具有按优先顺序仲裁的堆供电的燃料电池监测装置

摘要

本发明涉及具有按优先顺序仲裁的堆供电的燃料电池监测装置。具体地，提供了一种监测燃料电池组中的燃料电池的系统。该系统包括：与燃料电池组中的燃料电池联接的多个电压传感器，其中每个传感器监测燃料电池的不同电压，并且其中较低优先级的电压传感器监测较高电压，较高优先级的传感器监测较低电压。该系统还包括多个振荡器，其中每个传感器联接到单独的振荡器。每个振荡器以不同频率操作，其中较高频率的振荡器与较低优先级的传感器联接，较低频率的振荡器与较高优先级的传感器联接。从振荡器接收频率信号并且响应于该频率信号而接通和断开的光源。光管接收来自光源的开关的光信号，并在该光管的端部处提供一定频率的光信号。

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于监测燃料电池堆中的低性能燃料电池的系统，更特别 的，涉及用于监测燃料电池堆中的低性能燃料电池的这样的系统，其中该系统 包括用于检测燃料电池的某种状况的传感器，例如电压传感器，并且其中感测 到的信号操作振荡器，该振荡器的振荡频率由感测到的状况的严重性来确定。

背景技术

氢气是一种非常有吸引力的燃料，这是因为其清洁并能用于在燃料电池中 有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极、阴极、以及在它们之间的电解质的电 化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极内分解，从而产 生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极内的氧气和电子 进行反应从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在被送至阴极之 前被引导经过负载以进行工作。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种用于汽车的、受欢迎的燃料电池。 PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电膜，例如聚氟磺酸膜。阳极和阴极 通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物进行混合的细碎的催化剂颗粒，通常是铂 (Pt)。该催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合 物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA在制造上相对昂贵，并要求某 些特定条件以便用于有效操作。

通常通过串联联接将一些燃料电池组合在燃料电池堆中以产生期望的功 率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料 电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为通过压缩机而强制经过所述 堆的空气流。并非所有的氧气被堆消耗，一些空气作为阴极排气而输出，该排 气可以包括作为堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧中的阳极 氢反应气体。该堆还包括冷却流体流经的流动通道。

燃料电池堆包括定位在所述堆内的若干MEA之间的一系列双极板，其中这 些双极板和MEA都定位于两个端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的 阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上提供阳极气体流动通道，该通道使阳极 反应气体流至各个MEA。在双极板的阴极侧上提供阴极气体流动通道，该通道 使阴极反应气体流至各个MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，且另一个端 板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由导电材料制成，例如不锈钢或导 电复合物。端板将由燃料电池产生的电传导至堆外。双极板还包括冷却流体流 经的流动通道。

随着燃料电池堆的老化，堆中的单独电池的性能由于各种不同的因素而不 同程度地退化。存在导致低性能电池的不同起因，例如电池溢流、催化剂损耗 等等，一些是暂时性的而一些则是永久性的、一些需要维护而一些则需要堆的 更换，从而换掉那些低性能电池。尽管燃料电池以串联形式电联接，但是当负 载并联联接到堆上时，每个电池的电压降低得不同，其中那些低性能的电池具 有较低的电压。因此，需要监测堆中的燃料电池的电池电压，从而保证电池电 压不会降低到预定阈值电压以下，以防止可能会导致电池永久损坏的电池电压 的极性反转。

通常，对燃料电池堆中每个燃料电池的电压输出进行监测，使得系统知道 燃料电池的电压是否太低，该电压太低表示可能有故障。正如在本领域中所理 解的那样，由于全部的燃料电池以串联形式电联接，所以如果堆中一个燃料电 池失效，那么整个堆将失效。可以对失效的燃料电池进行某些补救措施作为临 时的解决方案直到燃料电池车辆能够被维修时为止，例如增加氢气的流量和/或 增加阴极的化学计量值。

