用于燃料电池系统中阳极过压补救措施的方法和系统与流程

本公开总体上涉及用于燃料电池系统中的阳极过压补救措施的方法和系统。

背景技术：

当前生产的机动车辆，诸如现代汽车，最初配备有动力系，该动力系操作以推进车辆并为车辆车载电子器件提供动力。例如，在汽车应用中，车辆动力系通常以原动机为代表，原动机通过自动或手动换档动力变速器将驱动扭矩传递到车辆最终驱动系统（例如，差速器、车轴、车轮等）。由于往复活塞式内燃机（ice）组件的易得性和相对便宜的成本、轻的重量和总效率，所以历史上汽车一直由往复活塞式内燃机（ice）组件提供动力。另一方面，混合动力电动车辆和纯电动车辆利用替代动力源来推进车辆，诸如电动发电机单元（mgu），并且因此最小化或消除对基于化石燃料的发动机的牵引动力的依赖。

混合电动和纯电动（统称为电力驱动）动力系采用各种架构，其中一些结构利用燃料电池系统来为一个或多个电力牵引电动机提供动力。燃料电池是一种电化学装置，通常由接收氢（h2）的多个阳极电极、接收氧（o2）的多个阴极电极和插设在每个阳极和阴极之间的多种电解质组成。引起电化学反应以在阳极处氧化氢分子以产生自由质子（h+），然后自由质子穿过电解质以在阴极用诸如氧的氧化剂还原。该反应在阳极处产生电子，其中一些电子在被送到阴极之前被重定向通过负载，诸如车辆的牵引电动机或需要固定功率产生的非车辆负载。这种燃料电池可与其它燃料电池结合使用以形成燃料电池堆。燃料电池的堆叠或燃料电池堆可以例如串联地彼此电连接，使得由每个燃料电池供应的电压被添加到下一个，使得由燃料电池堆供应的总电压是每个堆叠的燃料电池的电压的总和。

氢气通过喷射器供给到阳极，该喷射器是机电操作的装置，其选择性地打开以提供氢气，并选择性地关闭以停止到阳极的氢气流。

技术实现要素：

提供了一种用于燃料电池系统中的阳极过压补救措施的方法。该方法包括：监测燃料电池系统的燃料电池堆的阳极处的氢气压力，基于所监测的压力诊断机械卡住的打开的喷射器，以及基于诊断机械卡住的打开的喷射器，关闭储氢系统内的阀以防止氢气从储氢罐流动到将储氢罐连接到机械卡住的打开的喷射器的气体管线内，以及维持燃料电池堆的操作以耗尽阳极处的氢气。

在一些实施例中，该方法还包括：一旦所监测的压力保持低于阈值压力达选定的时间段，就关闭燃料电池堆。

在一些实施例中，维持燃料电池堆的操作是基于防止阳极处的氢气的压力超过燃料电池硬件压力极限。

在一些实施例中，该方法还包括：关闭储氢系统内的多个阀，以防止氢气从多个储氢罐流入将储氢罐连接到机械卡住的打开的喷射器的气体管线。

在一些实施例中，机械卡住的打开的喷射器包括第一喷射器，并且该方法还包括关闭第二喷射器。

在一些实施例中，该方法还包括：基于诊断机械卡住的打开的喷射器，打开阳极放气阀以允许氢气离开燃料电池堆的阳极气体管线。

在一些实施例中，该方法还包括：基于诊断机械卡住的打开的喷射器，关闭可操作以从燃料电池系统释放副产物水的阳极排泄阀。

在一些实施例中，该方法还包括：基于诊断机械卡住的打开的喷射器，命令从将加压空气供应到燃料电池堆的空气压缩机增加压力，并且打开阴极旁通阀。

在一些实施例中，该方法还包括：基于诊断机械卡住的打开的喷射器，部分地关闭阴极背压空气阀以增加燃料电池堆的阴极压力，并且控制阳极处的氢气的压力和阴极压力之间的压力差。

在一些实施例中，该方法还包括：基于诊断机械卡住的打开的喷射器，监测阳极处的氢气的压力与燃料电池堆的阴极压力之间的压力差的减小，并且响应于监测到的减小，关闭阳极放气阀。

在一些实施例中，该方法还包括：基于诊断机械卡住的打开的喷射器，打开可操作以从燃料电池系统释放副产物水的阳极排泄阀并通过阳极排泄阀释放氢气，确定燃料电池排废管线内的氢气组分，以及当氢气组分超过阈值排放值时关闭阳极排泄阀。

根据一个替代实施例，提供了一种用于燃料电池系统中的阳极过压补救措施的方法。该方法包括，在计算机化的燃料电池系统控制模块中，操作编程以监测燃料电池系统的燃料电池堆的阳极处的氢气压力，基于监测的压力诊断机械卡住的打开的喷射器，以及基于诊断机械卡住的打开的喷射器，关闭储氢系统内的阀以防止氢气从储氢罐流入将储氢罐连接到机械卡住的打开的喷射器的气体管线，维持燃料电池堆的操作以耗尽阳极处的氢气，打开阳极放气阀以允许氢气离开燃料电池堆的阳极侧，命令来自向燃料电池堆供应加压空气的空气压缩机的增加的压力，打开阴极旁通阀，部分地关闭阴极背压空气阀以增加燃料电池堆的阴极压力并且控制阳极处的氢气压力与阴极压力之间的压力差，监测阳极处的氢气压力与燃料电池堆的阴极压力之间的压力差的减小，以及响应于所监测的减小，关闭阳极放气阀。

