用于驗證燃料電池系統中檢測到的泄漏的系統和方法
【專利摘要】呈現用于驗證燃料電池系統中檢測到的泄漏的系統和方法。在某些實施例中，可以調整各個燃料電池堆疊設置點，以使得可以獲得足夠的H2流量數據，以便識別和驗證H2泄漏和/或該泄漏的位置。在一些實施例中，H2流量數據可以通過在各種操作條件和/或模式下調整某些燃料電池系統操作參數并且在這些各種操作條件下測量流量數據來獲得。
【專利說明】
用于驗證燃料電池系統中檢測到的泄漏的系統和方法
技術領域
[0001] 本公開涉及用于檢測和驗證燃料電池系統中的泄漏的系統和方法。更具體來說， 但是非排他地，本公開涉及用于檢測和驗證燃料電池系統的陽極子系統中的泄漏的系統和 方法。
【背景技術】
[0002] 客用車輛可以包括燃料電池（"FC"）系統來為車輛的電氣和傳動系系統的某些特 征供電。例如，FC系統可以用于車輛中以便直接(例如，使用電動驅動電機等)和/或通過中 間電池系統為車輛的電動傳動系部件供電。氫是可用于FC系統中的一種可能燃料。氫是可 用于在FC系統中有效地產生電力的一種清潔燃料。氫FC系統是可以在陽極與陰極之間包括 電解液的電化學設備。陽極接收氫氣并且陰極接收氧氣或空氣。氫氣游離在陽極中從而產 生自由的氫質子和電子。氫質子可以被選擇性地引導穿過電解液。來自陽極的電子不能通 過電解液，且因此在發送到陰極之前被引導通過負載以執行操作。氫質子與陰極中的氧和 電子反應從而產生水。
[0003] 質子交換膜燃料電池（"PEMFC"）可以用于FC供電的車輛中。PEMFC通常包括固體聚 合物電解液質子傳導膜，諸如全氟磺酸膜。PEMFC中包括的陽極和陰極可以包括支撐在碳顆 粒上并且與離聚物混合的細碎的催化顆粒(例如，鉑顆粒）。可以將催化混合物沉積在膜的 相反側面上。
[0004] 識別和減輕來自陽極子系統的泄漏的能力在實現持續的PEMFC系統性能和符合某 些排放監管要求方面的考慮。具體來說，陽極子系統中的氫氣（"H 2"）泄漏可能尤其降低整 體PEMFC系統效率和/或增加出排放濃度。監管要求使得PEMFC系統中的出泄漏的精確識別尤 其成為必要，以確保當從陽極子系統失去出時進行某些反應和/或減輕動作和/或減少錯誤 泄漏檢測的發生。然而，用于識別PEMFC泄漏的常規方法可能限于在PEMFC運行時間期間識 別泄漏，并且可能不使用足夠的陽極出流量數據來以足夠的精確度識別和驗證PEMFC系統 中的泄漏和/或泄漏的位置。

【發明內容】

[0005] 本文呈現的系統和方法可以用于識別PEMFC系統的陽極子系統中的泄漏。更具體 來說，所披露的系統和方法的實施例可以用于識別和驗證PEMFC系統中的H2泄漏。在一些實 施例中，PEMFC系統可以包括陽極室和陰極室。如本文所使用，PEMFC系統可以包括單個電 池，或者替代地可以包括以堆疊配置布置的多個電池。FC堆疊可以接收陰極輸入氣體，所述 氣體通常是由壓縮機迫使通過堆疊的空氣流。未由堆疊消耗的氧氣和/或空氣的一部分可 以被輸出作為陰極排氣，陰極排氣可以包括水作為堆疊副產物。FC堆疊還接收流入到堆疊 的陽極側中的陽極H 2輸入氣體。
[0006] FC堆疊可以包括放置在幾個膜電極組件(例如，陽極催化混合物、陰極催化混合物 和膜的組件)之間的一系列雙極板。雙極板包括用于堆疊中的相鄰FC的陽極側和陰極側。可 以在雙極板的陽極側上提供陽極氣體流動通道，該通道允許陽極反應氣體流到相應的膜電 極組件。可以在雙極板的陰極側上提供陰極氣體流動通道，該通道允許陰極反應氣體流到 相應的膜電極組件。一個端板可以包括陽極氣體流動通道，而另一個端板可以包括陰極氣 體流動通道。雙極板和端板可以由導電材料制成，諸如不銹鋼或導電的復合材料。端板可以 將FC所產生的電力傳導出堆疊。雙極板還可以進一步包括冷卻流體可以流過的流動通道。
[0007] 在某些實施例中，一種用于驗證FC系統的陽極子系統中的泄漏的方法包括確定陽 極子系統中的第一測量出的泄漏流速超出第一參考流速閾值。可以將FC系統的陽極至陰極 壓力偏壓和電流密度調整到參考水平。在將陽極至陰極壓力偏壓和電流密度調整到參考水 平之后，可以測量第二測量出的泄漏流速。
[0008] 可以將在多個陽極至陰極壓力偏壓水平下獲得的多個測量出的泄漏流速與第二 測量出的泄漏流速相比較。例如，在一些實施例中，可以增加陽極至陰極壓力偏壓。在增加 陽極至陰極壓力偏壓之后，可以確定第三測量出的泄漏流速超出第二測量出的泄漏流速。 隨后可以減少陽極至陰極壓力偏壓。在減少陽極至陰極壓力偏壓之后，可以確定第四測量 出的泄漏流速小于第二測量出的流速和第三測量出的泄漏流速。基于多個測量出的泄漏流 速與第二測量出的泄漏流速的比較，可以識別泄漏。
