[发明专利]为电池电压测量系统提供校准参考电压和索引同步序列的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于监测燃料电池堆中燃料电池的电池电压的系统和方法，并且更具体地，涉及包括在已调制的电池电压信号中的电池电压测量脉冲之前提供校准脉冲的、用于监测燃料电池堆中燃料电池的电池电压的系统和方法，其中校准脉冲的脉冲宽度提供已知的电压，电池电压与该已知的电压成比例，并且其中校准脉冲提供电池电压测量的启动序列（sequence）以识别哪个电池与哪个测量脉冲相关联。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为它清洁并且能够用来在燃料电池中有效地发电。氢燃料电池是如下电化学装置：包括阳极和阴极，电解质在它们之间。阳极接收氢气，并且阴极接收氧或空气。氢气在阳极被离解从而产生自由质子和电子。质子经过电解质到阴极。质子与阴极中的氧和电子反应从而生成水。来自阳极的电子不能经过电解质，并且因此在被传送到阴极之前被引导通过负荷进行工作。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC一般包括诸如全氟磺酸膜的固体聚合物电解质质子传导膜。阳极和阴极通常包含磨碎的催化颗粒，所述催化颗粒通常是铂(Pt)，被支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合体限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造相对较贵并且需要用于有效操作的特定条件。

数个燃料电池通常通过串联联接合并在燃料电池堆中以产生期望的电力。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆积的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应性气体，该反应性气体通常是通过压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。并不是所有的氧气均被燃料电池堆消耗，而是一些空气被输出作为阴极排气，该阴极排气可能包括作为堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢气反应性气体。燃料电池堆还包括流道，冷却流体通过该流道流动。

燃料电池堆包括一系列双极板，该一系列双极板定位在燃料电池堆中的几个MEA之间，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道设置在双极板的阳极侧上，允许阳极反应性气体流到相应的MEA。阴极气体流道设置在双极板的阴极侧上，允许阴极反应性气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流道，并且另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板均由导电材料制成，所述导电材料诸如不锈钢或导电复合材料。端板将由燃料电池所产生的电传导出燃料电池堆。双极板还包括流道，冷却流体通过该流道流动。

随着燃料电池堆的老化，燃料电池堆中单独的电池的性能因各种因素而有区别地退化。存在低性能电池的不同原因，诸如电池溢流、催化剂消耗等，一些是临时性的并且一些是永久性的，一些需要维护，并且一些需要进行燃料电池堆替换以更换那些低性能电池。虽然燃料电池串联地电联接，但是当负荷联接在燃料电池堆两端时，每个电池的电压有区别地下降，其中那些低性能电池具有较低的电压。因此，有必要监测燃料电池堆中燃料电池的电池电压以确保电池的电压不会下降到预定阈值电压之下从而防止电池电压极性反转，所述极性反转可能导致对电池的永久性损伤。

通常，对燃料电池堆中每个燃料电池的电压输出进行监测，使得系统知道燃料电池电压是否太低，太低表示可能的失效。如在本领域中理解的，因为所有的燃料电池串联地电联接，所以如果燃料电池堆中的一个燃料电池失效，则整个燃料电池堆将失效。作为临时解决方案，能够针对将失效的燃料电池采取一些补救措施，直到燃料电池车辆能够得到维修为止，所述补救措施诸如增加氢气流和/或增加阴极化学计量。 

燃料电池电压通常用电池电压监测子系统来测量，该电池电压监测子系统包括电连接件，其连接到燃料电池堆中的每个双极板或一些双极板和燃料电池堆的端板，用以测量每个电池的正极和负极之间的电势。因此，有400个电池的燃料电池堆可以包括连接到该燃料电池堆的401根电线。由于部件的尺寸、部件的公差、部件的数量等，对有这么多燃料电池的燃料电池堆中的每个双极板提供物理连接是不切实际的，并且部件的数量增加成本且降低系统的可靠度。

如上所讨论的，在本领域中的已知的是，对燃料电池堆中的燃料电池的电压进行处理以确定燃料电池堆是否如所期望的那样工作。考虑到与监测每个电池相关联的成本，有时每隔一个电池进行电池电压处理。此外，在可用空间中提供必要的用以监测每个电池的构件会是困难的。为了排除对使用多根互连电线将燃料电池测量电路连接到燃料电池堆的需要，期望将这样的测量电路直接嵌入燃料电池堆组件的结构内。这样的嵌入式测量电路将不会增加显著的成本，并且将允许对每个燃料电池进行监测。