本說(shuō)明書(shū)總體上涉及用于監(jiān)測(cè)和識(shí)別燃料電池堆中的非系統(tǒng)事件的方法和設(shè)備，并且更具體地涉及用于對(duì)燃料電池堆內(nèi)的燃料電池進(jìn)行分組以監(jiān)測(cè)和識(shí)別每一組內(nèi)的單獨(dú)燃料電池所經(jīng)受的非系統(tǒng)事件的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

燃料電池經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)將燃料轉(zhuǎn)化為可用的電能。這種能量產(chǎn)生方式的顯著益處在于其不依賴于作為中間步驟的燃燒而實(shí)現(xiàn)。如此，相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)(ice)以及用于推進(jìn)和相關(guān)動(dòng)力應(yīng)用的相關(guān)動(dòng)力產(chǎn)生源而言，燃料電池具有若干環(huán)境優(yōu)勢(shì)。在典型的燃料電池-例如，質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(在任一情況下，簡(jiǎn)稱為pem)燃料電池中，一對(duì)催化電極由離子透過(guò)電解質(zhì)層(例如，nafion^tm)分隔開(kāi)，使得這三個(gè)層一起形成通常被稱為膜電極組件(mea)的組件。負(fù)極和正極上典型的催化劑負(fù)載量為每平方厘米的載體表面積(例如多孔碳基墊)約0.05至0.4mg的鉑(pt)。當(dāng)將形式為氣態(tài)還原劑(例如氫氣，h2)的第一反應(yīng)物引入負(fù)極并在負(fù)極處電離并且隨后讓其通過(guò)離子透過(guò)介質(zhì)使得其與已經(jīng)通過(guò)另一電極(正極)引入的形式為氣態(tài)氧化劑(例如氧氣，o2)的第二反應(yīng)物結(jié)合時(shí)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；這種反應(yīng)物的結(jié)合形成作為副產(chǎn)物的水。在第一反應(yīng)物的電離中釋放的電子以直流(dc)的形式通過(guò)外部電路到達(dá)正極，該外部電路通常包括負(fù)載(例如電動(dòng)機(jī)以及各種泵、閥、壓縮機(jī)或其他流體輸送部件)，在這里可以進(jìn)行有用的工作。通過(guò)將大量這樣的電池組合成更大的發(fā)電組件，可以增大由該dc電的流動(dòng)產(chǎn)生的發(fā)電。在一種這樣的構(gòu)造中，燃料電池沿著共同的堆疊尺寸連接-非常像一疊卡片-以形成燃料電池堆。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在該上下文中，布置成增加總體電壓或電流輸出的許多單獨(dú)電池的任何這樣的布置被認(rèn)為是定義了一個(gè)堆，即使是在電池的這種精確堆疊布置不明顯的情況下。

由于擴(kuò)散介質(zhì)(dm)或流動(dòng)通道中的溢流或冰堵塞以及mea內(nèi)或跨mea的h2分布不均等因素，燃料電池堆內(nèi)的一些電池可能經(jīng)受向負(fù)極的h2供應(yīng)減少；這可能在啟動(dòng)或正常運(yùn)行期間發(fā)生，并且在極端的實(shí)例中，供應(yīng)可能會(huì)被完全切斷。負(fù)極中的總體h2不足(其中h2供應(yīng)被完全切斷)導(dǎo)致稱為電池反向的現(xiàn)象，其中負(fù)極被極化到比正極高得多的電位。當(dāng)負(fù)極的一小部分被切斷h2供應(yīng)時(shí)，正極的與負(fù)極的h2不足部分相對(duì)應(yīng)的部分經(jīng)受比某些關(guān)鍵燃料電池部件的氧化閾值更高的電壓電位，這些關(guān)鍵燃料電池部件例如是構(gòu)成催化劑載體層的碳。這又導(dǎo)致了受影響電池內(nèi)出現(xiàn)碳腐蝕以及相關(guān)的性能損失，或者甚至出現(xiàn)電氣短路。

改善負(fù)極不足以及隨后的電池反向的影響的努力還無(wú)法令人滿意。在一個(gè)這樣的努力中，使用電池電壓監(jiān)測(cè)(cvm)作為一種監(jiān)測(cè)電池電壓變化的方式。不幸的是，這種監(jiān)測(cè)僅提供了已經(jīng)在電池堆內(nèi)形成的氫短缺事件的標(biāo)志。此外，因?yàn)閷?duì)每個(gè)電池中的非系統(tǒng)事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別所需的傳感器、相關(guān)聯(lián)的電線以及控制器連接的數(shù)量的緣故，將cvm布置在電池堆中的每個(gè)電池上成本較高。另一種這樣的努力可能涉及到促進(jìn)優(yōu)先析氧反應(yīng)的催化劑，作為一種抑制競(jìng)爭(zhēng)性碳腐蝕反應(yīng)的方式；單獨(dú)的石墨化載體策略在經(jīng)常伴隨著燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)、關(guān)閉、瞬變或流動(dòng)阻塞操作條件的總體或局部h2不足問(wèn)題的情況下，不能充分降低碳腐蝕速率。

因此，需要用于監(jiān)測(cè)和識(shí)別燃料電池堆內(nèi)的非系統(tǒng)事件的替代方法和系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池堆包括多個(gè)電池組和控制器，其中每個(gè)電池組包括多個(gè)燃料電池和測(cè)量相應(yīng)電池組的一個(gè)或多個(gè)電氣特性的組傳感器。控制器包括一個(gè)或多個(gè)處理器和存儲(chǔ)器，并且通信地連接至每個(gè)組傳感器。一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行機(jī)器可讀指令，以將每個(gè)電池組的測(cè)量的電氣特性與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的一個(gè)或多個(gè)閾值進(jìn)行比較，并且當(dāng)比較指示非系統(tǒng)性事件時(shí)，指示需要對(duì)燃料電池堆進(jìn)行診斷。

在另一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)包括控制器、燃料電池堆、一個(gè)或多個(gè)閥以及一個(gè)或多個(gè)燃料存儲(chǔ)容器。一個(gè)或多個(gè)閥將一個(gè)或多個(gè)燃料存儲(chǔ)容器流體地聯(lián)接到燃料電池堆，并且每個(gè)燃料存儲(chǔ)容器存儲(chǔ)反應(yīng)物或空氣。燃料電池堆包括多個(gè)電池組，其中每個(gè)電池組包括多個(gè)燃料電池和組傳感器。組傳感器測(cè)量相應(yīng)電池組的一個(gè)或多個(gè)電氣特性?？刂破靼ㄒ粋€(gè)或多個(gè)處理器和存儲(chǔ)器，并且通信地聯(lián)接至每個(gè)組傳感器。一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行機(jī)器可讀指令，以將測(cè)量的電氣特性與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的一個(gè)或多個(gè)閾值進(jìn)行比較，并且當(dāng)比較指示非系統(tǒng)事件時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)閥以調(diào)節(jié)從燃料存儲(chǔ)容器到燃料電池堆的反應(yīng)物或空氣的流量。

結(jié)合附圖，通過(guò)以下的詳細(xì)描述將更全面地理解由本文描述的實(shí)施例提供的這些和其他特征。

附圖說(shuō)明

附圖中闡述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，并不意圖限制由權(quán)利要求限定的主題。當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，可以理解下文對(duì)說(shuō)明性實(shí)施例的詳細(xì)描述，在附圖中相同結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，其中：

圖1描述了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的具有燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的車輛；

圖2描述了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的用于燃料電池堆的控制器；

圖3圖示說(shuō)明了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的針對(duì)電池組中燃料電池的數(shù)量的電池組的阻抗(ωcm²)；

圖4描述了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的診斷流程圖；

圖5a描述了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的膜電極組件的頂視圖；

圖5b描述了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的電池組的側(cè)向剖視圖；

圖6圖示說(shuō)明了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的基于反應(yīng)物不足的反向模式所導(dǎo)致的燃料電池反向；

