專利名稱：使用電控壓力調節器產生h2排氣傳感器測試脈沖的方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池系統，且更具體地涉及利于監督燃料電池系統中的氫排氣傳感器的系統和方法。
背景技術：
燃料電池已經作為清潔、高效和環保的功率源提出，用于各種應用。燃料電池是將燃料(例如，氫)和氧化劑(例如，氧)結合以產生電的電化學裝置。氧通常由空氣流提供。氫和氧結合以引起水的形成。各個燃料電池可以串聯地堆疊在一起以形成能夠提供足以給電動車輛供電的電力量的燃料電池堆。燃料電池堆已經被認為是現代車輛中使用的典型內燃發動機的可能替代。已知燃料電池系統在燃料電池堆的排氣中使用氫傳感器以監督排出到環境的氫濃度。然而，在典型燃料電池系統中，在正常操作期間在排氣中不存在足夠的氫以測試氫傳感器。而且，借助于常規燃料電池系統機制，當前不可能產生用于診斷氫傳感器的氫排氣測試脈沖。持續需要允許燃料電池系統中的氫傳感器診斷的系統和方法。令人期望的是，所述系統和方法提供用于測試燃料電池系統的氫傳感器的氫測試脈沖。
發明內容
根據本發明，已經令人驚奇地發現通過提供用于測試燃料電池系統的氫傳感器的氫測試脈沖而允許燃料電池系統中的氫傳感器診斷的系統和方法。分析表明，氫傳感器測試脈沖對于診斷氫傳感器是有益的。當前行業標準，例如IEC 61508和ISO 26262，需要用于某些系統的高診斷范圍。在示例性實施例中，本發明的系統和方法配置成產生用于診斷氫傳感器的氫排氣測試脈沖。所述系統包括用于存儲氫的高壓容器(PV)。所述高壓容器可容納例如一直到大約700 bar的壓力。罐上閥(on-tank_valve)選擇性地截止高壓容器。高壓傳感器(Pl)安裝在所述罐上閥后面，用于壓力測量。還設置第二截止閥(SV)，作為所述罐上閥的備用。第二截止閥之后是電子式壓力調節器(EPR)，以將壓力從高壓水平減小至適合于燃料電池系統(FCS)操作的水平，例如大約6-10 bar的壓力。壓力再次用電子式壓力調節器和燃料電池系統之間的壓力傳感器(P2)測量。為了在壓力調節器故障的情況下保護燃料消耗線路不受過壓的影響，還使用過壓閥(PRV)。過壓閥正常在高于系統的操作壓力的預定值時打開，且在激勵的情況下排出氫。電功率在燃料電池系統內從燃料電池堆中的氫和由壓縮機提供的空氣產生。氫消耗在燃料電池系統內。燃料電池堆的排氣通常不包含顯著的氫濃度。然而，為了在燃料電池系統故障的情況下阻礙氫釋放到環境，使用氫傳感器(H1)。氫傳感器讀數傳送給電子控制模塊(ECM)，所述電子控制模塊在測量高氫濃度的情況下關閉罐上閥和第二截止閥。
與具有不能變化的預定壓力設定點的被動壓力調節器相比，電子式壓力調節器是主動壓力調節器。主動電子式壓力調節器包括由電子控制模塊外部控制的比例閥。這允許通過比例閥的流率的變化。因而，電子式壓力調節器的壓力設定點可以精密地控制。該系統和方法使用電子式壓力調節器的受控變化性與過壓閥一起來產生氫傳感器的測試脈沖，而不需要燃料電池系統所需的任何附加部件。操作中，電子式壓力調節器被控制至過壓閥打開以將氫選擇性地供應到燃料電池堆的排氣中的水平。為了確定供應給排氣的氫的流率，通過評估燃料消耗線路壓力可以計算所述量。與從空氣壓縮機到排氣的已知空氣流一起，得到的濃度被確定且可以與氫傳感器讀數進行比較。這允許在沒有附加部件的情況下進行氫傳感器診斷。如上所述，為了產生測試脈沖，重要的是已知氫量和在排氣線路中混合的空氣量。空氣量通常被測量或者例如在采用空氣壓縮機的車輛應用中已知。為了確定氫量，可以使用以下策略:
在燃料電池系統輸入閥關閉的情況下，電子式壓力調節器用恒定值控制，以打開非常小的開度。在打開孔口保持恒定時，根據以下關系式(1)，通過電子式壓力調節器的流率與壓力差的平方根成比例:
權利要求
1.一種燃料電池系統，包括: 與燃料消耗線路流體連通的氫源； 燃料電池堆，所述燃料電池堆具有與燃料消耗線路流體連通的陽極入口、與氧化劑源流體連通的陰極入口、以及陽極出口和陰極出口，所述陽極出口和陰極出口與排氣線路流體連通； 電子式壓力調節器，所述電子式壓力調節器在氫源和燃料電池堆之間與燃料消耗線路流體連通； 過壓閥，所述過壓閥與燃料消耗線路和排氣線路流體連通且設置在燃料消耗線路和排氣線路之間，所述過壓閥在電子式壓力調節器和燃料電池堆之間與燃料消耗線路流體連通；以及 與排氣線路連通的氫傳感器，所述氫傳感器配置成測量排氣線路的氫濃度。
2.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述氫源是具有罐上閥的壓力容器。
