[发明专利]诊断燃料电池湿化问题的方法有效

专利信息
申请号: 201310734126.7 申请日: 2013-12-27
公开(公告)号: CN103915641A 公开(公告)日: 2014-07-09
发明(设计)人: D.R.勒布策尔特;D.H.克斯库拉;T.K.普雷斯顿;J.P.诺兰 申请(专利权)人: 通用汽车环球科技运作有限责任公司
主分类号: H01M8/04 分类号: H01M8/04
代理公司: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 董均华;何逵游
地址: 美国密*** 国省代码: 美国;US
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摘要:
搜索关键词: 诊断 燃料电池 问题 方法
【说明书】:

技术领域

发明总体上涉及用于确定相对湿度(RH)传感器或高频电阻(HFR)测量电路是否正常工作的系统和方法,RH传感器测量提供给燃料电池堆的阴极入口空气的相对湿度,HFR测量电路测量燃料电池堆水含量,且更具体地涉及通过确定来自于RH传感器或HFR电路的输出信号是否有效来确定RH传感器或HFR电路是否正常工作的系统和方法。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料,因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置,包括阳极和阴极,电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极催化剂处反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质,且因而被引导通过负载,以在输送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜,如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常但不总是包括细分的催化剂颗粒,通常是诸如铂(Pt)的高活性催化剂,所述催化剂颗粒通常支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如,车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体,通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗,且一些空气作为阴极排气输出,所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个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。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场设置在双极板的阳极侧上,且允许阳极反应物气体流向相应MEA。阴极气体流场设置在双极板的阴极侧上,且允许阴极反应物气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道,另一个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,如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。

燃料电池内的膜需要具有足够的水含量,从而经过膜的离子阻力足够低以有效地传导质子。膜湿化可以来自于燃料电池堆水副产物或外部湿化。通过燃料电池堆流动通道的反应物流对电池膜具有干燥效应,最明显在反应物流的入口处。然而,在流动通道内的水滴积聚将防止反应物从中流过,且由于低的反应物气体流可能导致电池故障,从而影响燃料电池堆稳定性。在反应物气体流动通道内以及在气体扩散层(GDL)内的水积聚在低燃料电池堆输出负载时特别易出故障。

如上所述,水作为燃料电池堆操作的副产物产生。因而,来自于燃料电池堆的阴极排气通常包括大量的水蒸汽和液体水。本领域已知使用水蒸汽传输(WVT)单元来捕获阴极排气中的一些水含量,且使用所述水含量来湿化阴极输入空气流。在WVT单元内的水传输元件的一侧处的阴极排气中的水由水传输元件吸收且传输给水传输元件的另一侧处的阴极空气流。典型的WVT单元包括由特定材料制成的膜,其中,膜的一侧上的湿流通过膜传输以湿化膜的另一侧上的干流。

如上所述,通常需要控制燃料电池堆水含量,使得燃料电池堆中的膜具有合适的质子传导率,但是此时如果水在系统关闭期间冻结,流动通道未被冰阻塞。本领域已知在燃料电池系统的阴极空气入口中提供RH传感器,以在阴极入口气体流进入燃料电池堆时测量阴极入口气体流的湿化作用。使用测量的入口相对湿度和水物质平衡或者水质量平衡,可以估计燃料电池系统的RH曲线,包括阴极空气出口流。RH传感器提供RH的准确读数的能力由传感器的成本和复杂性确定。通常期望限制传感器的成本,这降低其准确性。

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