专利名称：使用模式识别技术对电池间持水率变化的检测的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种〗顿电池电压模式识另鹏ih^料电池组的阴极流动通 道中的水积聚的系统和方法，尤其涉及一种以低的电池组电流能量密度定期向 燃料电池组的阴极侦価提供脉冲调制的阴树S)气流以确定脉冲期间电池电压 的模式从而防止阴极流动M中的水积聚的系统和方法。
背景技术：
氢气是一种非常有吸引力的燃料，它是清洁的并能在顯电池中用于有效 产生电能。氯气燃料电池是电化学设备，其包含阴极和阳极以及其间的电解质。 阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳^±分离以产生自由质子和 电子。质子穿过电解质到阴极。质子与阴极中的氧气和电子，以产生水。来 自阳极的电子不能穿过电解质，因此在进入阴极之前直接穿过负载以执行工 作。
质子交换M^料电池(PEMFC)是用于汽车的受欢迎的燃料电池。PEMFC 通常包含固体聚合物电解质质子传导膜，例如聚氟磺酸膜。阳极和阴极典型地 包含磨碎的催化剂颗粒，通常是铀(Pt)，其承载在 粒上，并与离聚物混合。 催化剂混，沉积在膜的相对的侧面上。将阳极催化剂混合物、阴极催化剂混 合物和膜的结合体定义为膜电极组件(MEA)。有效运行MEAs需要一定的条 件，其包括适当的水处理和适当的湿度。
几^^燃料电池在燃料电池组里典型地组合以产生需求的电能。对于M汽 车的燃料电池组，电池组可以包含大约两百个以上的燃料电池，燃料电池组接 收阴极反应性气体，典型地是皿压縮机压縮流过电池组的(S)气流。不是所 有的氧气都在电池组中被消耗，一些可能包含做为电池组副产品的水的空气做 为阴，赚气被输出。燃料电池组还接收駄电池组的阳极侧的阳极氨反应性气 体。
燃料电池组包含置于电池组的几个MEAs之间一连串的双极板，其中双极 板和MEAs置于两个端板之间。在电池组里，双极板包含用于邻接燃料电池的
阳极侦晒和阴极侧面。在双极板的阳极侧面提供阳极气 道使阳极反应性气
舰向各个MEA。在双阴极的阴极侧面提供阴极气流通道使阴极反应性气体流 向各个MEA。一个端板包含阳极气Mit，另一^h端板包含阴极气^道。双 极板和端板由导电的材料组成，例如不锈钢或导电的复合材料。端板传导通过 电池组外的燃料电池产生的电量。双极板还包含通过其流出冷却液的流动通道。
如本领域所公知的，燃料电池内部的薄膜必须具有一定的相对湿度，以使 ^31薄膜的离子电阻足够低，而有效地传导质子。燃料电池运行期间，来自MEAs 的湿气和外部湿气可以进入阳极和阴极流动通道。在需求低的电池功率时，典 型地为0.2A/ci^以下，由于反应气体的繊太低而不能将水压出通道，导致在 流动通道内部积聚水。当7K积聚时，由于端板材料的相对憎水性，其将继续展 开形成液滴。因为形成在流动通道中的液滴基本上与反应气体的流动垂直，所 以水滴的界面角通常是大约80°-90°。随着液滴的大小的增加，流动通道被阻塞， 并且由于通道在公共的进口和排气支管之间并联，反应气体转移到其他的流动
因为反应气体不能流过被水阻塞的通道，所以反应气体不能将水压出通 道。鹏被阻塞的结果鹏的那些空间不能接收反应气体而不能发电，因此导 致不均匀的电流分配并且陶氐了燃料电池的总效率。由于越来越多流动通道被 水P腺，燃料电池产生的电减少，其中电池失效(feilure)时电池电压不到200mV。 因为燃料电池是电串联的，如果燃料电池的一个停止运行，整4^燃料电池组就 可能停止运行。
低运行(low performance)的电池，特别在电池组低功率输出时，在燃料电 池应用中是一个问题。低运行电'M常比其它电池产生更多的水，并且可能引 起流体通道浸没。 一个浸没(flooded)的电池幵始螺旋下降运行，最终导致电池 组失效，特别是在低功率运行期间。如上所述，低运行电池和燃料电池组失 效的最普遍的原因是由于在气,态中随机的变化所弓胞的电池间持水率显著 的变化。