圖7圖示說(shuō)明了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的與基于反應(yīng)物不足的反向模式導(dǎo)致的燃料電池反向有關(guān)的另一組數(shù)據(jù)；

圖8圖示說(shuō)明了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的在不同組頻率下經(jīng)受燃料電池反向的燃料電池的阻抗比；

圖9圖示說(shuō)明了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的由于非系統(tǒng)性事件而經(jīng)受mea干涸的燃料電池堆的阻抗和電壓；以及

圖10圖示說(shuō)明了根據(jù)本文示出和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的非系統(tǒng)性事件期間阻抗的變化率。

具體實(shí)施方式

燃料電池堆的非系統(tǒng)性故障可能僅在燃料電池堆內(nèi)的幾個(gè)燃料電池中影響性能或產(chǎn)生短路。這些非系統(tǒng)性故障、失效或事件可能不能被整個(gè)燃料電池堆健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到，這是因?yàn)槭苡绊懙娜剂想姵氐碾姎馓匦缘淖兓赡懿粫?huì)大到足以能被整個(gè)燃料電池堆健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別或測(cè)量到。例如，由于管道系統(tǒng)中碎屑引起的單個(gè)燃料電池中管道系統(tǒng)的阻塞而經(jīng)受了非系統(tǒng)性事件(例如，燃料電池反向)的燃料電池可能導(dǎo)致該燃料電池內(nèi)的短路。需要在燃料電池堆操作期間檢測(cè)和補(bǔ)救非系統(tǒng)性事件，以防止發(fā)生進(jìn)一步的損壞或防止非系統(tǒng)性故障傳播成整個(gè)燃料電池堆的系統(tǒng)性故障。使用測(cè)量燃料電池堆的電氣特性的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)整個(gè)燃料電池堆可能不會(huì)識(shí)別出由于單個(gè)燃料電池內(nèi)的小幅度變化引起的非系統(tǒng)性事件。電氣噪聲和其他因素可能會(huì)掩蓋這種小幅度的測(cè)量。此外，對(duì)每個(gè)單獨(dú)的燃料電池進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測(cè)以識(shí)別這些小幅度測(cè)量是麻煩的、難以實(shí)現(xiàn)的和昂貴的，并且增加了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或故障的機(jī)會(huì)。應(yīng)當(dāng)理解，非系統(tǒng)性事件是影響一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的燃料電池的性能但不顯著影響整個(gè)燃料電池堆的性能的故障。如果非系統(tǒng)性事件未得到補(bǔ)救，它們則可能導(dǎo)致整個(gè)燃料電池堆的系統(tǒng)性故障。還應(yīng)當(dāng)理解，燃料電池反向是單獨(dú)的燃料電池的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，它是消耗電能而不是產(chǎn)生電能?？梢栽O(shè)想，這種狀態(tài)將表現(xiàn)為燃料電池輸出端的電壓下降或燃料電池的阻抗變化。

首先參考圖1，車輛10(例如但不限于小汽車、面包車、公共汽車、卡車、摩托車、坦克、航天器、船舶、船只或潛艇)包括基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)20，該推進(jìn)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)17和燃料電池堆1。電動(dòng)機(jī)17從燃料電池堆1和/或一個(gè)或多個(gè)電存儲(chǔ)裝置27接收其電力，并為車輛10提供動(dòng)力。燃料電池堆1包括許多單獨(dú)的燃料電池15?；谌剂想姵氐耐七M(jìn)系統(tǒng)20可以包括一個(gè)或多個(gè)燃料存儲(chǔ)容器22、23，以及功率轉(zhuǎn)換器或相關(guān)的電子設(shè)備25、電存儲(chǔ)裝置27(例如，蓄電池，超級(jí)電容器等)、提供操作管理的一個(gè)或多個(gè)控制器30和任何數(shù)量的閥、壓縮機(jī)、管道、溫度調(diào)節(jié)器和其他輔助設(shè)備。基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、相關(guān)聯(lián)的設(shè)備及其相互關(guān)系的進(jìn)一步公開(kāi)披露在共同轉(zhuǎn)讓的2015年7月21日提交的第14/804,706號(hào)美國(guó)申請(qǐng)(代理人案卷號(hào)p028916-ptus-che)中，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文中。

可以使用任何數(shù)量的不同類型的燃料電池15來(lái)組成推進(jìn)系統(tǒng)20的燃料電池堆1；這些燃料電池15可以是金屬氫化物、堿性的、電鍍鋅的或其它變體。燃料電池堆1中的燃料電池15可以串聯(lián)結(jié)合、并聯(lián)結(jié)合或兩種方式的組合來(lái)結(jié)合，以便根據(jù)車輛10的需要產(chǎn)生更高的電壓或電流產(chǎn)出。

圖2示出了用于燃料電池堆1的控制器30?？刂破?0通信地聯(lián)接至燃料電池堆1的各種裝置和傳感器?？刂破?0包括通信地聯(lián)接至非瞬態(tài)存儲(chǔ)器162的一個(gè)或多個(gè)處理器161(例如，但非限制性地，微處理器、專用集成電路(asic)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列等)，以及一個(gè)或多個(gè)接口，例如第一接口163和第二接口164。存儲(chǔ)器162可以是能夠存儲(chǔ)當(dāng)由處理器161執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)本文公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)功能的機(jī)器可執(zhí)行指令的任何形式的存儲(chǔ)器。例如，但非限制性地，存儲(chǔ)器162可以是ram、rom、閃速存儲(chǔ)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、eeprom、cd-rom、dvd、其他形式的非瞬態(tài)存儲(chǔ)器件或不同存儲(chǔ)器件的任何組合。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器30可以用作具有其處理器161、輸入、輸出和存儲(chǔ)器162的數(shù)據(jù)處理或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中存儲(chǔ)器162可以用于臨時(shí)或永久地存儲(chǔ)代碼、程序、模型或相關(guān)算法、共同標(biāo)記的代碼171，使得代碼171中包含的指令由處理器161基于輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，使得可以由代碼生成輸出數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)可以通過(guò)輸出傳送到另一個(gè)程序、用戶或部件(例如燃料電池堆1的部件或傳感器)。數(shù)據(jù)總線或電線和關(guān)聯(lián)電路的相關(guān)集合組合形成合適的數(shù)據(jù)通信路徑，其可以將控制器30的各種部件以及任何外圍設(shè)備以允許系統(tǒng)作為整體運(yùn)行的方式進(jìn)行互連。實(shí)例包括但不限于如下文更詳細(xì)解釋的第一接口163、第二接口164、連接166、168和170等。

控制器30與燃料電池堆1中的各種裝置通信，并且在某些情況下提供對(duì)這些裝置的控制。仍然參考圖2，示例性裝置包括但不限于一個(gè)或多個(gè)泵143、一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)、一個(gè)或多個(gè)閥145以及一個(gè)或多個(gè)傳感器?？刂破?0直接或間接地接收來(lái)自燃料電池堆1的傳感器測(cè)量值，以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作。例如，控制器30可以從與燃料電池堆1相關(guān)聯(lián)的傳感器或裝置165接收溫度、壓力、流量計(jì)、密度、閥位置、速度、阻抗測(cè)量、電壓測(cè)量、電流測(cè)量、感測(cè)燃料電池堆1的電氣特性，或者其他測(cè)量值。應(yīng)當(dāng)理解，可以使用任何數(shù)量的傳感器和傳感器配置的不同組合，而不偏離本公開(kāi)的原理或教導(dǎo)。

