CN102759671A - 质子交换膜燃料电池膜健康随其寿命的原位量化算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池膜健康随其寿命的原位量化算法。一种用于确定燃料电池堆中薄膜的健康的方法。确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流。从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流。然后从所述短路电阻和所述横穿寄生电流确定所述薄膜的健康。

Description

质子交换膜燃料电池膜健康随其寿命的原位量化算法

技术领域

本发明总地涉及用于量化燃料电池薄膜随薄膜寿命变化的健康的方法，更特别地，涉及用于确定薄膜的横穿寄生电流和短路电阻以确定燃料电池的健康的方法。

背景技术

因为氢气可再生，并可用于在燃料电池中有效发电，所以是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种电化学装置，包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解，产生自由的氢质子和电子。氢质子穿过电解质到阴极。氢质子与阴极的氧和电子反应，产生水。阳极的电子无法穿过电解质，因此在被输送至阴极之前被引导通过负载做功。

质子交换薄膜燃料电池（PEMFC）是一种用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通常包括支撑在炭颗粒上并与离聚物混合的细分催化剂颗粒，通常为铂（Pt）。催化剂混合物沉积在薄膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和薄膜的组合限定了薄膜电极组件（MEA）。为有效操作，MEA需要适当的燃料供应和湿度。

通常，若干燃料电池组合形成燃料电池堆，以产生期望的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常为通过压缩机强制通过电池堆的空气流。不是全部的氧都被电池堆消耗掉，一部分空气输出作为阴极废气，可包括作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收注入电池堆阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆通常包括位于电池堆中几个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设在双极板的阳极侧上，允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设在双极板的阴极侧上，允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电导出电池堆。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。

MEA是可渗透的，从而允许空气中的氮从电池堆的阴极侧从其渗透通过，并聚集在电池堆的阳极侧，通常称为氮气横穿（nitrogen cross-over）。即使阳极侧压力可能稍高于阴极侧压力，阴极侧局部压力会引起氧和氮渗透通过薄膜。在存在阳极催化剂时，渗透的氧燃烧，但是燃料电池堆阳极侧中渗透的氮稀释了氢。如果氮浓度提高超过一定的百分比，例如50%，那么电池堆中的燃料电池会变得缺少氢。如果阳极变得缺少氢，那么燃料电池堆会无法产生充足的电力，因此可能损坏燃料电池堆中的电极。

本领域中已知在燃料电池堆的阳极废气输出处设置放泄阀，以从电池堆的阳极侧去除氮。本领域还已知，使用模型估计阳极侧中氮的摩尔分数，以确定何时执行阳极侧或阳极子系统的放气。但是，模型估计会含有误差，特别是在燃料电池系统的部件随着时间的过去出现退化时。如果阳极氮摩尔分数估计显著高于实际氮摩尔分数，那么燃料电池系统会排出比必要更多的阳极气体，即，浪费燃料。如果阳极氮摩尔分数估计显著低于实际氮摩尔分数，那么系统会排出不足的阳极气体，燃料电池可能会缺乏反应物，这会损坏燃料电池堆的电极。

本领域需要在燃料电池堆的整个寿命中确定电池堆中薄膜的健康，以确定因异常事件或不一致的薄膜退化引起的电池堆故障。另外，了解薄膜健康有助于开发更耐用的燃料电池薄膜。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于确定燃料电池堆中薄膜的健康的方法。确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流。从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流。然后从所述短路电阻和所述横穿寄生电流确定所述薄膜的健康。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1：一种用于确定燃料电池堆中薄膜的健康的方法，所述方法包括：

防止从所述燃料电池堆汲取功率；

确定所述燃料电池堆中燃料电池的总寄生电流；

从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流；以及

基于所述短路电阻和所述横穿寄生电流确定所述电池堆中所述薄膜的健康。

技术方案2：如技术方案1的方法，其中确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流包括：使所述电池堆的阳极侧的氢浓度逐步下降，以及在每次所述氢浓度逐步下降时停止流向所述电池堆的阴极侧的阴极空气流。

技术方案3：如技术方案2的方法，其中确定所述燃料电池堆中燃料电池的总寄生电流包括，在每次停止阴极空气流之后燃料电池电压下降时测量所述电池堆中燃料电池的电池电压和库仑电荷。

技术方案4：如技术方案1的方法，其中从所述总寄生电流确定所述短路电阻和所述横穿寄生电流包括，在曲线图的x轴上绘制所述电池堆的阳极侧中的氢浓度，和在所述曲线图的y轴上绘制所述总寄生电流。

技术方案5：如技术方案4的方法，其中在所述x轴上绘制所述阳极侧中的氢浓度和在所述y轴上绘制所述总寄生电流包括形成线，其中所述线的斜率表示所述横穿寄生电流，所述线的截距表示所述短路电阻。

