专利名称：智能车载被动恢复策略的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及用于确定何时操作电压恢复算法以便恢复燃料电池系统中燃料电池堆的可逆电压损失的系统和方法，更特别地，涉及用于确定何时操作电压恢复算法以便恢复燃料电池系统中燃料电池堆的可逆电压损失的系统和方法，其中所述方法确定不可逆电压损失与实际电池堆电压之间的差异是否大于预定值。
背景技术：
因为氢清洁且可用于在燃料电池中有效发电，所以它是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种电化学装置，包括阳极和阴极及其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分解，产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到阴极。质子与阴极催化剂处的氧和电子反应，产生水。阳极的电子无法穿过电解质，从而在被送至阴极之前被引导通过负载做功。
质子交换薄膜燃料电池(PEMFC)是一种用于车辆的流行燃料电池。PEMFC通常包括固态多聚物电解质质子导电薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通常，但并非总是，包括细微催化剂微粒，通常为高活性催化剂，例如钼(Pt)，该催化剂通常支撑在碳微粒上，与离聚物混合。催化剂混合物沉积在薄膜的两侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物与薄膜的组合限定了薄膜电极组件(MEA)。MEA制造比较昂贵，且需要特定的条件以便有效操作。在燃料电池堆中通常组合几个燃料电池来产生期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百或更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常为被压缩机强制通过电池堆的空气流。不是所有氧气都被电池堆消耗掉，一部分空气作为阴极废气输出，可能包括作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢输入气体。燃料电池堆包括位于电池堆中若干MEA之间的一系列双极板,其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场设在双极板的阳极侧上，允许阳极反应气体流到相应MEA。阴极气体流场设在双极板的阴极侧上，允许阴极反应气体流到相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电导出电池堆。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。燃料电池中的薄膜需要具有充足的水含量，使得离子穿过薄膜的阻力足够低，以有效传导质子。薄膜湿度可来自电池堆水副产物或外部加湿。通过电池堆流动通道的反应物流对电池薄膜具有干燥效应，最显著的是在反应物流的入口处。然而，流动通道内水滴的聚积会阻止反应物从其流过，并且由于低的反应物气体流可能会引起电池故障，从而影响电池堆稳定性。反应物气体流动通道内以及气体扩散层(⑶L)内水的聚积在低电池堆输出负载时特别麻烦。如上所述，产生水作为电池堆操作的副产物。因此，电池堆的阴极废气通常包括水蒸汽和液态水。本领域内已知，使用水蒸汽输送(WVT)单元，以捕集阴极废气中的一部分水，并使用这些水加湿阴极输入气流。水传输元件(例如薄膜)一侧的阴极废气中的水被水传输元件吸收，并被传输至水传输元件另一侧的阴极空气流。在燃料电池系统操作期间会出现引起电池堆电压和性能永久性损失的许多进程，例如催化剂活性的损失、催化剂载体腐蚀和电池薄膜中形成微孔。然而，也有会引起基本上可逆的电池堆电压损失的其它进程，例如电池薄膜失去水分、催化剂形成氧化、以及电池堆阳极侧和阴极侧上沉积污物。为了使PEM燃料电池系统商业上可实施，通常需要限制承载在燃料电池电极上的贵金属，即钼或钼合金催化剂，以降低总系统成本。结果，限制或减少了催化剂的总可用电化学活性表面积，使得电极更易污染。会引起电池堆电压损失的污染源可来自阳极和阴极的包括增湿水的反应气体供给流，或者因MEA的退化而产生于燃料电池内、电池堆密封剂和/或双极板。一种特殊类型的污染物包括负极充电的负离子，例如氯或硫酸盐(例如S042)。