[发明专利]利用故障堆健康监测器运行燃料电池系统的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种响应于电池电压信号的损失来操作燃料电池堆的系统和方法，且更具体地，涉及一种响应于包括确定电池是否在信号损失之前适当地操作在内的电池电压信号的损失来操作燃料电池堆的系统和方法。

背景技术

因为氢是清洁的，并且能够用于在燃料电池中高效地产生电，所以氢是非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极且电解质设置在它们之间的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中解离，从而产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应，从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此被引导穿过负载，以在被发送到阴极之前执行工作。

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通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化颗粒，通常为支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的铂（Pt）。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定膜电极组件（MEA）。MEA在制造方面相对昂贵，并需要用于有效操作的特定条件。

若干个燃料电池通常通过串联联结组合在燃料电池堆中，以产生期望的动力。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为通过压缩机强迫通过堆的空气流。并非全部氧都被堆消耗，一些空气作为阴极废气输出，阴极废气可包括作为堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧的阳极氢反应气体。堆还包括冷却流体流经的流道。

燃料电池堆包括设置在堆中的若干个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于堆中的相邻的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，从而允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气体流道设置在双极板的阴极侧，从而允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流道，另一端板包括阴极气体流道。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将燃料电池产生的电传导出堆。双极板还包括冷却流体流经的流道。

随着燃料电池堆老化，堆中的各个电池的性能由于各种因素而不同地劣化。另外，存在导致电池不同地操作的各种堆操作条件。存在低运行电池的各种诱因，例如电池溢流、催化剂损失等，有些是暂时性的而有些是永久性的，有些需要维护，而有些需要堆替换，以更换低运行电池。虽然燃料电池串联电联结，但当在堆上联结负载时每个电池的电压不同地降低，其中，正在低运行的那些电池具有较低的电压。因为所有的燃料电池串联电联结，所以如果堆中的一个燃料电池失效，则整个堆将失效。此外，因为电池串联电联结，所以每个电池必须产生完全的堆电流。如果一个电池急需反应物，特别地氢，则该电池的电压将下降，并且会发生不期望的副反应。因此，需要单独地监测堆中的燃料电池的电压，以确保电池的电压不下降到预定的阈值电压以下，从而防止电池电压极性反转而可能对电池造成永久性损坏。

电池电压监测器或堆健康监测器用于测量堆中的燃料电池的电压，以检查指示堆的问题的电池行为。电池电压监测器通常包括到堆中的每个双极板或一些数量的双极板和堆的端板的电连接件，以测量每个电池的正极侧和负极侧之间的电压电位。因此，400个电池的堆可以包括连接到堆的401条线。如果电池电压监测器失效，则不能看到电压降。并且系统通过限制功率或改变系统操作条件而变得不能起作用。不健康的电池的持续操作能使催化剂特别是阳极上的催化剂劣化，并可能导致电池短路和内部氢泄漏。

到燃料电池堆上的燃料电池板或其它结构的各种连接件可能失效或以其它方式被损坏，其中，用于特定电池或电池组的信号可能损失（丢失）。在来自堆中的电池或电池组的电压信号损失的情况下，燃料电池系统需要在系统操作中做出一些调整，从而可能以比期望的性能和效率低的性能和效率运行堆，使得在未受到监测的电池或电池组确实开始损失电压的情况下，减小对堆的严重损坏会发生的可能性。根据堆操作条件的情况，可以设计系统，从而在来自电池的电压信号的损失的情况下提供严格的功率限制，以防止堆损坏。

发明内容