[發明專利]用于空氣存儲陰極碳損失估算的車輛應用

有效

• 申請號: 201310604604.2
• 申請日: 2013-11-26
• 公開（公告）號: CN103840183A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: A.J.馬斯林;P.T.于;R.馬哈里亞
• 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: 宋寶庫;何逵游

技術領域

本發明總體上涉及一種用于估算燃料電池系統的燃料電池堆中的陰極碳損失的系統和方法，更具體地涉及一種用于估算燃料電池系統的燃料電池堆中的由空氣存儲導致的陰極碳損失并且調節燃料電池運轉策略來補償該陰極碳損失的系統和方法。

背景技術

氫是一種非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的并且可用于在燃料電池中有效地產生電。氫燃料電池是一種包括陽極和陰極以及介于兩者之間的電解質的電化學裝置。陽極接收氫氣，而陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極催化劑處離解以產生質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子與氧和電子在陰極催化劑處反應以產生水。來自陽極的電子不能穿過電解質，并因此被引導穿過負載以便在被發送到陰極之前做功。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的流行燃料電池。質子交換膜燃料電池通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜－例如聚全氟磺酸膜。陽極和陰極通常但不總是包括精細的催化劑顆粒－通常是支撐在碳粒子上并且與離子聚合物混合的高活性催化劑-例如鉑(Pt)。催化混合物沉積在膜的相反側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定膜電極組件(MEA)。膜電極組件制作成本比較昂貴而且需要某些條件來進行有效操作。

若干燃料電池通常組合在一個燃料電池堆中以生成期望的功率。例如，用于車輛的典型燃料電池堆可具有200或更多個堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，所述陰極輸入氣體通常是在壓縮機作用下穿過燃料電池堆的空氣流。不是所有氧都被燃料電池堆消耗，一些空氣作為陰極排出氣體被排出，所述陰極排出氣體可包括作為燃料電池堆的副產品的水。燃料電池堆還接收流入到電池堆陽極側的陽極輸入氫氣。

燃料電池堆包括定位在燃料電池堆中的若干膜電極組件之間的一系列雙極板，其中雙極板和膜電極組件定位在兩個端板之間。對燃料電池堆中的相鄰燃料電池而言，雙極板包括陽極側和陰極側。設置在雙極板陽極側上的陽極氣流流場允許陽極反應氣體流向相應的膜電極組件。設置在雙極板陰極側上的陰極氣流流場允許陰極反應氣體流向相應的膜電極組件。一個端板包括陽極氣流通道，而另一個端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板由導電材料－例如不銹鋼或導電復合材料制成。端板將燃料電池產生的電流傳導出燃料電池堆。雙極板還包括冷卻流體流過其中的流動通道。

燃料電池內的膜需要具有足夠水含量，以便穿過膜的離子阻力足夠低從而有效地傳送質子。膜濕度可來自燃料電池堆的水副產品或者外部濕度。反應物穿過燃料電池堆的流動通道的流動對電池膜具有干燥效果(在反應物流的入口處最顯著)。然而，流動通道內的水滴的聚集可阻止反應物流過其中，并且可因為低反應物氣流而導致電池故障，因此影響燃料電池堆的穩定性。反應物氣流通道中以及氣體擴散層(GDL)內水的聚集在低燃料電池堆輸出負載時尤其棘手。

如上所述，水作為燃料電池堆運轉的副產品而產生。因此，來自燃料電池堆的陰極排出氣體將通常包括水蒸氣和液體水。所屬領域中公知使用水蒸氣傳送(WVT)單元來捕獲陰極排出氣體中的一些水，并且使用這些水來加濕陰極輸入空氣流。在水傳送元件-例如膜的一側處的陰極排出氣體中的水，被水傳送元件吸收并且輸送到水傳送元件的另一側處的陰極空氣流中。

在燃料電池系統的運轉期間發生的多種情況導致燃料電池堆電壓和性能的永久損失-例如催化劑活性的損失以及陰極碳載體腐蝕。陰極碳載體腐蝕對燃料電池堆性能的影響是非線性的并且在燃料電池電動車輛(FCEV)的關閉時間期間可能由燃料電池堆中空氣的存儲導致。陰極碳載體腐蝕是不可逆的并且如果不減輕的話可能限制燃料電池壽命。2011年4月26日提交的、序號為No.13/094300、標題為“用于燃料電池堆健康定量的車載算法”的美國專利申請被轉讓給本申請的受讓人并且在此通過引用并入本申請中，所述美國專利申請公開了一種用于確定燃料電池堆中的燃料電池的健康的方法，所述方法包括確定燃料電池堆中的燃料電池的催化劑層的催化劑載體面積和剩余的催化劑表面面積，所述確定可被用于估算燃料電池堆電壓。然而，在本領域中需要一種估算由車輛關閉時間的空氣存儲導致的碳損失的方式，所述方式允許一旦達到預定的估算碳損失限制就減輕碳損失或碳損失對燃料電池性能的影響以便延遲燃料電池故障，從而延長燃料電池堆的壽命。

發明內容

根據本發明的教導，公開了一種用于估算車輛中的燃料電池堆的燃料電池中的碳載體損失的量的系統和方法。所述系統和方法包括估算燃料電池堆中的氫濃度為零的時間量以及基于所述燃料電池堆中的氫濃度為零的時間量來計算碳損失的量。