在阴极电势通常在650 mV以上的正常燃料电池操作期间，所述负离子倾向于吸收 在电极的钼催化剂表面上，从而堵塞用于氧化还原反应的活性部位，导致电池电压损失。此夕卜，如果质子导电性也高度依赖于无污染的钼表面，例如纳米薄膜(NSTF)型电极，降低的质子导电性引起另外的损失。转让给本申请受让人的、于2011年4月26日提交的题为In-Vehicle Algorithmfor Fuel Cell Stack Health Quantif ication 的美国专利申请No. 13/094，300 中公开了用于确定燃料电池堆中燃料电池的健康的方法，包括确定燃料电池堆中燃料电池内催化剂层的剩余催化剂表面积和催化剂载体区域，可用来估计电池堆电压，该申请通过引用包含于本文。所述方法包括确定燃料电池堆的总寄生电流，以确定燃料电池堆的横穿寄生电流和短路电阻，以确定催化剂表面积。通过知道催化剂表面积，可确定电池堆应当提供的电压量。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于确定何时操作用于恢复燃料电池系统中燃料电池堆的可逆电压损失的电压恢复程序的系统和方法。所述方法包括估计所述燃料电池的不可逆电压损失和所述燃料电池堆的实际电压、和确定所述估计的不可逆电压损失与所述估计的实际电压之间的差是否大于预定电压阈值，如果是，则执行所述电压恢复程序。本发明提供下列技术方案。技术方案I :一种用于确定何时执行燃料电池系统中燃料电池堆的电池堆电压恢复程序的方法，所述方法包括
提供所述燃料电池堆的不可逆电压损失的估计；
提供所述燃料电池堆的实际电压的估计；
确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差；
确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差是否大于预定电压阈值；以及如果所述不可逆电压损失与所述实际电压损失之间的差大于所述预定电压阈值，则执行所述电池堆电压恢复程序。技术方案2 :根据技术方案I的方法，其中提供所述不可逆电压损失的估计、提供所述实际电压的估计和确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差包括在所述燃料电池堆的电流密度输出范围内提供所述不可逆电压损失的估计，提供所述实际电压的估计和确定所述估计的不可逆电压损失与所述实际电压之间的差。技术方案3 :根据技术方案2的方法，其中提供所述燃料电池堆的实际电压的估计包括使用表示所述电池堆电压与电池堆电流密度之间关系的极化曲线。技术方案4 :根据技术方案I的方法，其中确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差是否大于预定电压阈值包括确定所述不可逆电压损失与100%电池堆功率时的实际电压之间的差是否大于第一预定电压阈值，和确定所述不可逆电压损失与25%电池堆功率时的实际电压之间的差是否大于第二预定电压阈值。技术方案5 :根据技术方案4的方法，其中所述第一和第二预定电压阈值不同，并
且所述第一预定电压阈值比所述第二预定电压阈值大。技术方案6 :根据技术方案I的方法，还包括如果所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差不大于所述预定电压阈值，则确定估计的100%电池堆功率时的实际电压是否小于电池堆寿命结束时的预定电压。技术方案7:根据技术方案6的方法，还包括如果估计的实际电池堆电压小于100%电池堆功率时寿命结束时的预定电压，则执行所述电池堆电压恢复程序。技术方案8 :根据技术方案7的方法，还包括每次如果估计的实际电池堆电压小于寿命结束时的预定电压则执行电池堆电压恢复程序时都增加强制电压恢复计数器，并且如果所述强制恢复计数器达到预定计数则设定维护标记。技术方案9 :根据技术方案I的方法，还包括在所述系统处于开启状态时周期性地增加恢复计数器，并仅在所述恢复计数器达到预定计数时执行确定何时执行所述电池堆电压恢复程序的方法。技术方案10 : —种用于确定何时执行燃料电池系统中燃料电池堆的电池堆电压恢复程序的方法，所述方法包括
提供所述燃料电池堆的不可逆电压损失的估计；
提供所述燃料电池堆的实际电压的估计；
