[發明專利]檢測燃料電池氣體泄漏的方法

有效

• 申請號: 201810000834.0
• 申請日: 2018-01-02
• 公開（公告）號: CN108288717B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: J·J·格力亞朵;S·D·佩斯
• 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: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;H01M8/04223;H01M8/0438;H01M8/04664;G01M3/26
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 馮劍明

一種用于確定燃料電池系統中的燃料電池組的陽極體積中是否存在氣體泄漏的方法。該方法包括確定在預定時間段期間燃料電池組的陽極體積中的總氣體損失量，并且監測在預定時間段期間來自陽極體積的氣體損失，諸如反應損失、交疊損失和舷外損失。該方法還包括從總氣體損失量中減去氣體的損失以獲得陽極泄漏損失，并將陽極泄漏損失與預定閾值進行比較以識別氫氣泄漏。

技術領域

本發明通常涉及用于檢測燃料電池系統的陽極子系統中的氣體泄漏的系統和方法，并且更具體地涉及用于在泄漏檢測狀況期間檢測來自燃料電池系統的陽極子系統的氣體泄漏的系統和方法，這可以是對燃料電池系統的零凈功率請求或功率耗散，諸如在系統關閉、啟動、喚醒、待機等期間，其中該方法包括確定從陽極側到陰極側通過燃料電池中的膜滲透的氣體量，確定通過密封件、閥和墊圈損失的氣體量，確定因電化學反應用掉的氫氣量，將這些量加在一起，并從總氣體損失中減去相加量以確定該差值是否大于預定閾值，這將指示泄漏。

背景技術

氫燃料電池是電化學裝置，其包括其間具有電解質的陽極和陰極。陽極接收氫氣，而陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極解離以產生自由氫質子和電子。氫質子穿過電解質到達陰極。來自陽極的電子不能通過電解質，并因此在被送至陰極之前被引導通過負載進行工作。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的常用燃料電池類型，并且通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括細碎的催化顆粒，通常是鉑(Pt)，其負載在碳顆粒上并與離聚物混合，其中催化混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。膜阻止燃料電池組的陽極側與陰極側之間的氣體輸送，同時允許質子的輸送以在其相應電極上完成陽極反應和陰極反應。

通常將幾個燃料電池組合在燃料電池組中以產生期望的功率。燃料電池組通常包括位于電池組中的多個MEA之間的一系列流場或雙極板，其中雙極板和MEA定位于兩個端板之間。雙極板包括用于電池組中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道設置在雙極板的陽極側上，其允許陽極反應物氣體流向相應的MEA。陰極氣體流動通道設置在雙極板的陰極側上，其允許陰極反應氣體流向相應的MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，而另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導電材料諸如不銹鋼或導電復合材料制成。端板將燃料電池產生的電力傳導出電池組。雙極板還包括冷卻流體流經的流動通道。

燃料電池中的MEA是可滲透的并且因此允許來自電池組的陰極側的空氣中的氮滲透通過并收集在電池組的陽極側，通常稱為氮交疊。即使陽極側壓力可能略高于陰極側壓力，陰極側分壓將使空氣滲透通過膜。燃料電池組的陽極側的氮稀釋氫，使得如果氮濃度增加超過一定百分比，例如50％，則電池組中的燃料電池可能變得缺氫。如果燃料電池變得缺氫，則燃料電池組將不能產生足夠的電力，并且可能損壞燃料電池組中的電極。因此，本領域已知在燃料電池組的陽極排氣輸出管線中提供排氣閥以從電池組的陽極側除去氮。燃料電池系統控制算法將識別陽極中期望的最小氫氣濃度，并且當氣體濃度下降到該閾值以下時使排氣閥打開，其中該閾值基于電池組穩定性。

本領域已知使用模型來估計燃料電池組的陽極側中氣體的摩爾份數以確定何時執行陽極側或陽極子系統的排氣。例如，已知用于估計燃料電池系統的各種體積諸如陽極流場、陽極管道、陰極流場、陰極頭和管道等中的氫、氮、氧、水汽等的氣體濃度估計(GCE)模式。

燃料電池系統中的陽極子系統的氣體泄漏是主要顧慮，因為存在于混合物中的氫氣物質可能會影響整個系統效率和產品安全性。例如，由雙極板和/或密封件破裂引起的安全問題可能是明顯的，這對于另外可修復的燃料電池組可能是災難性的并且可能為車輛操作員創造危險的環境。此外，由于排放要求，氫氣泄漏檢測必須準確以確保符合性，并且在陽極子系統中的氣體損失時能夠進行反應作用。另外，必須避免誤報，因為任何泄漏將會給車輛操作員帶來不便。

發明內容