一個(gè)或多個(gè)連接166可以是分別提供控制器30與一個(gè)或多個(gè)泵143、一個(gè)或多個(gè)閥145和其它裝置165之間的連接的硬連線或無(wú)線連接的任何組合。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)連接166可以是共享將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到控制器30并且將控制命令傳送到燃料電池堆1的裝置的數(shù)據(jù)線的一部分。在其他實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)連接166可以包括一個(gè)或多個(gè)中間電路(例如，其他微控制器，信號(hào)濾波器等)，并且提供控制器30與一個(gè)或多個(gè)泵143、一個(gè)或多個(gè)閥145和其他裝置165之間的間接連接。如果連接166是無(wú)線的，則控制器30和裝置(例如，一個(gè)或多個(gè)泵143、一個(gè)或多個(gè)閥145和其它裝置165)包括用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的收發(fā)器。無(wú)線連接可以使用任何已知的協(xié)議，例如，諸如等ieee802系列標(biāo)準(zhǔn)。

第二接口164可以配置為接收測(cè)量數(shù)據(jù)并發(fā)送控制命令以啟動(dòng)基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)20的一個(gè)或多個(gè)泵143、一個(gè)或多個(gè)閥145和其它裝置165。第二接口164還可以包括配置為對(duì)接收的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字采樣或?yàn)V波的電路。例如，第二接口164可以在離散時(shí)間(例如，k、k+1、k+2等)對(duì)經(jīng)由連接166從泵143的溫度傳感器接收的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，以產(chǎn)生離散溫度值(例如，t(k)、t(k+1)、t(k+2)等)。例如，控制器30可以啟動(dòng)基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)20的一個(gè)或多個(gè)泵143、一個(gè)或多個(gè)閥145和其他裝置165，以調(diào)節(jié)到燃料電池堆1的反應(yīng)物或空氣的流量。

在一些實(shí)施例中，控制器30還可以經(jīng)由連接168與接口裝置167(例如但不限于顯示器、揚(yáng)聲器、打印機(jī)或向用戶提供數(shù)據(jù)和/或從用戶接收數(shù)據(jù)的任何其他電子裝置)進(jìn)行通信?？刂破?0還可以經(jīng)由連接170與其他計(jì)算系統(tǒng)169(例如但不限于另一個(gè)控制器、便攜式電子裝置、服務(wù)器等)進(jìn)行通信。連接168和170可以是有線和/或無(wú)線連接。例如，其他計(jì)算系統(tǒng)169可以包括遠(yuǎn)離圖1的車輛10的服務(wù)器，并且連接170可以是無(wú)線連接。例如，但非限制性地，控制器30可以經(jīng)由蜂窩、wifi、無(wú)線電、衛(wèi)星連接等將狀態(tài)條件信息傳送到其他計(jì)算系統(tǒng)169中的服務(wù)器。第一接口163還可以包括配置成發(fā)送和接收車輛10的位置信息的一個(gè)或多個(gè)收發(fā)器。例如，但非限制性地，第一接口163可以包括利用三角測(cè)量來(lái)確定車輛10的位置的gps接收機(jī)或蜂窩接收機(jī)。應(yīng)當(dāng)理解，控制器30不限于僅有兩個(gè)接口，并且可以具有給定應(yīng)用所要求的更多或更少的接口。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，第一接口163和第二接口164可以是用于控制器30的單個(gè)接口。

盡管圖2中將控制器30作為單一裝置示出，但應(yīng)當(dāng)理解，這僅僅是示例性的，而不旨在具有限制性。例如，處理器161可以包括執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器162中的指令的任何數(shù)量的計(jì)算裝置的任何數(shù)量的處理器。同樣地，存儲(chǔ)器162可以包括任何數(shù)量的存儲(chǔ)器裝置，并且不限于位于與處理器161相同的外殼內(nèi)的存儲(chǔ)器裝置。在一些情況下，處理器161和/或存儲(chǔ)器162甚至可以位于車輛100的外部。還應(yīng)當(dāng)理解，控制器30可以是基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)20中的許多控制器中的一個(gè)。

仍然參考圖2，燃料電池堆1包括一個(gè)或多個(gè)電池組5。每個(gè)電池組5包括多個(gè)燃料電池15和組傳感器7。組傳感器7配置為檢測(cè)與其聯(lián)接的相應(yīng)電池組5的電氣特性?？刂破?0通信地聯(lián)接到每個(gè)組傳感器7。如下文更詳細(xì)地解釋的，控制器30和每個(gè)組傳感器7協(xié)作以檢測(cè)每個(gè)電池組5中的非系統(tǒng)事件或故障(例如燃料電池反向)的發(fā)生。在一個(gè)實(shí)施例中，組傳感器7可以用于檢測(cè)相應(yīng)電池組5的電氣特性(例如，電壓、電流、阻抗、頻率等)。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)組傳感器7可以包括跨接在每個(gè)電池組5兩端的高電阻電阻器，使得組傳感器7和電池組5中的多個(gè)燃料電池15彼此電氣并聯(lián)。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器30可以接收來(lái)自每個(gè)組傳感器7的電壓信號(hào)，并利用快速傅里葉變換(fft)算法處理這些電壓信號(hào)，以檢測(cè)以下至少一個(gè)：直流(dc)組電壓、交流電(ac)組電壓和諧波組電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)組傳感器7和控制器30的協(xié)作從檢測(cè)到的電壓中得出電池組5的阻抗?？梢栽O(shè)想，組傳感器7可以包括多個(gè)單獨(dú)的傳感器。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)組傳感器7可以包括阻抗傳感器、dc電壓傳感器、ac電壓傳感器、諧波傳感器等中的至少一個(gè)的組合。應(yīng)當(dāng)理解，如本領(lǐng)域已知的那樣，組傳感器7以能使組傳感器7測(cè)量并識(shí)別配置所述組傳感器7的電池組5的電氣特性的配置與電池組5電氣聯(lián)接。

ac組電壓和諧波組電壓可以與由ac發(fā)電機(jī)160產(chǎn)生的堆頻率相關(guān)。在本實(shí)施例中，ac發(fā)電機(jī)160可以以堆頻率向燃料電池堆1供應(yīng)ac電流。在一個(gè)實(shí)施例中，ac發(fā)電機(jī)160可以以組頻率向每個(gè)電池組5供應(yīng)ac電流。在一個(gè)實(shí)施例中，ac發(fā)電機(jī)160可以為每個(gè)電池組生成不同的組頻率，使得可以通過(guò)向其施加的頻率來(lái)識(shí)別出每個(gè)電池組5。盡管圖2中未示出，用于每個(gè)電池組5的每個(gè)ac發(fā)電機(jī)160可以與每個(gè)組傳感器7并聯(lián)聯(lián)接。本實(shí)施例可以有助于通過(guò)控制器30將每個(gè)電池組5與另一電池組區(qū)分開(kāi)，或者有助于識(shí)別老化電池組5中的燃料電池反向，其中燃料電池堆1包括多個(gè)電池組5，每一個(gè)電池組具有不同的老化程度。對(duì)于組頻率與電池組5的老化程度之間的關(guān)系的論述，請(qǐng)參見(jiàn)下文中對(duì)圖10的論述。在所有實(shí)施例中，ac發(fā)電機(jī)160產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)ac電流的幅度和頻率由控制器30確定。換句話說(shuō)，控制器30通信地聯(lián)接至ac發(fā)電機(jī)160，并且可以向ac發(fā)電機(jī)160提供操作指令以在一個(gè)或多個(gè)頻率下產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)ac電流。應(yīng)當(dāng)理解，本公開(kāi)不限于僅一個(gè)ac發(fā)電機(jī)160，并且可以使用多個(gè)ac發(fā)電機(jī)?？梢栽O(shè)想，在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)電池組5可以包括ac發(fā)電機(jī)。

組傳感器7可以使用組頻率和/或堆頻率來(lái)測(cè)量高頻電阻(hfr)，其中該hfr值是電池組5的電氣特性。每個(gè)單獨(dú)的組頻率(其對(duì)于每個(gè)電池組5可以是不同的)、應(yīng)用到每個(gè)電池組5的相同的組頻率和/或堆頻率可以變化以強(qiáng)調(diào)由組傳感器7測(cè)量的hfr值。應(yīng)當(dāng)理解，電池組5的hfr值和阻抗是相同的測(cè)量。