[0009] 在一些實施例中，方法可以進一步包括識別FC系統中的泄漏位置。例如，在某些實 施例中，可以增加 FC系統的陰極子系統中的壓力。在增加陰極子系統中的壓力之后，可以測 量第五測量出的泄漏流速。可以確定第五測量出的泄漏流速基本上近似于第二測量出的泄 漏流速，并且基于該確定，可以識別陰極子系統中的泄漏位置。在其他實施例中，可以確定 第五測量出的泄漏流速大于第二測量出的泄漏流速，并且基于該確定，可以識別陽極子系 統中的泄漏位置。
[0010]在其他實施例中，方法可以進一步包括確認和/或以其他方式驗證識別的泄漏。例 如，可以監控在FC系統的關機操作期間陽極子系統的壓力降低速率。基于降低速率比參考 閾值降低速率快的確定，可以確認和/或以其他方式驗證識別的泄漏。
[0011] 在其他實施例中，方法可以包括響應于識別泄漏而實施至少一個保護動作以減輕 對FC系統的損害。例如，響應于識別泄漏，可以在FC系統中開始關機操作。在其他實施例中， 響應于識別泄漏，可以立即終止FC系統中氫氣的注入。
[0012] 在某些實施例中，上述方法可以至少部分地由與PEMFC系統相關的控制電子器件 來執行和/或使用存儲相關的可執行指令的永久計算機可讀介質來實施。
[0013] 本發明包括以下技術方案： 1. 一種用于驗證燃料電池系統的陽極子系統中的泄漏的方法，所述方法包括： 確定陽極子系統中的第一測量出的泄漏流速超出第一參考流速閾值； 將燃料電池系統的陽極至陰極壓力偏壓和電流密度調整到參考水平； 在將陽極至陰極壓力偏壓和電流密度調整到參考水平之后，測量第二測量出的泄漏流 速； 將在多個陽極至陰極壓力偏壓水平下獲得的多個測量出的泄漏流速與第二測量出的 泄漏流速相比較；以及 基于所述比較識別泄漏。
[0014] 2.如方案1所述的方法，其中將在多個陽極至陰極壓力偏壓水平下獲得的多個測 量出的泄漏流速相比較進一步包括： 增加陽極至陰極壓力偏壓； 在增加陽極至陰極壓力偏壓之后，確定第三測量出的泄漏流速超出第二測量出的泄漏 流速； 減少陽極至陰極壓力偏壓；以及 在減少陽極至陰極壓力偏壓之后，確定第四測量出的泄漏流速小于第二測量出的流速 和第三測量出的泄漏流速。
[0015] 3.如方案1所述的方法，其中所述方法進一步包括： 識別燃料電池系統中的泄漏位置。
[0016] 4.如方案3所述的方法，其中識別燃料電池系統中的泄漏位置包括： 增加燃料電池系統的陰極子系統中的壓力；以及 在增加陰極子系統中的壓力之后，測量第五測量出的泄漏流速。
[0017] 5.如方案4所述的方法，其中識別燃料電池系統中的泄漏位置進一步包括： 確定第五測量出的泄漏流速基本上近似于第二測量出的泄漏流速；以及 基于所述確定，識別陰極子系統中的泄漏位置。
[0018] 6.如方案4所述的方法，其中識別燃料電池系統中的泄漏位置進一步包括： 確定第五測量出的泄漏流速大于第二測量出的泄漏流速；以及 基于所述確定，識別陽極子系統中的泄漏位置。
[0019] 7.如方案1所述的方法，其中所述方法進一步包括： 確認所識別的泄漏，其中所述確認包括： 監控在燃料電池系統的關機操作期間陽極子系統的壓力降低速率； 確定降低速率比參考閾值降低速率快;以及 至少部分地基于所述確定，確認所識別的泄漏。
[0020] 8.如方案1所述的方法，其中所述方法進一步包括響應于識別泄漏而實施至少一 個保護動作以減輕對燃料電池系統的損害。
[0021] 9.如方案8所述的方法，其中保護動作包括開始燃料電池系統的關機操作。
[0022] 10.如方案8所述的方法，其中保護動作包括終止燃料電池系統中氫氣的噴射。
[0023] 11. -種存儲指令的永久計算機可讀存儲介質，所述指令在由處理器執行時使得 處理器執行驗證燃料電池系統的陽極子系統中的泄漏的方法，所述方法包括： 確定陽極子系統中的第一測量出的泄漏流速超出第一參考流速閾值； 將燃料電池系統的陽極至陰極壓力偏壓和電流密度調整到參考水平； 在將陽極至陰極壓力偏壓和電流密度調整到參考水平之后，測量第二測量出的泄漏流 速； 將在多個陽極至陰極壓力偏壓水平下獲得的多個測量出的泄漏流速與第二測量出的 泄漏流速相比較；以及 基于所述比較識別泄漏。