在一些实施例中，该方法还包括：一旦所监测的压力保持低于阈值压力达选定的时间段，就关闭燃料电池堆。

在一些实施例中，维持燃料电池堆的操作是基于防止阳极处的氢气的压力超过燃料电池硬件压力极限。

在一些实施例中，该方法还包括：关闭储氢系统内的多个阀，以防止氢气从多个储氢罐流入将储氢罐连接到机械卡住的打开的喷射器的气体管线。

根据一个替代实施例，提供了一种用于燃料电池系统中的阳极过压补救措施的系统。该系统包括：燃料电池系统的燃料电池堆，该燃料电池堆包括阳极；可操作以监测阳极处的氢气压力的压力传感器；可操作以选择性地将氢气流提供到阳极的喷射器；储氢罐；将储氢罐连接到喷射器的气体管线；以及可操作以选择性地封闭储氢罐的阀。该系统还包括计算机化的燃料电池系统控制模块，其被编程为：监测来自压力传感器的数据，基于监测的数据诊断机械卡住的打开的喷射器，并且基于诊断机械卡住的打开的喷射器，关闭可操作以选择性地封闭储氢罐的阀并维持燃料电池堆的操作以耗尽阳极处的氢气。

在一些实施例中，该系统还包括阳极放气阀，该阳极放气阀可操作以选择性地允许氢气从将喷射器连接到阳极的气体管线流动到连接到燃料电池堆的阴极的气体管线，并且计算机化的燃料电池系统控制模块还被编程为基于诊断机械卡住的打开的喷射器而打开阳极放气阀。

在一些实施例中，该系统还包括空气压缩机和阴极旁通阀，该空气压缩机将压缩空气供应至连接至燃料电池堆的阴极的气体管线，该阴极旁通阀选择性地允许连接至燃料电池堆的阴极的气体管线内的空气绕过燃料电池堆的阴极，并且计算机化的燃料电池系统控制模块还被编程为基于诊断机械卡住的打开喷射器，使空气压缩机斜升以增加连接至燃料电池堆的阴极的气体管线内的压力并打开阴极旁通阀。

在一些实施例中，计算机化的燃料电池系统控制模块还被编程为在诊断机械卡住的打开的喷射器之后，基于监测的数据诊断阳极处的氢气的压力的下降，并且基于阳极处的氢气的压力的诊断出的下降，关闭阳极放气阀。

在一些实施例中，该系统还包括可操作以从燃料电池系统释放副产物水的阳极排泄阀，并且计算机化的燃料电池系统控制模块还被编程为通过阳极排泄阀释放氢气。

本发明还包括以下技术方案：

技术方案1.一种用于燃料电池系统中的阳极过压补救措施的方法，包括：

监测所述燃料电池系统的燃料电池堆的阳极处的氢气的压力；

基于所监测的压力诊断机械卡住的打开的喷射器；

基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器：

关闭储氢系统内的阀，以防止所述氢气从储氢罐流动到将所述储氢罐连接到所述机械卡住的打开的喷射器的气体管线内；以及

维持所述燃料电池堆的操作以耗尽所述阳极处的氢气。

技术方案2.根据技术方案1所述的方法，还包括：一旦所监测的压力保持低于阈值压力达选定的时间段，就关闭所述燃料电池堆。

技术方案3.根据技术方案1所述的方法，其中维持所述燃料电池堆的操作是基于防止所述阳极处的所述氢气的所述压力超过燃料电池硬件压力极限。

技术方案4.根据技术方案1所述的方法，还包括关闭所述储氢系统内的多个阀，以防止所述氢气从多个储氢罐流动到将所述储氢罐连接到所述机械卡住的打开的喷射器的所述气体管线中。

技术方案5.根据技术方案1所述的方法，其中，所述机械卡住的打开的喷射器包括第一喷射器；以及

还包括关闭第二喷射器。

技术方案6.根据技术方案1所述的方法，还包括：基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器，打开阳极放气阀以允许所述氢气离开所述燃料电池堆的阳极气体管线。

技术方案7.根据技术方案6所述的方法，还包括：基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器，关闭可操作以从所述燃料电池系统释放副产物水的阳极排泄阀。

技术方案8.根据技术方案6所述的方法，还包括，基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器：

命令来自向所述燃料电池堆供应加压空气的空气压缩机的增加的压力；以及

打开阴极旁通阀。

技术方案9.根据技术方案6所述的方法，还包括：基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器，部分地关闭阴极背压空气阀以增加所述燃料电池堆的阴极压力，并且控制所述阳极处的氢气的压力与所述阴极压力之间的压力差。

