燃料電池堆的膜失效和燃料電池系統構件缺陷的早期檢測方法技術方案

本發明專利技術涉及燃料電池堆的膜失效和燃料電池系統構件缺陷的早期檢測方法，具體提供了用于確定燃料電池堆的燃料電池中可能的膜失效的系統和方法。該方法包括監測堆電流密度和堆中燃料電池的最小電池電壓。如果最小電池電壓和堆電流密度均小于預定值，則該方法用最小電池電壓的比例因子乘以堆電流密度的比例因子來提供膜失效因子。如果膜失效因子大于閾值，則給出可能的膜失效的提示。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術大體涉及用于檢測燃料電池堆中燃料電池的可能的膜失效的系統和方法，并且更具體地，涉及包括如下方面的用于檢測燃料電池堆中燃料電池的可能的膜失效的系統和方法確定根據最小電池電壓和堆電流密度確定的乘法因子是否大于表示可能的失效的預定乘法因子。
技術介紹
氫是非常有吸引力的燃料，因為它清潔并且能夠用來在燃料電池中有效地發電。氫燃料電池是如下電化學裝置包括陽極和陰極，電解質在它們之間。陽極接收氫氣，并且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極被離解從而產生自由質子和電子。 質子經過電解質到陰極。質子與陰極中的氧和電子反應從而生成水。來自陽極的電子不能經過電解質，并且因此在被傳送到陰極之前被弓I導通過負荷進行工作。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的受歡迎的燃料電池。PEMFC —般包括諸如全氟磺酸膜的固體聚合物電解質質子傳導膜。陽極和陰極通常包含磨碎的催化顆粒，所述催化顆粒通常是鉬(Pt)，被支撐在碳顆粒上并且與離聚物混合。催化混合物沉積在膜的相對側。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合體限定了膜電極組件(MEA)。MEA可通過其它技術制造，例如催化劑涂覆擴散介質(CCDM)和物理氣相沉積(PVD)工藝。MEA的制造相對較貴并且需要用于有效操作的特定條件。數個燃料電池通常合并在燃料電池堆中以產生期望的電力。例如，用于車輛的典型的燃料電池堆可以具有兩百個或更多個堆積的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應性氣體，該反應性氣體通常是通過壓縮機強制通過燃料電池堆的空氣流。并不是所有的氧氣均被燃料電池堆消耗，而是一些空氣被輸出作為陰極排氣，該陰極排氣可能包括作為堆副產物的水。燃料電池堆還接收流入燃料電池堆的陽極側的陽極氫氣反應性氣體。燃料電池堆還包括流道，冷卻流體通過該流道流動。燃料電池堆包括一系列雙極板，該一系列雙極板定位在燃料電池堆中的幾個MEA之間，其中雙極板和MEA定位在兩個端板之間。雙極板包括用于燃料電池堆中相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流道設置在雙極板的陽極側上，允許陽極反應性氣體流到相應的MEA。陰極氣體流道設置在雙極板的陰極側上，允許陰極反應性氣體流到相應的MEA。一個端板包括陽極氣體流道，并且另一個端板包括陰極氣體流道。雙極板和端板均由導電材料制成，所述導電材料諸如不銹鋼或導電復合材料。端板將由燃料電池所產生的電傳導出燃料電池堆。雙極板還包括流道，冷卻流體通過該流道流動。隨著燃料電池堆的老化，燃料電池堆中單獨的電池的性能因各種因素而有區別地退化。存在低性能電池的不同原因，諸如電池溢流、催化劑消耗等，一些是臨時性的并且一些是永久性的，一些需要維護，并且一些需要進行燃料電池堆或燃料電池替換以更換那些低性能電池。雖然燃料電池串聯地電聯接，但是當負荷聯接在燃料電池堆兩端時，每個電池的電壓有區別地下降，其中那些是低性能電池的電池具有較低的電壓。因此，有必要監測燃料電池堆中燃料電池的電池電壓以確保電池的電壓不會下降到預定閾值電壓之下從而防止電池電壓極性反轉，所述極性反轉可能導致對電池的永久性損傷。一種類型的燃料電池退化是電池膜失效，尤其在低的堆電流密度下電池膜失效會引起電池電壓損失。膜失效通常是許多因素的結果。例如，燃料和氧化劑的無效分離可導致膜和MEA的加速失效。另外，膜失效能夠因如下機械應力而發生所述機械應力因動態運行和運行條件上的動態改變尤其是由于溫度和濕度的不斷變化而在膜上產生。能夠引起膜失效的另一個因素是化學應力，所述化學應力可在運行燃料電池中發生。