通常通过电池电压监测子系统来测量燃料电池的电压，以测量每个电池的 正极侧和负极侧之间的电压降，该子系统包括电连接至堆中的每个双极板或者 一些双极板，以及电连接至堆的端板。因此，400个电池的堆可以包括与该堆相 连的401根导线。由于部件的尺寸、部件的公差、部件的数量等等原因，所以 在这种具有很多燃料电池的堆中提供物理连接到每个双极板是不现实的，并且 部件的数量也增加了成本并降低了系统的可靠性。

如以上所讨论的那样，本领域公知的是，对燃料电池堆中的燃料电池的电 信号进行处理以确定燃料电池堆是否按照要求工作。由于与监测每个电池相关 联的成本，所以通常每隔一个电池来进行电信号的处理。此外，难以在监测每 个电池的可用空间内提供必需的部件。为了消除使用多根互连导线将燃料电池 测量电路连接到燃料电池堆的必要性，期望将这种测量电路直接嵌入到燃料电 池堆组件的结构中。这种嵌入式测量电路不会显著增加成本，并使得每个燃料 电池都可以被监测。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种监测燃料电池组中的燃料电池的系统。该 系统包括与燃料电池组中的燃料电池联接的多个电压传感器，其中每个传感器 监测燃料电池的不同电压，并且其中较低优先级的电压传感器监测较高电压， 且较高优先级的传感器监测较低电压。该系统还包括多个振荡器，其中所述传 感器中的每一个联接单独的振荡器。每个振荡器以不同频率操作，其中较高频 率的振荡器联接至较低优先级的传感器，较低频率的振荡器联接至较高优先级 的传感器。该系统还包括从振荡器接收频率信号的光源，例如LED，其中光源 响应于频率信号而接通和断开，较低频率的信号控制光源的开关。光管接收来 自光源的开关的光信号，并在光管的端部处提供一定频率的光信号。光电探测 器检测光管端部处的光信号。

本发明还包括以下技术方案：

技术方案1.一种用于监测燃料电池组中的燃料电池的系统，所述系统包括：

多个传感器，所述多个传感器与所述燃料电池组中的燃料电池联接，每个 传感器监测所述燃料电池的不同状态，所述传感器具有优先顺序，其中较低优 先级的传感器检测较低优先级的状态，较高优先级的传感器检测较高优先级的 状态；

多个振荡器，其中所述传感器中的每一个联接单独的振荡器，每个振荡器 以不同频率操作，其中较高频率的振荡器与较低优先级的传感器相联接，且较 低频率的振荡器与较高优先级的传感器相联接；

光源，所述光源从所述振荡器接收频率信号，并且所述光源响应于所述频 率信号而接通和断开，其中较低频率的信号支配所述光源的开关；以及

光管，所述光管接收来自所述光源的开关的光信号，并且在所述光管的端 部处提供开关的光信号。

技术方案2.根据技术方案1所述的系统，进一步包括：用于检测在所述光 管的端部处提供的所述光信号的光电探测器；用于放大来自所述光电探测器的 电压信号的放大器；以及从所述放大器接收经放大的电压信号的阈值探测器， 所述阈值探测器使超过预定阈值的电压信号通过。

技术方案3.根据技术方案1所述的系统，其中，所述传感器为用于测量所 述燃料电池的电压的电压传感器。

技术方案4.根据技术方案3所述的系统，其中，较低优先级的电压传感器 检测较高的电池电压，并且较高优先级的电压传感器检测较低的电压。

技术方案5.根据技术方案1所述的系统，进一步包括：功率转换器，所述 功率转换器由被监测的所述燃料电池进行供电，所述功率转换器将经调节的功 率信号提供至所述传感器、所述振荡器和所述光源。

技术方案6.根据技术方案1所述的系统，其中，所述传感器选自由温度传 感器、湿度传感器和高频电阻传感器构成的组。

技术方案7.根据技术方案1所述的系统，其中，所述燃料电池组是燃料电 池堆中的多个燃料电池组中的一组，其中每个燃料电池组都包括用于监测该组 中的燃料电池的系统，所述光管从所有的所述燃料电池组中的光源接收开关的 光信号，其中具有较低开关频率的光信号在所述光管中占支配地位。