技术方案6：如技术方案1的方法，还包括当达到所述横穿寄生电流的预定阈值时，修改所述燃料电池堆的放泄进度。

技术方案7：如技术方案1的方法，还包括如果达到所述短路电阻的预定阈值，则表明需要修理所述燃料电池堆。

技术方案8：一种用于确定燃料电池堆中薄膜的健康的方法，所述方法包括：

执行测试协议，该协议包括使所述电池堆的阳极侧中的氢浓度逐步下降，并在每次氢浓度逐步下降时停止流向所述电池堆的阴极侧的阴极空气流；

在所述测试协议期间，测量所述电池堆中燃料电池的电压降；

基于所述测试协议期间测量的电压降确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流；以及

从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流。

技术方案9：如技术方案8的方法，其中在所述燃料电池堆关闭时执行所述测试协议包括，使所述电池堆的阳极侧中的氢浓度逐步下降，并在每次氢浓度逐步下降时停止所述电池堆的阴极侧上的阴极空气流。

技术方案10：如技术方案8的方法，其中基于所述测试协议期间测量的电压降确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流包括，在每次停止所述阴极空气流之后在燃料电池电压下降时，测量所述电池堆中燃料电池的电池电压和库仑电荷。

技术方案11：如技术方案8的方法，其中从所述总寄生电流确定所述短路电阻和所述横穿寄生电流包括，在曲线图的x轴上绘制所述电池堆的阳极侧中的氢浓度，在所述曲线图的y轴上绘制所述总寄生电流。

技术方案12：如技术方案11的方法，其中在所述x轴上绘制所述电池堆的阳极侧中的氢浓度和在所述y轴上绘制所述总寄生电流包括形成线，其中所述线的斜率表示所述横穿寄生电流，所述线的截距表示所述短路电阻。

技术方案13：如技术方案8的方法，还包括当达到横穿寄生电流的预定阈值时，修改所述燃料电池堆的放泄进度。

技术方案14：如技术方案8的方法，还包括如果达到短路电阻的预定阈值，则表明需要修理所述燃料电池堆。

技术方案15：一种用于确定燃料电池堆中薄膜的健康的方法，所述方法包括：

确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流；以及

从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流，以确定所述电池堆中所述薄膜的健康。

技术方案16：如技术方案15的方法，其中确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流包括使所述电池堆的阳极侧的氢浓度逐步下降、在每次所述氢浓度逐步下降时停止所述电池堆的阴极侧上的阴极空气流、以及在每次停止阴极空气流之后在燃料电池电压下降时测量所述电池堆中燃料电池的电池电压和库仑电荷。

技术方案17：如技术方案15的方法，其中从所述总寄生电流确定所述短路电阻和所述横穿寄生电流包括，在x轴上绘制阳极侧中的氢浓度，和在曲线图的y轴上绘制所述总寄生电流。

技术方案18：如技术方案17的方法，其中在所述x轴上绘制所述阳极侧中的氢浓度和在所述y轴上绘制所述总寄生电流包括形成线，其中所述线的斜率表示所述横穿寄生电流，所述线的截距表示所述短路电阻。

技术方案19：如技术方案15的方法，还包括当达到所述横穿寄生电流的预定阈值时，修改所述燃料电池堆的放泄进度。

技术方案20：如技术方案15的方法，还包括如果达到所述短路电阻的预定阈值，则表明需要修理所述燃料电池堆。

结合附图，从下面的说明书和所附权利要求可清楚本发明的其它特征。

附图说明

图1为燃料电池的截面图；

图2为燃料电池系统的简化框图；

图3为曲线图，x轴为阳极中的氢百分比，y轴为总寄生电流mA/cm²；和

图4为用于量化薄膜健康的算法的流程图。

具体实施方式

下面涉及用于量化燃料电池薄膜随着薄膜寿命变化的健康的系统和方法的本发明实施例的描述实质上仅仅是示例性的，不是意欲以任何方式限制本发明或其应用或使用。

图1为身为下述燃料电池堆的一部分的燃料电池10的截面图。燃料电池10包括被全磺酸薄膜16分隔开的阴极侧12和阳极侧14。阴极侧扩散介质层20设在阴极侧12，阴极侧催化剂层22设在薄膜12与扩散介质层20之间。同样，阳极侧扩散介质层24设在阳极侧14，阳极侧催化剂层26设在薄膜16与扩散介质层24之间。催化剂层22和26及薄膜16限定了MEA。扩散介质层20和24为多孔层，提供通向MEA的输入气体传输以及从MEA的水传输。阴极侧流场板28设在阴极侧12，阳极侧流场板或双极板30设在阳极侧14。