[0024] 12.如方案11所述的永久計算機可讀存儲介質，其中將在多個陽極至陰極壓力偏 壓水平下獲得的多個測量出的泄漏流速相比較進一步包括： 增加陽極至陰極壓力偏壓； 在增加陽極至陰極壓力偏壓之后，確定第三測量出的泄漏流速超出第二測量出的泄漏 流速； 減少陽極至陰極壓力偏壓；以及 在減少陽極至陰極壓力偏壓之后，確定第四測量出的泄漏流速小于第二測量出的流速 和第三測量出的泄漏流速。
[0025] 13.如方案11所述的永久計算機可讀存儲介質，其中所述方法進一步包括： 識別燃料電池系統中的泄漏位置。
[0026] 14.如方案13所述的永久計算機可讀存儲介質，其中識別燃料電池系統中的泄漏 位置包括： 增加燃料電池系統的陰極子系統中的壓力；以及 在增加陰極子系統中的壓力之后，測量第五測量出的泄漏流速。
[0027] 15.如方案14所述的永久計算機可讀存儲介質，其中識別燃料電池系統中的泄漏 位置進一步包括： 確定第五測量出的泄漏流速基本上近似于第二測量出的泄漏流速；以及 基于所述確定，識別陰極子系統中的泄漏位置。
[0028] 16.如方案14所述的永久計算機可讀存儲介質，其中識別燃料電池系統中的泄漏 位置進一步包括： 確定第五測量出的泄漏流速大于第二測量出的泄漏流速；以及 基于所述確定，識別陽極子系統中的泄漏位置。
[0029] 17.如方案11所述的永久計算機可讀存儲介質，其中所述方法進一步包括： 確認所識別的泄漏，其中所述確認包括： 監控在燃料電池系統的關機操作期間陽極子系統的壓力降低速率； 確定降低速率比參考閾值降低速率快;以及 至少部分地基于所述確定，確認所識別的泄漏。
[0030] 18.如方案11所述的永久計算機可讀存儲介質，其中所述方法進一步包括響應于 識別泄漏而實施至少一個保護動作以減輕對燃料電池系統的損害。
[0031] 19.如方案18所述的永久計算機可讀存儲介質，其中保護動作包括開始燃料電池 系統的關機操作。
[0032] 20.如方案18所述的永久計算機可讀存儲介質，其中保護動作包括終止燃料電池 系統中氫氣的噴射。
【附圖說明】
[0033] 參照附圖描述本公開的非限制性和非排他性實施例，包括本公開的各種實施例， 其中： 圖1示出根據本文披露的實施例的PEMFC系統的圖。
[0034]圖2示出根據本文披露的實施例的用于檢測和驗證PEMFC系統中的泄漏的方法的 概念圖。
[0035]圖3示出展示根據本文披露的實施例的在模擬的陽極泄漏事件期間隨著時間的泄 漏流量的示例性估計的圖表。
[0036] 圖4示出根據本文披露的實施例的用于檢測和驗證FC系統中的泄漏的示例性方法 的流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 以下提供根據本公開的實施例的系統和方法的詳細描述。雖然描述了幾個實施 例，但是應理解，本公開并不限于任一個實施例，而是涵蓋若干替代、修改和等效物。此外， 雖然在以下描述中闡述若干具體細節以提供對本文披露的實施例的全面理解，但是一些實 施例可以在沒有這些細節中的一些或所有的情況下實踐。此外，為了清晰的目的，并不詳細 描述相關領域中已知的某些技術材料以避免不必要地模糊本公開。
[0038] 本公開的實施例將通過參照圖式來最佳理解，其中相同部分可以由相同數字指 定。如本文圖中大體上描述和示出的所披露的實施例的部件可以多種不同的配置來布置和 設計。因此，本發明的系統和方法的實施例的以下詳細描述并不意欲限制如所要求的本發 明的范圍，而是僅代表本公開的可能實施例。此外，方法的步驟并不必需要以任何特定次序 或者甚至順序地執行，也不需要步驟僅執行一次，除非另有指示。
[0039]本文提供的系統和方法可以用于檢測、驗證和/或管理PEMFC系統的陽極子系統中 的出的泄漏。在某些實施例中，可以調整各個FC堆疊設置點，以使得可以獲得足夠的H2流量 數據，以便至少部分地基于流量數據來識別和驗證H 2泄漏和/或該泄漏的位置。在一些實施 例中，這些出流量數據可以通過在各種操作條件和/或模式(例如，FC堆疊運行、空閑/待機 和/或關機模式)下調整某些PEMFC系統操作參數(例如，系統壓力和/或功率水平)并且在這 些各種操作條件下測量流量數據來獲得。
[0040] 圖1示出根據本文披露的實施例的包括在車輛100中的PEMFC系統102的圖。車輛 100可以是機動車輛、海上運載工具、飛機和/或任何其他類型的車輛，并且可以包括用于并 入本文披露的系統和方法的任何適合類型的傳動系。所披露的系統和方法的額外實施例可 以用于任何其他類型的FC系統，包括例如固定FC系統(例如，發電機）。如所示出，車輛100可 以包括配置成為車輛100的某些部件提供電力的PEMFC系統102。例如，PEMFC系統102可以被 配置成為車輛100的電動傳動系部件提供電力。