确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差，其中在所述燃料电池堆的电流密度输出范围内执行提供所述可逆电压损失的估计、提供所述实际电压的估计和确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差；
确定所述不可逆电压损失与实际电压之间的差是否大于100%电池堆功率时的第一预定电压阈值和约25%电池堆功率时的第二预定电压阈值；
如果所述不可逆电压损失与实际电压损失之间的差大于100%电池堆功率时的第一预定电压阈值或25%电池堆功率时的第二预定电压阈值，则执行所述电池堆电压恢复程序；如果所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差不大于第一或第二预定电压阈值，则确定估计的100%电池堆功率时的实际电压是否小于电池堆寿命结束时的预定电压；以及
如果估计的100%电池堆功率时的实际电压小于电池堆寿命结束时的预定电压，则执行所述电池堆电压恢复程序。技术方案11 :根据技术方案10的方法，其中提供所述燃料电池堆的实际电压的估计包括使用表示电池堆电压与电池堆电流密度之间关系的极化曲线。技术方案12 :根据技术方案10的方法，其中所述第一和第二预定电压阈值不同，并且所述第一预定电压阈值比所述第二预定电压阈值大。技术方案13 :根据技术方案10的方法，还包括每次如果估计的实际电池堆电压小于寿命结束时的预定电压则执行电池堆电压恢复程序时都增加强制电压恢复计数器，并且如果所述强制恢复计数器达到预定计数则设定维护标记。技术方案14 :根据技术方案10的方法，还包括在所述系统处于开启状态时周期性地增加恢复计数器，并仅在所述恢复计数器达到预定计数时执行确定何时执行所述电池堆电压恢复程序的方法。技术方案15 : —种用于确定何时执行燃料电池系统中燃料电池堆的电池堆电压恢复程序的恢复系统，所述恢复系统包括 用于提供所述燃料电池堆的不可逆电压损失的估计的装置；
用于提供所述燃料电池堆的实际电压的估计的装置；
用于确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差的装置；
用于确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差是否大于预定电压阈值的装置；以及
用于如果所述不可逆电压损失与所述实际电压损失之间的差大于所述预定电压阈值，则执行所述电池堆电压恢复程序的装置。技术方案16 :根据技术方案15的恢复系统，其中用于提供所述不可逆电压损失的估计的装置、用于提供所述实际电压的估计的装置和用于确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差的装置在所述燃料电池堆的电流密度输出范围内提供所述不可逆电压损失的估计、提供所述实际电压的估计和提供估计的所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差。技术方案17 :根据技术方案15的恢复系统，其中用于确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差是否大于预定电压阈值的装置确定所述不可逆电压损失与100%电池堆功率时的实际电压之间的差是否大于第一预定电压阈值，和确定所述不可逆电压损失与25%电池堆功率时的实际电压之间的差是否大于第二预定电压阈值。技术方案18 :根据技术方案15的恢复系统，还包括用于如果所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差不大于所述预定电压阈值则确定估计的100%电池堆功率时的实际电压是否小于电池堆寿命结束时的预定电压的装置、以及用于如果估计的实际电池堆电压小于100%电池堆功率时寿命结束时的预定电压则执行所述电池堆电压恢复程序的装置。技术方案19 :根据技术方案18的恢复系统，还包括用于每次如果估计的实际电池堆电压小于寿命结束时的预定电压则执行电池堆电压恢复程序时都增加强制电压恢复计数器的装置，和用于如果所述强制恢复计数器达到预定计数则设定维护标记的装置。技术方案20 :根据技术方案15的恢复系统，还包括用于在所述系统处于开启状态时周期性地增加恢复计数器的装置，其中仅在所述恢复计数器达到预定计数时执行所述电池堆电压恢复程序。结合附图，从下面的描述和所附权利要求，可清楚本发明的其它特征。
图I为燃料电池系统的示意框图；以及
