本发明专利技术涉及燃料电池堆的膜失效和燃料电池系统构件缺陷的早期检测方法，具体提供了用于确定燃料电池堆的燃料电池中可能的膜失效的系统和方法。该方法包括监测堆电流密度和堆中燃料电池的最小电池电压。如果最小电池电压和堆电流密度均小于预定值，则该方法用最小电池电压的比例因子乘以堆电流密度的比例因子来提供膜失效因子。如果膜失效因子大于阈值，则给出可能的膜失效的提示。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术大体涉及用于检测燃料电池堆中燃料电池的可能的膜失效的系统和方法，并且更具体地，涉及包括如下方面的用于检测燃料电池堆中燃料电池的可能的膜失效的系统和方法确定根据最小电池电压和堆电流密度确定的乘法因子是否大于表示可能的失效的预定乘法因子。
技术介绍
氢是非常有吸引力的燃料，因为它清洁并且能够用来在燃料电池中有效地发电。氢燃料电池是如下电化学装置包括阳极和阴极，电解质在它们之间。阳极接收氢气，并且阴极接收氧或空气。氢气在阳极被离解从而产生自由质子和电子。 质子经过电解质到阴极。质子与阴极中的氧和电子反应从而生成水。来自阳极的电子不能经过电解质，并且因此在被传送到阴极之前被弓I导通过负荷进行工作。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC —般包括诸如全氟磺酸膜的固体聚合物电解质质子传导膜。阳极和阴极通常包含磨碎的催化颗粒，所述催化颗粒通常是钼(Pt)，被支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合体限定了膜电极组件(MEA)。MEA可通过其它技术制造，例如催化剂涂覆扩散介质(CCDM)和物理气相沉积(PVD)工艺。MEA的制造相对较贵并且需要用于有效操作的特定条件。数个燃料电池通常合并在燃料电池堆中以产生期望的电力。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆积的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应性气体，该反应性气体通常是通过压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。并不是所有的氧气均被燃料电池堆消耗，而是一些空气被输出作为阴极排气，该阴极排气可能包括作为堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢气反应性气体。燃料电池堆还包括流道，冷却流体通过该流道流动。燃料电池堆包括一系列双极板，该一系列双极板定位在燃料电池堆中的几个MEA之间，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道设置在双极板的阳极侧上，允许阳极反应性气体流到相应的MEA。阴极气体流道设置在双极板的阴极侧上，允许阴极反应性气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流道，并且另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板均由导电材料制成，所述导电材料诸如不锈钢或导电复合材料。端板将由燃料电池所产生的电传导出燃料电池堆。双极板还包括流道，冷却流体通过该流道流动。随着燃料电池堆的老化，燃料电池堆中单独的电池的性能因各种因素而有区别地退化。存在低性能电池的不同原因，诸如电池溢流、催化剂消耗等，一些是临时性的并且一些是永久性的，一些需要维护，并且一些需要进行燃料电池堆或燃料电池替换以更换那些低性能电池。虽然燃料电池串联地电联接，但是当负荷联接在燃料电池堆两端时，每个电池的电压有区别地下降，其中那些是低性能电池的电池具有较低的电压。因此，有必要监测燃料电池堆中燃料电池的电池电压以确保电池的电压不会下降到预定阈值电压之下从而防止电池电压极性反转，所述极性反转可能导致对电池的永久性损伤。一种类型的燃料电池退化是电池膜失效，尤其在低的堆电流密度下电池膜失效会引起电池电压损失。膜失效通常是许多因素的结果。例如，燃料和氧化剂的无效分离可导致膜和MEA的加速失效。另外，膜失效能够因如下机械应力而发生所述机械应力因动态运行和运行条件上的动态改变尤其是由于温度和湿度的不断变化而在膜上产生。能够引起膜失效的另一个因素是化学应力，所述化学应力可在运行燃料电池中发生。