[0041] 在一些實施例中，PEMFC系統102可以被配置成直接為電動傳動系部件提供電力。 在某些實施例中，PEMFC系統102可以被配置成通過中間電池系統(未示出）為電動傳動系部 件提供電力。在其他實施例中，PEMFC系統102可以被配置成為包括低壓電池系統(例如，鉛 酸12V汽車電池)的一個或多個其他電池系統提供電力，所述電池系統將電能供應到各種車 輛100系統，包括例如電動冷卻液栗、照明系統、音頻系統和/或類似系統。
[0042] PEMFC系統102可以包括單個電池或者以PEMFC堆疊104配置布置的多個電池，并且 可以包括以上描述的某些PEMFC系統元件和/或特征。FC堆疊104可以包括陽極側和陰極側。 壓縮機108可以通過使得陰極輸入空氣濕潤的水汽輸送（"WVT"）單元110將空氣流提供給陰 極輸入線路106上的FC堆疊104的陰極側。陰極排氣可以經由回壓閥114通過陰極排氣線路 112從FC堆疊104輸出。壓力傳感器116可以測量陰極排氣線路112的壓力。
[0043] FC堆疊104的陽極側可以從陽極輸入線路122上的氫氣源124接收氫氣并且在陽極 再循環線路126上提供陽極再循環氣體。當需要堆疊104的陽極側中的氣體的凈化或滲出 時，可以使得陽極排氣通過可以提供在陽極排氣線路120中的閥128滲出到陰極線路106中。 壓力傳感器134可以被提供在陽極子系統中的一個位置中，諸如在陽極再循環線路126中， 以測量FC堆疊104的陽極側的壓力。
[0044] PEMFC系統102和/或相關的系統和/或部件可以與相關的控制系統136通信地聯 接。控制系統可以被配置成監控和控制PEMFC系統102和/或相關的系統和/或部件的某些操 作。例如，除其他操作之外，控制系統136可以尤其從壓力傳感器116、118、134接收壓力信息 信號并且至少部分地基于這些信息來控制FC堆疊104的各種操作。例如，控制系統136可以 被配置成監控和控制PEMFC系統102的啟動、關機、充電、放電和/或診斷操作。在某些實施例 中，控制系統136可以被配置成檢測和/或以其他方式驗證PEMFC系統102中的泄漏和/或實 施所披露的系統和方法的實施例中的任一個。
[0045]圖2示出根據本文披露的實施例的用于檢測和驗證PEMFC系統的陽極子系統中的 泄漏的方法的概念圖200。在某些情況下，可以在相關的噴射器未點火時基于從監控陽極子 系統的壓力降低獲得的信息（例如，基于從相關的壓力傳感器和/或類似傳感器獲得的測 量)來計算與陽極子系統中的H 2泄漏相關的泄漏流量。例如，可以在與噴射器控制系統相關 的脈沖的下降沿的檢測之后開始存儲壓力讀數，并且可以在噴射器再次開始點火時停止存 儲。基于這些讀數，可以確定陽極子系統的陽極降低。
[0046]若干壓力讀數樣本可以至少部分地基于PEMFC系統的電流密度而改變，其中在相 對高的電流密度下，噴射更頻繁和/或噴射器起作用持續相對較長周期。在較低電流密度 下，噴射器可以點火持續相對較短周期，由此允許在相對較長的下降時間期間的更多壓力 讀數。當噴射器再次停止點火時，壓力數據可以由新讀數更新。
[0047] 可以使用多種方法來基于測量出的壓力信息確定來自陽極子系統的泄漏流速。例 如，可以基于質量平衡方法和/或壓力降低方法來確定泄漏流速。在某些實施例中，這些方 法可以基于以下：
其中IisS.是泄漏流量，是噴射器流量是出燃燒速率，并且g是由于陽極壓 力改變導致的流速。在某些實施例中，當噴射器關閉時間相對較短時，可以在高功率操作條 件下使用質量平衡方法。當噴射器關閉時間相對較長時，可以在低功率操作條件下使用壓 力降低方法。
[0048] 在某些實施例中，與使用上述方法獲得的檢測到的泄漏流速相關的信號可能相對 嘈雜，從而使得難以確定泄漏何時最初發生。檢測到的泄漏流速信號的精確度也可以取決 于用來獲得相關壓力和電流信息的壓力和電流傳感器的精確度。
[0049] 根據本文披露的實施例，可以通過在各種操作條件和/或模式(例如，FC堆疊運行、 空閑/待機和/或關機模式)下調整某些PEMFC系統操作參數和/或條件(例如，系統壓力和/ 或功率水平)并且在這些各種操作條件下測量流量數據來獲得更精確的出流量數據。例如， 可以在FC堆疊運行和/或空閑/待機模式期間調整堆疊操作條件，并且可以監控在相關的檢 測到的泄漏流速信號中的所得響應。在FC堆疊關機模式期間，可以監控在噴射器關閉時陽 極系統壓力的降低速率。