膜失效也可能是諸如機械失效或疲勞失效、短路等的其它因素的結果。電池膜失效通常將弓I起兩個現象中的一個或兩個。作為引起燃料電池的電壓損失的針孔(pin-hole)和膜變薄的結果而產生的那些現象中的一個包括反應性氣體跨越穿過燃料電池中的膜。響應于燃料電池內的作為其運行的結果的電環境，針孔隨時間推移而發生。反應性氣體跨越(cross-over)能夠從陰極到陽極或從陽極到陰極發生，這取決于陽極 和陰極之間的相對壓力和局部壓力，它們具有相同的失效后果。隨著針孔的尺寸增加并且橫跨穿過膜的氣體量增加，最終將發生電池失效。此外，在從燃料電池堆提取很大功率的高負載下，作為跨越的結果而出現的低性能電池可導致堆快速停止。電池膜失效的另一現象因電池短路而發生，其中陰極電極和陽極電極由于一些不期望的條件而變成彼此直接電接觸。其它類型的燃料電池退化一般被稱為電極失效，它也會引起電池電壓損失并且通常在所有堆電流密度下或至少在高堆電流密度下發生。燃料電池電極失效通常是隨時間推移而發生的流道溢流和一般電池退化、催化劑活性損失、催化劑載體腐蝕、電極孔隙度損失等的結果。2010 年 I 月 20 日提交的標題為 “Detection Method for Membrane ElectrodeFailures and Fuel Cell Stacks (用于膜電極失效和燃料電池堆的檢測方法)”的美國申請No. 12/690，672，公開了用于檢測燃料電池堆的燃料電池中膜失效的系統和方法，其包括計算絕對三角接線電壓值(delta voltage value),該三角接線電壓值是多個采樣點處的平均電池電壓和最小電池電壓之差的平均值，該美國申請被轉讓給本申請的受讓人并且通過引用并入此處。如上所討論的，已經表明，由于隨著燃料電池堆接近其壽命末期而老化，堆中的許多燃料電池膜變得相對較薄并且允許增加的穿過膜的跨越，該跨越具有上面所提及的不期望的影響。因為膜的大部分的確變薄，所以平均電池電壓降低，并且平均電池電壓和最小電池電壓之間的相對差可能不能表示存在膜變薄和跨越問題。此外，已經表明，在高的堆電流密度下(其中陽極和陰極流率高)，陽極和陰極化學計量通常克服跨越的問題，其中該問題可能是不可檢測到的。已經表明，堆跨越(stack cross_over)問題在低的堆電流密度下變得更普遍,其中流率低并且跨越效應未被掩蓋。此外，當供給至堆的陰極側和陽極側的氫氣和氧氣的量受到嚴格控制以確保適當的排放和堆運行時，堆跨越變得更明顯，其中作為跨越的結果的那些氣體的任何減少在堆穩定性上可具有顯著的且不期望的影響。
技術實現思路
根據本專利技術的教義，公開了用于確定燃料電池堆的燃料電池中可能的膜失效的系統和方法。該方法包括監測堆電流密度和堆中燃料電池的最小電池電壓。如果最小電池電壓和堆電流密度均小于預定值，則該方法用最小電池電壓的比例因子乘以堆電流密度的比例因子來提供膜失效因子。如果膜失效因子大于閾值，則給出可能的膜失效的提示。本專利技術還涉及以下技術方案。方案I. 一種用于檢測燃料電池堆的燃料電池中可能的膜失效的方法，所述方法包括 監測所述燃料電池堆中燃料電池的電壓； 從所述燃料電池堆中燃料電池的電池電壓識別最小電池電壓； 確定所述燃料電池堆的電流密度； 通過所述最小電池電壓和所述堆電流密度的代表值的相乘來計算乘法因子；以及 將所述乘法因子與閾值乘法因子相比較以確定可能的膜失效是否正在發生。方案2.根據方案I所述的方法，進一步包括將所述最小電池電壓和所述堆電流密度按比例調整在零和預定數之間以提供所述代表值，其中零代表最小電池電壓和最小電流密度，并且所述預定數代表零電池電壓和零堆電流密度。方案3.根據方案2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于檢測燃料電池堆的燃料電池中可能的膜失效的方法，所述方法包括：監測所述燃料電池堆中燃料電池的電壓；從所述燃料電池堆中燃料電池的電池電壓識別最小電池電壓；確定所述燃料電池堆的電流密度；通過所述最小電池電壓和所述堆電流密度的代表值的相乘來計算乘法因子；以及將所述乘法因子與閾值乘法因子相比較以確定可能的膜失效是否正在發生。

【技術特征摘要】
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：B麥默拉夫，B克勞澤，
申請(專利權)人：通用汽車環球科技運作有限責任公司，
類型：發明
國別省市：