图2为示出用来确定何时运行用于恢复图I中所示燃料电池系统中燃料电池堆的可逆电压损失的电压恢复算法的操作的流程图。
具体实施例方式下面涉及用来确定何时运行用于恢复燃料电池系统中燃料电池堆的可逆电压损失的电压恢复算法的系统和方法的实施例的描述实质上仅仅是示例性的，不意欲以任何方式限制本发明或其应用或使用。图I为包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意框图，系统10能够为下述电池电压损失恢复提供电池堆操作条件。压缩机16在阴极输入管路14上通过加湿阴极输入 空气的水蒸汽输送(WVT)单元18向燃料电池堆12的阴极侧提供空气流。WVT单元18是一种可应用的加湿装置，其中也可应用其它类型的加湿装置来加湿阴极进入空气，例如焓轮、蒸发器等。阴极废气从电池堆12在阴极废气管路20上经背压阀22输出。废气管路20引导阴极废气至WVT单元18，以提供湿气，从而加湿阴极输入空气。绕着WVT单元18设置旁通管路28，以便以受控的方式绕着WVT单元18引导一部分或全部阴极废气。在另一实施例中，旁通管路28可为入口旁通。旁通阀24设在旁通管路28中，并被控制成有选择地将阴极废气改向通过或环绕WVT单元18，以向阴极输入空气提供期望量的湿度。还包括氮气源26，以向电池堆12的阴极侧提供氮气。燃料电池堆12的阳极侧在阳极输入管路30上从氢气源32接收氢气，并在管路34上经阀36 (例如排放阀、放气阀等)提供阳极废气。泵38泵送冷却流体通过电池堆12和电池堆12外部的冷却剂环路40。还包括电源42 (例如电池)，以提供通过电池堆12的电流。图2为流程图50，示出用于操作电压恢复确定算法的程序，该程序确定是否及何时操作电压恢复算法，该算法在电池堆12使用期超过其寿命时尝试重获燃料电池堆12的可逆电压损失。在框52，当车辆处于接通状态时，该算法使算法确定计数器增量，阻止确定算法总是运行，而是使确定算法以每特定的时间间隔操作，所述时间间隔是特定于应用的，可以是例如车辆操作的每个小时。当车辆处于接通状态时，无论车辆是否实际在行驶，计数器都增加，并且在车辆关闭时保持该时刻，以使其在下一次车辆接通时增加。一旦计数器达到预定时间间隔，那么算法就进行至框54，估计不可逆电池堆电压损失本领域的技术人员会认识到通过确定电池堆12能够产生什么电压来确定电池堆不可逆电压损失Vira的各种技术。在一个实施例中，不可逆电压损失Vira以基于燃料电池中剩余催化剂的原位测量电压损失为基�。缟厦娑杂谏昵搿� 300所描述的，但是用于确定不可逆电压损失Vira的其它技术也同样可应用。一旦算法估计不可逆电压损失\ ，那么该算法就进行至框56，估计实际电池堆电压Vac;t。本领域的技术人员会认识到用于确定处于特定电池堆电流密度的燃料电池堆12的估计实际电池堆电压Vart的各种技术。本领域内使用的一种可应用技术是确定燃料电池堆12的极化曲线，其为电池堆电流与电池堆电压之间的关系。于2008年7月31日公开的、题为 Algorithm for On-Line Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel CellStack的美国专利申请2008/0182139公开了一种用于使用极化曲线确定电池堆电压的技术，该专利被转让给本申请的受让人，且其通过引用包含于本文。燃料电池系统的许多控制参数需要燃料电池堆12的极化曲线的知识，例如知道可从燃料电池堆12获得的最大电压电势和电流。随着电池堆12老化，由于电池堆退化，电池堆极化曲线也变化。在电池堆12操作时，申请’ 139的算法从收集的数据估计两个或多个电池堆参数，并利用下式使用这些参数计算极化曲线
权利要求
1.一种用于确定何时执行燃料电池系统中燃料电池堆的电池堆电压恢复程序的方法，所述方法包括 提供所述燃料电池堆的不可逆电压损失的估计； 提供所述燃料电池堆的实际电压的估计； 确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差； 确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差是否大于预定电压阈值；以及 如果所述不可逆电压损失与所述实际电压损失之间的差大于所述预定电压阈值，则执行所述电池堆电压恢复程序。