技术方案8.根据技术方案1所述的系统，其中，所述光源是发光二极管。

技术方案9.根据技术方案1所述的系统，其中，所述传感器中的每一个均 监测所述燃料电池中每一个的状态。

技术方案10.一种用于监测燃料电池组中的燃料电池的系统，所述系统包 括：

多个电压传感器，所述多个电压传感器与所述燃料电池组中的燃料电池联 接，每个电压传感器监测所述燃料电池的不同电压，其中监测较低电压的电压 传感器为较高优先级的传感器，监测较高电压的传感器为较低优先级的传感器；

多个振荡器，其中所述多个传感器中的每一个联接至单独的振荡器，每个 振荡器以不同频率操作，其中较高频率的振荡器与较低优先级的传感器相联接， 且较低频率的振荡器与较高优先级的传感器相联接；

发光二极管，所述发光二极管从所述振荡器接收频率信号，所述发光二极 管响应于所述频率信号而接通和断开，其中较低频率的信号支配所述发光二极 管的开关；

光管，所述光管接收来自所述发光二极管的开关的光信号，并在所述光管 的端部处提供开关的光信号；以及

光电探测器，所述光电探测器用于检测在所述光管的端部处提供的光信号， 所述光电探测器响应于所述开关的光信号而提供电压信号。

技术方案11.根据技术方案10所述的系统，进一步包括：用于放大来自所 述光电探测器的电压信号的放大器；以及从所述放大器接收经放大的电压信号 的阈值探测器，所述阈值探测器使超过预定阈值的电压信号通过。

技术方案12.根据技术方案10所述的系统，进一步包括：功率转换器，所 述功率转换器由被监测的所述燃料电池进行供电，所述功率转换器将经调节的 功率信号提供至所述传感器、所述振荡器和所述光源。

技术方案13.根据技术方案10所述的系统，其中，所述燃料电池组是燃料 电池堆中的多个燃料电池组中的一组，其中每个燃料电池组包括用于监测该组 中的燃料电池的系统，所述光管从所有的所述燃料电池组中的光源接收开关的 光信号，其中具有较慢开关频率的光信号在所述光管中占支配地位。

技术方案14.根据技术方案10所述的系统，其中，所述电压传感器中的每 一个监测所述燃料电池中的每一个的电压。

技术方案15.一种用于监测燃料电池组中的燃料电池的系统，所述系统包 括：

多个电压传感器，所述多个电压传感器与所述燃料电池组中的燃料电池联 接，每个电压传感器监测所述燃料电池的不同电压，其中较低优先级的传感器 监测较高电压，且较高优先级的传感器监测较低电压；

多个振荡器，其中所述多个传感器中的每一个联接至单独的振荡器，每个 振荡器以不同频率操作，其中较高频率的振荡器与较低优先级的传感器相联接， 且较低频率的振荡器与较高优先级的传感器相联接；

发光二极管，所述发光二极管从所述振荡器接收频率信号，所述发光二极 管响应于所述频率信号而接通和断开，其中较低频率的信号支配所述发光二极 管的开关；

光管，所述光管接收来自所述发光二极管的开关的光信号，并在所述光管 的端部处提供开关的光信号；

光电探测器，所述光电探测器用于检测在所述光管的端部处提供的信号， 并且提供开关的电压信号；以及

功率转换器，所述功率转换器由被监测的所述燃料电池进行供电，所述功 率转换器将经调节的功率信号提供至所述传感器、所述振荡器和所述发光二极 管。

技术方案16.根据技术方案15所述的系统，进一步包括：用于放大来自所 述光电探测器的电压信号的放大器；以及从所述放大器接收经放大的电压信号 的阈值探测器，所述阈值探测器使超过预定阈值的电压信号通过。

技术方案17.根据技术方案15所述的系统，其中，所述燃料电池组是燃料 电池堆中的多个燃料电池组中的一组，其中每个燃料电池组包括用于监测该组 中的燃料电池的系统，所述光管从所有的所述燃料电池组中的光源接收开关的 光信号，其中具有较慢开关频率的光信号在所述光管中占支配地位。

