[發明專利]對于燃料電池系統中最小電池電壓下降速率的選擇性反應

有效

• 申請號: 201410026464.X
• 申請日: 2014-01-21
• 公開（公告）號: CN103943871B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: D.R.勒布策爾特;B.拉克什馬南;S.加納帕蒂;S.斯爾吉瓦-羅夫里亞;B.J.克林格曼;M.J.基弗
• 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: H01M8/04858
• 分類號: H01M8/04858;H01M8/04537
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 董均華,嚴志軍

技術領域

本發明總體上涉及一種用于確定燃料電池組中低性能燃料電池的電壓下降是否由陽極反應物缺乏而造成的系統和方法，并且更特別地，涉及一種用于通過將電壓下降速率與預定閾值比較，來確定燃料電池組中低性能燃料電池的電壓下降是否由陽極缺乏而造成的系統和方法。

背景技術

氫氣是一種非常有吸引力的燃料，因為它潔凈并且能夠用于在燃料電池中高效地生產電力。氫燃料電池是一種電化學裝置，其包括在其間具有電解液的陽極和陰極。陽極接收氫氣并且陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極中離解以產生自由的質子和電子。質子穿過電解液到達陰極。質子與氧氣和電子在陰極發生反應而產生水。來自陽極的電子無法穿過電解液，并且因此在被發送到陰極之前被引導通過負載以完成工作。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種用于車輛的受歡迎的燃料電池。PEMFC總體上包括固態聚合物電解液質子導電膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極典型地包括極細的催化劑粒子（通常為鉑（Pt）），其被支撐在碳粒子上并與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相反側。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合定義了一種膜電極組件（MEA）。MEA制造起來較為昂貴并且需要一定的條件來高效操作。

通常，在燃料電池組中多個燃料電池通過串聯聯接組合以產生所需的功率。例如，用于車輛的典型的燃料電池組可以具有兩百或更多個堆疊的燃料電池。燃料電池組接收陰極輸入反應氣體（典型地，通過壓縮機強行通過電池組的空氣流）。并非所有的氧氣都被電池組消耗，并且一些空氣作為陰極廢氣被輸出，這些陰極廢氣可以包括作為電池組副產品的水。燃料電池組還接收流入電池組陽極側的陽極氫反應氣體。電池組還包括冷卻液流過的流動通道。

燃料電池組包括定位在電池組中的多個MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA被定位在兩個端板之間。雙極板包括用于電池組中相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣流通道設置在雙極板的陽極側，其允許陽極反應氣體流到相應的MEA。陰極氣流通道設置在雙極板的陰極側，其允許陰極反應氣體流到相應的MEA。一個端板包括陽極氣流通道，并且另一個端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板由導電材料制成，例如，不銹鋼或導電復合物。端板將燃料電池產生的電力傳導到電池組之外。雙極板還包括冷卻液流過的流動通道。

隨著燃料電池組的老化，電池組中各個電池的性能由于各種因素而不同程度地降低。此外，存在導致電池不同操作的多種電池組操作條件。還存在低性能電池的多種誘因，例如電池溢流、催化劑損失等，一些是臨時性的并且一些是永久性的，一些需要維修，并且一些需要更換電池組來替換低性能的電池。例如，如果一個電池缺乏反應物（尤其是氫氣），電池的電壓將下降，并且可能發生不希望的副反應。在本領域中公知的是，低性能電池可能是由于電池的陽極反應物或陰極反應物之一或兩者缺失，例如，比如說在反應物流動通道中形成了冰。如本文中所使用的，陽極反應物缺乏指的是到達電池的氫氣量比維持消耗的電流所需的量少，并且陰極反應物缺乏的意思是到達電池的氧氣量比維持消耗的電流所需的量少。

雖然燃料電池被電氣串聯聯接，但是當負載跨過電池組而聯接時每個電池的電壓不同程度地減小，其中低性能的那些電池具有較低的電壓。由于所有的燃料電池被電氣串聯聯接，所以如果電池組中一個燃料電池失效，那么整個電池組就會失效。另外，由于電池被電氣串聯聯接，所以各電池必須生產全部電池組電流。因此，有必要分別監測電池組中燃料電池的電壓，以確保電池的電壓不會下降到低于預定的閾值電壓，從而防止電池電壓極性反轉（可能會對電池造成永久損壞）。

電池電壓監測器或電池組健康監測器用于測量電池組中燃料電池的電壓以查看電池中的行為，所述行為表明電池組具有的問題。總體上，電池電壓監測器包括在電池組和電池組的端板中的與各雙極板或一些數量雙極板的電氣連接件，以測量各電池的正極側與負極側之間的電壓電勢。

如果最小電池電壓下降到低于某一預定的最小電池電壓閾值（例如300mV，表明電池出現問題），系統控制將很可能采取某措施來試圖防止最小電池電壓進一步下降（這可能損壞電池）。可以采取各種補救措施，例如提供更加良好的電池組潤濕，增大電池組的化學計量等。然而，應對顯著低性能的電池通常所采取的主要補救措施是對電池組進行功率限制或限制其電流，以防止從電池組消耗大量電流。然而，對電池組進行功率限制對于車輛運行和駕駛員滿意度具有明顯缺陷。