[发明专利]PEM燃料电池系统中的低阳极氢分压的诊断和补救

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于确定和校正燃料电池系统的阳极子系统中的低阳极氢分压的系统和方法，且更具体地涉及通过针对燃料电池系统的阳极子系统中的阳极压力和/或氮摩尔分数变化来校正最小电池电压的变化而防止阳极燃料贫乏（anode starvation）的系统和方法。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是可再生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。氢气在阳极中分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。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类型。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂（Pt），所述催化剂颗粒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需要足够的燃料供应和湿度以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。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废气输出，所述阴极废气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆通常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设置在两个端板之间。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。阳极气体流动通道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。阴极气体流动通道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。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。

MEA是可渗透的，因而允许来自于燃料电池堆阴极侧的空气中的氮从中穿过且收集在燃料电池堆的阳极侧中，通常称为氮渗漏（nitrogen cross-over）。尽管阳极侧压力可稍高于阴极侧压力，但是阴极侧分压将使得空气穿过膜。燃料电池堆的阳极侧中的氮稀释了氢，使得如果氮浓度增加高于某一百分比（例如，50％），燃料电池堆中的燃料电池可能变得缺乏氢。如果阳极变得缺乏氢，燃料电池堆将不能产生足够的电功率且可能遭受对燃料电池堆中的电极的损害。

本领域已知在燃料电池堆的阳极废气输出端提供放气阀以从燃料电池堆的阳极侧去除氮。本领域还已知使用模型来估计阳极侧中的氮的摩尔分数，以确定何时执行阳极侧或阳极子系统的放气。然而，模型估计可能包含误差，尤其是在刚刚启动之后的操作期间。此外，燃料电池系统的部件（例如，燃料电池膜）的部件故障和降级也可引起模型估计的误差。如果阳极氮摩尔分数估计显著高于实际氮摩尔分数，那么燃料电池系统将排放比所需更多的阳极气体，即，将浪费燃料。如果阳极氮摩尔分数估计显著低于实际氮摩尔分数，那么系统将未排放充分的阳极气体且可能使得燃料电池缺乏反应物，这可损害燃料电池堆中的电极。因而，本领域需要在燃料贫乏引起对燃料电池电极的显著损害之前检测并校正阳极反应物贫乏。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种防止燃料电池系统中的燃料电池堆在不足量的阳极反应物的情况下操作的系统和方法。所述系统包括：用于将氢提供给燃料电池堆的氢源、阳极放气阀和电池电压监测器。所述系统还包括阳极子系统压力传感器和配置成控制阳极子系统的控制器。所述控制器确定燃料电池堆中的燃料电池的平均电池电压，且估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数。所述控制器还从电池电压监测器和压力传感器接收测量数据，且确定是否存在最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少。如果控制器检测到最小电池电压响应于阳极压力的变化而减少，那么控制器通过增加阳极压力和/或通过减少阳极子系统中的氮摩尔分数来校正所述减少。

方案1. 一种防止燃料电池系统中的燃料电池堆在不足量的阳极反应物的情况下操作的方法，所述方法包括：

确定燃料电池堆中的燃料电池的最小电池电压、燃料电池堆中的燃料电池的平均电池电压和燃料电池堆的电流密度；

确定燃料电池系统中的阳极子系统的阳极压力；

估计阳极子系统中的氢摩尔分数和/或氮摩尔分数;