[发明专利]用于燃料电池堆健康量化的车载算法

说明书

技术领域

本发明总地涉及用于量化燃料电池堆中薄膜和电极的健康的方法，更特别地，涉及用于估计燃料电池堆中薄膜的横穿寄生电流和短路电阻以确定电池堆中燃料电池的健康的方法。

背景技术

因为氢可再生，并可用于在燃料电池中有效发电，所以是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种电化学装置，包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢，阴极接收氧或空气。氢在阳极中分解，产生自由的氢质子和电子。氢质子穿过电解质到阴极。氢质子与阴极的氧和电子反应，产生水。阳极的电子无法穿过电解质，因此在被输送至阴极之前被引导通过负载做功。

质子交换薄膜燃料电池（PEMFC）是一种用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通常包括支撑在炭颗粒上并与离聚物混合的细分催化剂颗粒，通常为铂（Pt）。催化剂混合物沉积在薄膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和薄膜的组合限定了薄膜电极组件（MEA）。为有效操作，MEA需要适当的燃料供应和湿度。

通常，若干燃料电池组合形成燃料电池堆，以产生期望的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常为通过压缩机强制通过电池堆的空气流。不是全部的氧都被电池堆消耗掉，一部分空气输出作为阴极废气，包括作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收注入电池堆阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆通常包括位于电池堆中几个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。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设在双极板的阳极侧上，允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设在双极板的阴极侧上，允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一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，例如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电导出电池堆。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。

MEA是可渗透的，从而允许空气中的氮从电池堆的阴极侧从其渗透通过，并聚集在电池堆的阳极侧，通常称为氮气横穿（nitrogen cross-over）。即使阳极侧压力可能稍高于阴极侧压力，阴极侧局部压力会引起氧气和氮气渗透通过薄膜。在存在阳极催化剂时，渗透的氧气燃烧，但是燃料电池堆阳极侧中渗透的氮稀释了氢。如果氮浓度提高超过一定的百分比，例如50%，那么电池堆中的燃料电池会变得缺少氢。如果阳极变得缺少氢，那么燃料电池堆会无法产生充足的电力，可能损坏燃料电池堆中的电极。当薄膜老化时，它们变得更薄，从而允许氮以更快的速率渗透到阳极侧。

本领域中已知在燃料电池堆的阳极废气输出处设置放泄阀，以从电池堆的阳极侧去除氮。本领域还已知，使用模型估计阳极侧中氮的摩尔分数，以确定何时执行阳极侧或阳极子系统的放气。但是，模型估计会含有误差，特别是在燃料电池系统的部件（例如薄膜）随着时间的过去出现退化时。如果阳极氮摩尔分数估计显著高于实际氮摩尔分数，那么燃料电池系统会排出比必要更多的阳极气体，即，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，那么系统会排出不足的阳极气体，燃料电池可能会缺乏反应物，这会损坏燃料电池堆的电极。

燃料电池堆的电压根据燃料电池系统的功率需求而变化。这称为电池堆的电压循环。电压循环引起催化剂颗粒变化，例如，催化剂颗粒可能聚集，从而降低电化学反应可在其上发生的表面积。这引起燃料电池的效率降低并降低了其耐用性。另外，催化剂颗粒的聚集会引起催化剂载体萎陷。还会发生催化剂层的腐蚀，这也降低了燃料电池的耐用性。

本领域需要在电池堆中薄膜的整个寿命中以一种方式确定燃料电池堆中电极和薄膜的健康，这种方式无需车辆接受维修且无需会影响车辆正常操作的繁琐测试条件就可在车辆中的燃料电池堆上执行。量化燃料电池车辆中电极和薄膜健康的能力提供了基于驾驶需求最优化车辆效率和动力的众多可能性。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于确定燃料电池堆中燃料电池的健康的方法。该方法包括：保持到所述燃料电池堆的阳极侧的恒定氢流，并在阳极侧中的氢达到预定浓度时，关闭到所述燃料电池堆的阴极侧的空气流；和识别所述燃料电池堆中催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积。所述方法还包括确定所述燃料电池堆的总寄生电流，以确定所述燃料电池堆的横穿寄生电流和短路电阻。所述方法还包括计算所述催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积，并比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积之间的差别，以估计所述催化剂表面积中的变化。

本发明提供下列技术方案。