[0050] 結合圖2的概念圖200所示的方法可以實施以上提及的系統和方法的實施例。所示 的概念圖200展示在各種操作模式(例如，運行206、空閑/待機208、關機212)期間陰極子系 統216和陽極子系統214的隨時間202的測量出的壓力204(例如，以kPa為單位測量）。還展示 與各個測量出的壓力214、216有關的示例性電流密度218。方法可以包括若干步驟220-230， 每個步驟與PEMFC系統的操作模式206、208和212相關。例如，步驟220-224和228可以與 PEMFC系統的運行模式206相關，步驟226可以與PEMFC系統的待機/空閑模式208相關，并且 步驟230可以與PEMFC系統的關機模式212相關。在一些實施例中，待機/空閑模式208可以是 運行模式206的子集操作模式，其中PEMFC系統在以相對低的電流密度工作。
[0051] 在步驟220,可以基于陽極子系統壓力的改變來持續地計算泄漏流速以產生泄漏 流速信號。當泄漏流速信號水平超出第一閾值并且所有陽極閥關閉時，可以識別疑似的陽 極子系統泄漏。基于在所有陽極閥打開的情況下泄漏流速信號水平超出第二閾值(如可能 在由于陽極閥被吸開而導致泄漏時發生），可以類似地識別疑似的陽極子系統泄漏。一旦檢 測到疑似的陽極子系統泄漏，則可以存儲相關的泄漏流速信號水平，本文表示為La。還可以 存儲PEMFC系統的電流密度和陽極至陰極壓力偏壓。
[0052] 在存儲泄漏流速La之后，在步驟222,可以將用于電流密度218和陽極至陰極壓力 偏壓的設置點調整到某些設置水平。例如，可以將電流密度218設置為0.03 A/cm2,并且可 以將陽極至陰極壓力偏壓調整為20 kPa，然而其他設置水平也可以用于本文披露的實施 例。在這些條件下，可以存儲新的泄漏流速信號水平，本文表示為Lb。在某些實施例中，可以 基于泄漏表征測試來識別所使用的設置點，所述泄漏表征測試被設計成模仿陽極子系統中 的出泄漏，并且可以代表用于泄漏信號比較目的的參考條件。
[0053] 在步驟224,可以增加陽極至陰極壓力偏壓。例如，可以將陽極至陰極壓力偏壓從 20 kPa調整到40 kPa，然而其他增加也可以用于本文披露的實施例。在增加之后，可以存儲 新的泄漏流速信號水平，本文表示為LC1。通過增加陽極至陰極壓力偏壓，陽極壓力和泄漏流 速應增加，這可以通過將U 1與1^相比較來確認。
[0054]在增加陽極至陰極壓力偏壓之后，可以減少陽極至陰極壓力偏壓。例如，可以將陽 極至陰極壓力偏壓從40 kPa調整到10 kPa，然而其他減少也可以用于本文披露的實施例。 在減少之后，可以存儲新的泄漏流速信號水平，本文表示為LC2。通過減少陽極至陰極壓力偏 壓，陽極壓力和泄漏流速應減少，這可以通過將U 2與Lb相比較確認。類似地，可以將U2與Lc1 相比較。在陽極子系統的泄漏的情況下，U1應大于LC2。
[0055] 在步驟226,可以將PEMFC系統設置為待機/空閑操作模式208。在待機/空閑操作模 式208條件期間，其中噴射器可以在相對低的頻率下點火，可以獲得更多樣本點來計算陽極 子系統內的壓力降低。這些額外的樣本點可以尤其允許更精確的泄漏流速確定。此外，可以 監控陽極子系統中的壓力降低速率，并且可以使用監控到異常降低速率來驗證陽極子系統 中的疑似泄漏。可以存儲泄漏流速信號水平，本文表示為Ld。此外，也可以存儲泄漏流速信 號水平的改變速率，本文表示為dL D。
[0056] 在某些實施例中，可以將泄漏流速信號水平的改變速率與閾值降低速率(本文表 示為Ke)相比較。可以用多種方式來確定閾值降低速率。例如，在一些實例中，閾值降低速率 可以包括被校準以實現可接受的泄漏檢測驗證性能的降低速率。在某些實施例中，可以基 于PEMFC系統(例如，非泄漏系統)的測試和/或表征來確定閾值降低速率，以確定PEMFC系統 的標稱降低速率。
[0057]在步驟228,可以確定PEMFC系統中的泄漏位置。在某些實施例中，此確定可以在 PEMFC系統可以被設置為運行操作模式206時來執行。為了識別PEMFC系統中的泄漏位置，可 以增加陰極壓力。可以維持陽極至陰極壓力偏壓。例如，可以將陰極壓力增加到150 kPa(然 而其他增加也可以用于本文披露的實施例），同時可以將陽極至陰極壓力偏壓維持在20 kPa。在增加之后，可以存儲新的泄漏流速信號水平，本文表示為Le。通過維持陽極至陰極壓 力偏壓并增加陰極壓力，如果泄漏流速信號水平保持恒定（即，Le=Lb)，則可以確定泄漏位于 陰極子系統中。如果泄漏流速信號水平增加（即，Le>Lb)，則泄漏位置可以是來自陽極子系統 的機外泄漏(例如，到周圍環境中的泄漏，諸如由（而不限于)PEMFC系統板密封泄漏、泄漏的 氫氣噴射器、氫氣源線路泄漏等所導致）。
