[发明专利]用于监控燃料电池膜的集成传感器以及其监控方式

说明书

技术领域

本发明一般涉及燃料电池，更特别地涉及含有集成到固体电解质的测量装置的燃料电池。

技术背景

在燃料电池中，电能是由一种燃料和一种氧化剂在催化剂的作用下发生反应而产生的。一个典型的燃料电池由以下几个部分构成，由一层离子电解质分隔的一个燃料电极(阳极)和一个氧化剂电极(阴极)。电极通过一个外部的电导体的回路被连接到一个负载上(例如一个电子电路)。在导体回路上电荷是通过电子流传送的，而在电解质中电荷是通过离子流传递的。例如酸性电解质中的氢离子，或者是碱性电解质中的氢氧根离子。在阳极，输入的氢气电离产生了氢离子和电子。由于电解质不是电的导体，电子流通过外部的回路离开阳极。在阴极，氧气和通过电解质迁移而来的氢离子以及由外部导体回路获得的电子发生反应，产生作为副产品的水，然后，通常作为副产品的水将会以蒸汽的形式被释放。一种众所周知的燃料电池包括一个膜电极部件(MEA)，典型的MEA是一层薄的、能传输质子的、由固体聚合物构成的膜电解质，并且在一面包含一个阳极而在与它相对的一面包含一个阴极。MEA被夹在一对导电的元件之间，这一对元件是阳极和阴极的电流收集者，并且包含了适当的通道和/或洞穴，在那里燃料电池的气体反应物能够发散穿过相应的阳极和阴极各自表面的催化剂。在美国专利号5,272,017中描述了这样一个燃料电池。实际上，一些这样的燃料电池单元通常堆或者结合在一起以组成一个燃料电池堆/组。单个的电池按照一定的顺序串联在一起，这是通过一个电池的阳极电流收集器连接到紧靠着在电池组中与它相连的电池的阴极电流收集器。电池堆中仅仅一个单个的单元的性能降质或者失效会导致整个燃料电池堆的效能的下降并且可能使整个电池堆失效。燃料电池失效有多种原因，包括催化剂一氧化物中毒，电池被水浸泡，和氢气通过或者在氢离子交换膜附近发生泄漏。气体氢传输到膜的阴极侧将导致无用的氢消耗，电池/堆的效率降低，并且电池电压下降。一氧化碳中毒和/或者水浸泡将导致单元电池和/或者组电压的下降。当发生了任何一个这样的情形时，采取正确的措施就可以避免电池/堆发生不可挽回的性能降低。如果这个电池堆中的一个膜的性能降低了或者发生了故障，就需要移去整个电池堆并且进行拆卸来维修这个电池。在使用焊接和/或者粘结来进行组合的电池堆设计中，就需要扔掉整个电池堆。另外，电池堆中的电池单元的工作效率也与电池堆外面的电池单元的工作效率不同，因为外部和内部层之间的温度和湿度均存在差异。

如果能够找到一个方法在燃料电池堆运行的过程中监测单个电池的性能状态并且然后能够调整燃料电池堆的工作，以针对各种环境条件对电池堆进行优化或者对性能降低的电池单元的性能进行补偿，是非常可取的。现有技术中的某些方法通过将电池断开几毫秒并且在某些固定点测量电池的电流与电压而试图解决这个问题。这一方法的缺点在于需要一个复杂的切换方法。电池不得不被切换到一个测试负载，被测量，然后再被切换回正常的工作状态。此外，电流-电压(IV)曲线上的一个或者有限的几个点提供的信息是有限的，这些信息仅提供了电池当前状态的很少一部分信息。

附图说明

图1是具有根据本发明的一个集成探测器的一个固体状态的电解质的等轴视图。    

图2是一个图1所示的传感器通过截面2-2作的横截面图，描绘了电容的场线。

图3是一个描绘了使用交叉指型电容器来测量复介电常数的一个流程示意图。

图4是一个描绘了使用平板法来测量复介电常数的一个流程示意图。

图5是图3和图4所示方法的一个高层控制图。

图6是利用根据本发明的一个燃料电池的被测量瞬态响应来对燃料电池进行优化的方法的一个框图。

图7是根据本发明利用AC阻抗和相位检测对燃料电池进行优化的方法的一个框图。

实施方式描述