技术方案10.根据技术方案6所述的方法，还包括，基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器：

监测所述阳极处的氢气的压力和所述燃料电池堆的阴极压力之间的压力差的减少；以及

响应于所监测的减少，关闭所述阳极放气阀。

技术方案11.根据技术方案6所述的方法，还包括，基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器：

打开可操作以从所述燃料电池系统释放副产物水的阳极排泄阀，并通过所述阳极排泄阀释放所述氢气；

确定燃料电池排废管线内的氢气组分；以及

在所述氢气组分超过阈值排放值的情况下，关闭所述阳极排泄阀。

技术方案12.一种用于燃料电池系统中的阳极过压补救措施的方法，包括：

在计算机化的燃料电池系统控制模块中，操作编程以：

监测所述燃料电池系统的燃料电池堆的阳极处的氢气的压力；

基于所监测的压力诊断机械卡住的打开的喷射器；

基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器：

关闭储氢系统内的阀，以防止所述氢气从储氢罐流动到将所述储氢罐连接到所述机械卡住的打开的喷射器的气体管线内；

维持所述燃料电池堆的操作以耗尽所述阳极处的氢气；

打开阳极放气阀以允许所述氢气离开所述燃料电池堆的阳极侧；

命令来自向所述燃料电池堆供应加压空气的空气压缩机的增加的压力；

打开阴极旁通阀；

部分地关闭阴极背压空气阀以增加所述燃料电池堆的阴极压力并且控制所述阳极处的氢气的压力与所述阴极压力之间的压力差；

监测所述阳极处的氢气的压力与所述燃料电池堆的阴极压力之间的压力差的减少；以及

响应于所监测的减少，关闭所述阳极放气阀。

技术方案13.根据技术方案12所述的方法，还包括：一旦所监测的压力保持低于阈值压力达选定的时间段，就关闭所述燃料电池堆。

技术方案14.根据技术方案12所述的方法，其中，维持所述燃料电池堆的操作是基于防止所述阳极处的所述氢气的所述压力超过燃料电池硬件压力极限。

技术方案15.根据技术方案12所述的方法，还包括：关闭所述储氢系统内的多个阀，以防止所述氢气从多个储氢罐流动到将所述储氢罐连接到所述机械卡住的打开的喷射器的气体管线中。

技术方案16.一种用于燃料电池系统中的阳极过压补救措施的系统，包括：

所述燃料电池系统的燃料电池堆，其包括阳极；

压力传感器，其可操作以监测所述阳极处的氢气的压力；

喷射器，其可操作以选择性地将氢气流提供到所述阳极；

储氢罐；

气体管线，其将所述储氢罐连接至所述喷射器；

可操作以选择性地封闭所述储氢罐的阀；

计算机化的燃料电池系统控制模块，其被编程为：

监测来自所述压力传感器的数据；

基于所监测的数据诊断机械卡住的打开的喷射器；

基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器：

关闭可操作以选择性地封闭所述储氢罐的所述阀；以及

维持所述燃料电池堆的操作以耗尽所述阳极处的氢气。

技术方案17.根据技术方案16所述的系统，还包括阳极放气阀，所述阳极放气阀可操作以选择性地允许所述氢气从将所述喷射器连接到所述阳极的气体管线流动到连接到所述燃料电池堆的阴极的气体管线；以及

其中，所述计算机化的燃料电池系统控制模块还被编程为基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器来打开所述阳极放气阀。

技术方案18.根据技术方案17所述的系统，还包括：

空气压缩机，其将压缩空气供应至连接至所述燃料电池堆的阴极的气体管线；以及

阴极旁通阀，其选择性地允许连接到所述燃料电池堆的阴极的所述气体管线内的空气绕过所述燃料电池堆的阴极；以及

其中，所述计算机化的燃料电池系统控制模块还被编程为基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器，使所述空气压缩机斜升以增加连接到所述燃料电池堆的所述阴极的所述气体管线内的空气压力，并且打开所述阴极旁通阀。

技术方案19.根据技术方案18所述的系统，其中，所述计算机化的燃料电池系统控制模块还被编程为：

在诊断所述机械卡住的打开的喷射器之后，基于所监测的数据诊断所述阳极处的氢气的压力下降；以及

基于所述阳极处的氢气的压力的诊断出的下降，关闭所述阳极放气阀。

技术方案20.根据技术方案16所述的系统，还包括阳极排泄阀，所述阳极排泄阀可操作以从所述燃料电池系统释放副产物水；以及

其中，所述计算机化的燃料电池系统控制模块还被编程为通过所述阳极排泄阀释放所述氢气。

从在结合附图时的用于执行本公开的最佳模式的以下具体实施方式中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1示意性地示出了根据本公开的示例性燃料电池系统；

图2示出了根据本公开的示例性燃料电池系统控制模块；

图3是示出根据本公开的用于启动阳极过压补救措施的方法的示例性方法的流程图；

图4是示出根据本公开的用于启动阳极过压补救措施的方法的示例性方法的流程图；

图5以图形的方式示出了根据本公开的数据曲线，其示出了示例性燃料电池系统内的压力，其中喷射器被机械卡住成打开的，并且燃料电池系统的燃料电池堆立即关闭；以及

图6以图形的方式示出了根据本公开的数据曲线，其示出了示例性燃料电池系统内的压力，其中喷射器被机械卡住成打开的，并且用于阳极过压补救措施的方法被操作；

图7示出了根据本公开的示例性燃料电池堆和用于控制用于操作燃料电池堆的氢气和压缩空气流的示例性阀系统；以及

图8以图形的方式示出了根据本公开的在用于阳极过压补救措施的替代示例性方法的操作期间燃料电池系统内的压力。

具体实施方式

喷射器将加压氢气流输送到燃料电池电动车辆中的阳极。储氢系统（hss）是一种包括至少一个氢气罐、控制氢气流的至少一个阀、以及将加压氢气流输送到燃料电池堆的气体管线的系统。在氧缺乏的一些应用中，类似地需要供应氧气罐，然而，在环境大气的可用性下，利用加压空气来供应反应所需的氧气。虽然本文所示的实施例利用加压空气，但是将理解的是，类似的系统和方法可在水下或大气外与这种氧气罐一起利用。

