[发明专利]使用电控压力调节器产生H2排气传感器测试脉冲的方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，且更具体地涉及利于监督燃料电池系统中的氢排气传感器的系统和方法。

背景技术

燃料电池已经作为清洁、高效和环保的功率源提出，用于各种应用。燃料电池是将燃料（例如，氢）和氧化剂（例如，氧）结合以产生电的电化学装置。氧通常由空气流提供。氢和氧结合以引起水的形成。

各个燃料电池可以串联地堆叠在一起以形成能够提供足以给电动车辆供电的电力量的燃料电池堆。燃料电池堆已经被认为是现代车辆中使用的典型内燃发动机的可能替代。

已知燃料电池系统在燃料电池堆的排气中使用氢传感器以监督排出到环境的氢浓度。然而，在典型燃料电池系统中，在正常操作期间在排气中不存在足够的氢以测试氢传感器。而且，借助于常规燃料电池系统机制，当前不可能产生用于诊断氢传感器的氢排气测试脉冲。

持续需要允许燃料电池系统中的氢传感器诊断的系统和方法。令人期望的是，所述系统和方法提供用于测试燃料电池系统的氢传感器的氢测试脉冲。

发明内容

根据本发明，已经令人惊奇地发现通过提供用于测试燃料电池系统的氢传感器的氢测试脉冲而允许燃料电池系统中的氢传感器诊断的系统和方法。

分析表明，氢传感器测试脉冲对于诊断氢传感器是有益的。当前行业标准，例如IEC 61508和ISO 26262，需要用于某些系统的高诊断范围。

在示例性实施例中，本发明的系统和方法配置成产生用于诊断氢传感器的氢排气测试脉冲。所述系统包括用于存储氢的高压容器（PV）。所述高压容器可容纳例如一直到大约700 bar的压力。罐上阀（on-tank-valve）选择性地截止高压容器。高压传感器（P1）安装在所述罐上阀后面，用于压力测量。还设置第二截止阀（SV），作为所述罐上阀的备用。第二截止阀之后是电子式压力调节器（EPR），以将压力从高压水平减小至适合于燃料电池系统（FCS）操作的水平，例如大约6-10 bar的压力。压力再次用电子式压力调节器和燃料电池系统之间的压力传感器（P2）测量。为了在压力调节器故障的情况下保护燃料消耗线路不受过压的影响，还使用过压阀（PRV）。过压阀正常在高于系统的操作压力的预定值时打开，且在激励的情况下排出氢。

电功率在燃料电池系统内从燃料电池堆中的氢和由压缩机提供的空气产生。氢消耗在燃料电池系统内。燃料电池堆的排气通常不包含显著的氢浓度。然而，为了在燃料电池系统故障的情况下阻碍氢释放到环境，使用氢传感器（H1）。氢传感器读数传送给电子控制模块（ECM），所述电子控制模块在测量高氢浓度的情况下关闭罐上阀和第二截止阀。

与具有不能变化的预定压力设定点的被动压力调节器相比，电子式压力调节器是主动压力调节器。主动电子式压力调节器包括由电子控制模块外部控制的比例阀。这允许通过比例阀的流率的变化。因而，电子式压力调节器的压力设定点可以精密地控制。该系统和方法使用电子式压力调节器的受控变化性与过压阀一起来产生氢传感器的测试脉冲，而不需要燃料电池系统所需的任何附加部件。

操作中，电子式压力调节器被控制至过压阀打开以将氢选择性地供应到燃料电池堆的排气中的水平。为了确定供应给排气的氢的流率，通过评估燃料消耗线路压力可以计算所述量。与从空气压缩机到排气的已知空气流一起，得到的浓度被确定且可以与氢传感器读数进行比较。这允许在没有附加部件的情况下进行氢传感器诊断。

如上所述，为了产生测试脉冲，重要的是已知氢量和在排气线路中混合的空气量。空气量通常被测量或者例如在采用空气压缩机的车辆应用中已知。为了确定氢量，可以使用以下策略：

在燃料电池系统输入阀关闭的情况下，电子式压力调节器用恒定值控制，以打开非常小的开度。在打开孔口保持恒定时，根据以下关系式（1），通过电子式压力调节器的流率与压力差的平方根成比例：

其中，表示进入燃料消耗线路的摩尔流量（moleflow）。

在P1>>P2时，在车辆应用中通常如此，其中，P2<10 bar且P1>300 bar，该关系式可以简化为以下关系式（2）：

从关系式（2）可以看出，只要驱动压力恒定，流率就保持恒定。

电子式压力调节器的开度导致升高压力p₂取决于电子式压力调节器的打开孔口、驱动压力P1和燃料消耗线路的容积。燃料消耗线路中的气体容积的理想气体方程表示为以下关系式（3）：

p₂V=n₂RT