通常是在流体通道中定期的施压自供比所需的输出功率所必需的更高的 流速的脉冲调制反应气体以尽可能的清除流体通道中的积水。例如，本领域技 术人员所公知的，当燃料电池组己经连续在低功率需求下运行时，阴极空气脉
冲性的流过流动iiil，例如这种情况将在汽车空转持续一段时间时发生。例如, 对于一半电池组电力供应，阴极空气可以敏-5射中脉冲调制到一定禾號。在这 个方法中3I31Mc冲调制阴极空气，7K^H出通道。然而，增多的气流鹏干燥, 引起膜的膨胀和收縮的问题。 h,增多的气流增加了用于空气压缩机的附加 的力量，由此斷氏了整个系统的效率。 In这个技术经常太慢而不能防止电 池失效。
iSA很多电池中的分配的气体极少是相等的。接收较少气体的电池将具有 较高的相対、湿度，具有较多的气体的电池将具有较低的相对湿度。如果一个电 池的相对湿度增加100%以上，水将聚集在阴极流场通道中，直到电池失效或 水被去除为止，进一步地陶氏气流并使问题复杂。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种防止电池 料电池组里低运行的系统和 方法。该方法包含在低的电池组电流密度下定期提供一种阴极输入(S)气流的 脉冲，并且比较响应脉冲的每个电池的输出电压，没有显著蓄水的那些电池将 提供一个电压信号并且具有显著蓄水的那些电池将提供另一个电压信号。如果 —个或多个电池对于蓄7K(water accumulation)显示了电压信号，那么可以更频
繁i鹏供阴t腿口(S)气流脉冲以防止电池失效。
结合附图的下列描述和附加的权禾腰求，本发明的另外的特点将变成明显。
图l是一种以时间为横坐标、电池电压为左侧纵坐标、阴极化学计量为右 侧纵坐标的图表，其显示了在响应阴极进口(2)气脉冲的阴极流动通道里没有 显著水积聚(water build-up)的燃料电池的电压信号；
图2是一种以时间为横坐标、电池电压为左侧纵坐标、阴极化学计量为右 侧纵坐标的图表，其显示了在响应阴极进口(S)气脉冲的阴极流动通道里含有 显著积水的燃料电池的电压信号；
图彭是一种燃料电池系统的简化框图表4是一种根据本发明的实施例示出的采用斯皮尔曼等级相关模式识别 算法决定每隔多久提供阴极进口(空)气脉冲以防止电池失效的流程的流程表。
图表5是根据本发明的另一个实施例示出的釆用主成分分析模式识别算法 决定每隔多久提供阴极进口(空)气脉冲以防止电池失效的流程的流程表。
具体实施例方式
本发明实施例的以下描述的针对一种解决在基于^燃料电池的输出电压的模 式识别的燃料电池组里低运行的电池的系统和方法实际上仅仅是示范，其决不 限定本发明或其应用或使用。
本发明建i姊用电池电压输出模式识另糊i淀是否在燃料电池组里一或多个 电池是低运行的，以便防止电池组失效。图表l是以时间为横坐标、电池电压 为左侧纵坐标和阴极化学计量为右侧纵坐标的图表。曲线10^时间大约为21 到时间大约为60的阴极进入空气的脉冲。在这段时间，阴极化学计量从大约3 升到20，其中大约为3的阴极化学计量表示对于低的电池组电流密度的阴极化 学计量，典型地是小于0,2A/cm2。曲线12表示在燃料电池组里的一个电池的输 出电压，其中燃料电池的阴极流动通道没有显著的水化(hydration)。当阴敬S) 气流的脉冲起动时，结果更多的反应气体，电池电压从大约0.83上升到大约0.84 伏。在其后的一个短时期内，在阴极进口(S)气脉冲期间电池电压开始减少导 致膜在没有显著的产物水产生的气流中干燥。 一旦脉沖结束，阴极进口(3气 的^B喿作用陶氏、电池电压回至IJ0.83伏。
图敦是时间为横坐标、电池电压为左侧纵坐标阴极化学计量为右侧纵坐 标的曲线。在曲线14上显示了相同的阴极进口(^)气脉冲，曲线16表示在阴极 流动Mit里具有显著的水化的燃料电池的输出电压。由于水化，在脉冲从大约 0.81起动至i伏约0.83伏时电池的电压增大，导致阴极进口(^)气流将水驱除出流 动通道以使反应气体可以到达膜。 一旦电池电压到达一定的最大值，在脉冲期 间其开始失效导致膜干燥。一旦脉沖被除去，低运行电池返回到大约0.81伏的稳繊。
