[发明专利]用于燃料电池堆的电池反极诊断

说明书

通过响应于对累积电荷密度进行确定而借助控制器对电流密度进行积分来诊断燃料电池反极事件。当累积电荷密度超出阈值时控制器执行控制动作，包括记录指示事件严重性的诊断代码。控制动作可以包括当累积电荷密度超出第一阈值时在降低的功率能力下继续运行电池堆以及当累积电荷密度超出更高的第二阈值时关闭电池堆。该事件可以通过计算平均电池电压与最小电池电压之间的电压差，然后确定该差是否超出电压差阈值来检测。电荷密度阈值可以基于燃料电池或燃料电池堆的使用期、健康状态和/或温度。燃料电池系统包括电池堆和控制器。

背景技术

燃料电池堆是在其中通过氢与氧之间受控的电化学反应产生电力的能量转换设备。燃料电池可产生高达1伏的电力，因此大量相同方式配置的燃料电池通常组装在一起形成电池堆。燃料电池的数量和配置最终决定了电池堆的功率能力。高分子电解质膜/质子交换膜(PEM)燃料电池是一种常用于在高功率应用诸如交通工具、发电厂和建筑物中产生电力的燃料电池类型。

虽然一般提供可靠和清洁的能源，但燃料电池有时会出现被称为“电池反极”的情况。在电池反极期间，电池电压可能由于阳极不足而降低，例如，由于燃料供给故障或阻塞而导致的阳极缺氢。电池反极是不希望的，因为燃料电池损坏的可能性增加，结果就是燃料电池的预期寿命缩短。因此，燃料电池系统通常对照着最小电压阈值监测电池电压水平，以检测电池反极情况，并作为响应，限制燃料电池堆的运行作为预防动作。

发明内容

本文公开了一种用于诊断燃料电池堆中燃料电池的性能的方法。使用本方法，控制器能在损害性和非损害性电池反极事件之间进行实时区分。因此，向控制器提供额外的时间，以便能够在解决电池反极的根本原因时采取补救动作，而不必像现有方法那样关闭燃料电池堆。

检测电池反极事件可以包括计算燃料电池的平均电池电压与最小电池电压之间的电压差，其中在计算出的差超出电压差阈值时检测出电池反极事件。

本方法的可能实施方式包括响应于检测到的电池反极事件，对燃料电池随时间的电流密度积分以确定累积电荷密度。当累积电荷密度超出校准阈值时，控制器执行一个或多个控制动作。该方法可以包括使用多个这样的阈值，当每个相继的阈值被超过时，可能触发(例如逐渐地触发)不同的控制动作。

控制动作可以包括记录指示检测到的电池反极事件的严重性的诊断代码。在这样的实施方式中，适当的控制动作可以是阈值特异性的，诸如当达到特定阈值时以降低的功率能力暂时继续运行燃料电池堆，以及当积分的电荷密度超出更高的阈值时可能关闭燃料电池堆。以降低的功率能力暂时继续运行燃料电池堆可以包括限制电池堆的电流通量持续校准的持续时间和/或增加到电池堆的氢和/或空气流动。

方法可以任选地包括基于燃料电池或燃料电池堆的使用期、健康状态和/或温度调整一个或多个校准电荷密度阈值。

本文还公开了用于交通工具或其他系统的燃料电池系统。燃料电池系统包括控制器和上述具有多个燃料电池的燃料电池堆，其中控制器具有与燃料电池通信的处理器。处理器被编程而具有用于诊断电池反极事件的指令。指令的执行使得控制器对电池反极事件进行检测，响应于检测到的阈值电池反极事件而对随时间的电流密度进行积分以便借此确定累积电荷密度，以及在积累电荷密度超出校准电荷密度阈值时执行控制动作。

当结合附图时，通过以下用于实现本发明的最佳模式的具体实施方式，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将很明显。

附图说明

图1是示例燃料电池系统的示意图，该燃料电池系统具有配置用于使用本文所阐述的积分劣化模型执行诊断过程的控制器。

图2A和图2B分别是代表指示示例的基于阳极和阴极不足的电池反极情况的电池电压的时间曲线。

图3是描述用于诊断图1的燃料电池堆的方法的示例实施方式的流程图。