用于診斷燃料電池堆的狀態(tài)且控制燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及用于診斷燃料電池堆的狀態(tài)且控制燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，更為具體而言，涉及通過使用施加于燃料電池堆的多頻電流的阻抗大小來確定燃料電池堆的含水量，如干涸/浸水狀態(tài)(例如，排水)從而診斷燃料電池堆的狀態(tài)且控制燃料電池系統(tǒng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池交通工具包括:用作動力源的燃料電池堆，其中組合了多個燃料電池；給燃料電池堆提供氫氣的燃料供應(yīng)系統(tǒng)；給電化學反應(yīng)提供氧氣作為所需氧化劑的空氣供應(yīng)系統(tǒng)；以及調(diào)節(jié)燃料電池堆溫度的水和熱管理系統(tǒng)。燃料供應(yīng)系統(tǒng)將儲存在氫氣罐中的壓縮氫氣解壓，并將該解壓的氫氣提供給堆棧的燃料電極(陽極)；空氣供應(yīng)系統(tǒng)將由吹風機從外部吸入的空氣提供給堆棧的空氣電極(陰極)。
[0003]當氫氣和氧氣被分別提供給燃料電極和空氣電極時，氫氣在燃料電極處通過催化劑分成質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過電解質(zhì)隔膜移動到空氣電極，同時電子通過外部電路從陽極被拉到陰極，因此產(chǎn)生電力。一旦到達空氣電極，質(zhì)子與電子重新結(jié)合，并與氧氣反應(yīng)生成水，因此也產(chǎn)生電力。換言之，在燃料電極處氫氣電化學氧化和在空氣電極處氧氣電化學還原的結(jié)合引起電子連續(xù)地從陽極移動到陰極，并伴隨著電力和熱量的產(chǎn)生。另外，氫氣與氧氣的電化學反應(yīng)產(chǎn)生水蒸氣或液相水。
[0004]設(shè)置用于排出在燃料電池堆中電力產(chǎn)生期間所產(chǎn)生的例如水蒸氣、水和熱量的副產(chǎn)物以及例如氫氣和氧氣的未反應(yīng)的成分的排放裝置。氣體如水蒸氣、氫氣和氧氣通過通風裝置排放到大氣中。用于操作燃料電池的組件，包括吹風機、氫氣再循環(huán)鼓風機、水栗等，連接到主總線以促進燃料電池的操作。主總線也可與各種用于促進供電中斷和連接的繼電器以及用于防止反向電流流向燃料電池的二極管連接。
[0005]由吹風機提供的干燥空氣使用加濕器加濕并提供給燃料電池堆的空氣電極，同時來自空氣電極的廢氣經(jīng)由內(nèi)部產(chǎn)生的水而在加濕狀態(tài)下輸送給加濕器，并用來加濕由吹風機提供的干燥空氣。當燃料電池堆處于干涸或浸水狀態(tài)時，燃料電池堆輸出功率降低，且恢復(fù)輸出功率到適度水平的所需時間增加。另外，干涸或浸水狀態(tài)的延續(xù)可導(dǎo)致燃料電池堆耐久性和壽命的降低。因此，有必要準確診斷燃料電池堆的狀態(tài)，包括干涸或浸水(例如，排水狀態(tài))，并根據(jù)診斷的狀態(tài)進行堆棧的恢復(fù)操作以確保燃料電池堆的快速恢復(fù)。
[0006]相關(guān)技術(shù)公開了一種通過測量燃料電池的交流電(AC)阻抗以診斷燃料電池堆的含水量的方法。換而言之，當電流阻抗基本恒定時，燃料電池可診斷為正常。此外，當燃料電池在電流阻抗上顯示顯著變化時，可以確定燃料電池的浸水。逐漸增加的電流阻抗可能表示燃料電池處于干涸狀態(tài)。由于該公開的方法通過確定阻抗值的改變來確定浸水，然而這需要測量隨著時間的推移的兩個或多個阻抗值并計算阻抗值的變化，因此該方法需要大量時間來檢測浸水。另外的問題是，測量幾百Hz的阻抗頻率范圍可導(dǎo)致測量精度的降低。
[0007]另一個相關(guān)技術(shù)公開了一種用于防止燃料電池堆干涸的方法，其通過使用相對濕度圖確定燃料電池堆的相對濕度并且通過當相對濕度確定為增加時減少空氣流量并增加驅(qū)動壓力來防止燃料電池堆干涸，其中，該相對濕度圖基于有關(guān)吹風機出口、加濕器入口和冷卻液出口的各自溫度的測量數(shù)據(jù)。然而，該方法問題在于，由于燃料電池堆內(nèi)部的濕度非常易受各種因素的影響，包括被吸入到燃料電池堆中的空氣的溫度和濕度、空氣出口處的溫度和濕度、所提供氫氣的溫度和濕度、燃料電池堆的產(chǎn)物水的量和燃料電池堆本身的溫度，因此從有關(guān)吹風機出口、加濕器入口和冷卻液出口的各自溫度的數(shù)據(jù)估計相對濕度會降低準確程度。