2.根据权利要求I的方法，其中提供所述不可逆电压损失的估计、提供所述实际电压的估计和确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差包括在所述燃料电池堆的电流密度输出范围内提供所述不可逆电压损失的估计，提供所述实际电压的估计和确定所述估计的不可逆电压损失与所述实际电压之间的差。
3.根据权利要求2的方法，其中提供所述燃料电池堆的实际电压的估计包括使用表示所述电池堆电压与电池堆电流密度之间关系的极化曲线。
4.根据权利要求I的方法，其中确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差是否大于预定电压阈值包括确定所述不可逆电压损失与100%电池堆功率时的实际电压之间的差是否大于第一预定电压阈值，和确定所述不可逆电压损失与25%电池堆功率时的实际电压之间的差是否大于第二预定电压阈值。
5.根据权利要求4的方法，其中所述第一和第二预定电压阈值不同，并且所述第一预定电压阈值比所述第二预定电压阈值大。
6.根据权利要求I的方法，还包括如果所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差不大于所述预定电压阈值，则确定估计的100%电池堆功率时的实际电压是否小于电池堆寿命结束时的预定电压。
7.根据权利要求6的方法，还包括如果估计的实际电池堆电压小于100%电池堆功率时寿命结束时的预定电压，则执行所述电池堆电压恢复程序。
8.根据权利要求7的方法，还包括每次如果估计的实际电池堆电压小于寿命结束时的预定电压则执行电池堆电压恢复程序时都增加强制电压恢复计数器，并且如果所述强制恢复计数器达到预定计数则设定维护标记。
9.一种用于确定何时执行燃料电池系统中燃料电池堆的电池堆电压恢复程序的方法，所述方法包括 提供所述燃料电池堆的不可逆电压损失的估计； 提供所述燃料电池堆的实际电压的估计； 确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差，其中在所述燃料电池堆的电流密度输出范围内执行提供所述可逆电压损失的估计、提供所述实际电压的估计和确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差； 确定所述不可逆电压损失与实际电压之间的差是否大于100%电池堆功率时的第一预定电压阈值和约25%电池堆功率时的第二预定电压阈值； 如果所述不可逆电压损失与实际电压损失之间的差大于100%电池堆功率时的第一预定电压阈值或25%电池堆功率时的第二预定电压阈值，则执行所述电池堆电压恢复程序；如果所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差不大于第一或第二预定电压阈值，则确定估计的100%电池堆功率时的实际电压是否小于电池堆寿命结束时的预定电压；以及 如果估计的100%电池堆功率时的实际电压小于电池堆寿命结束时的预定电压，则执行所述电池堆电压恢复程序。
10.一种用于确定何时执行燃料电池系统中燃料电池堆的电池堆电压恢复程序的恢复系统，所述恢复系统包括 用于提供所述燃料电池堆的不可逆电压损失的估计的装置； 用于提供所述燃料电池堆的实际电压的估计的装置； 用于确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差的装置； 用于确定所述不可逆电压损失与所述实际电压之间的差是否大于预定电压阈值的装置；以及 用于如果所述不可逆电压损失与所述实际电压损失之间的差大于所述预定电压阈值，则执行所述电池堆电压恢复程序的装置。
全文摘要
本发明涉及智能车载被动恢复策略。一种用于确定何时执行用于恢复燃料电池系统中燃料电池堆的可逆电压损失的电压恢复程序的方法。所述方法包括估计所述燃料电池堆的不可逆电压损失、估计所述燃料电池堆的实际电压、和确定估计的所述不可逆电压损失与估计的所述实际电压之间的差是否大于阈值，如果是，则执行所述电压恢复程序。
文档编号G01R31/36GK102820478SQ201210185928
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月7日 优先权日2011年6月7日
发明者A.J.梅斯林, P.K.辛哈 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司
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