曲线12和16的电压信号容易从视觉上彼此区分。本发明使用模式识别技术 分析识别电池电压的电压信号以测定低运行电池，其虑及整体iaA控制系统做 为联机诊断以自动地发现和补救在电池浸没时的异常。在电压信号里可以使用 能识别微小的差异的任何适当的模式识别算法。模式识别算法可以分，斤燃料电 池组里与其他的有关的每个电池的电压信号。如果发现任何电池是不均匀的， 可以开始补救措施以防止电池失效。
图彭是一种包含燃料电池组22控制器24和压縮m26的燃料电池系^20的 简化框图。压缩la26施加(空)气流(airflow)到电池您2的阴极侧面的入口端。做 为以下将详细地讨论的，控制器24使模式识别算法用于脉冲压縮ln26的速度并
到足以在电池失效前实施补救措施，例^提供更大流量的压缩空气以清除阴极 流动SiI的水。
根据本发明，可以使用的一个模式识别技术叫做斯皮尔曼等级相关模式识 别技术。类似标准相关统计，斯皮尔曼等级相关是测量类似的数据，在斯皮尔
曼等级相关里的主要区别是由于数据的皿上产生^:聚点的数据点的等级。 然后关联等级数据点返回来测量相似点的形状。斯皮尔曼等级相关更清楚地显 示了在外形上的差异，因此其用于模式识别。使用斯皮尔曼等级相关容易显示 出与标准的相关駄的微小的差异。
图表4是在控制器24里采用斯皮尔曼等级相关用于模式识别以决定是否需 要补救措施以响应燃料电池组22中低运行电池的流程图。该算法确定在判定菱 形32上是否检测到来自压缩tfl26的阴极空气流的脉冲。假如检测的不JH氏运行 电池，该算法用来提供每一预定时段在低电池组电流密度的阴极进口空气的脉 冲，例如每一5H中。
如果在判定菱形32上检测到脉冲，然后使用斯皮尔曼等级相关算法用于模 式识别，该算法收集长方形34中电池组22里的每个电池的脉冲响应电压输出数 据。例如，该模式识别算法将采餘预定时间期间脉冲起动时和此后的一段时 间例如80秒的旨电池的电压，从而包含显示在图表1和2的全部的电压标记模 式。然后使模式识别算法与数据点相互关联到中央的响应长方形36中的所有电 池的电压^i己。然后该算法将中央的电压标记与在判定菱形38上的每个电池的
所有的电压标记对比以决定是否任何电压标记与中央的，斜己不相配。如果没有 电池显示是反常的，那么算法减小阴极进口空气流的脉冲或者保持长方^40中 阴极空气流的预计分配率，然而，如果在判定菱船8上检测到一个反常的电池, 那么算法增大长方胸2上的阴极进口空气流的脉冲以在任何电池失效之前^7k 排出阴极流动通道。
根据本发明的另一个实施例，主成分分析(PCA)用于模式识别算法以监督 电池组22中的电池的电压标记。图表5是釆用PCA模式识别算法检测反常的电池的过程的图彭0，其中与流程彭o的相似的步iiMil相同的参照数字标
记。PCA模式识别算法将在长方形52上的输入数据标准化(或称规范化 (normalization^在一个实施例中，通过减去每个电池气相扩散平均值和除以 标准偏差确定使数据在统计上标准化，然后该算法釆用一种预先计算特性的变 换矩阵在长方形4上使规靴的娜转换成主分量。在此可以j顿适于描述的 目的的任何主成分，例如，电池电压、阴极化学计算法、电池组压力、电池组 、鹏等等。考虑到对确定,的许多技术，PCA模式识别算法使输入的母條 换成主分量的母体，也就是说正交的和不相关的。然后模式识别算法计算转换 数据的两次最高位主成分的欧几里德范数以中央的电压响应以在长方形56的阴
极流动脉冲。欧几里德范i^过一定阈限的燃料电池可以表现出将来可能不稳
定。同时，该基准能被使用与原始的电压数据斯皮尔曼等级相关以形成常态区 域，其中决定与相互关系和 外面某个范围的电池是反常的。
以上公开和描述仅仅是本发明的具体实施例。 一个本领域技术人员容易 从这样的讨论和附图以及权利要求中认识到，在不脱离如以下权利要求确定的 本发明的精神和范围内可以做出多种变化、改变和变更。
权利要求