图2为包括燃料电池堆42的燃料电池系统40的简化框图。来自氢源44的氢气通过管路46被提供给燃料电池堆42的阳极侧。阳极废气通过管路50从燃料电池堆42输出，并再循环回管路46。放泄阀56周期性地打开，以通过放泄管路52排出阳极废气，从而从阳极子系统去除氮。管路50中还设有压力传感器60，以测量燃料电池系统40的阳极子系统的压力。在另一实施例中，压力传感器60可位于管路46中，如本领域技术人员所知的。图2示出了可与本发明一起使用的燃料电池系统的一个例子。其它例子包括利用具有阳极流转换的分离堆设计的燃料电池系统。

空气从压缩机62通过管路64被提供给燃料电池堆42的阴极侧。阴极气体通过阴极气体管路66从燃料电池堆42输出。混合装置68设在管路66中，用于将阴极气体与管路52上排出的阳极废气混合。

控制器54监测燃料电池系统40的阳极子系统的压力（如压力传感器60所测量的）、控制压缩机62的速度、控制氢从氢源44向电池堆42的阳极侧的喷射、并控制阳极放泄阀56的位置，如下面更加详细描述的。控制器54利用模型估计氮通过电池堆薄膜16从阴极侧到阳极侧的渗透以及电池堆42的阳极侧中氮的浓度。另外，控制器54测量燃料电池系统40关闭之后阳极子系统达到环境压力所需的时间长度。控制器54还利用算法，该算法量化电池堆42中薄膜的寄生电流，以确定电池堆42中薄膜16的健康，还确定寄生电流是由于穿过薄膜的气体还是由于通过薄膜的短路电流引起的，如下面更加详细描述的。

寄生电流与薄膜健康直接相关。为确定薄膜16的渗透率的变化，可使用燃料电池系统40关闭之后阳极的压力分布。在正常关闭期间，阴极耗尽氧，引起在环境压力下的高水平的氮和低水平氢。因为电池堆42的阴极侧未密封，所以阴极处于环境压力。但是，电池堆42的阳极密封且在系统关闭时仍保持密封。因此，燃料电池堆42的阳极侧具有已知量的氢与氮的增压混合物。当燃料电池系统40进入关闭状态时或阴极空气流关闭时，电池堆42的阳极侧中的氢会通过薄膜16快速扩散进电池堆42的阴极侧，直到薄膜16两边氢平衡为止。这会引起燃料电池堆42的阳极侧中压力的降低。因此，横穿寄生电流依赖于压力，意味着总寄生电流可确定为压力的函数。

当寄生电流为低时，薄膜是健康的，如预期地那样工作。因此，在燃料电池堆42的整个寿命期间都可确定薄膜的健康。另外，可通过测量各电池的电池电压来确定电池堆42中每个薄膜16的寄生电流，或可通过监测平均电池电压和最小电池电压来确定电池堆42中每个薄膜16的寄生电流。另外，薄膜16的寄生电流的变化可用来确定电池堆42的薄膜16是否发生快速退化，或者薄膜16是否更一致地退化。

如果基于电池堆特性确定一个或多个薄膜16的寄生电流够大，足以指示异常事件，例如短路事件，那么燃料电池堆42可能需要关闭和修理。控制器56可指示需要电池堆42的维修，例如，如果达到短路电阻的预定阈值，那么电池堆42必须维修。预定阈值依赖于电池堆特性，例如电池堆中燃料电池的数量。但是，如果一个或多个薄膜16的寄生电流并不指示短路事件，即，薄膜16一致地退化，那么算法可修改燃料电池系统10的操作，以补偿薄膜16的退化。例如，如果确定氢在横穿，即，横穿寄生电流在薄膜16中增加，那么氮会在电池堆42的阳极侧中聚积。在该情形下，算法可使得控制器56修改电池堆42的阳极侧的放泄进度，以去除阳极侧中聚积的氮，即，如果达到横穿寄生电流的预定阈值，那么该算法会引起控制器56修改电池堆42的阳极侧的放泄进度。

使用测试协议来量化电池堆42中薄膜的健康。测试协议包括多个氢接管测试（takeover test），其中电池堆42阳极侧中氢的浓度随着时间逐步下降，到电池堆42的阳极侧的氢流率保持在恒定的流率，并且到电池堆42的阴极侧的阴极空气的流率在每次氢浓度逐步下降时停止。测试协议期间，在阴极空气流由于每次电池堆42阳极侧的氢浓度逐渐下降而停止之后，当电压下降时，通过测量电池堆42中电池的电池电压和库仑电荷，可通过相对于总寄生电流绘出氢浓度来确定薄膜16的寄生电流，如下所述。可测量各电池的电池电压，或确定测试协议期间电池堆42的平均电池电压。还可测量最小电池电压，特别是在测量平均电池电压时。

