[发明专利]通过堆健康监控器的离散最小电池电压输出来预测最小电池电压的方法

说明书

发明领域

本发明总体涉及一种对燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压趋势进行预测的系统及方法，尤其涉及使用来自堆健康监控器的离散的最小电池电压输出来对燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压趋势进行预测的系统及方法。

背景技术

氢是非常引人注意的燃料，因为其是清洁的并且可以被用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气并且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中离解从而产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因而被引导通过负载从而在被传送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆常用的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括被支撑在碳颗粒上且与离聚物混合的磨碎的催化颗粒，通常是铂(Pt)。催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造是相对昂贵的并且需要特定条件来有效操作。

在燃料电池堆中通常可以组合多个燃料电池从而产生所需功率。燃料电池堆接收阴极输入气体(通常是被压缩机驱动通过所述堆的空气流)。并不是所有的氧均被堆所消耗，一些空气作为阴极排出气体被输出，该阴极排出气体可以包括水作为堆副产品。燃料电池堆也接收流入堆阳极侧的阳极氢输入气体。

堆控制器需要知道燃料电池堆的电流/电压关系，也称为极化曲线，以提供来自堆的功率的合适分布。电池的电压和电流之间的关系因为其是非线性的并且依赖于许多变量(包括堆温度、堆分压以及阴极和阳极的化学计量)而变化，而往往难以限定。另外，堆的电流和电压之间的关系随着堆随时间推移而退化。尤其是，具有低电池电压的老堆，将比新的、没有退化的堆需要提供更多的电流以满足功率的需求。幸运地是，许多燃料电池系统，一旦它们高于某温度，将趋势在给定的电流密度处具有可重复的工作条件。在那些情况，电压可以近似地描述为堆电流密度和老化的函数。

对于监控堆健康以及保护堆的免受逆向电压的损坏来说，燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压是非常重要的参数。另外，最小电池电压用于许多的控制燃料电池堆的目的，诸如功率极限算法、阳极氮流出、诊断功能等。然而，公知的采用连续的最小电池电压输出且具有0.5mV分辨率的电池电压监控器的成本是极其昂贵的。因此，本领域中需要用于确定燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压而不需要使用昂贵的监控部件，包括与在每个时间阶段记录和存储监控部件提供信息的相关成本。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种对燃料电池堆的参数进行估算的系统。系统包括堆健康监控设备，其用于对燃料电池堆的最小电池电压、堆电压和电流密度进行监控。堆健康监控器还指示何时达到预定最小电池电压阈值水平。系统还包括控制器，其配置成控制燃料电池堆，其中控制器确定并记录平均燃料电池电压。每次最小电池电压降低至低于一个或多个预定最小电池电压阈值水平，控制器产生并存储与一个或多个预定最小电池电压阈值水平相接近的人工数据点，从而提供燃料电池堆参数的估算，所述燃料电池堆参数包括最小电池电压趋势以及最小电池电压极化曲线。

结合附图从下述说明和所附权利要求中可以显而易见到本发明的附加特征。

本发明还提供了如下方案：

1.一种用于对燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压趋势进行预测的方法，所述方法包括：

对所述燃料电池堆的燃料电池堆电压和电流密度进行监控；

基于所述堆中的燃料电池的数量，从测量的堆电压确定平均电池电压；

对所述堆中的电池的最小电池电压进行监控；

确定所述最小电池电压是否降低到低于第一预定阈值；

如果所述最小电池电压降低到低于所述第一预定阈值，产生接近所述第一阈值的电池电压的第一组人工数据点；

确定所述最小电池电压是否降低到低于第二预定阈值，其中所述第二预定阈值小于所述第一预定阈值；

如果所述最小电池电压降低到低于所述第二预定阈值，产生接近所述第二阈值的电池电压的第二组人工数据点；以及

基于所述平均电池电压、所述电流密度以及所述第一和第二组人工数据点来估算燃料电池堆参数，从而预测所述堆中的燃料电池的所述最小电池电压趋势以及最小电池电压极化曲线。