燃料電池堆中的膜和電極失效的檢測(cè)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及燃料電池堆中的膜和電極失效的檢測(cè)方法。一種確定燃料電池堆中的燃料電池內(nèi)的膜失效的方法。所述方法包括：測(cè)量所述燃料電池堆中每個(gè)燃料電池的電壓，從所述燃料電池堆內(nèi)的所有所述燃料電池的電池電壓來(lái)計(jì)算平均電池電壓，以及從所述燃料電池堆內(nèi)的所有所述燃料電池的電池電壓中識(shí)別出最小電池電壓。之后所述方法確定絕對(duì)δ電壓值，該絕對(duì)δ電壓值是采樣周期內(nèi)多個(gè)采樣點(diǎn)處所述燃料電池的所述平均電池電壓和所述燃料電池的所述最小電池電壓之間的差值。針對(duì)低電流密度被濾波的在多個(gè)采樣周期內(nèi)確定的多個(gè)絕對(duì)δ電壓值被用于確定是否存在膜失效，并且通過(guò)針對(duì)高電流密度濾波來(lái)確定是否存在電極失效。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)大體涉及用于檢測(cè)燃料電池堆中的燃料電池內(nèi)的膜失效的系統(tǒng)和方法，并 且更具體地涉及用于檢測(cè)燃料電池堆中的燃料電池內(nèi)的膜失效的如下系統(tǒng)和方法，其包括 計(jì)算絕對(duì)德爾塔(δ )電壓值，該絕對(duì)δ電壓值是針對(duì)低堆電流密度被濾波的多個(gè)采樣點(diǎn) 處的平均電池電壓和最小電池電壓之間的差的平均值。
技術(shù)介紹
氫是非常引人注意的燃料，因?yàn)槠涫乔鍧嵉牟⑶铱梢员挥糜谠谌剂想姵刂杏行У?產(chǎn)生電。氫燃料電池是包括陽(yáng)極和陰極以及其間的電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽(yáng)極接收氫氣并 且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽(yáng)極中離解從而產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá) 陰極。質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應(yīng)從而產(chǎn)生水。來(lái)自陽(yáng)極的電子不能穿過(guò)電解質(zhì)，并且 因而被引導(dǎo)通過(guò)負(fù)載從而在被傳送到陰極之前做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛常用的燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合 物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極通常包括被支撐在碳顆粒上且與離聚 物混合的磨碎的催化顆粒，通常是鉬(Pt)。催化混合物被沉積在膜的相對(duì)側(cè)上。陽(yáng)極催化 混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA可以通過(guò)其他技術(shù)被制 得，例如通過(guò)催化劑涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)(CCDM)和物理氣相沉積(PVD)過(guò)程。MEA的制造是相 對(duì)昂貴的并且需要特定條件來(lái)有效操作。在燃料電池堆中通常組合多個(gè)燃料電池來(lái)產(chǎn)生所需功率。例如，用于車輛的常用 燃料電池堆可以具有兩百個(gè)或更多個(gè)堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)物氣 體(通常是被壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)堆的空氣流)。并不是所有的氧均被堆所消耗，一些空氣作為 陰極排出氣體被輸出，該陰極排出氣體可以包括水作為堆副產(chǎn)品。燃料電池堆也接收流入 堆陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極氫反應(yīng)物氣體。所述堆也包括冷卻流體所流動(dòng)通過(guò)的流動(dòng)通道。燃料電池堆包括位于堆內(nèi)的多個(gè)MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA位 于兩個(gè)端板之間。