[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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引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一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铂(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。

电池膜失效通常将引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。