[發明專利]從電池堆平均HFR在線估計陰極進口和出口RH

有效

• 申請號: 201010556508.1
• 申請日: 2010-11-19
• 公開（公告）號: CN102110828A
• 公開（公告）日: 2011-06-29
• 發明（設計）人: M·辛哈
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;G01R31/36
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 崔幼平;楊楷

技術領域

本發明總體涉及一種用于從電池堆高頻電阻(HFR)估計陰極進口和陰極出口相對濕度(RH)的方法，更具體地，涉及一種用于測量電池堆的HFR、估計電池堆的模型化HFR、最小化燃料電池測得的HFR和模型化HFR之間的誤差、以及使用水樣平衡(water?speciebalance)來估計陰極進口和陰極出口RH的方法。

背景技術

氫因其清潔以及可被用來在燃料電池中有效地產生電而成為一種非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是一種包括陽極、陰極以及它們之間的電解質的電化學裝置。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處分解以生成自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子與陰極催化劑處的氧和電子反應生成水。來自陽極的電子不能穿過電解質且因此被引導通過負載以在被送到陰極前做功。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種常見的車用燃料電池。PEMFC通常包括固態聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括精細分開的催化劑顆粒，通常為鉑(Pt)，其支撐在碳顆粒上并與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜結合在一起限定膜電極組件(MEA)。MEA的制造相對昂貴并且要求特定條件以有效運行。

通常將若干燃料電池組合成燃料電池堆以產生期望的電力。例如，典型的車用燃料電池堆可具有兩百或更多的堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是經由壓縮機迫使通過所述電池堆的空氣流。并非所有的氧被電池堆消耗，部分空氣作為陰極排出氣體被輸出，其中可含有作為電池堆的副產品的水。燃料電池堆還接收流入到電池堆的陽極側的陽極氫氣輸入氣體。

燃料電池堆包括一系列位于電池堆中的若干MEA之間的雙極板，其中雙極板和MEA定位于兩個端板之間。雙極板包括用于堆中相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。在雙極板的陽極側上提供陽極氣體流道，以允許陽極反應氣體流向相應的MEA。在雙極板的陰極側上提供陰極氣體流道，以允許陰極反應氣體流向相應的MEA。一個端板包括陽極氣體流道，且另一個端板包括陰極氣體流道。雙極板和端板由導電材料制成，例如不銹鋼或導電復合物。端板將燃料電池所產生的電導出所述電池堆。雙極板還包括冷卻流體流動通過其的流道。

如現有技術中充分理解的，燃料電池膜以一定的相對濕度(RH)工作，從而使越過膜的離子阻力足夠小以有效地傳導質子。通過控制若干電池堆的工作參數，例如電池堆壓力、溫度、陰極化學計量和進到電池堆的陰極空氣的相對濕度，典型地控制來自燃料電池堆的陰極輸出氣體的相對濕度以控制膜的相對濕度。由于已經表明RH端值之間的循環嚴重限制膜壽命，所以出于電池堆耐用的目的，期望最小化膜的相對濕度循環的數量。由于吸收水和隨后的干燥，膜RH循環造成膜擴張和收縮。膜的這種擴張和收縮造成膜中的針孔，其造成氫和氧橫越膜產生熱點，這進一步增加了膜中孔的尺寸，因此，降低了它的壽命。

如上所述，水可作為電池堆工作的副產品而產生。因此，來自電池堆的陰極排氣將包括水蒸氣和液態水。本領域中已知使用水蒸氣轉移(WVT)單元來收集陰極排氣中的一些水，并且使用水來濕化陰極輸入空氣流。膜一側處的陰極排氣中的水被膜吸收并轉移到膜另一側處的陰極空氣流中。

在燃料電池工作期間，MEA的濕氣和外部的潮濕會進入陽極和陰極流動通道。在低電池功率需求下，典型地低于0.2A/cm²，由于反應劑氣體的流動速度太低無法迫使水流出通道，所以水會在流動通道中積累。隨著水的積累，在流動通道中形成液滴。隨著液滴尺寸的增加，流動通道阻塞，而且因為通道在共同的進口和出口歧管之間并聯，所以反應劑氣體轉到其它流動通道。隨著液滴尺寸增加，液滴的表面張力會變得比試圖將液滴推到排氣歧管的差壓更大，因此反應劑氣體不會流經水阻塞的通道，反應劑氣體無法促使水流出通道。膜的那些由于通道阻塞而不接收反應劑氣體的區域將不發電，因此導致不均勻的電流分布并降低燃料電池的總效率。隨著水阻塞了越來越多的流動通道，由燃料電池產生的電減少，其中認為小于200mV的電池電壓電勢是電池故障。因為燃料電池是串聯地電耦合，所以如果燃料電池中的一個停止工作，那么整個燃料電池堆會停止工作。

高頻電阻(HFR)是燃料電池的公知屬性，并且與燃料電池膜的歐姆電阻或膜質子電阻緊密相關。歐姆電阻自身是燃料電池膜潮濕度的函數。因此，通過測量特定的勵磁電流頻率帶的燃料電池堆的燃料電池膜的HFR，可確定燃料電池膜的潮濕度。該HFR測量允許燃料電池膜潮濕度的獨立測量，由此消除了對RH傳感器的需要。