[发明专利]质子交换膜燃料电池膜健康随其寿命的原位量化算法

说明书

技术领域

本发明总地涉及用于量化燃料电池薄膜随薄膜寿命变化的健康的方法，更特别地，涉及用于确定薄膜的横穿寄生电流和短路电阻以确定燃料电池的健康的方法。

背景技术

因为氢气可再生，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。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解，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，可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和氮渗透通过薄膜。在存在阳极催化剂时，渗透的氧燃烧，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，因此可能损坏燃料电池堆中的电极。

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。

本领域需要在燃料电池堆的整个寿命中确定电池堆中薄膜的健康，以确定因异常事件或不一致的薄膜退化引起的电池堆故障。另外，了解薄膜健康有助于开发更耐用的燃料电池薄膜。

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薄膜的健康的方法。确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流。从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流。然后从所述短路电阻和所述横穿寄生电流确定所述薄膜的健康。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1：一种用于确定燃料电池堆中薄膜的健康的方法，所述方法包括：

防止从所述燃料电池堆汲取功率；

确定所述燃料电池堆中燃料电池的总寄生电流；

从所述总寄生电流确定短路电阻和横穿寄生电流；以及

基于所述短路电阻和所述横穿寄生电流确定所述电池堆中所述薄膜的健康。

技术方案2：如技术方案1的方法，其中确定所述电池堆中燃料电池的总寄生电流包括：使所述电池堆的阳极侧的氢浓度逐步下降，以及在每次所述氢浓度逐步下降时停止流向所述电池堆的阴极侧的阴极空气流。

技术方案3：如技术方案2的方法，其中确定所述燃料电池堆中燃料电池的总寄生电流包括，在每次停止阴极空气流之后燃料电池电压下降时测量所述电池堆中燃料电池的电池电压和库仑电荷。