气体供应管线内的压力必须显著高于环境空气压力，以根据需要输送期望量的氢气。在一个示例性实施例中，高压气体管线中的高压气体管线内的压力可超过50,000kpa。通常，压力调节器用于从高压管线产生中压管线，接收高压氢气流并允许有上限或有限压力的氢气离开压力调节器。附接到压力调节器的输出的这种气体管线可以被描述为中压管线。在正常操作下，喷射器在打开和关闭状态之间变化，以在阳极处输送期望的阳极压力或氢气压力。

作为机电装置的喷射器可能经历故障并且卡在打开状态。本领域中对卡住成打开的喷射器的反应的一个方法是命令燃料电池堆和hss快速停止，从而关闭hss中的氢气阀并卸除堆负载。然而，这种快速停止方法可能导致过压状况，其中燃料电池堆硬件和/或阳极管道硬件由于氢气的过压而破裂。即使在hss中的阀关闭之后，气体管线内的高压力也可能流过机械卡住的打开的喷射器，从而在阳极处引起过压状况，这可能损坏燃料电池堆或阳极管道，它们中的每一个都未被设计成包含存在于气体管线内的处于高压的氢压力。

提供了一种用于阳极过压补救措施的方法和系统。在喷射器关闭时间期间监测阳极压力或阳极处的氢气压力。当喷射器被命令关闭时，机械卡住的打开的喷射器可以基于阳极压力上升而被诊断。基于该诊断，所公开的方法可以命令hss内的阀关闭以停止氢气从储氢罐进入气体管线，并且另外命令燃料电池堆保持处于操作，其中氢气被燃料电池堆消耗以减轻阳极处的升高的压力。

当氢气被消耗并且气体管线内的压力降低时，系统可以进入关闭状态，而不会使气体管线内的高压氢气损坏燃料电池堆或阳极管道硬件。在一个示例性实施例中，一旦燃料电池堆内或供给燃料电池堆的气体管线内的压力在阈值水平以下持续阈值时间（例如，气体管线内的压力在300kpa表压以下持续1秒的跨度），则可以启动正常的快速停止，包括关闭燃料电池堆负载。

现在参考附图，其中在所有的几个视图中相似的附图标记表示相似的特征，图1示意性地示出了示例性的燃料电池系统。燃料电池系统10被示出为包括储氢系统20和燃料电池系统30。储氢系统20包括储氢罐21、储氢罐22和储氢罐23。储氢系统20还包括气体处理单元24，其包括高压传感器25和压力调节器27，所述压力调节器被配置为调节气体管线40内的压力并防止压力尖峰。气体处理单元24另外与再填充端口26连接，该再填充端口被构造成允许用氢气填充储氢罐21、储氢罐22和储氢罐23。燃料电池系统30包括燃料电池堆31，其被配置成使氢气和氧气反应以用于产生电力。燃料电池堆31包括多个阴极和阳极。燃料电池堆31包括本领域技术人员熟悉的燃料电池技术，在此将不作详细讨论。燃料电池系统30包括喷射器32和喷射器33，每个都被构造成选择性地打开以将加压氢气流输送到燃料电池堆31，并选择性地关闭以停止加压氢气流到燃料电池堆31。氢气通过气体管线40流入燃料电池系统30，其中氢气由热交换器36调节以调节氢气的温度，并且随后被分流进入将氢气供应至喷射器32的第一喷射器供给管线34和将氢气供应至喷射器33的第二喷射器供给管线35。在本领域中有用的附加压力传感器和温度传感器可以被放置在整个燃料电池系统10的各个位置处。在本领域中有用的止回阀、卸压阀和其他流量控制和调节装置可以被放置在整个燃料电池系统10的各个位置处。燃料电池系统30包括至少一个压力传感器39，其位于监测燃料电池堆31的阳极处的阳极压力或氢气压力的位置并可操作以监测该阳极压力或氢气压力。

储氢罐21、储氢罐22和储氢罐23中的每一个可以分别包括阀51、阀52和阀53，其被配置成选择性地允许或阻止氢气从罐到气体处理单元24的流动。在替代配置中，可以使用单个阀在单个点处、例如在高压传感器25的位置处选择性地允许或阻止氢气的流动。

燃料电池排废管线37离开燃料电池系统10并将水和任何其它反应副产物排出系统。

燃料电池系统10的阀、传感器、喷射器和其它可控方面电连接到燃料电池系统控制器100并由其控制。燃料电池系统控制器100是计算机化的装置，其可操作以执行被配置成控制燃料电池系统10的使用和管理的各个方面的编程。燃料电池系统控制器100可以通过通信总线或其它类似的通信硬件、通过无线通信或通过本领域可用的其它通信装置与阀、传感器、喷射器和其它系统部件电连接。