膜失效也可能是诸如机械失效或疲劳失效、短路等的其它因素的结果。电池膜失效通常将弓I起两个现象中的一个或两个。作为引起燃料电池的电压损失的针孔(pin-hole)和膜变薄的结果而产生的那些现象中的一个包括反应性气体跨越穿过燃料电池中的膜。响应于燃料电池内的作为其运行的结果的电环境，针孔随时间推移而发生。反应性气体跨越(cross-over)能够从阴极到阳极或从阳极到阴极发生，这取决于阳极 和阴极之间的相对压力和局部压力，它们具有相同的失效后果。随着针孔的尺寸增加并且横跨穿过膜的气体量增加，最终将发生电池失效。此外，在从燃料电池堆提取很大功率的高负载下，作为跨越的结果而出现的低性能电池可导致堆快速停止。电池膜失效的另一现象因电池短路而发生，其中阴极电极和阳极电极由于一些不期望的条件而变成彼此直接电接触。其它类型的燃料电池退化一般被称为电极失效，它也会引起电池电压损失并且通常在所有堆电流密度下或至少在高堆电流密度下发生。燃料电池电极失效通常是随时间推移而发生的流道溢流和一般电池退化、催化剂活性损失、催化剂载体腐蚀、电极孔隙度损失等的结果。2010 年 I 月 20 日提交的标题为 “Detection Method for Membrane ElectrodeFailures and Fuel Cell Stacks (用于膜电极失效和燃料电池堆的检测方法)”的美国申请No. 12/690，672，公开了用于检测燃料电池堆的燃料电池中膜失效的系统和方法，其包括计算绝对三角接线电压值(delta voltage value),该三角接线电压值是多个采样点处的平均电池电压和最小电池电压之差的平均值，该美国申请被转让给本申请的受让人并且通过引用并入此处。如上所讨论的，已经表明，由于随着燃料电池堆接近其寿命末期而老化，堆中的许多燃料电池膜变得相对较薄并且允许增加的穿过膜的跨越，该跨越具有上面所提及的不期望的影响。因为膜的大部分的确变薄，所以平均电池电压降低，并且平均电池电压和最小电池电压之间的相对差可能不能表示存在膜变薄和跨越问题。此外，已经表明，在高的堆电流密度下(其中阳极和阴极流率高)，阳极和阴极化学计量通常克服跨越的问题，其中该问题可能是不可检测到的。已经表明，堆跨越(stack cross_over)问题在低的堆电流密度下变得更普遍,其中流率低并且跨越效应未被掩盖。此外，当供给至堆的阴极侧和阳极侧的氢气和氧气的量受到严格控制以确保适当的排放和堆运行时，堆跨越变得更明显，其中作为跨越的结果的那些气体的任何减少在堆稳定性上可具有显著的且不期望的影响。
技术实现思路
根据本专利技术的教义，公开了用于确定燃料电池堆的燃料电池中可能的膜失效的系统和方法。该方法包括监测堆电流密度和堆中燃料电池的最小电池电压。如果最小电池电压和堆电流密度均小于预定值，则该方法用最小电池电压的比例因子乘以堆电流密度的比例因子来提供膜失效因子。如果膜失效因子大于阈值，则给出可能的膜失效的提示。本专利技术还涉及以下技术方案。方案I. 一种用于检测燃料电池堆的燃料电池中可能的膜失效的方法，所述方法包括 监测所述燃料电池堆中燃料电池的电压； 从所述燃料电池堆中燃料电池的电池电压识别最小电池电压； 确定所述燃料电池堆的电流密度； 通过所述最小电池电压和所述堆电流密度的代表值的相乘来计算乘法因子；以及 将所述乘法因子与阈值乘法因子相比较以确定可能的膜失效是否正在发生。方案2.根据方案I所述的方法，进一步包括将所述最小电池电压和所述堆电流密度按比例调整在零和预定数之间以提供所述代表值，其中零代表最小电池电压和最小电流密度，并且所述预定数代表零电池电压和零堆电流密度。方案3.根据方案2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于检测燃料电池堆的燃料电池中可能的膜失效的方法，所述方法包括：监测所述燃料电池堆中燃料电池的电压；从所述燃料电池堆中燃料电池的电池电压识别最小电池电压；确定所述燃料电池堆的电流密度；通过所述最小电池电压和所述堆电流密度的代表值的相乘来计算乘法因子；以及将所述乘法因子与阈值乘法因子相比较以确定可能的膜失效是否正在发生。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B麦默拉夫，B克劳泽，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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