[發明專利]利用基于HFR陰極進口RH模型與傳感器反饋比較確定水蒸汽傳遞單元故障并且用于診斷代碼和信息

有效

• 申請號: 201210274915.2
• 申請日: 2012-08-03
• 公開（公告）號: CN102916206A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: T.K.普雷斯頓;S.E.加西亞;J.C.馬楚卡
• 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: 薛峰;楊楷

技術領域

本發明通常涉及一種用于確定燃料電池系統中的水蒸汽傳遞（WVT）單元是否正確地操作的系統和方法，并且更特別地涉及一種用于通過將測量至燃料電池堆的陰極輸入線路中的相對濕度的相對濕度（RH）傳感器的輸出與由確定燃料電池堆內的薄膜的薄膜濕度的高頻電阻（HFR）電路提供的RH值相比較而確定燃料電池系統中的WVT單元是否具有轉換接頭泄漏的系統和方法。

背景技術

氫由于其干凈并且可用于在燃料電池中有效地產生電，因而是一種非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是電-化學裝置，其包括陽極和陰極以及在其間的電解液。陽極接收氫氣并且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處被分解以產生自由的質子并且電子。質子通過電解液到陰極。質子與在陰極催化劑處的氧和電子起反應以產生水。來自陽極的電子不能通過電解液，并且因此在被發送到陰極之前直接通過負荷執行作業。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種車輛流行的燃料電池。PEMFC通常包括固相聚合物電解質質子傳導薄膜，例如全氟磺酸薄膜。陽極和陰極典型地，但不總是包括精細地分開分割的催化劑粒子，通常為典型地支承在碳粒子并且與離聚物混合的高活性催化劑，諸如鉑（Pt）。催化劑混合物沉積在薄膜的相對側上。陽極催化劑混合物，陰極催化劑混合物和薄膜的組合限定了薄膜電極組件（MEA）。MEA制造起來相對昂貴并且需要用于有效工作的某些條件。

幾個燃料電池典型地組合在燃料電池堆中以產生所需的功率。例如，用于車輛的典型的燃料電池堆可以具有兩百或以上堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，典型地由壓縮機增壓通過電池堆的空氣流。不是所有氧被電池堆消耗并且一些空氣作為陰極排氣被輸出，其可以包括作為電池堆副產品的水。燃料電池堆還接收流入電池堆的陽極側的陽極氫輸入氣體。

燃料電池堆包括位于電池堆的幾個MEA之間的一連串的雙極板，其中雙極板和MEA布置在兩個端板之間。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。陽極氣流場設置在允許陽極反應性氣體流向各自的MEA的雙極板的陽極側上。陰極氣體流場設置在允許陰極反應性氣體流向各自的MEA的雙陰極的陰極側上。一個端板包括陽極氣流通道，并且另一端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由有傳導性的材料制成，例如不銹鋼或傳導的合成物。端板傳導由電池堆外的燃料電池產生的電流。雙極板還包括冷卻液流經的流動通道。

燃料電池內的薄膜需要具有充分的含水率從而橫過薄膜的離子阻力足夠低以有效地傳導質子。薄膜增濕可以來自電池堆水副產品或外部增濕。穿過電池堆的氣流通道的反應物的流動在單元薄膜上具有干燥作用，在反應物流動的進口處最顯著。然而，由于低的反應性氣體流動，氣流通道內的水滴的累積防止了反應物通過其流動并且可以使得電池故障，因此影響了電池堆的穩定性。在低電池堆輸出負載時，反應性氣體流動通道中以及氣體擴散層（GDL）內的水的累積尤其麻煩。

如上所述，水作為電池堆工作的副產品而產生。所以，來自電池堆的陰極排氣將典型地包括顯著的水蒸汽和液態水。現有技術中公知的是采用水蒸汽傳遞（WVT）單元以捕獲一些陰極中的水蒸汽，并且使用水蒸汽以對陰極輸入氣流增濕。在WVT單元內的水傳遞元件的一側，例如薄膜的陰極排氣中的水，被水傳遞元件吸收并且傳遞到在水傳遞元件的另一側處的陰極氣流中。

如上所述，通常需要控制電池堆濕度從而電池堆中的薄膜具有固有的導電性，但如果水在系統關閉期間結冰則流動通道不會變得被冰堵塞。現有技術中公知的是在燃料電池系統的陰極空氣進口中提供RH傳感器以當其進入電池堆時測量陰極進口氣流的增濕作用。使用測量的進口相對濕度和水種類（specie）平衡，或水的質量平衡，可以估計出包括陰極空氣出口流的燃料電池系統的RH曲線。RH傳感器提供RH的準確讀數的能力由傳感器的成本和復雜性決定。典型的需要限制傳感器的成本，這減少了它的精確度。

用于確定薄膜增濕作用的技術在本領域公知的是高頻電阻（HFR）增濕作用測量。HFR增濕作用測量通過在電池堆的電負荷上提供高頻分量或信號從而在電池堆的電流輸出上產生高頻電波。高頻分量的電阻然后由檢測器來測量，其是電池堆中薄膜的增濕作用的水平的涵數。高頻電阻是燃料電池的公知的屬性，并且與燃料電池薄膜的歐姆電阻，薄膜質子阻力緊密相關。歐姆電阻是燃料電池薄膜增濕作用度它本身的涵數。因此，通過測量激發電流頻率的具體頻帶內的燃料電池堆的燃料電池薄膜的HFR，可以確定燃料電池薄膜的增濕作用度。該HFR測量考慮了燃料電池薄膜增濕作用的單獨測量，其可以省去對RH傳感器的需要。