出，该模糊逻辑的诊断工具对应于第一频率阻抗的实部的大小和第二频率阻抗的虚部的大小实现模糊逻辑。基于模糊逻辑的诊断工具的输出可由第一频率阻抗的实部的大小和第二频率阻抗的虚部的大小来确定，并可根据预定的边界值将其划分成多个等级。确定燃料电池堆的状态的步骤可进一步包括，基于根据预定的边界值所划分的等级来确定燃料电池堆的含水量。
[0013]该方法可进一步包括根据所确定的燃料电池堆的含水量，将燃料电池堆的状态划分成多个等级。进一步，该方法可包括基于根据预定的边界值所划分的等级来改变多个因素，包括空气流量、空气压力、氢气流量、氢气压力和燃料电池堆的氢气排放。等级可包括根据预定值按含水量的递减次序所划分的等级I?5。改变多个因素的步骤可通过以下方法来进行:当燃料电池堆的含水量属于等级I时，增加空气流量、氢气压力、氢气流量和氢气的排放，并降低空气压力；当燃料电池堆的含水量属于等级2时，增加氢气流量并增加空气流量；当燃料电池堆的含水量属于等级4时，减少空气流量和氢气压力；当燃料电池堆的含水量属于等级5时，增加氢气流量和空气压力，并降低空气流量和氢气压力。
【附图说明】
[0014]图1是表示根据本发明示例性实施方式的包括电池电压、阻抗的绝对值和低频阻抗的虚部在内的燃料电池堆电性能随着时间的变化的示例性图表。
[0015]图2是表示根据本发明的一个示例性实施方式的用于诊断燃料电池堆的状态的方法的示例性示意流程图；
[0016]图3是根据本发明的一个示例性实施方式的基于模糊逻辑的诊断工具的示例性示意框图；
[0017]图4是根据通过根据本发明的一个示例性实施方式的基于模糊逻辑的诊断工具所测量的第一频率阻抗的实部大小的模糊隶属函数的示例性图。
[0018]图5是根据通过根据本发明的一个示例性实施方式的基于模糊逻辑的诊断工具所测量的第一频率阻抗的虚部大小的模糊隶属函数的示例性图。
[0019]图6是根据通过根据本发明的一个示例性实施方式的基于模糊逻辑的诊断工具所测量的燃料电池堆的状态的模糊隶属函数的示例性图。
[0020]图7是使用根据本发明的一个示例性实施方式的用于诊断燃料电池堆的状态的方法进行诊断之后总结的燃料电池系统的控制