[發(fā)明專利]利用燃料電池組的燃料電池堆健康監(jiān)測

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710285585.X
• 申請日: 2017-04-27
• 公開（公告）號: CN107342430B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M·辛哈;P·A·拉帕波特;吉田弘道;豐田將平;Y-H·萊
• 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;本田技研工業(yè)株式會社
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;H01M8/04313
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 賀紫秋

一種燃料電池堆包括多個電池組和控制器，其中每個電池組包括多個燃料電池和測量相應(yīng)電池組的一個或多個電氣特性的組傳感器。控制器包括一個或多個處理器和存儲器，并且通信地聯(lián)接至每個組傳感器。一個或多個處理器執(zhí)行機(jī)器可讀指令，以將每個電池組的測量電氣特性與存儲在存儲器中的一個或多個閾值進(jìn)行比較，并且當(dāng)比較指示非系統(tǒng)事件時(shí)，指示需要對燃料電池堆進(jìn)行診斷。

技術(shù)領(lǐng)域

本說明書總體上涉及用于監(jiān)測和識別燃料電池堆中的非系統(tǒng)事件的方法和設(shè)備，并且更具體地涉及用于對燃料電池堆內(nèi)的燃料電池進(jìn)行分組以監(jiān)測和識別每一組內(nèi)的單獨(dú)燃料電池所經(jīng)受的非系統(tǒng)事件的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)

燃料電池經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)將燃料轉(zhuǎn)化為可用的電能。這種能量產(chǎn)生方式的顯著益處在于其不依賴于作為中間步驟的燃燒而實(shí)現(xiàn)。如此，相對于內(nèi)燃機(jī)(ICE)以及用于推進(jìn)和相關(guān)動力應(yīng)用的相關(guān)動力產(chǎn)生源而言，燃料電池具有若干環(huán)境優(yōu)勢。在典型的燃料電池-例如，質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(在任一情況下，簡稱為PEM)燃料電池中，一對催化電極由離子透過電解質(zhì)層(例如，Nafion^TM)分隔開，使得這三個層一起形成通常被稱為膜電極組件(MEA)的組件。負(fù)極和正極上典型的催化劑負(fù)載量為每平方厘米的載體表面積(例如多孔碳基墊)約0.05至0.4mg的鉑(Pt)。當(dāng)將形式為氣態(tài)還原劑(例如氫氣，H₂)的第一反應(yīng)物引入負(fù)極并在負(fù)極處電離并且隨后讓其通過離子透過介質(zhì)使得其與已經(jīng)通過另一電極(正極)引入的形式為氣態(tài)氧化劑(例如氧氣，O₂)的第二反應(yīng)物結(jié)合時(shí)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；這種反應(yīng)物的結(jié)合形成作為副產(chǎn)物的水。在第一反應(yīng)物的電離中釋放的電子以直流(DC)的形式通過外部電路到達(dá)正極，該外部電路通常包括負(fù)載(例如電動機(jī)以及各種泵、閥、壓縮機(jī)或其他流體輸送部件)，在這里可以進(jìn)行有用的工作。通過將大量這樣的電池組合成更大的發(fā)電組件，可以增大由該DC電的流動產(chǎn)生的發(fā)電。在一種這樣的構(gòu)造中，燃料電池沿著共同的堆疊尺寸連接-非常像一疊卡片-以形成燃料電池堆。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在該上下文中，布置成增加總體電壓或電流輸出的許多單獨(dú)電池的任何這樣的布置被認(rèn)為是定義了一個堆，即使是在電池的這種精確堆疊布置不明顯的情況下。

由于擴(kuò)散介質(zhì)(DM)或流動通道中的溢流或冰堵塞以及MEA內(nèi)或跨MEA的H₂分布不均等因素，燃料電池堆內(nèi)的一些電池可能經(jīng)受向負(fù)極的H₂供應(yīng)減少；這可能在啟動或正常運(yùn)行期間發(fā)生，并且在極端的實(shí)例中，供應(yīng)可能會被完全切斷。負(fù)極中的總體H₂不足(其中H₂供應(yīng)被完全切斷)導(dǎo)致稱為電池反向的現(xiàn)象，其中負(fù)極被極化到比正極高得多的電位。當(dāng)負(fù)極的一小部分被切斷H₂供應(yīng)時(shí)，正極的與負(fù)極的H₂不足部分相對應(yīng)的部分經(jīng)受比某些關(guān)鍵燃料電池部件的氧化閾值更高的電壓電位，這些關(guān)鍵燃料電池部件例如是構(gòu)成催化劑載體層的碳。這又導(dǎo)致了受影響電池內(nèi)出現(xiàn)碳腐蝕以及相關(guān)的性能損失，或者甚至出現(xiàn)電氣短路。

改善負(fù)極不足以及隨后的電池反向的影響的努力還無法令人滿意。在一個這樣的努力中，使用電池電壓監(jiān)測(CVM)作為一種監(jiān)測電池電壓變化的方式。不幸的是，這種監(jiān)測僅提供了已經(jīng)在電池堆內(nèi)形成的氫短缺事件的標(biāo)志。此外，因?yàn)閷γ總€電池中的非系統(tǒng)事件進(jìn)行監(jiān)測和識別所需的傳感器、相關(guān)聯(lián)的電線以及控制器連接的數(shù)量的緣故，將CVM布置在電池堆中的每個電池上成本較高。另一種這樣的努力可能涉及到促進(jìn)優(yōu)先析氧反應(yīng)的催化劑，作為一種抑制競爭性碳腐蝕反應(yīng)的方式；單獨(dú)的石墨化載體策略在經(jīng)常伴隨著燃料電池系統(tǒng)啟動、關(guān)閉、瞬變或流動阻塞操作條件的總體或局部H₂不足問題的情況下，不能充分降低碳腐蝕速率。

因此，需要用于監(jiān)測和識別燃料電池堆內(nèi)的非系統(tǒng)事件的替代方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容