技术方案18.根据技术方案15所述的系统，其中，所述传感器中的每一个 监测所述燃料电池中每一个的电压。

结合附图，并且从以下描述和所附加权利要求，本发明的其它特征将是显 而易见的。

附图说明

图1是用于检测燃料电池组中的燃料电池操作和燃料电池状况的系统的示 意框图。

具体实施方式

对涉及使用传感器和振荡器来监测燃料电池组中的燃料电池的操作的系统 的本发明实施例的以下讨论在本质上仅仅是示例性的，而决不意图限制本发明、 或其应用或使用。

图1是用于监测燃料电池组性能的系统10的示意框图，所述燃料电池组例 如包括有以串联形式联接的燃料电池14的燃料电池堆12。在该非限制性实施例 中，作为代表性实例，系统10监测大约16个燃料电池14的性能。用于车辆应 用的燃料电池堆可以具有400个或更多个燃料电池，其中可能会需要若干个系 统10来监测堆中所有燃料电池的性能。如这里讨论的那样，系统10监测的燃 料电池的数量是应用和设计特定的，并且不意图限制本发明。

系统10包括监测燃料电池14的操作的多个传感器16。本发明设想的是适 于这里所讨论的目的的任意类型的传感器。在一个实施例中，传感器16是测量 燃料电池14的电压的电压传感器。但是，在本发明的范围内可以使用其他类型 的传感器，例如温度传感器、湿度传感器、高频电阻(HFR)传感器等等。当 燃料电池14的电压降至某预定值之下时，传感器16将提供输出信号。由于从 以下讨论将变得显而易见的原因，所以每个传感器16都响应于对堆12中燃料 电池14的某种状况进行检测而提供输出信号。传感器16可以以任意期望的设 计配置而与一个或多个燃料电池14相联接。

在一个非限制性实施例中，传感器16中的每一个与燃料电池14中的每一 个相联接，用来检测所有燃料电池14的低电池电压。每个传感器16可以具有 不同的阈值，其中传感器1可以校准为检测潜在的低性能电池，传感器2可以 校准为检测更低性能的电池，而传感器N则可以检测电池的反转。每个传感器 16可以基于该检测来输出控制信号，使得以下讨论的系统10的输出会导致系统 控制器32根据哪个传感器提供了信号而执行一定的补救措施。例如，如果传感 器1提供了表示潜在的低性能电池的输出信号，那么来自系统10的控制信号会 导致系统控制器32提供更多的反应气体流，增加阴极湿度等。但是，如果其他 传感器16中的一个提供了输出信号，那么系统控制器32可以实施更强有力的 控制操作，例如关闭系统，以防止堆损坏。在这种方式中，传感器16以一定的 等级来检测堆12中的燃料电池14的更高优先级的变化或可能的故障，在该设 计中传感器1提供了用于最低优先级的潜在故障的输出信号，而传感器N则提 供了用于最高优先级的燃料电池故障的输出信号。从以下讨论中将显而易见的 是，系统10如何将来自传感器16的多个输出进行区分。

在以上讨论的实施例中，传感器16与堆12中的每个燃料电池14相联接。 在替代的实施例中，可以提供不同的传感器配置和设计，其中传感器16可以与 燃料电池14中不同的燃料电池相联接，这可以提供不同的电池性能识别，例如 仅仅连接到端部电池。尽管所示实施例包括三个传感器，但是适于此处所讨论 的目的的是，可以使用任意数量的传感器，以及可以在燃料电池组12中提供任 意数量的燃料电池。

在一个实施例中，传感器16嵌入到燃料电池堆12中。在转让给本申请受 让人的2010年2月17日提交的标题为“Plate Interconnect Method for an Imbedded  Fuel Cell Sensor”的美国专利申请(序列号No.12/707572)中公开了这种类型的 嵌入式燃料电池传感器，在此通过引用将其并入本文。