[0058]在一些實施例中，在步驟230,可以通過監控在PEMFC系統的關機模式212期間的陽 極子系統壓力的降低速率來確認泄漏。如果陽極子系統壓力的降低速率(本文表示為dLF) 比閾值降低速率快，則可以確認PEMFC系統中的泄漏（即，小于閾值降低速率的標稱降低速 率可能與泄漏無關，而超出閾值的較快降低速率可能與異常條件相關，諸如導致較快壓降 的出泄漏）。如果陽極子系統壓力的降低速率比閾值降低速率慢，則不可以確認PEMFC系統 中的泄漏。
[0059] 在某些實施例中，可以在相對短的時間周期(例如，1秒或更少)執行步驟220-228。 在某些實施例中，此周期可以允許在由于更嚴重的泄漏導致的損害開始之前進行泄漏識別 和/或確認。
[0060] 將了解，可以對在發明作品主體的范圍內的根據圖2呈現的概念做出若干變化。例 如而非限制，在一些實施例中，步驟220-230中的一些或所有可以按不同的次序和/或在不 同的操作模式206-212期間執行。因此，將了解，圖2是提供用于說明和解釋目的而非限制。
[0061] 圖3示出展示根據本文披露的實施例的在陽極泄漏事件期間隨著時間302(例如， 以秒為單位測量)的泄漏流速304(例如，以摩爾/秒為單位測量)的示例性估計的圖表300。 具體來說，圖表300示出在時間306開始并且在時間308結束的模擬泄漏期間示例性檢測到 的泄漏流速信號310。如結合圖表300所示，檢測到的泄漏流速信號310呈現出在模擬泄漏開 始之后（即，在時間306之后)增加并且在模擬泄漏終止之后（即，在時間308之后)減少。根據 本文披露的實施例，可以至少部分地基于此泄漏流速信號來驗證PEMFC系統的陽極子系統 中的泄漏。
[0062 ]圖4示出根據本文披露的實施例用于檢測PEMFC系統中的泄漏的示例性方法400的 流程圖。所示方法400可以至少部分地使用與PEMFC系統相關的控制系統和/或一個或多個 閥、壓力調節器和/或傳感器、電流傳感器(例如，電流密度傳感器）、流速傳感器和/或類似 裝置來執行，然而也可以使用其他適合的系統和/或系統組合。
[0063]方法400可以在402開始。在某些實施例中，方法400可以基于進入運行操作模式的 PEMFC來開始。在此操作模式下，可以持續地和/或周期性地監控(例如，基于方程1等）陽極 子系統壓力信息，以根據本文披露的實施例識別和/或驗證疑似泄漏。
[0064]在404，可以接收陽極子系統壓力信息。在某些實施例中，可以從與PEMFC系統的陽 極子系統相關的一個或多個壓力傳感器接收陽極子系統壓力信息。在406,可以至少部分地 基于陽極子系統壓力信息來計算泄漏流速以產生泄漏流速信號。
[0065]在408,可以進行關于泄漏流速信號是否超出泄漏流速閾值的確定。在某些實施例 中，泄漏流速閾值可以基于測試和/或以其他方式表征PEMFC系統的陽極子系統中的模擬機 外泄漏（例如，通過泄漏檢測測試)來確定。在一些實施例中，閾值可以包括用于檢測PEMFC 系統中的機外泄漏的最小可檢測信號閾值。例如，在一些實施例中，模擬機外泄漏的受控流 速可以被減少直到相關的流速信號達到檢測閾值(例如，最小檢測閾值）。此閾值隨后可以 用作所披露的實施例的泄漏流速閾值。如果泄漏流速信號超出泄漏流速閾值，則可以懷疑 泄漏并且方法400可以進行到410。如果泄漏流速信號未超出泄漏流速閾值，則方法400可以 進行到在442終止。
[0066]在410,可以存儲與在408的確定中使用的信號水平相關的第一流速信號水平。在 412,可以將PEMFC系統的陽極至陰極壓力偏壓和電流密度調整到某些設置水平。例如，在某 些實施例中，可以將陽極至陰極壓力偏壓設置為20 kPa，并且可以將電流密度設置為0.03 A/cm2,然而其他設置水平也可以用于本文披露的實施例。在某些實施例中，可以基于泄漏 表征測試來識別設置水平，所述泄漏表征測試被設計成模仿陽極子系統中的出泄漏，并且 可以代表用于泄漏信號比較目的的參考條件。
[0067]在414,可以存儲與在412的調整之后發生的信號水平相關的第二流速信號水平。 在存儲第二流速信號水平之后，在416,可以增加陽極至陰極壓力偏壓。例如，可以將陽極至 陰極壓力偏壓從20 kPa調整為40 kPa，然而其他增加也可以用于本文披露的實施例。在增 加之后，在418,可以存儲第三流速信號水平。