1、一种用于测定燃料电池组里的燃料电池的流动通道是否被浸没、表明电池不稳定的方法，所述方法包括提供流向燃料电池组内阴极流动通道的阴极反应性气流的脉冲；收集预定时段内响应阴极反应性气流脉冲的燃料电池组内每个燃料电池的电压的数据点；采用模式识别算法以测定是否收集的数据点显示表明浸没的阴极流动通道或非浸没的阴极流动通道的每个燃料电池的电压标记；以及如果模式识别算法测定到一个或多个电池具有浸没的阴极流动通道，则提高阴极气流脉冲提供的次数。
2、 根据根据权利要求l的方法，其中测定任^^料电池是否已经浸没阴极 流动通道包括如果电池组的电流密度在预定值以下，仅仅测定任一燃料电池是 否已经浸没流动通道。
3、 根据权利要救的方法，其中预定歡约为0.2A/cm2。
4、 根据权利要求l的方法，其中采用模式识别算法包含釆用斯皮尔曼等级相关模式识别算法。
5、 根据权利要求4的方法，其中釆用模式识别算法包含^^据点与W^燃 料电池的中值响应电压+^E相关。
6、 根据权利要求l的方法，其中采用模式识别算^&含釆用主成分分析模 式识别算法。
7、 根据权利要求6的方法，其中細模式识别象跑含〗M^点标准化， 将标准化的数据点转化成为主成分，并计算主成分的欧几里德范数。
8、 根据权禾腰求7的方法，其中采用模式i朋瞎她含M3i减去齡舰 点平均值和除以标准偏差以使M点标准化。
9、 根据权利要求7的方法，其中釆用模式识别算,含采用预定特性的变 换矩阵转化标准化的数据点。
10、 一种燃料电池系统包括 包含阴极流动通道的燃料电池组；用于提供阴丰M口空气至燃料电池组里的阴极流动通道的压縮机；每个燃料电池的用于控制多长时间一次提供阴极气流脉冲到阴极流动通直以除去阴极流动 通道的水的控制器，所述控制器收集在阴极气流脉冲期间燃料电池组里每^^燃 料电池的电压输出数据点，并釆用模式识别算法测定收集的电池电压是否表明 浸没阴极流动通道或非浸没阴极流动通道的电压标记，如果模式识别算法测定 一个或多个电池已经浸没了阴极流动通道，所述控制，髙来自阴极气流脉冲 的次数。
11、 根据权利要求10的系统，其中控律i勝测定只要电池组电流密度输出在预定值以下，任"^燃料电池是否有浸没的阴极流动通道。
12、 根据权利要求10的系统，其中控帝藤使用斯皮尔曼等级相关模式识别算法。
13、 根据权利要求12的系统，其中斯皮尔曼等级相关模式识别算法使电池 电压与每个燃料电池的中值响应电压标记相关。
14、 根据权利要求10的系统，其中控伟幡使用主成分分析模式识别算法。
15、 根据权利要求14的系统，其中控伟幡使收集的电池电压输出标准化， 使标准化的电池电压转化成主成分并且计算主成分的欧几里德范数。
16、 根据权利要求15的系统，其中控审勝M31减去每个数据点平均值并且 除以标准偏差使数据点标准化。
17、 根据权利要求15的系统，其中控制器采用预定特性变换矩阵转化标准
18、 一种燃料电池系统包括 包含阴极流动通道的燃料电池组；用于提供阴极进口气流脉冲到燃料电池组里阴极流动Mil的il^机；以及 用于采用电池电压的模式识别在阴t腿口空气脉冲期间测定蹄有任一阴 极流动通道被浸没的控制器。
19、 根据权利要求18的系统，其中控伟幡iCT斯皮尔曼等级相，于模式 识别。
20、 根据权利要求18的系统，其中控审勝使用主成分分析用于模式i明ij。
全文摘要
一种用于防止燃料电池组里低运行电池的系统和方法。该方法包含周期性地以低电池组电流密度提供阴极输入(空)气流的脉冲，并且比较响应该脉冲的每个电池的电流密度输出。没有显著的蓄水的那些电池将提供一个电压标记，并且已经有显著的蓄水的那些电池将提供另一个电压标记。如果一个或多个电池显示由于蓄水的电压标记，那么可以更频繁地提供阴极进口(空)气流脉冲以防止电池失效。
文档编号H01M8/04GK101188305SQ20071017012
公开日2008年5月28日 申请日期2007年8月28日 优先权日2006年8月28日
发明者J·R·科沃杰伊, M·辛哈, P·弗罗斯特 申请人:通用汽车环球科技运作公司