[0008]此外，另一個相關(guān)技術(shù)公開了一種在燃料電池堆中恢復(fù)水平衡的方法。當燃料電池堆中發(fā)生干涸情況，其中燃料電池中的水平衡小于預(yù)定值時，燃料電池堆通過連續(xù)進行下述工序以限制燃料電池的輸出來恢復(fù)，即，依次進行減少空氣的化學計量比、減少燃料電極壓力、增加燃料電極循環(huán)容量和增加空氣壓力的工序。然而，該連續(xù)工序缺點在于需要大量時間恢復(fù)處于干涸狀態(tài)的燃料電池堆。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，本發(fā)明提供一種用于診斷燃料電池堆的狀態(tài)的方法，其能夠通過施加多頻電流提高燃料電池堆的診斷性能，測量多頻電流的阻抗，且迅速診斷燃料電池堆的含水量，包括燃料電池堆的干涸/浸水狀態(tài)。另外，本發(fā)明提供一種基于燃料電池堆的狀態(tài)控制燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法能夠使燃料電池堆從異常狀態(tài)迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)(例如，從干涸或浸水狀態(tài)到無故障狀態(tài))。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于診斷燃料電池堆的狀態(tài)的方法可包括:同時將分別具有第一和第二頻率的電流施加到燃料電池堆；根據(jù)所施加的電流計算從燃料電池堆輸出電流和電壓的傅里葉變換；使用在所計算的輸出電流和電壓之中具有第一頻率和第二頻率的電流和電壓的振幅和相位，計算第一頻率阻抗的實部和第二頻率阻抗的虛部；通過所計算的第一頻率阻抗的實部的大小和所計算的第二頻率阻抗的虛部的大小確定燃料電池堆的狀態(tài)，其中第一頻率大于第二頻率。
[0011]第一頻率可約為10Hz以上，第二頻率可在約IHz至10Hz之間的范圍內(nèi)。確定燃料電池堆的狀態(tài)的步驟可基于所計算的實部和虛部的大小根據(jù)燃料電池堆的狀態(tài)圖來進行，該燃料電池堆的狀態(tài)圖中對應(yīng)于第一頻率阻抗的實部和第二頻率阻抗的虛部的大小來繪制燃料電池堆的狀態(tài)。燃料電池堆的狀態(tài)圖顯示燃料電池堆的含水量與第一頻率阻抗的實部和第二頻率阻抗的虛部的大小等級之間的關(guān)系。該等級可根據(jù)多個預(yù)定的邊界值來劃分。
[0012]確定燃料電池堆的狀態(tài)的步驟也可包括，根據(jù)所計算實部和虛部的大小所屬于的等級來確定燃料電池堆的含水量。此外，確定燃料電池堆的狀態(tài)的步驟的方法可包括使用基于模糊邏輯的診斷工具的輸出，該模糊邏輯的診斷工具對應(yīng)于第一頻率阻抗的實部的大小和第二頻率阻抗的虛部的大小實現(xiàn)模糊邏輯。基于模糊邏輯的診斷工具的輸出可由第一頻率阻抗的實部的大小和第二頻率阻抗的虛部的大小來確定，并可根據(jù)預(yù)定的邊界值將其劃分成多個等級。確定燃料電池堆的狀態(tài)的步驟可進一步包括，基于根據(jù)預(yù)定的邊界值所劃分的等級來確定燃料電池堆的含水量。
[0013]該方法可進一步包括根據(jù)所確定的燃料電池堆的含水量，將燃料電池堆的狀態(tài)劃分成多個等級。進一步，該方法可包括基于根據(jù)預(yù)定的邊界值所劃分的等級來改變多個因素，包括空氣流量、空氣壓力、氫氣流量、氫氣壓力和燃料電池堆的氫氣排放。等級可包括根據(jù)預(yù)定值按含水量的遞減次序所劃分的等級I?5。改變多個因素的步驟可通過以下方法來進行:當燃料電池堆的含水量屬于等級I時，增加空氣流量、氫氣壓力、氫氣流量和氫氣的排放，并降低空氣壓力；當燃料電池堆的含水量屬于等級2時，增加氫氣流量并增加空氣流量；當燃料電池堆的含水量屬于等級4時，減少空氣流量和氫氣壓力；當燃料電池堆的含水量屬于等級5時，增加氫氣流量和空氣壓力，并降低空氣流量和氫氣壓力。
【附圖說明】
[0014]圖1是表示根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的包括電池電壓、阻抗的絕對值和低頻阻抗的虛部在內(nèi)的燃料電池堆電性能隨著時間的變化的示例性圖表。
[0015]圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的用于診斷燃料電池堆的狀態(tài)的方法的示例性示意流程圖；
[0016]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的基于模糊邏輯的診斷工具的示例性示意框圖；
[0017]圖4是根據(jù)通過根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的基于模糊邏輯的診斷工具所測量的第一頻率阻抗的實部大小的模糊隸屬函數(shù)的示例性圖。
[0018]圖5是根據(jù)通過根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的基于模糊邏輯的診斷工具所測量的第一頻率阻抗的虛部大小的模糊隸屬函數(shù)的示例性圖。
[0019]圖6是根據(jù)通過根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的基于模糊邏輯的診斷工具所測量的燃料電池堆的狀態(tài)的模糊隸屬函數(shù)的示例性圖。
[0020]圖7是使用根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的用于診斷燃料電池堆的狀態(tài)的方法進行診斷之后總結(jié)的燃料電池系統(tǒng)的控制