图7示出了示例性燃料电池堆和用于控制用于操作燃料电池堆的氢气和压缩空气流的示例性阀系统。示出了燃料电池堆31。为了简单起见，示出了单个燃料电池，其包括具有一个或多个阳极的顶部部分和具有一个或多个阴极的底部部分。所示的“顶部部分”和所示的“底部部分”是为了说明的目的而提供的，并且阳极和阴极相对于燃料电池的位置可以是呈任何取向。应当理解的是，在多燃料电池堆中，阳极和阴极可以在位置上交替，并且指示流向表示阳极的顶部部分的流动和流向表示阴极的底部部分的流动的图7的简化图实际上可以包括用于阳极的横穿交替阳极的位置的流动路径和用于阴极的横穿交替阴极的位置的流动路径。包括氢气流的气体管线77设置到燃料电池堆31的顶部部分。包括压缩空气流的气体管线76设置到燃料电池堆31的底部部分。如本文所述，燃料电池堆31利用阳极处的氢气流和阴极处的压缩空气来产生电能，以供配备有燃料电池堆的车辆或系统使用。多个所示的阀控制氢气和压缩空气的流动，以便分别向气体管线77和气体管线76提供期望的氢气和压缩空气的流。图1中示出了喷射器供给管线34和喷射器供给管线35，它们分别与喷射器32和喷射器33连接。喷射器32和喷射器33各自提供进入氢气进气歧管60的受控氢气流。来自氢气进气歧管60的氢气流入气体管线77以供应到燃料电池堆31的顶部部分中。另外，氢气可以从氢气进气歧管60流到阳极放气阀（anodebleedvalve）64，当命令所述阳极放气阀部分或完全打开时，其可以允许氢气的一些部分避开燃料电池堆31的顶部部分，而是与压缩空气结合并且通过燃料电池堆31的底部部分。

氢气可以流过燃料电池堆31的顶部部分，其中一部分氢气不与顶部部分的阳极反应，其中未反应的部分通过气体管线71离开燃料电池堆31。另外，作为燃料电池堆的化学反应的副产物的水可以通过气体管线71离开燃料电池堆31。未反应的氢气和水通过气体管线71而流到阳极水分离器70，并且水可以通过阳极排泄阀72离开阳极水分离器70。未反应的氢气可以离开阳极水分离器70并且返回到氢气进气歧管60。

环境空气流通过空气进气管线74进入。压缩机62是本领域中用于压缩空气的装置，从而提供加压空气流。来自压缩机62的加压空气流入气体管线76，以便供应到燃料电池堆31的底部部分，用于与其中的阴极反应。另外，来自压缩机62的加压空气可从压缩机62流到阴极旁通阀66，当命令所述阴极旁通阀部分或完全打开时，其可允许加压空气的一些部分避开燃料电池堆31的底部部分，而是直接流到阴极背压空气阀68。加压空气可流过燃料电池堆31的底部部分，其中加压空气的一些部分不与底部部分的阴极反应，其中未反应的部分离开燃料电池堆31并流到阴极背压空气阀68。流过阴极背压空气阀68的加压空气与离开阳极排泄阀72的水结合，通过燃料电池排废管线37离开系统。

压力传感器79可以位于各种位置处以监测和产生关于燃料电池堆31的顶部部分内阳极处的氢气压力的数据。在图7的实施例中，示例性的压力传感器79位于气体管线77上。压力传感器78可以位于各种位置处以监测和产生关于燃料电池堆31的底部部分内阴极处的加压空气压力的数据。在图7的实施例中，示例性的压力传感器78位于气体管线76上。

根据多种因素，图7的阀可用于所公开的方法。首先，打开阳极放气阀64可减轻气体管线77内的压力或降低气体管线77内的压力上升，从而减缓与机械卡住成打开的喷射器阀相关的氢气压力的尖峰。打开阳极放气阀64可给予系统更多时间来对感知到的机械卡住成打开的喷射器阀作出反应，从而保护阳极免于达到与环境空气压力相比过大的压力条件。另外，阴极背压空气阀68可以部分地关闭或递增地收紧，使得气体管线78内的加压空气的背压可以减小燃料电池堆31的顶部部分和燃料电池堆31的底部部分之间的压差，从而保护燃料电池堆31内的将顶部部分和底部部分分开的密封件免于达到过压差条件。此外，在一些实施例中，必须防止加压空气进入燃料电池堆31的顶部部分，因为氧气会不利地影响阳极上的催化剂。当从气体管线77和连接气体管线中耗尽氢气时，并且当气体管线77内的氢气压力开始接近小于气体管线76内的加压空气压力时，可以预见通过阳极放气阀64的反向流动。阳极放气阀64可预先关闭，以防止加压空气从管线78通过阳极旁通阀64回流到管线77。

阳极放气阀64可以在预期阴极气体管线内的压力超过阳极气体管线内的压力时关闭，以防止空气流入阳极气体管线。一旦阳极放气阀64完全关闭，就可以允许阴极气体管线内的压力超过阳极气体管线内的压力。

在不同的方法中，在所公开的方法期间，阳极排泄阀72可被命令打开或关闭。在一个实施例中，阳极排泄阀72可被命令打开。这个打开的阳极排泄阀72可以从气体管线71释放氢气，从而降低燃料电池堆31的顶部部分内的总压力。然而，由于阳极水分离器70内积聚的水最初阻塞阳极排泄阀72，所以必须在氢气能够通过阳极排泄阀72释放之前清除积聚的水。因此，打开阳极排泄阀72可能不会导致氢气通过阳极排泄阀72及时释放。此外，如果氢气被释放到燃料电池排废管线37中，则必须遵守排放规则，例如，在排气管中要求按体积计小于8%的氢气浓度，以干基（drybasis）计。为了利用打开的阳极排泄阀72来降低燃料电池堆31的顶部部分内的压力，计算机化控制模块可确定燃料电池排废管线37内的估计氢气浓度，并且如果估计氢气浓度变得太高或高于排出氢气浓度阈值，则命令阳极排泄阀72收紧或关闭。在另一实施例中，阳极排泄阀72在所公开的方法期间可被命令关闭。