可以設(shè)想，根據(jù)下文所提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，非系統(tǒng)性故障可能導(dǎo)致電池組5的測(cè)量阻抗增加約0.5ωcm²至約10ωcm²或約1.8ωcm²至約7.2ωcm²。如本文所討論的，計(jì)算的估值可以為約2ωcm²，然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，在計(jì)算和確定非系統(tǒng)性故障時(shí)，可以在上述規(guī)定范圍內(nèi)使用任何阻抗。例如但不限于，可以設(shè)想，隨著每個(gè)電池組5中的燃料電池15發(fā)生老化，這個(gè)計(jì)算估值可能需要改變。參照?qǐng)D10，更詳細(xì)地討論老化。

圖3圖示說(shuō)明了針對(duì)電池組5中燃料電池15(圖2)的數(shù)量的電池組5(圖2)的阻抗(ωcm²)?？梢栽O(shè)想，當(dāng)單個(gè)燃料電池15經(jīng)受燃料電池反向時(shí)，其阻抗將上升至約2ωcm²。例如，但非限制性地，在300個(gè)電池的電池組5中，每個(gè)燃料電池15的阻抗增加可以為約0.05ωcm²(50mωcm²)至約0.057ωcm²(57mωcm²)。如果300個(gè)燃料電池15表示燃料電池堆1(圖4)中燃料電池15的總數(shù)，那么阻抗的上升將為約0.05ωcm²+(2ωcm²-0.05ωcm²)/300，這相當(dāng)于每個(gè)燃料電池15約0.057ωcm²。這些結(jié)果表明，燃料電池堆1的整體阻抗的上升小于0.01ωcm²(10mωcm²)，并且在存在電池堆相關(guān)噪聲因子以及其他信號(hào)有用信息的誤差或者不良干擾的情況下，可能難以區(qū)分。換言之，整個(gè)燃料電池堆1用一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量和識(shí)別單個(gè)燃料電池15何時(shí)正經(jīng)受非系統(tǒng)性事件將難以識(shí)別何時(shí)燃料電池堆1的總阻抗增加小于約0.01ωcm²。可以設(shè)想，本文所討論的數(shù)值可以根據(jù)燃料電池堆1中的燃料電池15的數(shù)量而變化。

在一個(gè)實(shí)施例中，電池組5可以包括約30至約50個(gè)燃料電池15，并且可以指示程度足以將其與電池堆相關(guān)的操作噪聲和其他因子區(qū)分開(kāi)的阻抗上升。在本實(shí)施例中，對(duì)于電池組5，每個(gè)燃料電池15的阻抗增加可以為約0.04ωcm²(40mωcm²)，并且是從(2ωcm²-0.05ωcm²)/50計(jì)算而得。該阻抗從約0.05ωcm²(50mωcm²)增加到約0.09ωcm²(90mωcm²)，幾乎是正常操作阻抗值0.05ωcm²的兩倍。0.09ωcm²是從0.05ωcm²+0.04ωcm²計(jì)算而得。通過(guò)分析可以確定，用約30個(gè)至約50個(gè)的電池組5大小測(cè)得的燃料電池堆1阻抗提供了阻抗值測(cè)量值，其在電池堆相關(guān)噪聲因子以及其他信號(hào)有用信息的誤差或者不良干擾的情況下也可以識(shí)別。例如，但非限制性地，對(duì)于具有300個(gè)燃料電池15的燃料電池堆1而言，55個(gè)燃料電池15的電池組5大小將需要6個(gè)燃料電池組5。這種配置將僅增加5個(gè)額外的組傳感器7，這明顯比每個(gè)單獨(dú)的燃料電池15用一個(gè)傳感器要少，因?yàn)槿缟衔乃?，整個(gè)燃料電池堆1用一個(gè)傳感器將不能夠識(shí)別非系統(tǒng)性事件。

再參照?qǐng)D2，當(dāng)電池組5的測(cè)量電氣特性指示有非系統(tǒng)性故障時(shí)，控制器30可以指示需要對(duì)燃料電池堆1進(jìn)行診斷。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器30可以通過(guò)在用戶界面(未示出)(例如，車輛的儀表板)上亮燈和/或發(fā)出警報(bào)來(lái)指示需要對(duì)燃料電池堆1進(jìn)行診斷。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器30可以通過(guò)改變存儲(chǔ)器中的位來(lái)指示需要對(duì)燃料電池堆1進(jìn)行診斷，以便技術(shù)人員或維護(hù)人員稍后訪問(wèn)。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器30可以通過(guò)采取補(bǔ)救動(dòng)作并執(zhí)行以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng)來(lái)指示需要對(duì)燃料電池堆1進(jìn)行診斷：減少燃料電池堆1的電氣負(fù)載或電力輸出、關(guān)閉燃料電池堆1、允許燃料電池堆在關(guān)閉前操作特定的時(shí)間(例如，跛行回家模式)、以及增大流入燃料電池堆1的反應(yīng)物或空氣的流量。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器30可以指示需要對(duì)燃料電池堆1進(jìn)行診斷，并且執(zhí)行診斷算法172，該診斷算法包括在存儲(chǔ)器的機(jī)器可讀代碼中，如圖4的流程圖300所示?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2和圖4，當(dāng)控制器30的代碼171指示需要進(jìn)行診斷檢查時(shí)，診斷算法172開(kāi)始302?？刂破?0確定聯(lián)接到控制器30的每個(gè)組傳感器7的電氣特性。診斷算法確定閾值公式304是否指示在每個(gè)相應(yīng)的電池組5內(nèi)已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生非系統(tǒng)性事件。如果閾值公式304指示還未發(fā)生或當(dāng)前沒(méi)有發(fā)生非系統(tǒng)事件，那么診斷算法172維持燃料電池堆1的正常操作310并結(jié)束312診斷算法172。如果閾值公式304指示已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生非系統(tǒng)性事件，那么診斷算法172執(zhí)行控制操作306。然后，診斷算法172將重測(cè)308閾值公式。如果閾值公式的重測(cè)308仍然指示非系統(tǒng)性事件仍在發(fā)生，或者如果電池組5指示已發(fā)生的非系統(tǒng)事件導(dǎo)致了持續(xù)操作效果(即在非系統(tǒng)性事件得到補(bǔ)救之后，由組傳感器7檢測(cè)到的電池組5的電氣特性不變或略有變化)，那么診斷算法172將繼續(xù)執(zhí)行控制操作306。如果閾值公式的重測(cè)308指示非系統(tǒng)性事件已經(jīng)停止或持續(xù)操作效果已經(jīng)恢復(fù)到正常操作狀態(tài)，那么診斷算法172將返回到燃料電池堆1的正常操作310并結(jié)束312診斷算法172。應(yīng)當(dāng)理解的是，在控制器30中可以同時(shí)運(yùn)行多次迭代的診斷算法172，每個(gè)組傳感器7一次，或者聯(lián)接到控制器30的每個(gè)組傳感器7順序運(yùn)行一個(gè)診斷算法172。還可以設(shè)想的是，對(duì)于整個(gè)電池組5，由組傳感器7檢測(cè)的每個(gè)電池組5的阻抗電氣特性歸一化處理為ωcm²。