雙極板包括堆中相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道被 設(shè)置在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上從而允許陽(yáng)極反應(yīng)物氣體流動(dòng)到相應(yīng)ΜΕΑ。陰極氣體流動(dòng)通道被 設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上從而允許陰極反應(yīng)物氣體流動(dòng)到相應(yīng)ΜΕΑ。一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣 體流動(dòng)通道，而另一個(gè)端板包括陰極氣體流動(dòng)通道。雙極板和端板是傳導(dǎo)性材料制成的，例 如不銹鋼或?qū)щ姾铣晌铩６税鍖⑷剂想姵禺a(chǎn)生的電傳導(dǎo)到堆之外。雙極板也包括冷卻流體 所流動(dòng)通過(guò)的流動(dòng)通道。隨著燃料電池堆老化，堆中的各個(gè)電池的性能因各種因素的原因而有差別地退 化。低性能電池的所述原因不同，例如因?yàn)殡姵匾缌鳌⒋呋瘎p失等，一些是暫時(shí)的而一些 是永久的，一些需要維修而一些需要堆或燃料電池替換從而更換那些低性能電池。雖然燃 料電池被串聯(lián)地電性聯(lián)接，不過(guò)當(dāng)負(fù)載被聯(lián)接于堆兩端上時(shí)每個(gè)電池的電壓有區(qū)別地減 小，其中作為低性能電池的那些電池具有較小電壓。因此，必要的是監(jiān)控堆中燃料電池的電 池電壓來(lái)確保電池的電壓不會(huì)降低到預(yù)定閾值電壓之下從而防止可能導(dǎo)致對(duì)電池的永久性損壞的電池電壓極性倒轉(zhuǎn)。一種已知類型的燃料電池退化是電池膜失效，這會(huì)導(dǎo)致在低堆電流密度時(shí)的電池 電壓損失。膜失效通常因?yàn)槎喾N因素。對(duì)于燃料和氧化劑的低效隔離會(huì)導(dǎo)致膜和MEA的加 速失效。膜失效本身也由低堆電流密度時(shí)的較高電壓損失所表征。膜失效的原因之一是機(jī) 械應(yīng)力，該機(jī)械應(yīng)力是由于動(dòng)態(tài)操作和操作情況的動(dòng)態(tài)改變所引發(fā)的，特別是因?yàn)闇囟群?濕度的恒定變化會(huì)導(dǎo)致膜失效。可以導(dǎo)致膜失效的另一個(gè)原因是可能在操作的燃料電池中 產(chǎn)生的化學(xué)應(yīng)力。膜失效也可能因?yàn)槠渌蛩兀鐧C(jī)械或疲勞失效、短路等。電池膜失效通常導(dǎo)致兩個(gè)因素中的一者或兩者。所述因素之一包括反應(yīng)物氣體 橫穿通過(guò)燃料電池內(nèi)的膜，這是因?yàn)槟?nèi)的針孔和其他開口而導(dǎo)致的，并且這會(huì)導(dǎo)致燃料 電池的電壓損失。因?yàn)槠洳僮鞫憫?yīng)燃料電池內(nèi)的電氣環(huán)境隨時(shí)間產(chǎn)生針孔。根據(jù)陽(yáng)極 和陰極之間的相對(duì)壓力和分壓力會(huì)產(chǎn)生從陰極到陽(yáng)極或從陽(yáng)極到陰極的反應(yīng)物氣體橫穿 (cross-over)，這會(huì)具有相同的失效結(jié)果。隨著針孔的尺寸增加并且穿過(guò)膜的氣體量增加， 最終會(huì)產(chǎn)生電池失效。此外，在從燃料電池堆汲取顯著功率的大負(fù)載的情況下，因?yàn)闄M穿而 導(dǎo)致的低性能電池會(huì)導(dǎo)致堆急速停機(jī)。電池膜失效的另一結(jié)果是因?yàn)殡姵囟搪罚渲嘘帢O和陽(yáng)極因?yàn)橐恍┎涣记闆r而彼 此直接電性接觸。其他類型的燃料電池退化通常被稱作電極失效，這也導(dǎo)致了電池電壓損失并且通 常在所有堆電流密度的情況下或者至少在高堆電流密度的情況下產(chǎn)生。燃料電池電極失效 通常是因?yàn)榱鲃?dòng)通道溢流和隨時(shí)間而產(chǎn)生的總體電池退化、催化劑活性損失、催化劑支撐 件侵蝕、電極孔隙度損失等。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