如同通过分析在阴极空气流由于每次电池堆42阳极侧中氢浓度逐步下降而停止之后电池的电池电压和库仑电荷中的下降所确定的，将寄生电流绘制成曲线。图3为该曲线的示例性曲线图，x轴为阳极侧氢的百分比，y轴为总寄生电流，单位为mA/cm²。根据上述测试协议确定由横穿寄生电流引起的寄生电流的大小和由短路寄生电流或短路电阻引起的寄生电流的大小。短路电阻从电流密度来确定，如本领域技术人员所知的。绘在曲线图上的线的斜率表示每百分比氢的横穿寄生电流，即，由穿过薄膜的阳极和阴极气体引起的寄生电流。线的截距表示短路电阻，即，异常短路事件。因此，从总寄生电流，可确定横穿寄生电流的大小和短路电阻的大小。

图4为用于量化薄膜健康的算法的流程图70。在框72，根据上述测试协议在不同的阳极氢浓度进行多个氢接管测试。在框74，对于每个氢浓度，该算法都分析阴极空气流已经停止之后的预定电压降。例如，该算法分析阴极空气流已经停止之后100 mV的降低，并基于压降、时间和压力之间的相关关系计算燃料电池堆42的寄生电流。在框76，该算法产生寄生电流相对于燃料电池堆42阳极侧的氢百分比的曲线。线的斜率表示横穿寄生电流，线的截距表示短路电阻。因此，从由上述测试协议计算的总寄生电流可确定电池堆42中薄膜的横穿寄生电流和短路电阻。使用上述测试协议的多个分析允许随时间监测薄膜16，提供有关薄膜随时间如何退化的信息，并可帮助开发更加耐用的燃料电池薄膜。

上述算法可实施在车辆中或在维修的燃料电池系统10中。当燃料电池系统10在车辆中时，可在未从燃料电池堆12汲取功率的任意时间执行该算法。在使用上述算法量化薄膜健康期间，功率可从除燃料电池堆12之外的其它源供应。

前面的说明仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员从该描述和附图及权利要求可容易地认识到，在不脱离由所附权利要求定义的本发明实质和范围的情形下可在其中进行各种改变、修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于确定燃料电池堆中薄膜的健康的方法，所述方法包括：

防止从所述燃料电池堆汲取功率；

确定所述燃料电池堆中燃料电池的总寄生电流；

从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流；以及

基于所述短路电阻和所述横穿寄生电流确定所述电池堆中所述薄膜的健康。

2.如权利要求1的方法，其中确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流包括：使所述电池堆的阳极侧的氢浓度逐步下降，以及在每次所述氢浓度逐步下降时停止流向所述电池堆的阴极侧的阴极空气流。

3.如权利要求2的方法，其中确定所述燃料电池堆中燃料电池的总寄生电流包括，在每次停止阴极空气流之后燃料电池电压下降时测量所述电池堆中燃料电池的电池电压和库仑电荷。

4.如权利要求1的方法，其中从所述总寄生电流确定所述短路电阻和所述横穿寄生电流包括，在曲线图的x轴上绘制所述电池堆的阳极侧中的氢浓度，和在所述曲线图的y轴上绘制所述总寄生电流。

5.如权利要求4的方法，其中在所述x轴上绘制所述阳极侧中的氢浓度和在所述y轴上绘制所述总寄生电流包括形成线，其中所述线的斜率表示所述横穿寄生电流，所述线的截距表示所述短路电阻。

6.如权利要求1的方法，还包括当达到所述横穿寄生电流的预定阈值时，修改所述燃料电池堆的放泄进度。

7.如权利要求1的方法，还包括如果达到所述短路电阻的预定阈值，则表明需要修理所述燃料电池堆。

8.一种用于确定燃料电池堆中薄膜的健康的方法，所述方法包括：

执行测试协议，该协议包括使所述电池堆的阳极侧中的氢浓度逐步下降，并在每次氢浓度逐步下降时停止流向所述电池堆的阴极侧的阴极空气流；

在所述测试协议期间，测量所述电池堆中燃料电池的电压降；

基于所述测试协议期间测量的电压降确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流；以及

从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流。

9.如权利要求8的方法，其中在所述燃料电池堆关闭时执行所述测试协议包括，使所述电池堆的阳极侧中的氢浓度逐步下降，并在每次氢浓度逐步下降时停止所述电池堆的阴极侧上的阴极空气流。

10.一种用于确定燃料电池堆中薄膜的健康的方法，所述方法包括：

确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流；以及

从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流，以确定所述电池堆中所述薄膜的健康。

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