[0068]在420,可以進行關于第三流速信號水平是否大于第二流速信號水平的確定。如果 第三流速信號水平小于第二流速信號水平，則可以不懷疑泄漏并且方法可以進行到在442 終止。在泄漏的情況下增加陽極至陰極壓力偏壓可以導致增加的陽極壓力和增加的泄漏流 速。因此，如果第三流速信號水平大于第二流速信號水平，則可以懷疑泄漏并且方法400可 以進行到422。
[0069] 在422,可以減少陽極至陰極壓力偏壓。例如，可以將陽極至陰極壓力偏壓從40 kPa調整為10 kPa，然而其他減少也可以用于本文披露的實施例。在減少之后，在424,可以 存儲第四流速信號水平。
[0070]在426,可以將第四流速信號水平與第二流速信號水平和第三流速信號水平相比 較以確定第四流速信號水平是否大于第二和第三信號水平。通過減少陽極至陰極壓力偏 壓，陽極壓力和泄漏流速應減少。因此，如果第二和第三流速信號水平大于第四流速信號水 平，則可以懷疑泄漏并且方法400可以進行到428。否則，方法400可以進行到在442終止。 [0071 ]在428，可以將PEMFC系統設置為待機/空閑操作模式，并且可以監控陽極子系統中 的壓力降低速率。在此操作模式期間，PEMFC系統的噴射器在相對低的頻率下點火，從而允 許更多樣本點用于監控陽極子系統內的壓力降低。在430,可以將監控到的壓力降低速率與 壓力降低速率閾值(例如，與通過系統測試和/或表征等獲得的標稱降低速率相關的閾值） 相比較。如果監控到的壓力降低速率超出壓力降低速率閾值，則可以懷疑泄漏并且方法400 可以進行到432。否則，方法400可以進行到在422終止。
[0072]在432，為了識別PEMFC系統中的泄漏位置，可以將PEMFC系統設置為操作模式，可 以增加陰極子系統壓力，并且可以維持陽極至陰極壓力偏壓。例如，可以將陰極壓力增加到 150 kPa(然而其他增加也可以用于本文披露的實施例），同時可以將陽極至陰極壓力偏壓 維持在20 kPa。
[0073] 在增加之后，在434,可以確定泄漏流速是否恒定。如果泄漏流速恒定，則可以確定 泄漏位置在陰極子系統中，并且方法400可以進行到在442終止。如果泄漏流速增加，則可以 確定泄漏在陽極子系統和/或機外位置中，并且方法400可以進行到436。
[0074] 在436，可以監控陽極子系統中的壓力降低速率。在某些實施例中，可以在PEMFC系 統的關機模式期間監控此壓力降低速率。在438,可以將壓力降低速率與參考閾值降低速率 相比較。在某些實施例中，可以基于PEMFC系統的測試和/或表征來確定閾值降低速率以識 別標稱降低速率。如果壓力降低速率不比閾值降低速率快，則可以不確認泄漏并且方法400 可以進行到在422終止。然而，如果壓力降低速率比閾值降低速率快，則方法400可以進行到 440,其中可以確認陽極子系統中的泄漏并且PEMFC系統可以參與在一個或多個保護動作中 (例如，防止對系統的損害的動作）。例如，在某些實施例中，PEMFC系統可以被切換到關機模 式，其中除了其他操作之外，可以將空氣栗送到PEMFC堆疊中。在其他實施例中，PEMFC系統 可以參與在快速停止中（例如，從運行模式快速過渡到停止模式），由此可以快速地終止 PEMFC系統中的氫氣噴射。方法400可以進行到在442終止。
[0075] 本文披露的某些系統和方法可以至少部分地使用一個或多個計算機系統來實施。 例如，在某些實施例中，與PEMFC系統相關的控制系統可以至少部分地使用一個或多個計算 機系統來實施。本文披露的系統和方法并不固有地與任何特定計算機或其他裝置有關，并 且可以由硬件、軟件和/或固件的適合的組合來實施。軟件實施可以包括具有可執行代碼/ 指令的一個或多個計算機程序，所述可執行代碼/指令在由處理器執行時可以使得處理器 執行至少部分地由可執行指令定義的方法。計算機程序可以用任何形式的編程語言來寫 入，包括編譯或解釋性語言，并且可以用任何形式來部署，包括作為獨立程序或作為模塊、 部件、子例程或者適用于計算環境中的其他單元。另外，計算機程序可以被部署為在一個計 算機或在一個地點或分布在多個地點處并且由通信網絡互連的多個計算機上執行。軟件實 施例可以被實施為包括配置成存儲計算機程序和指令的永久存儲介質的計算機程序產品， 所述計算機程序和指令在由處理器執行時被配置成使得處理器執行根據所述指令的方法。 在某些實施例中，永久存儲介質可以采用能夠將處理器可讀指令存儲在永久存儲介質上的 任何形式。永久存儲介質可以由光盤、數字視盤、磁帶、伯努利驅動器、磁盤、穿孔卡、閃存、 集成電路或者任何其他永久數字處理裝置存儲器設備。
