[發明專利]PEM燃料電池中的膜滲透調整

有效

• 申請號: 201110246192.0
• 申請日: 2011-08-25
• 公開（公告）號: CN102386426A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: M.A.朗;D.C.迪菲奧爾;W.H.珀蒂;S.R.法爾塔;J.C.費利
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉楨;楊炯

技術領域

本發明總體上涉及一種系統和方法，用于確定燃料電池的膜滲透速度的變化，并且尤其涉及一種系統和方法，用于確定燃料電池堆的膜滲透速度的變化并且根據膜滲透速度的變化修正陽極子系統中的氮氣的估算。

背景技術

氫是一種非常有吸引力的燃料，因為它是可再生的并且可用于有效地在燃料電池中產生電。氫燃料電池是一種電化學裝置，其包括陽極和陰極，它們之間有電解質。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極離解以生成游離的氫質子和電子。這些氫質子經過電解質到陰極。這些氫質子在陰極中與氧和電子發生反應生成水。陽極的電子不能通過電解質，因此在送至陰極之前被引導通過負載做功。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種用于汽車的普遍的燃料電池類型。PEMFC通常包括固相聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟化磺酸膜。陽極和陰極通常含有微細催化劑粒子，一般為擔載在碳粒子上并與離聚物相混合的鉑（Pt）。該催化劑混合物沉積在膜的兩側。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物與膜的組合形成了膜電極組件（MEA）。MEA需要適當的燃料供給和增濕用于有效的運行。

通常把多個燃料電池組合成燃料電池堆來產生所需電力。燃料電池堆接收陰極注入氣，通常為受壓縮機強迫通過電池堆的空氣流。不是所有氧氣都被電池堆消耗，一些空氣作為陰極廢氣排出，該廢氣可能包含水作為電池堆副產品。燃料電池堆還接收流入電池堆陽極側的陽極氫注入氣。

燃料電池堆通常包括位于電池堆的多個MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA位于兩個端板之間。雙極板包括用于電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道設在雙極板的陽極側，這些通道允許陽極反應氣體流向相應的MEA。陰極氣體流動通道設在雙極板的陰極側，這些通道允許陰極反應氣體流向相應的MEA。一個端板包含陽極氣體流動通道，另一個端板包含陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導電材料制成，例如不銹鋼或導電復合材料。這些端板把燃料電池產生的電傳導出電池堆。雙極板還包含流動通道，冷卻流體流過這些通道。

MEA是可滲透的，并因此允許空氣中的氮氣從電池堆的陰極側滲透通過并且聚集在電池堆的陽極側，這通常稱作氮氣穿越。即使陽極側壓力可能稍高于陰極側壓力，但是陰極側局部壓力將促使氧氣和氮氣滲透穿過膜。滲過的氧氣在存在陽極催化劑的情況下燃燒，但是，燃料電池堆陽極側中滲過的氮氣稀釋了氫氣。如果氮氣濃度增大到超過一定百分比，例如50%，電池堆中的燃料電池就可能變得缺少氫。如果陽極變得缺少氫，燃料電池堆將不能產生適當的電力并且可能損壞燃料電池堆中的電極。

現有技術中已知的是在燃料電池堆的陽極廢氣輸出處設置排出閥以從電池堆的陽極側清除氮氣。技術中還已知的是使用模型估計陽極側的氮氣摩爾分數以確定何時執行陽極側或陽極子系統的放氣。然而，模型估計可能包含誤差，特別是因為隨著時間的推移，燃料電池系統中的部件出現惡化。如果陽極氮氣摩爾分數估計顯著地高于實際氮氣摩爾分數，燃料電池系統將排出比所需的更多的陽極氣體，也就是將浪費燃料。如果陽極氮氣摩爾分數估計顯著地低于實際氮氣摩爾分數，系統將不會排出足夠的陽極氣體并且可能使燃料電池缺少反應物，這可能損壞燃料電池堆中的電極。

因此，現有技術中需要確定燃料電池膜滲透的變化并且將檢測到的膜滲透的變化結合到用于估計從電池堆的陰極側至陽極側的氮氣流速和陽極側的氮氣濃度的模型中以有效地利用陽極燃料并且避免隨著膜使用年限的增加陽極反應物不足事件頻率的增大。

發明內容

根據本發明的教導，公開了一種系統和方法，用于修正燃料電池堆陽極側中的氮氣估計。該系統包括燃料電池堆和用于測量陽極子系統中壓力的壓力傳感器。該系統還包括構造成通過氮氣滲透調整控制電池堆陽極側中氮氣估計的控制器，該控制器判斷在關閉之后比前次關閉之后陽極子系統達到近似大氣壓力所需時間或標定時間值更短的時段內陽極子系統中的壓力是否與大氣壓力平衡，并且如果在較短時段內壓力平衡就修正陽極側的氮氣估計。

本發明提供下列技術方案。

技術方案1：一種用于修正燃料電池堆陽極側中的氮氣估計的方法，所述方法包括：

使用模型確定所述燃料電池堆陽極側中的氮氣估計；

關閉所述燃料電池堆；

在所述燃料電池堆關閉之后連續測量陽極子系統的壓力，直到所述陽極子系統中的所述壓力近似為大氣壓力；

判斷所述陽極子系統中的所述壓力是否以比前次關閉之后所述陽極子系統達到近似大氣壓力所需時間或標定時間值更快的速度達到近似大氣壓力；以及