在一個(gè)實(shí)施例中，被監(jiān)測(cè)的電氣特性是阻抗，閾值公式304可以是最大阻抗閾值，如公式1所示：

電池組阻抗≥最大阻抗公式1

其中電池組阻抗是由每個(gè)組傳感器7測(cè)量的阻抗。最大阻抗可以根據(jù)燃料電池堆1(圖4)的老化程度、電池組5的老化程度或傳遞給控制器30的阻抗的幅值而變化。例如，但非限制性地，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以包括多個(gè)增量閾值。與這些多個(gè)增量閾值相比，控制操作306可以根據(jù)電池組5的阻抗值而不同。而且，因?yàn)殡姵亟M5的最大阻抗值可能變化，所以控制操作306可以在一次或多次迭代的過(guò)程中變化，使其超過(guò)閾值公式304和閾值的重測(cè)308的多個(gè)增量閾值中的一個(gè)或多個(gè)的不同組合。例如，但非限制性地，如果一個(gè)組傳感器指示電池組的阻抗增加到大數(shù)量值，例如，正常值0.05ωcm²的兩倍，那么閾值公式304或閾值公式的重測(cè)308可以指示非系統(tǒng)性事件已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生。診斷算法172可以具有用于不同補(bǔ)救動(dòng)作的多個(gè)閾值。例如，在0.1ωcm²時(shí)，在持續(xù)供應(yīng)h2(即反應(yīng)物)和空氣的同時(shí)，觸發(fā)限制燃料電池堆上的電氣負(fù)載的第一補(bǔ)救動(dòng)作，但是在0.15ωcm²時(shí)，觸發(fā)關(guān)閉燃料電池堆的第二補(bǔ)救動(dòng)作(例如，移除燃料電池堆上的電氣負(fù)載，并且負(fù)載電流在持續(xù)供應(yīng)h2和空氣的同時(shí)變?yōu)榱?。

作為一個(gè)更具體的實(shí)例，但非限制性地，一組閾值可以包括電池組5的阻抗測(cè)量值的第一閾值(高于0.09ωcm²)、第二閾值(約0.075ωcm²和約0.09ωcm²之間)、第三閾值(約0.05ωcm²和約0.075ωcm²之間)、以及第四閾值(低于約0.05ωcm²)。這個(gè)實(shí)例參照?qǐng)D4，在第一次迭代中，阻抗測(cè)量值可以是約0.06ωcm²，控制操作306(例如，第一補(bǔ)救動(dòng)作)可以增加流入燃料電池堆1的空氣和/或反應(yīng)物的量，以便加壓并強(qiáng)行去除電池組5的負(fù)極通道181或正極通道180(圖5b)的阻塞。在閾值公式的重測(cè)308期間，阻抗測(cè)量值可以增加到約0.08ωcm²，然后控制操作306(例如，第二補(bǔ)救動(dòng)作)可以減少燃料電池堆1上的電氣負(fù)載以進(jìn)行補(bǔ)償。在第二次迭代中，閾值公式的重測(cè)308可以識(shí)別阻抗測(cè)量值為約0.091ωcm²，然后控制操作306可以關(guān)閉燃料電池堆1。相反，在第二次迭代中，閾值公式的重測(cè)308可以識(shí)別阻抗測(cè)量值為約0.04ωcm²，然后控制操作306可以將燃料電池堆1的電氣負(fù)載和空氣供應(yīng)返回到正常操作310。

此外，被監(jiān)測(cè)的電氣特性可以是電流，診斷算法172可以考慮電池組5中的電流密度來(lái)監(jiān)測(cè)燃料電池堆1的健康情況。如上關(guān)于阻抗測(cè)量所討論的，電流密度可以使用一組閾值，以識(shí)別已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生的非系統(tǒng)性事件。電流密度是燃料電池15的電流與有效面積的比率。下文將結(jié)合圖5a和圖5b討論電流密度。例如，但非限制性地，產(chǎn)生約400amps并具有300cm²有效面積的燃料電池堆1的電流密度將為約1.33a/cm²。如果燃料電池15的一部分中電流的濃度(即電流密度)大于1.33a/cm²，那么診斷算法172可以識(shí)別非系統(tǒng)性事件，并根據(jù)與該組閾值相比較的測(cè)量值(例如，阻抗和/或電流密度)來(lái)啟動(dòng)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救響應(yīng)。應(yīng)該理解的是，可以根據(jù)燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)20(圖1)的配置來(lái)確定阻抗測(cè)量值和/或電流密度的閾值，并且更具體地，燃料電池堆1配置為給燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)20供電。在一個(gè)實(shí)施例中，可以根據(jù)mea的組成以及mea的表面積的量來(lái)確定閾值。

當(dāng)診斷算法172識(shí)別非系統(tǒng)事件(例如負(fù)極反應(yīng)物不足)時(shí)，控制操作306將觸發(fā)補(bǔ)救動(dòng)作。在電池(例如，電存儲(chǔ)裝置27(圖1))的供電可用的情況下，這種補(bǔ)救動(dòng)作可以包括利用電池供電通過(guò)氫泵進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)或通過(guò)由燃料電池堆產(chǎn)生的電力的間歇性增加，在較高壓力偏壓下進(jìn)行主動(dòng)泄放，這又將增加h2的噴射器流量，從而補(bǔ)救任何溢流狀況。作為氫泵高速旋轉(zhuǎn)的替代或者在氫泵高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行的同時(shí)，可以打開(kāi)調(diào)節(jié)器或噴射器來(lái)增加h2的噴射量或壓力。而且，隨著h2的噴射量或壓力的增加，燃料電池堆上的電氣負(fù)載可以降低?？梢栽O(shè)想，在考慮電池的充電狀態(tài)的同時(shí)，可以根據(jù)對(duì)泵143(圖2)和/或噴射器(例如，其他裝置165(圖2))的壓力增加的控制來(lái)增加h2的流量。

在較高電流密度(和較高冷卻劑溫度)的情況下，診斷算法172將有一組高電流密度閾值，用于燃料電池堆1的電力限制和關(guān)閉。例如，但非限制性地，下表1中“燃料電池堆的關(guān)閉”可以包括通過(guò)診斷算法172檢測(cè)燃料電池15的mea的過(guò)度干涸，并且控制操作306可以響應(yīng)地關(guān)閉燃料電池堆1。在另一個(gè)非限制性實(shí)例中，下表1中“燃料電池堆的關(guān)閉”可以包括控制操作306在燃料電池堆1關(guān)閉期間運(yùn)行用于泄漏檢測(cè)的診斷。如果檢測(cè)到大量泄漏，那么控制操作306可以執(zhí)行如申請(qǐng)14/742,785所示和所述的改進(jìn)的關(guān)閉策略，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文中。在另一個(gè)實(shí)例中，下表1中“燃料電池堆的關(guān)閉”可以包括一旦燃料電池堆1被控制操作306關(guān)閉，就禁止燃料電池堆1重新啟動(dòng)的能力。對(duì)于所有實(shí)施例，下表1是診斷算法172如何處理非系統(tǒng)事件的實(shí)例。

表1-控制操作動(dòng)作

下面描述閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308的幾個(gè)實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管具體提及了阻抗和電壓，但在閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308中可以使用本文所述的任何電氣特性。換言之，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308并不僅限于阻抗和電壓。

在一個(gè)實(shí)施例中，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以是

d(電池組阻抗)/dt≥最大阻抗率公式2

在本實(shí)施例中，如果診斷算法檢測(cè)到電池組中有阻抗突變，那么實(shí)施控制操作306。閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以實(shí)施為大于閾值(例如，0.01ωcm²/s)的電池組阻抗的導(dǎo)數(shù)增加或者只是在一定時(shí)間(例如，1秒)內(nèi)大于閾值的電池組阻抗值的差異。表1是本實(shí)施例的控制操作306的實(shí)例。

在一個(gè)實(shí)施例中，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以是

電池組阻抗≤γ*燃料電池堆中另一個(gè)電池組的電池組阻抗

公式3

在本實(shí)施例中，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308包括分離因子γ，其可以是例如1.5或2。分離因子γ是閾值且用于識(shí)別燃料電池組中一個(gè)電池組的阻抗大于其他電池組的阻抗的情況，并且可以指示經(jīng)受非系統(tǒng)性事件的電池組。例如，但非限制性地，如果燃料電池堆內(nèi)一個(gè)電池組的阻抗大于其他電池組的其他阻抗(公式3)并且檢測(cè)到該電池組的大于其他電池組的阻抗突變(公式2)并且任選地分離持續(xù)(即，持續(xù)性操作效果)，那么控制操作306被觸發(fā)。應(yīng)該注意的是，上述分離因子(公式3)公式可以寫(xiě)成：