[0076]盡管為了清晰目的已經稍微詳細描述以上內容，但是將顯而易見的是，在不脫離 其原理的情況下，可以進行某些改變和修改。例如，在某些實施例中，本文披露的系統和方 法可以用于未包括在車輛中的FC系統中（例如，如備用電源等中）。應注意，存在許多實施本 文描述的過程和系統的替代方式。因此，本發明的實施例被認為是說明性而非限制性的，并 且本發明并不限于本文提供的細節，而是在隨附權利要求的范圍和等效物內可以進行修 改。
[0077]參照各個實施例已描述以上說明。然而，本領域技術人員將了解，在不脫離本公開 的范圍的情況下，可以進行各種修改和改變。例如，取決于特定應用或者考慮到與系統操作 相關的任何數量的成本函數，可以用替代方式來實施各個操作步驟以及用于執行操作步驟 的部件。因此，步驟中的任何一個或多個可以被刪除、修改或者與其他步驟組合。另外，本公 開應被認為是說明性而非限制性意義，并且所有這樣的修改意欲包括在其范圍之內。同樣， 以上關于各個實施例已描述的益處、其他優點以及對問題的解決方案。然而，益處、優點、對 問題的解決方案以及可能導致任何益處、優點或解決方案發生或變得更加顯著的任何元件 并不被解釋為關鍵、需要或必要的特征或元件。
[0078] 如本文所使用，術語"包括"和"包含"以及其任何其他變體意欲涵蓋非排他性包 括，諸如包括一系列元件的過程、方法、物品或裝置并不僅包括那些元件，而是可以包括未 明確列出或者所述過程、方法、系統、物品或裝置固有的其他元件。另外，如本文所使用，術 語"通信"、"聯接"以及其任何其他變體意欲涵蓋物理連接、電氣連接、磁性連接、光學連接、 通信連接、功能連接和/或任何其他連接。
[0079] 本領域技術人員將了解，在不脫離本發明的基本原理的情況下，可以對上述實施 例的細節進行許多改變。因此，本發明的范圍應僅由以下權利要求確定。
【主權項】
1. 一種用于驗證燃料電池系統的陽極子系統中的泄漏的方法，所述方法包括： 確定陽極子系統中的第一測量出的泄漏流速超出第一參考流速閾值； 將燃料電池系統的陽極至陰極壓力偏壓和電流密度調整到參考水平； 在將陽極至陰極壓力偏壓和電流密度調整到參考水平之后，測量第二測量出的泄漏流 速； 將在多個陽極至陰極壓力偏壓水平下獲得的多個測量出的泄漏流速與第二測量出的 泄漏流速相比較；以及 基于所述比較識別泄漏。2. 如權利要求1所述的方法，其中將在多個陽極至陰極壓力偏壓水平下獲得的多個測 量出的泄漏流速相比較進一步包括： 增加陽極至陰極壓力偏壓； 在增加陽極至陰極壓力偏壓之后，確定第三測量出的泄漏流速超出第二測量出的泄漏 流速； 減少陽極至陰極壓力偏壓；以及 在減少陽極至陰極壓力偏壓之后，確定第四測量出的泄漏流速小于第二測量出的流速 和第三測量出的泄漏流速。3. 如權利要求1所述的方法，其中所述方法進一步包括： 識別燃料電池系統中的泄漏位置。4. 如權利要求3所述的方法，其中識別燃料電池系統中的泄漏位置包括： 增加燃料電池系統的陰極子系統中的壓力；以及 在增加陰極子系統中的壓力之后，測量第五測量出的泄漏流速。5. 如權利要求4所述的方法，其中識別燃料電池系統中的泄漏位置進一步包括： 確定第五測量出的泄漏流速基本上近似于第二測量出的泄漏流速；以及 基于所述確定，識別陰極子系統中的泄漏位置。6. 如權利要求4所述的方法，其中識別燃料電池系統中的泄漏位置進一步包括： 確定第五測量出的泄漏流速大于第二測量出的泄漏流速；以及 基于所述確定，識別陽極子系統中的泄漏位置。7. 如權利要求1所述的方法，其中所述方法進一步包括： 確認所識別的泄漏，其中所述確認包括： 監控在燃料電池系統的關機操作期間陽極子系統的壓力降低速率； 確定降低速率比參考閾值降低速率快；以及 至少部分地基于所述確定，確認所識別的泄漏。8. 如權利要求1所述的方法，其中所述方法進一步包括響應于識別泄漏而實施至少一 個保護動作以減輕對燃料電池系統的損害。9. 如權利要求8所述的方法，其中保護動作包括開始燃料電池系統的關機操作。10. 如權利要求8所述的方法，其中保護動作包括終止燃料電池系統中氫氣的噴射。
【文檔編號】H01M8/04GK105938037SQ201610007810
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年1月5日
【發明人】S.D.佩斯, J.蔡, M.辛哈
【申請人】通用汽車環球科技運作有限責任公司