[发明专利]燃料电池堆中的膜和电极失效的检测方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及用于检测燃料电池堆中的燃料电池内的膜失效的系统和方法，并且更具体地涉及用于检测燃料电池堆中的燃料电池内的膜失效的如下系统和方法，其包括计算绝对德尔塔（δ）电压值，该绝对δ电压值是针对低堆电流密度被滤波的多个采样点处的平均电池电压和最小电池电压之间的差的平均值。

背景技术

氢是非常引人注意的燃料，因为其是清洁的并且可以被用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气并且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中离解从而产生自由质子和电子。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，并且因而被引导通过负载从而在被传送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是车辆常用的燃料电池。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被支撑在碳颗粒上且与离聚物混合的磨碎的催化颗粒，通常是铂（Pt）。催化混合物被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了膜电极组件（MEA）。MEA可以通过其他技术被制得，例如通过催化剂涂覆的扩散介质（CCDM）和物理气相沉积（PVD）过程。MEA的制造是相对昂贵的并且需要特定条件来有效操作。

在燃料电池堆中通常组合多个燃料电池来产生所需功率。例如，用于车辆的常用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物气体（通常是被压缩机驱动通过堆的空气流）。并不是所有的氧均被堆所消耗，一些空气作为阴极排出气体被输出，该阴极排出气体可以包括水作为堆副产品。燃料电池堆也接收流入堆阳极侧的阳极氢反应物气体。所述堆也包括冷却流体所流动通过的流动通道。

燃料电池堆包括位于堆内的多个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。双极板包括堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被设置在双极板的阳极侧上从而允许阳极反应物气体流动到相应MEA。阴极气体流动通道被设置在双极板的阴极侧上从而允许阴极反应物气体流动到相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，而另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板是传导性材料制成的，例如不锈钢或导电合成物。端板将燃料电池产生的电传导到堆之外。双极板也包括冷却流体所流动通过的流动通道。

随着燃料电池堆老化，堆中的各个电池的性能因各种因素的原因而有差别地退化。低性能电池的所述原因不同，例如因为电池溢流、催化剂损失等，一些是暂时的而一些是永久的，一些需要维修而一些需要堆或燃料电池替换从而更换那些低性能电池。虽然燃料电池被串联地电性联接，不过当负载被联接于堆两端上时每个电池的电压有区别地减小，其中作为低性能电池的那些电池具有较小电压。因此，必要的是监控堆中燃料电池的电池电压来确保电池的电压不会降低到预定阈值电压之下从而防止可能导致对电池的永久性损坏的电池电压极性倒转。

一种已知类型的燃料电池退化是电池膜失效，这会导致在低堆电流密度时的电池电压损失。膜失效通常因为多种因素。对于燃料和氧化剂的低效隔离会导致膜和MEA的加速失效。膜失效本身也由低堆电流密度时的较高电压损失所表征。膜失效的原因之一是机械应力，该机械应力是由于动态操作和操作情况的动态改变所引发的，特别是因为温度和湿度的恒定变化会导致膜失效。可以导致膜失效的另一个原因是可能在操作的燃料电池中产生的化学应力。膜失效也可能因为其他因素，例如机械或疲劳失效、短路等。

电池膜失效通常导致两个因素中的一者或两者。所述因素之一包括反应物气体横穿通过燃料电池内的膜，这是因为膜内的针孔和其他开口而导致的，并且这会导致燃料电池的电压损失。因为其操作而响应燃料电池内的电气环境随时间产生针孔。根据阳极和阴极之间的相对压力和分压力会产生从阴极到阳极或从阳极到阴极的反应物气体横穿（cross-over），这会具有相同的失效结果。随着针孔的尺寸增加并且穿过膜的气体量增加，最终会产生电池失效。此外，在从燃料电池堆汲取显著功率的大负载的情况下，因为横穿而导致的低性能电池会导致堆急速停机。

电池膜失效的另一结果是因为电池短路，其中阴极和阳极因为一些不良情况而彼此直接电性接触。

其他类型的燃料电池退化通常被称作电极失效，这也导致了电池电压损失并且通常在所有堆电流密度的情况下或者至少在高堆电流密度的情况下产生。燃料电池电极失效通常是因为流动通道溢流和随时间而产生的总体电池退化、催化剂活性损失、催化剂支撑件侵蚀、电极孔隙度损失等。

发明内容