[發明專利]模擬燃料電池中電池電壓反轉行為的電池組

有效

• 申請號: 201210598299.6
• 申請日: 2012-12-12
• 公開（公告）號: CN103682398B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 洪普基;韓國一;樸智研;任世埈
• 申請（專利權）人: 現代自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/04223
• 分類號: H01M8/04223;H01M8/04298
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司11322
• 代理人: 龍淳

技術領域

本申請涉及一種用于模擬燃料電池中電池電壓反轉行為的電池組。更具體地，本發明涉及如下的用于模擬燃料電池中電池電壓反轉行為的電池組，其模擬僅在燃料電池組多個電池的部分電池中局部產生的電壓反轉行為。

背景技術

聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)技術被廣泛地用作車輛的燃料電池。為使PEMFC在不同的車輛運行狀態下適當實現至少幾十千瓦的高功率性能，PEMFC需要在寬范圍的電流密度下穩定運行。

眾所周知，燃料電池實現為單元電池堆疊的電池組形式以滿足相應的功率需求。膜電極組件(MEA)位于燃料電池組的單元電池的最里部分。MEA包括可以使氫離子移動的固體聚合物電解質膜，以及作為催化劑電極的陽極和陰極，其中通過在聚合物電解質膜的兩面上涂覆催化劑而配置催化劑電極。另外，氣體擴散層(GDL)和墊片布置在MEA的外部，即陽極和陰極的外部。并且，隔板(separator)或雙極板布置在GDL外部從而提供流場用于供應反應氣體和排除反應所產生的水。

在燃料電池產生電的反應中，在供應到陽極(在燃料電池中在此發生氧化)的氫氣被分解成氫離子和電子之后，氫離子經聚合物電解質膜向發生還原的陰極移動，并且電子通過外部電路向陰極移動。并且，在陰極中，氧分子、氫離子和電子相互反應而產生電、熱和副產物水。

如果在燃料電池中電化學反應產生適量的水，所生成的水可以為MEA高效運行維持適當的濕度。但是，如果水過量產生，且過量的水在高電流密度下未被移除，則可能發生溢流(flooding)。這種溢流可妨礙反應氣體高效供應到燃料電池，從而進一步加重電壓損耗。

由于各種因素比如燃料電池中的溢流、冬季結冰和反應氣體供給裝置異常等等，可能出現反應氣體(即，在PEMFC中使用的陽極的氫氣和陰極的氧氣或空氣)不足。特別地，已知陽極的氫燃料不足對燃料電池的性能有顯著的決定性影響，因此其致使電池電壓顯著降低。

一般而言，氫燃料不足可以分為整體氫氣不足，即遍及整個燃料電池氫氣供應都不足，以及局部氫氣不足，即，盡管有充足的氫氣供應，但由于分布不均，導致局部氫氣供應不足。在運行狀態例如氫氣的供應和分布不均、燃料電池負載需求突然增加、和/或燃料電池啟動的狀態下經常出現氫燃料不足。整體氫氣不足可以相對容易地通過在燃料電池系統中使用傳感器監測氫氣供應而被檢測到，而部分電池的局部氫氣不足僅能通過使用電池組電壓監測裝置單獨地對燃料電池組中的各電池進行準確監測來檢測，這需要更大的努力和更復雜的控制系統。這里，電池組表示包括兩個以上電池的燃料電池，且部分電池是指等于或少于電池組中電池總量的50％的一個或多個電池。

圖1是示出在實際燃料電池車輛的電池組中產生的電池電壓快速降低的視圖。在圖1所示的燃料電池組中，一個電池的電壓在5分鐘或更長的運行期間內快速降至0.1V。當出現電池電壓快速降低時，需要停止汽車電池組的運行，以便使整個燃料電池不會受損，且隨后需要更換或修復運行異常的電池。這種現象經常因為局部氫氣不足而發生。當用戶繼續開車而沒有修復電壓降低的電池時，汽車可能很快進入電壓低于0V的電池電壓反轉狀態，加速MEA催化劑載體(support)即碳的腐蝕。

一般來說，在MEA催化劑載體中廣泛使用的碳在PEMFC的運行狀態下是熱力學不穩定的，且可能按照下列化學反應式被氧化：

C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^-(0.207V vs.RHE)

C+H₂O→CO+2H⁺+2e^-(0.518V vs.RHE)

這里，RHE表示基準氫電極。一般來說，上述氧化反應緩慢進行，但是在燃料電池的高電壓狀態下可以快速進行。高電壓狀態通常是因氫氣不足或燃料電池車輛起動/關閉引起。另外，當電池電壓反轉繼續且隨后達到約-2V的過度電壓反轉狀態時，燃料電池產生的熱量變得過多，損壞整體的MEA和氣體擴散層，特別是造成在MEA中出現針孔(pin-hole)和電池電短路的嚴重情況。由此，燃料電池進入燃料電池不能再正常運行且必須完全更換的電池失效狀態。

因此，在出現電壓反轉之前通過適當控制燃料電池車輛以使燃料電池車輛穩定運行以及開發耐用性優良的可以承受電壓反轉的燃料電池部件和系統是很重要的。然而，因為難以在運行燃料電池車輛之前檢測到前述的由局部氫氣不足引起的電池電壓反轉，所以應當在車輛開始運行之前獲得可以可重現模擬這種現象的標準診斷技術。