在一个实施例中，在所公开的方法开始时，压缩机62可被命令到全速，并且阴极旁通空气阀66可被命令到打开状态。这种情况迫使大量空气通过系统，从而减少了通过阳极放气阀64的任何氢气对排放的影响，并且降低了气体管线76内的加压空气压力，从而减少了加压空气流过阳极放气阀64的可能性。

在本文所公开的方法的早期部分中，阴极背压空气阀68可以部分关闭或逐渐收紧，以增加燃料电池堆31的底部部分中的压力，从而减小燃料电池堆31的顶部部分（包括在该方法早期增加氢气的压力）和燃料电池堆的底部部分之间的压力差，从而保护燃料电池堆31免受过高的压差。在所公开的方法的后期部分中，阴极背压空气阀68随后可以被打开或松开，以增加燃料电池排废管线37中的空气含量，从而有助于出于排放原因稀释排气中的氢气，并且降低燃料电池堆31的底部部分和气体管线76内的空气压力，以避免加压空气流过阳极放气阀64进入气体管线77。

根据所公开的方法的一个示例性实施例，在诊断机械卡住的打开的喷射器时，系统可以：命令所述hss快速停止，关闭所述hss中的阀以停止所述hss中的氢气流；命令氢气喷射器关闭（从而关闭没有机械地卡住的打开的至少一个其它喷射器；命令阳极放气阀打开，从而允许一部分氢气绕过燃料电池堆的包括阳极的部分；命令阳极排泄阀关闭；命令阴极旁路空气阀完全旁路以进行空气稀释；并且基于来自堆阴极入口压力传感器的数据经由闭环控制来控制阴极背压空气阀，以将阳极压力和阴极压力之间的压差保持在小于选定的压差值（例如250kpa）；并命令调节负载以在阳极处以期望的速率消耗氢气，防止过压，同时防止阳极缺乏氢气。

图2示出了示例性燃料电池系统控制模块。燃料电池系统控制模块100可包括被配置成操作计算机化编程的处理装置110。在示出所公开系统的可选特征的说明性实施例中，燃料电池系统控制模块100包括处理装置110、输入/输出接口130、通信装置120和存储装置140。要注意的是，燃料电池系统控制模块100可以包括其它部件，并且在一些实施例中不存在一些部件。

处理装置110可以包括：存储处理器可执行指令的存储器，例如只读存储器（rom）和随机存取存储器（ram）；以及执行处理器可执行指令的一个或多个处理器。在处理装置110包括两个或更多个处理器的实施例中，处理器可以以并行或分布式方式操作。处理装置110可以执行燃料电池系统控制模块100的操作系统。处理装置110可以包括执行编程代码或计算机化过程或包括可执行步骤的方法的一个或多个模块。所示出的模块可以包括单个物理装置或跨越多个物理装置的功能。在说明性实施例中，处理装置110还包括燃料电池操作模块112、储氢系统模块114和阳极过压补救措施模块116，其将在下面更详细地描述。

输入/输出接口130是这种装置，其从所附接的装置和传感器接收数据并且将命令传输到阀、喷射器和用于控制燃料电池系统的操作的其它装置，所述数据用于提供关于正被监测的燃料电池系统的操作的信息。

通信装置120可以包括与总线装置的通信/数据连接，其被配置为将数据传输到系统的不同部件，并且可以包括用于执行无线通信的一个或多个无线收发器。

存储装置140是存储由燃料电池系统控制模块100产生或接收的数据的装置。存储装置140可以包括但不限于硬盘驱动器、光盘驱动器和/或闪存驱动器。

燃料电池操作模块112包括被配置成启动和控制燃料电池系统的燃料电池的操作的编程。燃料电池操作模块112可以包括用于在正常操作下控制喷射器的打开和关闭、从而控制气体到燃料电池的流动的算法，并且可以包括用于监测和/或控制附接到燃料电池并从燃料电池接收功率的电气系统的算法。

储氢系统模块114包括编程，其被配置为在正常操作下启动和控制向燃料电池提供氢气流的储氢系统的操作。

阳极过压补救措施模块116操作本文公开的过程以监测燃料电池系统的操作、诊断机械卡住的打开的喷射器、命令储氢系统内的阀快速停止，同时命令燃料电池的继续操作以耗尽阳极处的氢气并且管理根据本公开的燃料电池系统的关闭。

燃料电池系统控制模块100被提供为能够执行编程代码以操作燃料电池系统、包括操作根据本公开的用于阳极过压补救措施的方法的示例性计算机化装置。设想了燃料电池系统控制模块100、与其附接的装置和在其中可操作的模块的许多不同实施例，并且本公开不旨在限于本文所提供的示例。

图3是示出了启动用于阳极过压补救措施的方法的示例性方法的流程图。方法200开始于步骤202。在步骤204处，燃料电池系统运行。在步骤206处，监测燃料电池系统的阳极处的氢气压力。在步骤208处，确定所监测的压力是否指示氢气压力的非受控上升，该氢气压力的非受控上升指示机械卡住的打开的喷射器。在步骤210处，执行用于阳极过压补救措施的方法。在步骤212处，确定所监测的压力是否继续超过阈值阳极压力，例如，确定阳极压力是否保持低于300kpa表压（kpa,g）达1秒。如果阳极压力继续超过阈值阳极压力，则方法返回到步骤210，其中继续阳极过压补救措施的方法。如果确定阳极压力未超过阈值阳极压力，则方法前进至步骤214，在该步骤中运行包括燃料电池关闭的快速停止程序。在步骤216处，方法结束。提供方法200作为用于控制阳极过压补救措施的方法的启动的示例性方法。设想了许多类似的方法，并且本公开不旨在限于本文提供的具体示例。