每个传感器16控制以不同频率f操作的振荡器18。选择振荡器18的频率， 使得识别更高优先级的电池故障或潜在电池故障的传感器16与具有较低优先级 的先前传感器16相比，以更低的频率操作振荡器18。因此，在该实例中，振荡 器1的频率f₁高于来自振荡器2的频率f₂和来自振荡器N的频率f_N，振荡器2 的频率f₂低于频率f₁并高于频率f_N，振荡器N的频率f_N低于频率f₁和f₂。

从振荡器18输出的频率发送至发光二极管(LED)20。当LED 20从振荡 器18接收信号时，该LED将以该振荡器的频率开启和关闭。频率f₁、f₂和f_N作 为电逻辑OR输入至LED 20来进行操作，其中最低频率的信号支配较高频率的 信号。特别的，当LED 20开启和关闭时，其开关速率将由低频信号控制，这是 因为更高频的信号将只能在LED 20作为低频信号的结果而开启的时间期间导 致LED 20的开关。因此，尽管LED 20可以从所有振荡器18接收频率信号， 但是假如振荡器N在提供信号，那么该频率将会控制LED20的操作，使得可以 识别更高优先级的潜在故障模式。

系统10还包括功率转换器22，该功率转换器22提供稳定的功率输出信号 至传感器16、振荡器18和LED 20。功率转换器22从燃料电池堆12接收电压 信号，并将电压信号调节为用于传感器16、振荡器18和LED 20的持续稳定的 输出功率信号。功率转换器22使用由燃料电池14产生的功率，燃料电池14是 关于潜在问题而被监测的燃料电池。因此，由燃料电池14提供的电压会响应于 电池性能而改变，其中功率转换器22可能会需要增加或减少用于传感器16、振 荡器18和LED 20的功率。

来自LED 20的光被耦合到对于本领域技术人员来说已知的一种类型的光 管24的一侧中。因此，如以上讨论的那样，以根据哪一个振荡器18正在操作 的开/关频率，在光管24上提供光信号。通过光电探测器26检测来自光管24 的光，光电探测器26以通过光管24所提供的光的频率来提供电压信号。单个 光管24能够用于可以监测特定燃料电池堆的所有系统10。例如，如果若干个系 统10被用来监测燃料电池堆中的预定组的燃料电池，那么光管24可以从若干 个LED接收信号，每个系统10利用一个LED。在每个LED 20使用来自振荡 器18的较低频率电信号来控制LED 20的接通/断开的相同方式中，具有较低开 关频率的LED 20将支配光管24中对光进行开关的频率。例如，假如一个LED 20以由f₁设置的频率来输出光，另一个LED 20以由f_N设置的频率来输出光， 那么以频率f_N操作的系统10将支配光电探测器26的光检测，使得可以检测整 个堆中最高优先级的潜在故障。因此，光管24使用来自每个系统10的光来提 供光的逻辑OR。在一个非限制性实施例中，对于本领域技术人员来说将很好理 解的是，光管24可以穿过堆结构中的基孔，该基孔用来在对堆进行压缩和密封 期间使堆中的电池对齐。

来自光电探测器26的电压信号通过放大器28进行放大。来自放大器28的 放大信号随后送至阈值探测器30，阈值探测器30确保通过光电探测器26所检 测的光超过一定预定阈值。一般，由光电探测器26接收的所有光都将来自光管 24。但是，可能存在某些时段，其中光管或光电探测器26获取的是外来光，而 不是来自LED 20的光。通过阈值探测器30防止那些信号被处理。来自光电探 测器26的信号通过阈值探测器30，然后由系统控制器32接收，系统控制器32 确定被接收信号的频率，并且基于所述频率确定需要什么样的响应来解决系统 问题。

以上讨论仅仅公开和描述了本发明的典型实施例。从这些讨论以及附图和 权利要求中，本领域技术人员将容易认识到，可以不背离如所附权利要求限定 的本发明的精神和范围的情况下作出各种改变、变形和变化。