電池組阻抗/其他電池組的電池組阻抗≥γ公式4

表1是本實(shí)施例的控制操作306的實(shí)例。

在一個(gè)實(shí)施例中，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以是公式4，其中電壓作為被監(jiān)測(cè)的電氣特性，而非阻抗。電壓的分離因子γ可以是約0.9伏(或約10％的分離)。表1是本實(shí)施例的控制操作306的實(shí)例。

在一個(gè)實(shí)施例中，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以是公式2，其中電壓作為被監(jiān)測(cè)的電氣特性，而非阻抗。表1是本實(shí)施例的控制操作306的實(shí)例。

在一個(gè)實(shí)施例中，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以是

電池組阻抗≥γ公式5

在本實(shí)施例中，診斷算法通過(guò)將測(cè)量電池組阻抗與正常操作下的電池組阻抗進(jìn)行評(píng)估來(lái)確定在電池組中是否正在發(fā)生非系統(tǒng)性事件。阻抗比是從組傳感器得到的測(cè)量阻抗除以正常操作下的電池阻抗。表1是本實(shí)施例的控制操作306的實(shí)例。

在一個(gè)實(shí)施例中，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以是公式4，其中被監(jiān)測(cè)的是每個(gè)電池組的阻抗比，而非每個(gè)電池組的阻抗。表1是本實(shí)施例的控制操作306的實(shí)例。

在一個(gè)實(shí)施例中，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以是

((d(電池組阻抗))/dt)/((d(正常操作下的電池組阻抗))/dt)≥γ公式6

其中將每個(gè)電池組的變化率與正常電池組中的阻抗變化率進(jìn)行比較，以確定每個(gè)電池組內(nèi)是否正在發(fā)生非系統(tǒng)性事件。表1是本實(shí)施例的控制操作306的實(shí)例。可以設(shè)想，正常電池組的變化率可以是設(shè)定的閾值，或者是燃料電池堆1中每個(gè)電池組5的電氣特性的變化率彼此的對(duì)比以及對(duì)任何將指示至少一個(gè)電池組5正在經(jīng)受非系統(tǒng)性事件的無(wú)關(guān)測(cè)量值的識(shí)別。

在一個(gè)實(shí)施例中，閾值公式304和閾值公式的重測(cè)308可以是

(d(電池組阻抗))/dt≥ξ公式7

其中將每個(gè)電池組的變化率與正常電池組中的阻抗變化率進(jìn)行比較，以確定該電池組內(nèi)是否正在發(fā)生非系統(tǒng)性事件。表1是本實(shí)施例的控制操作306的實(shí)例。

參照?qǐng)D5a和圖5b，燃料電池反向的原因包括使燃料電池15的電壓(vcell)反向的反應(yīng)物不足(即，基于反應(yīng)物不足的反向模式)或由阻抗損失導(dǎo)致的反向(即，基于ir損失的反向模式)。可以設(shè)想的是，燃料電池堆1內(nèi)空氣不足不會(huì)引起燃料電池反向。由于空氣不足引起的這種反向遠(yuǎn)低于每個(gè)燃料電池15約-1伏特，并且通常是在每個(gè)燃料電池單元15約-0.1伏特的范圍內(nèi)。

如果在水或碳腐蝕反應(yīng)(cor)存在的情況下燃料電池15的電極可以支持析氧反應(yīng)(oer)，那么基于反應(yīng)物不足的反向模式通常使燃料電池反向小于約-1伏特。雖然cor導(dǎo)致了電極降解，但并不會(huì)導(dǎo)致硬短路。然而，一旦燃料電池15的電極中的碳用盡，就不能支持這些反應(yīng)中的任何一個(gè)，那么燃料電池15的電壓可能下降到約-1伏特以下，并導(dǎo)致硬短路。硬短路的定義為燃料電池15電極中的一個(gè)或兩個(gè)中的電流量集中。硬短路可能使燃料電池15出現(xiàn)永久損壞，例如雙極板(例如，圖5b中的第一雙極板55a和/或第二雙極板55b)出現(xiàn)孔洞。而軟短路不會(huì)造成永久損壞，但確實(shí)會(huì)使受影響的燃料電池15在產(chǎn)生電力時(shí)發(fā)生寄生電力損失?？梢詫?duì)以上所討論的補(bǔ)救動(dòng)作進(jìn)行修改，以補(bǔ)救軟短路。

在燃料電池15內(nèi)，還可能因?yàn)閕r損失而發(fā)生燃料電池反向?！皏cell＝ve-ir＝ve–∑jxr”，其中ve是電極(即，圖5b中的第一雙極板55a或第二雙極板55b)的電壓，i是所產(chǎn)生的電流，j是分?jǐn)?shù)電流，r是電極的電子電阻、dm以及mea50的質(zhì)子電阻的和。

圖5a是mea50的頂視圖，圖5b是包括多個(gè)燃料電池15并突出了中心燃料電池15b中電流量集中的位置的電池組5的一部分的側(cè)視圖。首先參照?qǐng)D5a，示出了燃料電池15的mea50，其具有負(fù)極入口200、負(fù)極出口201、正極入口202和正極出口203。燃料電池反向的共同根源是電流密度分布不均。在圖5a和圖5b中電流流動(dòng)用箭頭表示，電流密度分布不均用彼此靠近的一系列或集中的箭頭表示。上述反應(yīng)物不足或過(guò)度的膜干涸可能導(dǎo)致電流密度分布不均。在反應(yīng)物不足的情況下，如圖5a所示，電流密度向負(fù)極入口200附近移動(dòng)并集中(用點(diǎn)表示)。在過(guò)度的膜干涸的情況下，電流密度向正極出口203附近的mea50的最濕潤(rùn)區(qū)域移動(dòng)并集中。

參照?qǐng)D5b，對(duì)于電流分布不均的情況，經(jīng)受燃料電池反向的燃料電池15(例如，中心燃料電池15b)中的電流分布導(dǎo)致雙極板55(例如，第一雙極板55a和/或第二雙極板55b)中產(chǎn)生平面內(nèi)電流，而dm又由于燃料電池15(例如，中心燃料電池15b)中的阻抗損失導(dǎo)致較大的電壓(ir)下降。雙極板55a和55b中的平面內(nèi)電流在中心燃料電池15b中是示出為一系列指示雙極板55a和55b內(nèi)的電流流動(dòng)方向的箭頭。參照?qǐng)D5a所討論的電流密度分布不均在中心燃料電池15b中是示出為通過(guò)mea50從第二雙極板55b到第一雙極板55a的緊鄰的平行箭頭。外燃料電池15(例如，上燃料電池15a和下燃料電池15c)說(shuō)明了具有均勻電流密度的正常操作燃料電池15。

如圖5b中垂直相鄰的燃料電池15(例如上燃料電池15a、中心燃料電池15b和下燃料電池15c)所示，與其中電流移動(dòng)通過(guò)平面并且路徑小于0.5毫米(或100x量級(jí))的正常操作相比，平面內(nèi)路徑可以是幾十厘米。這種大而長(zhǎng)的平面內(nèi)路徑增加導(dǎo)致了較大的電阻，而該電阻可以由檢測(cè)燃料電池15中的燃料電池反向的組傳感器7經(jīng)由阻抗、高頻電阻或?qū)?yīng)于ir損失的電壓下降而測(cè)量出。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6圖示說(shuō)明了由非系統(tǒng)故障導(dǎo)致的燃料電池反向，諸如基于反應(yīng)物不足的反向模式(即，五電池燃料電池堆中的燃料電池的負(fù)極不足)?？v向軸線說(shuō)明了以秒為單位的時(shí)間，而左邊的垂直軸線說(shuō)明了電流密度[a/m²]、負(fù)極化學(xué)計(jì)量(比)、電壓[v]、以及阻抗，即電阻[ωcm²]。包括五個(gè)串聯(lián)連接的燃料電池的燃料電池堆被用來(lái)收集圖6中圖示地描繪的數(shù)據(jù)。傳感器(例如圖2的組傳感器7)聯(lián)接至燃料電池堆以檢測(cè)作為整體的燃料電池堆的電壓、阻抗和ir。換句話說(shuō)，傳感器檢測(cè)電池組的電氣特性，而不是每個(gè)單獨(dú)燃料電池的電氣特性。