图4是示出了启动用于阳极过压补救措施的方法的示例性方法的流程图。方法300开始于步骤302。在步骤304处，确定由于机械卡住的打开的喷射器，需要根据本公开的阳极过压补救措施。在步骤306处，控制来自至少一个储氢罐的氢气流的至少一个阀被命令关闭，从而封闭氢气供应以免进入附接到机械卡住的打开的喷射器的气体管线。在步骤308处，维持和控制燃料电池系统的燃料电池堆的运行，以耗尽燃料电池堆的阳极处的氢气。在步骤310处，确定所监测的阳极压力是否继续超过阈值阳极压力。如果所监测的阳极压力继续超过阈值阳极压力，则方法返回到步骤308，在该步骤中，继续维持燃料电池堆的运行以继续消耗阳极处的氢气。如果所监测的阳极压力没有继续超过阈值阳极压力，则方法前进到步骤312，在该步骤中，燃料电池堆的操作停止。在步骤314处，方法结束。方法300被提供作为用于阳极过压补救措施的示例性方法。根据一个示例性的替代实施例，步骤306可包括：在来自至少一个储氢罐的阀控制流关闭之后的微秒打开阳极放气阀。根据另一示例性实施例，另外，步骤306可包括：同时命令阴极旁通阀打开和启动用于使空气压缩机斜升的命令。使空气压缩机斜升描述了命令空气压缩机增加用于阴极的气体管线内的空气压力。设想了许多类似的方法，并且本公开不旨在限于本文提供的具体示例。

图5以图形的方式示出了数据曲线，其示出了示例性燃料电池系统内的压力，其中喷射器被机械卡住成打开的，并且燃料电池系统的燃料电池堆立即关闭，其中气体保持包含在系统内。图的纵轴以kpa为单位以对数标度示出了氢气压力。该图的水平轴以毫秒为单位示出了将氢气输送到燃料电池堆的氢气喷射器机械地卡在打开位置之后的时间。曲线402示出了阳极压力。曲线404示出了阴极压力。曲线406示出了燃料电池堆的压力极限，其中高于阳极压力会导致对燃料电池堆和/或相关硬件的损坏。曲线408示出了附接到机械卡住的打开的喷射器的高压气体管线内的氢气压力。曲线410示出了附接到机械卡住的打开的喷射器的中压气体管线内的氢气压力。如曲线所示，阳极压力、高压管线中的压力和中压管线中的压力的值收敛到中间值。在收敛到中间值时，曲线402的阳极压力超过曲线406的燃料电池堆的压力极限。结果，燃料电池堆和/或相关的硬件被损坏。

图6以图形的方式示出了数据曲线，其示出了示例性燃料电池系统内的压力，其中喷射器被机械地卡在打开位置，并且操作了根据本公开的用于阳极过压补救措施的方法。图的纵轴以kpa为单位以对数标度示出了氢气压力。该图的水平轴以毫秒为单位示出了将氢气输送到燃料电池堆的氢气喷射器机械地卡在打开位置之后的时间。曲线502示出了阳极压力。曲线504示出了阴极压力。曲线506示出了燃料电池堆的压力极限，其中高于阳极压力会对燃料电池堆和/或相关硬件造成损坏。曲线508示出了附接到机械卡住的打开的喷射器的高压气体管线内的氢气压力。曲线510示出了附接到机械卡住的打开的喷射器的中压气体管线内的氢气压力。根据图4的方法，燃料电池堆继续运行并消耗燃料电池堆的阳极处的氢气。如曲线所示，曲线502的阳极压力值上升，但是被控制为保持在曲线506的燃料电池堆的压力极限之下。结果，燃料电池堆和相关的硬件不会被阳极压力损坏。

图8以图形的方式示出了在用于阳极过压补救措施的替代示例性方法的操作期间燃料电池系统内的压力。该图的主纵轴以kpa为单位示出了氢气压力。次纵轴示出了以克/秒为单位的氢气流量。主纵轴另外示出由燃料电池堆产生的电流。图的水平轴以毫秒为单位示出了在将氢气输送到燃料电池堆的氢气喷射器机械地卡在打开位置之后的时间。曲线602示出了与大气压力相比的阳极压力。曲线604示出了燃料电池堆的压力极限，提供了450kpaa的示例性值，其中高于阳极压力会导致对燃料电池堆和/或相关硬件的损坏。曲线608示出了压差，其描述阳极压力减去阴极压力或跨过燃料电池堆膜与阴极和阳极电池之间的密封件的压差。曲线606示出了燃料电池堆的压差极限，示出280kpa的示例性值（另一示例性值可为300kpa），其中高于阳极压力和阴极压力之间的差可对燃料电池堆和/或相关硬件造成损坏。曲线610示出了通过阳极放气阀的氢气流，其中通过允许氢气流被电池堆电化学地消耗而释放阳极压力。曲线612示出了通过阳极排泄阀的氢气流。曲线614示出了由燃料电池产生的电流。

