[發(fā)明專利]對于燃料電池系統(tǒng)中空氣流量誤差的補(bǔ)救措施

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410094227.7
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN104051757B
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: D.R.勒布策爾特;L.德夫里斯;T.K.普雷斯頓;J.馬斯羅;J.P.諾蘭
• 申請（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
• 主分類號: H01M8/04828
• 分類號: H01M8/04828;H01M16/00;H01M8/04089;H01M8/04223;H01M8/04291;H01M8/0438;H01M8/04492;H01M8/04537;H01M8/04664;H01M8/04746;H01M8/04228
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 董均華,胡斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及一種用于當(dāng)在陰極空氣流量估算中的誤差被檢測出時繼續(xù)使燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行的方法，并且更特別地，涉及一種用于當(dāng)在陰極空氣流量估算中的誤差被檢測出并且最小電池電壓下降到預(yù)定閾值以下時增加到燃料電池組中空氣流量的方法。

背景技術(shù)

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(chǎn)電力。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其包括在其間具有電解質(zhì)的陽極和陰極。陽極接收氫氣并且陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極催化劑中離解以產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰極催化劑處與氧氣和電子發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能穿過電解質(zhì)，并且因此在被發(fā)送到陰極之前被引導(dǎo)通過負(fù)載以做功。

質(zhì)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(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極典型地包括精細(xì)分割的催化粒子（通常為鉑（Pt）），其被支撐在碳粒子上并與離聚物混合。催化混合物沉積在膜的相對側(cè)。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合定義了一種膜電極組件（MEA）。MEA制造起來相對昂貴并且需要一定的條件來高效運(yùn)行。

通常，多個燃料電池組合在燃料電池組中以產(chǎn)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成組的燃料電池。燃料電池組接收陰極輸入氣體（典型地，通過壓縮機(jī)迫使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排氣被輸出，這些陰極排氣可以包括作為電池組副產(chǎn)品的水。燃料電池組還接收流入電池組陽極側(cè)中的陽極氫輸入氣體。

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(cè)和陰極側(cè)。陽極氣流通道設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上，其允許陽極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)的MEA。陰極氣流通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，其允許陰極反應(yīng)氣體流到相應(yīng)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(dǎo)電材料制成，例如，不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的傳導(dǎo)到電池組之外。雙極板還包括冷卻流體流動通過的流動通道。

如在本領(lǐng)域中所良好理解的，燃料電池膜以一定的相對濕度（RH）運(yùn)行，以便越過所述膜的離子電阻足夠低以有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。來自燃料電池組的陰極出口氣體的相對濕度通常通過控制多個電池組運(yùn)行參數(shù)（例如電池組壓力，溫度，進(jìn)入電池組的陰極空氣的陰極化學(xué)當(dāng)量和相對濕度）被控制從而控制所述膜的相對濕度。為了電池組的耐用性之目的，期望使所述膜的相對濕度循環(huán)數(shù)量最小化，因為在RH極值之間循環(huán)已被示出嚴(yán)重限制膜的壽命。膜的RH循環(huán)導(dǎo)致膜膨脹和收縮，這是由于吸收水并且隨后干燥。膜的這種膨脹和收縮導(dǎo)致膜內(nèi)有針孔，其引起氫氣和氧氣橫跨通過所述膜從而形成熱點(diǎn)，其進(jìn)一步增加了膜內(nèi)孔的尺寸，從而減少了其壽命。

如上所述，水可以作為電池組運(yùn)行的副產(chǎn)品產(chǎn)生。因此，來自電池組的陰極排氣將包括水汽和液態(tài)水。本領(lǐng)域中已知的是，使用水汽輸送（WVT）單元來捕獲在陰極排氣中的一些水，并且使用所述水增濕陰極輸入空氣流。在所述膜一側(cè)的陰極排氣中的水被所述膜吸收，并且輸送到在所述膜另一側(cè)的陰極空氣流。

在燃料電池的運(yùn)行期間，來自MEA的水分和外部增濕的濕氣可以進(jìn)入陽極和陰極流動通道。在低電池功率需求（通常在0.2 A/cm2以下）時，水可以在流動通道內(nèi)積聚，因為反應(yīng)物氣體的流速太低以致于不能迫使水離開通道。當(dāng)水積聚時，小滴在流動通道內(nèi)形成。隨著小滴的尺寸增大，流動通道被關(guān)閉，并且反應(yīng)物氣體被轉(zhuǎn)移到其它流動通道，因為通道在共用入口和出口歧管之間是并行的。隨著小滴尺寸的增加，小滴的表面張力可以變得比試圖將小滴推向排出歧管的δ壓力大，所以反應(yīng)物氣體可能不流動通過由水阻塞的通道，反應(yīng)物氣體不能迫使水離開通道。所述膜的由于通道被阻塞而不接收反應(yīng)物氣體的那些區(qū)域?qū)⒉划a(chǎn)生，從而導(dǎo)致不均勻的電流分配，并且減少了燃料電池的總效率。隨著越來越多的流動通道被水阻塞，由燃料電池生產(chǎn)的下降，其中電池電壓電勢少于200 mV被視為電池失效。由于燃料電池為串聯(lián)電氣聯(lián)接，所以如果燃料電池中的一個停止運(yùn)行，全部燃料電池組可能停止運(yùn)行。