通過(guò)阻斷中心燃料電池(即3號(hào))的一些負(fù)極通道181(圖5b)，導(dǎo)致了五電池堆中的非系統(tǒng)故障，使得其運(yùn)行比燃料電池堆中其余燃料電池更低的負(fù)極化學(xué)計(jì)量(三角形曲線圖)。燃料電池堆以約0.6a/cm²的恒定電流密度(x曲線圖)的一致功率輸出操作。在約2200秒處，負(fù)極化學(xué)計(jì)量(三角形曲線圖)降低至接近1。然而非不足燃料電池(1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和5號(hào))沒(méi)有使從約+0.8伏反向至約-1.6伏(菱形曲線圖)的不足燃料電池(即，3號(hào))反向(圖6中未示出)。與此同時(shí)，燃料電池3號(hào)電池的阻抗(圓形曲線圖)增加至約3ωcm²，并且ir校正電壓(即，電極電壓ve)(正方形曲線圖)為約-0.4伏。應(yīng)注意，經(jīng)受反向的燃料電池的正常阻抗值在約0.05ωcm²的量級(jí)上。將圖6的阻抗值(圓形曲線圖)與正常阻抗值相比，燃料電池3號(hào)的阻抗增加了60倍。應(yīng)注意，由于燃料電池組中單一燃料電池的基于反應(yīng)物不足的反向模式，所檢測(cè)到的阻抗增加由連接至整個(gè)五電池燃料電池堆的傳感器檢測(cè)到。

返回參照?qǐng)D2，一個(gè)燃料電池15中的增加阻抗在整個(gè)電池組5的阻抗變化中是可識(shí)別的。例如，對(duì)于包括五十個(gè)燃料電池15的電池組5來(lái)說(shuō)，在正常操作中，電池組5的阻抗可以為約0.05ωcm²x50＝2.5ωcm²。具有故障的相同電池組5(例如一個(gè)電池組經(jīng)受了燃料電池反向)，電池組5的阻抗可以為約0.05ωcm²x49+(3ωcm²x1)＝5.45ωcm²。如之前結(jié)合圖6所討論的，部分公式(3ωcm²x1)中的因子“3ωcm²”指示出，經(jīng)受燃料電池反向的燃料電池具有約3ωcm²的阻抗值。該計(jì)算說(shuō)明，當(dāng)五十個(gè)串聯(lián)連接的燃料電池的電池組5具有經(jīng)受燃料電池反向的燃料電池時(shí)，由組傳感器7檢測(cè)的阻抗可以大致從約2.5ωcm²翻倍至約5.45ωcm²。換句話說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)化的每個(gè)燃料電池15的阻抗值將從約0.05(2.5/50)ωcm²增加至約0.109(5.45/50)ωcm²。

圖7圖示說(shuō)明了由基于反應(yīng)物不足的反向模式(即，三電池燃料電池堆中燃料電池的負(fù)極不足，其以約0.6a/cm²操作)導(dǎo)致的另一個(gè)數(shù)據(jù)組。包括三個(gè)燃料電池(1號(hào)、2號(hào)和3號(hào))的燃料電池堆在燃料電池2號(hào)的一些氣體場(chǎng)(即，一個(gè)或多個(gè)負(fù)極通道181(圖5b))被阻斷的條件下操作。電池電壓和阻抗在燃料電池2號(hào)上的各個(gè)位置處都進(jìn)行測(cè)量。而且，阻抗數(shù)據(jù)在從約100hz至約10khz范圍的不同組頻率下進(jìn)行收集。圖7說(shuō)明了以下內(nèi)容：燃料電池堆電壓(圓形軌跡)、燃料電池堆阻抗(六邊形曲線圖)、燃料電池1號(hào)和3號(hào)的燃料電池電壓(正方形曲線圖)；燃料電池1號(hào)和3號(hào)的阻抗(三角形曲線圖)；燃料電池2號(hào)的阻抗(菱形曲線圖)；和燃料電池2號(hào)的燃料電池電壓(x曲線圖)。第一電氣特性傳感器(例如組傳感器7(圖2))聯(lián)接至燃料電池1號(hào)，第二電氣特性傳感器聯(lián)接至燃料電池2號(hào)，第三電氣特性傳感器聯(lián)接至燃料電池3號(hào)，以及堆傳感器聯(lián)接至燃料電池堆。如圖所示，當(dāng)燃料電池堆的負(fù)極化學(xué)計(jì)量降低時(shí)，燃料電池1號(hào)和3號(hào)不會(huì)經(jīng)受負(fù)極不足，并且因此不會(huì)反向。然而，燃料電池2號(hào)經(jīng)受了負(fù)極不足并且表現(xiàn)出燃料電池反向。同時(shí)，堆(六邊形曲線圖)和電池2號(hào)(菱形曲線圖)的阻抗從約1ωcm²增加至約6.5ωcm²或者接近正常值的約120倍。在約998秒處并且從此時(shí)開(kāi)始，由于在持續(xù)向燃料電池堆供應(yīng)h²和空氣的同時(shí)釋放了電氣負(fù)載，因此，電流密度變?yōu)榱?0a/cm²)。

圖8是不同組頻率下經(jīng)受燃料電池反向的燃料電池的阻抗比的圖示說(shuō)明：100hz(圓形曲線圖)、200hz(三角形曲線圖)、300hz(菱形曲線圖)、500hz(正方形曲線圖)和10khz(x曲線圖)。當(dāng)經(jīng)受燃料電池反向的燃料電池的電壓以負(fù)的幅值(即，負(fù)電壓在零以下增加)增加時(shí)，阻抗比也增加。在圖8的代表點(diǎn)處，在所有五個(gè)曲線圖上，三條垂直軸線代表約32％230、75％231和113％232的阻抗比。

在約-2伏處，無(wú)論是何種頻率，阻抗比都是相似的，但是由于燃料電池反向的增加，電池電壓的更大反向?qū)е铝烁蟮淖杩贡??？梢栽O(shè)想，由于傳感器沒(méi)有拾取電極效應(yīng)，因此正常操作條件下的mea50的阻抗在較高頻率下可以更低。圖8說(shuō)明的是，不管應(yīng)用至電池組的單獨(dú)燃料電池的組頻率如何，阻抗比都隨著經(jīng)受燃料電池反向的燃料電池的電池電壓幅值的增加而增加。可以設(shè)想，當(dāng)燃料電池經(jīng)受燃料電池反向時(shí)，組頻率可以進(jìn)行修改，以提供阻抗比的最大增加。例如，可以設(shè)想，組頻率越大，阻抗比就越大。當(dāng)然，組頻率必須考慮到背景噪聲和信號(hào)損失等。