从零毫秒到大约30毫秒，由曲线602表示的阳极压力快速上升，指示已经发生机械卡住的打开喷射器。如果不采取措施，则曲线602可快速与曲线604交叉，指示阳极压力将超过燃料电池堆的压力极限。根据所公开的方法，hss中的阀关闭，并且燃料电池堆的运行被升高或保持，其中由曲线614指示的所产生的电流保持相对恒定。如本文所述，当阳极放气阀打开时，在一些情况下，空气压缩机可以斜升以减小氢气对废气排放的影响。

用于阴极的气体管线中氢气含量的影响可取决于系统的温度。例如，在正常条件下，氢气通常由燃料电池堆通过催化燃烧消耗。然而，在其中环境温度为-30℃或更低的冷启动条件下，氢气可以未反应地流过阴极气体管线并通过阴极气体管线到达排气系统。在这种冷启动情况下，使空气压缩机斜升可以有益于稀释废气流中的氢气含量。根据本公开，在温暖条件下使空气压缩机斜升以增加燃料电池堆的负载以便消耗更多的氢气的目的可以类似地是有益的。

在大约30毫秒时，如曲线610所示的阳极放气阀打开。由于阳极放气阀的打开连同电流的增加，曲线602的陡坡被缓和，并且在大约100毫秒和1500毫秒之间，阳极压力的上升保持大致恒定。然而，在100毫秒和300毫秒之间，可以看出由曲线608指示的阳极压力和阴极压力之间的压差是显著的，并且如果不采取措施，则由曲线608指示的压差将迅速超过由曲线606指示的压差极限。在300毫秒时，阴极背压空气阀部分地关闭或递增地收紧，并且因此，阴极压力增加。结果，曲线608的斜率缓和。在大约1500毫秒时，用于降低氢气压力所采取的措施开始降低阳极压力，并且曲线602的斜率反转以示出阳极压力的降低。由曲线608指示的压差随着阳极压力下降。在大约1900毫秒处，可以识别由曲线608指示的压差降到零以下的风险。因此，曲线610示出了阳极放气阀关闭且通过阳极放气阀的氢气流量相应地降至零。在大约2120毫秒，确定系统是稳定的，命令燃料电池堆关闭，并且因此由曲线614指示的由燃料电池产生的电流下降。由于放气阀关闭并且燃料电池堆关闭，由曲线602指示的阳极压力和由曲线608指示的压差稳定并且然后缓慢增加。图8示出了用于阳极过压补救措施的示例性方法的操作，该阳极过压补救措施1）防止阳极压力超过燃料电池硬件的绝对压力极限，2）防止描述阳极压力减去阴极压力的压差超过燃料电池硬件的压差极限，以及3）防止加压空气回流通过阳极放气阀并损坏燃料电池堆的阳极上的催化剂。曲线612示出了在整个示例性方法中保持在关闭状态的阳极排泄阀。图8所示的方法是示例性的，设想了许多替代方法，并且本公开不旨在限于本文所提供的示例。

虽然已经详细描述了用于实施本公开的最佳模式，但是本公开所涉及领域的技术人员将认识到在所附权利要求的范围内用于实施本公开的各种替代设计和实施例。

技术特征：

1.一种用于燃料电池系统中的阳极过压补救措施的方法，包括：

监测所述燃料电池系统的燃料电池堆的阳极处的氢气的压力；

基于所监测的压力诊断机械卡住的打开的喷射器；

基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器：

关闭储氢系统内的阀，以防止所述氢气从储氢罐流动到将所述储氢罐连接到所述机械卡住的打开的喷射器的气体管线内；以及

维持所述燃料电池堆的操作以耗尽所述阳极处的氢气。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：一旦所监测的压力保持低于阈值压力达选定的时间段，就关闭所述燃料电池堆。

3.根据权利要求1所述的方法，其中维持所述燃料电池堆的操作是基于防止所述阳极处的所述氢气的所述压力超过燃料电池硬件压力极限。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括关闭所述储氢系统内的多个阀，以防止所述氢气从多个储氢罐流动到将所述储氢罐连接到所述机械卡住的打开的喷射器的所述气体管线中。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机械卡住的打开的喷射器包括第一喷射器；以及

还包括关闭第二喷射器。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器，打开阳极放气阀以允许所述氢气离开所述燃料电池堆的阳极气体管线。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器，关闭可操作以从所述燃料电池系统释放副产物水的阳极排泄阀。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括，基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器：

命令来自向所述燃料电池堆供应加压空气的空气压缩机的增加的压力；以及

打开阴极旁通阀。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括：基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器，部分地关闭阴极背压空气阀以增加所述燃料电池堆的阴极压力，并且控制所述阳极处的氢气的压力与所述阴极压力之间的压力差。

10.根据权利要求6所述的方法，还包括，基于诊断所述机械卡住的打开的喷射器：

监测所述阳极处的氢气的压力和所述燃料电池堆的阴极压力之间的压力差的减少；以及

响应于所监测的减少，关闭所述阳极放气阀。

技术总结

提供了一种用于燃料电池系统中的阳极过压补救措施的方法。该方法包括：监测燃料电池系统的燃料电池堆的阳极处的氢气的压力，基于所监测的压力诊断机械卡住的打开的喷射器，以及基于诊断机械卡住的打开的喷射器，关闭储氢系统内的阀以防止氢气从储氢罐流动到将储氢罐连接到机械卡住的打开的喷射器的气体管线内，以及维持燃料电池堆的操作以耗尽阳极处的氢气。

技术研发人员：B·J·克林格曼;J·寇

受保护的技术使用者：通用汽车环球科技运作有限责任公司

技术研发日：2020.11.06

技术公布日：2021.05.11