根據(jù)本專利技術(shù)的教導(dǎo)，公開了用于確定燃料電池堆中的燃料電池內(nèi)的膜失效的方 法。該方法包括測(cè)量燃料電池堆中每個(gè)燃料電池的電壓，從燃料電池堆中所有燃料電池的 電池電壓計(jì)算平均電池電壓，以及從燃料電池堆中所有燃料電池的電池電壓中識(shí)別最小電 池電壓。之后該方法確定絕對(duì)S電壓值，該絕對(duì)S電壓值是在針對(duì)低堆電流密度被濾波 的采樣周期期間在多個(gè)采樣點(diǎn)處的燃料電池的平均電池電壓與燃料電池的最小電池電壓 之間的差。針對(duì)低電流密度被濾波的多個(gè)采樣周期內(nèi)確定的多個(gè)絕對(duì)S電壓值被用于確 定是否存在膜失效，并且通過(guò)針對(duì)高電流密度濾波來(lái)確定是否存在電極失效。本專利技術(shù)還提供了以下技術(shù)方案。方案1. 一種識(shí)別作為燃料電池堆中多個(gè)燃料電池中的一個(gè)燃料電池的燃料電池 內(nèi)的膜失效的方法，所述方法包括測(cè)量所述燃料電池堆中每個(gè)燃料電池的電壓；從采樣周期內(nèi)多個(gè)采樣點(diǎn)處的所述燃料電池堆中所有燃料電池的電池電壓來(lái)計(jì)算平 均電池電壓；從所述采樣周期內(nèi)多個(gè)采樣點(diǎn)處的所述燃料電池堆中所有燃料電池的電池電壓中識(shí) 別最小電池電壓；確定絕對(duì)δ電壓值，該絕對(duì)δ電壓值是所述采樣周期內(nèi)所述燃料電池的所述平均電 池電壓和所述燃料電池的所述最小電池電壓之間的差的平均值；以及使用所述絕對(duì)S電壓值來(lái)確定是否存在膜失效。方案2.根據(jù)方案1所述的方法，還包括確定所述燃料電池堆的電流密度，并且如 果所述電流密度低于預(yù)定最小電流密度值則僅使用所述絕對(duì)S電壓值來(lái)確定是否存在膜 失效。方案3.根據(jù)方案2所述的方法，其中所述預(yù)定最小電流密度值是0. 05A/cm2。方案4.根據(jù)方案2所述的方法，其中使用所述絕對(duì)δ電壓值來(lái)確定是否存在膜 失效包括確定當(dāng)所述燃料電池堆的所述電流密度低于所述預(yù)定最小電流密度值時(shí)所述絕 對(duì)δ電壓值高于預(yù)定閾值。方案5.根據(jù)方案2所述的方法，還包括確定當(dāng)所述燃料電池堆的所述電流密度 高于預(yù)定最大電流密度值時(shí)的所述絕對(duì)S電壓值，其中針對(duì)所述最大電流密度和所述最 小電流密度這二者的所述絕對(duì)S電壓值的組合指示出電池電極失效。方案6.根據(jù)方案5所述的方法，其中所述預(yù)定最大電流密度值是0. 6A/cm2。方案7.根據(jù)方案1所述的方法，還包括監(jiān)控隨時(shí)間的所述絕對(duì)δ電壓值從而確 定在連續(xù)的采樣周期所述絕對(duì)S電壓值是否逼近指示出電池膜失效的閾值。方案8.根據(jù)方案1所述的方法，還包括使用所述絕對(duì)δ電壓值來(lái)確定所述燃料 電池堆是否逼近氫替代失效。方案9. 一種識(shí)別作為燃料電池堆中多個(gè)燃料電池中的一個(gè)燃料電池的燃料電池 內(nèi)的膜失效的方法，所述方法包括測(cè)量所述燃料電池堆中每個(gè)燃料電池的電壓；從采樣周期內(nèi)多個(gè)采樣點(diǎn)處的所本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
１．　一種識(shí)別作為燃料電池堆中多個(gè)燃料電池中的一個(gè)燃料電池的燃料電池內(nèi)的膜失效的方法，所述方法包括：測(cè)量所述燃料電池堆中每個(gè)燃料電池的電壓；從采樣周期內(nèi)多個(gè)采樣點(diǎn)處的所述燃料電池堆中所有燃料電池的電池電壓來(lái)計(jì)算平均電池電壓；從所述采樣周期內(nèi)多個(gè)采樣點(diǎn)處的所述燃料電池堆中所有燃料電池的電池電壓中識(shí)別最小電池電壓；確定絕對(duì)δ電壓值，該絕對(duì)δ電壓值是所述采樣周期內(nèi)所述燃料電池的所述平均電池電壓和所述燃料電池的所述最小電池電壓之間的差的平均值；以及使用所述絕對(duì)δ電壓值來(lái)確定是否存在膜失效。

【技術(shù)特征摘要】
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：B克勞斯，R森納，B拉克什馬南，AJ馬斯利恩，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：B克勞斯，R森納，B拉克什馬南，AJ馬斯利恩，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：US