[發明專利]用于空閑-停止模式中的燃料電池系統的泄漏診斷

有效

• 申請號: 201210238638.X
• 申請日: 2012-07-11
• 公開（公告）號: CN102881928A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: D.I.哈里斯;S.E.加西亞;B.麥默拉夫
• 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: 原紹輝

技術領域

本發明一般涉及一種用于檢測燃料電池系統的陽極子系統或陰極子系統中的泄漏的方法，并且更具體而言，涉及一種這樣的方法，所述方法用于確定是否已經將大于預期量的氫添加到燃料電池系統，以便檢測陽極子系統或陰極子系統中的泄漏。

背景技術

氫是非常有吸引力的燃料，這是因為其清潔并且能夠用于在燃料電池中有效地產生電。氫燃料電池是一種包括了陽極、陰極、以及在它們之間的電解質的電化學裝置。陽極接收氫氣，并且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極被離解以產生自由的氫質子和電子。氫質子穿過電解質到達陰極。氫質子在陰極與氧和電子反應從而產生水。來自陽極的電子不能穿過電解質，因此在被送到陰極之前被引導通過負載以做功。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是用于車輛的常見的燃料電池。質子交換膜燃料電池一般包括例如全氟磺酸膜之類的固態聚合物電解質質子傳導膜。陽極和陰極典型地包括細碎的催化顆粒，通常是鉑（Pt），其被支撐在碳顆粒上并且與離聚物混合。該催化混合物被沉積在膜的相反側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物以及膜的組合限定了膜電極組件（MEA）。膜電極組件的制造相對昂貴，并且需要一定的條件以便有效地操作。

若干燃料電池通常組合在燃料電池組中以產生所需的電力。燃料電池組接收陰極輸入氣體，通常是借助壓縮機被強制通過所述燃料電池組的空氣流。并非全部的氧都被燃料電池組消耗，其中一些空氣作為陰極廢氣輸出，所述陰極廢氣可以包含作為燃料電池組副產品的水。燃料電池組也接收陽極氫輸入氣體，其流入到燃料電池組的陽極側。

燃料電池組通常包括定位在所述燃料電池組中的若干膜電極組件之間的一系列雙極板，其中所述雙極板和膜電極組件定位于兩塊端板之間。雙極板包括用于所述燃料電池組中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。在雙極板的陽極側上設置有陽極氣體流動通道，該通道允許陽極反應氣體流到相應的膜電極組件。在雙極板的陰極側上設置有陰極氣體流動通道，該通道允許陰極反應氣體流到相應的膜電極組裝件。一塊端板包括陽極氣體流動通道，并且另一塊端板包括陰極氣體流動通道。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。端板將燃料電池產生的電傳輸到燃料電池組外。端板還包括冷卻流體流經的流動通道。

膜電極組件是可滲透的，因此允許空氣中的氮從燃料電池組的陰極側滲透穿過該燃料電池組，并且聚集在燃料電池組的陽極側中，這在工業上稱為氮穿透（nitrogen?cross-over）。即使陽極側的壓力可能略高于陰極側的壓力，但陰極側的分壓也將引起氧和氮滲透穿過膜。滲透的氧在有陽極催化劑的情況下反應，但在燃料電池組的陽極側中的滲透的氮則稀釋了氫。如果氮的濃度增加至高于特定百分比，例如50%，則燃料電池組可能變得不穩定并且可能失效。

本領域已知的是，在燃料電池組的陽極廢氣輸出口設置放泄閥，以便從燃料電池組的陽極側去除氮。本領域還已知的是，利用模型估計陽極側中的氮的摩爾分數，以便確定何時執行陽極側或陽極子系統的放泄?？墒?，模型估計可能含有誤差，特別是當燃料電池系統的部件隨時間的推移而發生退化時。如果陽極的氮摩爾分數的估計值顯著地高于實際的氮摩爾分數，則燃料電池系統會排放出比所必需排放的陽極氣體更多的陽極氣體，即，會浪費燃料。如果陽極的氮摩爾分數的估計值顯著地低于實際的氮摩爾分數，則系統不會排放出足夠的陽極氣體，從而會使燃料電池缺乏反應物，這會損害燃料電池組的電極。

在空閑-停止模式期間，當沒有從燃料電池系統汲取電流時，通過一個或多個閥來對通過燃料電池組的陰極側的空氣流加以限制，所述一個或多個閥進行操作，以便調節燃料電池組的陰極側中的空氣流和壓力。在空閑-停止模式期間，還必須保持燃料電池組的陽極側中的富含氫的陽極濃度。如果沒有將足夠的氫提供給燃料電池組的陽極側，那么存在于燃料電池組的陰極側中的氧可能通過燃料電池組的膜擴散到陽極側，這能導致由于在陽極側上形成氫-空氣的鋒（front）所引起的陰極電極的腐蝕。為了防止在燃料電池組的陽極側上的氧的積累，也為了防止在燃料電池組的陰極側上的氫的積累，對陽極側和陰極側的反應物的精確控制是關鍵的。本領域因此需要確定是否在燃料電池系統中存在泄漏，該泄漏會妨礙對陽極側和陰極側的反應物的精確控制。

發明內容