3.根據權利要求1所述的燃料電池系統，還包括設置在第一壓力傳感器和電子式壓力調節器之間的截止閥。
4.根據權利要求1所述的燃料電池系統，還包括設置在氫源和電子式壓力調節器之間的第一壓力傳感器，其中，第一壓力傳感器是配置成測量第一壓力的高壓傳感器。
5.根據權利要求4所述的燃料電池系統，還包括設置在電子式壓力調節器和燃料電池堆之間的第二壓力傳感器，其中，第二壓力傳感器是配置成測量第二壓力的低壓傳感器。
6.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中，過壓線路在電子式壓力調節器和第二壓力傳感器之間與燃料消耗線路流體連通。`
7.根據權利要求5所述的燃料電池系統，還包括電子控制模塊，所述電子控制模塊與氫傳感器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、和電子式壓力調節器以及氧化劑源通信。
8.根據權利要求7所述的燃料電池系統，其中，所述電子控制模塊操作電子式壓力調節器以及氧化劑源中的每一個。
9.一種燃料電池系統，包括: 與燃料消耗線路流體連通的氫源； 燃料電池堆，所述燃料電池堆具有與燃料消耗線路流體連通的陽極入口、與空氣壓縮機流體連通的陰極入口、以及陽極出口和陰極出口，所述陽極出口和陰極出口與排氣線路流體連通； 陽極入口閥，所述陽極入口閥與燃料電池堆的陽極入口流體連通且配置成選擇性地阻礙從燃料消耗線路到燃料電池堆的氫流； 電子式壓力調節器，所述電子式壓力調節器在氫源和燃料電池堆之間與燃料消耗線路流體連通； 過壓閥，所述過壓閥與設置在燃料消耗線路和排氣線路之間的過壓線路流體連通，所述過壓線路在電子式壓力調節器和燃料電池堆之間與燃料消耗線路流體連通； 設置在氫源和電子式壓力調節器之間的第一壓力傳感器； 設置在電子式壓力調節器和燃料電池堆之間的第二壓力傳感器； 與排氣線路連通的氫傳感器，所述氫傳感器配置成測量排氣線路的氫濃度；以及 電子控制模塊，所述電子控制模塊與氫傳感器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和電子式壓力調節器、以及空氣壓縮機通信，其中，所述電子控制模塊響應于來自于第一壓力傳感器和第二壓力傳感器中的至少一個的壓力測量值操作電子式壓力調節器和空氣壓縮機中的每一個，以產生氫測試脈沖。
10.一種在燃料電池系統中產生氫測試脈沖的方法，所述方法包括以下步驟: 提供燃料電池系統，所述燃料電池系統具有:與燃料消耗線路流體連通的氫源；燃料電池堆，所述燃料電池堆具有與燃料消耗線路流體連通的陽極入口、與氧化劑源流體連通的陰極入口、以及陽極出口和陰極出口，所述陽極出口和陰極出口與排氣線路流體連通；電子式壓力調節器，所述電子式壓力調節器在氫源和燃料電池堆之間與燃料消耗線路流體連通；過壓閥，所述過壓閥與燃料消耗線路和排氣線路流體連通且設置在燃料消耗線路和排氣線路之間，所述過壓閥在電子式壓力調節器和燃料電池堆之間與燃料消耗線路流體連通；設置在氫源和電子式壓力調節器之間的第一壓力傳感器；設置在電子式壓力調節器和燃料電池堆之間的第二壓力傳感器；以及與排氣線路連通的氫傳感器； 控制電子式壓力調節器以允許通過電子式壓力調節器的恒定氫流率； 基于來自于第一壓力傳感器和第二壓力傳感器中的至少一個的壓力測量值來計算通過電子式壓力調節器的恒定氫流率； 以已知空氣流流率提供從氧化劑源到排氣線路的空氣流； 根據已知空氣流流率和所計算的恒定氫流率來計算排氣線路中的預期氫濃度； 用氫傳感器測量排氣線路中的測量氫濃度；以及 將測量氫濃度與預期氫 濃度進行比較。
全文摘要
一種用于產生氫測試脈沖的燃料電池系統包括燃料電池堆，燃料電池堆具有經由燃料消耗線路與氫源流體連通的陽極入口、與氧化劑源流體連通的陰極入口、以及陽極出口和陰極出口，所述陽極出口和陰極出口與排氣線路流體連通。電子式壓力調節器與燃料消耗線路流體連通。過壓閥與過壓線路流體連通，所述過壓線路在電子式壓力調節器和燃料電池堆之間與燃料消耗線路流體連通。氫傳感器與排氣線路連通且配置成測量氫測試脈沖。
文檔編號H01M8/04GK103107347SQ20121045622
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月14日 優先權日2011年11月14日
發明者T.魏斯芬寧 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司