圖9圖示說(shuō)明了具有五個(gè)燃料電池的燃料電池堆在經(jīng)受由非系統(tǒng)事件(諸如基于ir損失的反向模式)導(dǎo)致的mea干涸時(shí)的阻抗和電壓。通過(guò)阻斷中心燃料電池(即3號(hào))的一些冷卻劑通道182(圖5b)，導(dǎo)致了五電池堆中的非系統(tǒng)故障，使得其以最大功率輸出運(yùn)行，冷卻劑溫度為其1.1a/cm²的電流密度(圓形曲線圖)的最大允許操作值，冷卻劑為95℃。由于燃料電池3號(hào)的某些但非全部冷卻劑通道182被阻斷，與在接近105℃的溫度下運(yùn)行的燃料電池1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和5號(hào)相比，燃料電池3號(hào)在比105℃高出10℃的溫度下運(yùn)行。燃料電池3號(hào)的入口相對(duì)濕度降低至約25％，使得當(dāng)對(duì)比所有五個(gè)燃料電池的出口相對(duì)濕度時(shí)，燃料電池1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和5號(hào)在正極出口處具有約70％的相對(duì)濕度，而燃料電池3號(hào)在其正極出口處具有約50％的相對(duì)濕度。在這些操作條件下，在燃料電池堆啟動(dòng)約5438秒之后，燃料電池3號(hào)經(jīng)受了燃料電池反向。燃料電池3號(hào)反向至約-5伏(三角形曲線圖)，并且燃料電池3號(hào)的相關(guān)聯(lián)阻抗從約0.05ωcm²增加至約2.8ωcm²(正方形曲線圖)。燃料電池堆的阻抗也從約0.4ωcm²增加至約3ωcm²(菱形曲線圖)。剩余電池(燃料電池1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和5號(hào))的阻抗(x曲線圖)在整個(gè)燃料電池反向中保持在約0.1ωcm²。與剩余燃料電池的阻抗相比，這約為燃料電池3號(hào)的阻抗的30倍(3ωcm²/0.1ωcm²)放大。

現(xiàn)在參照?qǐng)D10，示出了非系統(tǒng)事件期間阻抗的變化率。圖10使用了不同組頻率下的來(lái)自圖7的燃料電池2號(hào)的數(shù)據(jù)：100hz(圓形曲線圖)和10khz(三角形曲線圖)。可以設(shè)想，非系統(tǒng)故障的另一個(gè)檢測(cè)方法可以采用監(jiān)測(cè)阻抗(d(阻抗)/dt)的變化率來(lái)區(qū)別由非系統(tǒng)故障引起的阻抗增加。例如，可以設(shè)想，可以通過(guò)使用下面的公式8識(shí)別和區(qū)分兩個(gè)非系統(tǒng)事件。由電流分布不均(即，左側(cè)的第一個(gè)術(shù)語(yǔ))引起的阻抗上升率的動(dòng)態(tài)可以與由膜水合(即，左側(cè)的第二個(gè)術(shù)語(yǔ))引起的阻抗上升率相區(qū)分。

(d(由組傳感器測(cè)量的阻抗)/dt-(d(由水平衡監(jiān)測(cè)模塊測(cè)量的阻抗))/dt)＝∝公式8

通過(guò)使用公式8，當(dāng)差值α超過(guò)閾值時(shí)，其是燃料電池中電流分布不均的指示并且可以用于觸發(fā)補(bǔ)救動(dòng)作。如本文更詳細(xì)解釋的，補(bǔ)救動(dòng)作可以與功率限制或關(guān)閉的控制動(dòng)作相似。

圖10也說(shuō)明了由燃料電池的老化引起的變化。經(jīng)受了非系統(tǒng)事件的燃料電池的阻抗變化根據(jù)燃料電池的電極的降解量而變化。在燃料電池降解之前，新曲線圖190示出了新燃料電池(即，壽命初期)的電池組的組傳感器。壽命初期可能意味著正處于燃料電池堆剛啟動(dòng)或者還是全新的時(shí)候。示出了老化組曲線圖191，從而在與新曲線圖190相比時(shí)突出燃料電池和燃料電池堆的老化在測(cè)量阻抗值方面的差異。可以設(shè)想，當(dāng)監(jiān)測(cè)和識(shí)別非系統(tǒng)事件時(shí)，用來(lái)檢測(cè)非系統(tǒng)故障的診斷算法可能要考慮燃料電池和/或燃料電池堆的壽命和/或啟動(dòng)?？梢栽O(shè)想，隨著燃料電池堆1的老化，控制器30可以使用表格或圖表來(lái)調(diào)整存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中且用來(lái)識(shí)別非系統(tǒng)事件的一個(gè)或多個(gè)閾值。

使用最小量的傳感器和相關(guān)聯(lián)設(shè)備來(lái)識(shí)別燃料電池堆內(nèi)的非系統(tǒng)事件或故障的能力使得控制器能夠消除或至少減少燃料電池承受的損壞量，并且可以增強(qiáng)燃料電池堆繼續(xù)操作以使車輛到達(dá)修理地點(diǎn)的能力。由于經(jīng)受非系統(tǒng)事件的燃料電池的電氣特性的微小變化，需要進(jìn)行單獨(dú)燃料電池監(jiān)測(cè)。如本文所述，單獨(dú)燃料電池監(jiān)測(cè)的替代方案是對(duì)燃料電池分組。對(duì)燃料電池分組降低了監(jiān)測(cè)的復(fù)雜度，并且降低了監(jiān)測(cè)燃料電池堆的健康所需要的部件數(shù)量。

應(yīng)注意，本文所使用的術(shù)語(yǔ)“傳感器”指的是測(cè)量物理量并將其轉(zhuǎn)換為與物理量的測(cè)量值相關(guān)的信號(hào)的裝置。此外，術(shù)語(yǔ)“信號(hào)”指的是能夠從一個(gè)位置傳遞至另一個(gè)位置的電氣、磁性或光學(xué)波形，諸如電流、電壓、磁通量、dc、ac、正弦波、三角波、方波等。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，指示電氣特性的極性僅用于參考目的，并且可以根據(jù)傳感器連接而反向。可以設(shè)想，本文給出的極性指示優(yōu)選的傳感器連接。

除非另有定義，本文所用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有所要求保護(hù)的主題所屬領(lǐng)域中普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。本說(shuō)明書(shū)中所用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述具體實(shí)施例，并非旨在進(jìn)行限制。如說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求所使用的，除非上下文另外明確指出，單數(shù)形式“一個(gè)(a)”、“一個(gè)(an)”和“該(the)”也旨在包括復(fù)數(shù)形式。

應(yīng)注意，本文中可利用術(shù)語(yǔ)“基本上”和“約”來(lái)表示可能歸因于任何定量比較、值、測(cè)量或其它表達(dá)的不確定性的內(nèi)在程度。本文還利用這些術(shù)語(yǔ)來(lái)表示這樣的程度：定量表達(dá)可以變化而不同于規(guī)定參考值，而不會(huì)導(dǎo)致所述主題的基本功能發(fā)生變化。

本公開(kāi)所使用的某些術(shù)語(yǔ)僅出于方便目的而非進(jìn)行限制。詞語(yǔ)“左”、“右”、“前”、“后”、“上”和“下”指的是所參照的附圖中的方向。術(shù)語(yǔ)包括上面提到的詞語(yǔ)及其衍生詞和類似的外來(lái)詞。

在此以及下文中，術(shù)語(yǔ)“阻抗”常用的意思是可以包括歐姆、以及電容和/或電感部件的電氣阻抗。相應(yīng)地，術(shù)語(yǔ)“阻抗值”通常指反映阻抗部件中的任何一個(gè)或全部的復(fù)值和值向量。在一些實(shí)施例中，阻抗是歐姆電阻，并且對(duì)應(yīng)的阻抗值是電阻器值。然而，電容和/或電感阻抗部件可以替代地或另外地被評(píng)價(jià)為歐姆阻抗部件。術(shù)語(yǔ)“阻抗值”可以進(jìn)一步稱為與阻抗或阻抗部件相關(guān)的且從阻抗或阻抗部件得出的值，諸如比電導(dǎo)率、容量等，并且也可稱為與阻抗或阻抗部件相關(guān)的電氣測(cè)量值，諸如阻抗上的電壓下降。

盡管本文已經(jīng)示出并描述了具體實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解，在不背離所要求保護(hù)的主題的精神和范圍的情況下可作出各種其它變化和修改。另外，雖然本文已經(jīng)描述了所要求保護(hù)的主題的各個(gè)方面，但這些方面不需要組合地利用。因此，目的在于所附權(quán)利要求涵蓋屬于所要求保護(hù)的主題的范圍內(nèi)的所有此類變化和修改。