[发明专利]利用基于HFR阴极进口RH模型与传感器反馈比较确定水蒸汽传递单元故障并且用于诊断代码和信息

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种用于确定燃料电池系统中的水蒸汽传递（WVT）单元是否正确地操作的系统和方法，并且更特别地涉及一种用于通过将测量至燃料电池堆的阴极输入线路中的相对湿度的相对湿度（RH）传感器的输出与由确定燃料电池堆内的薄膜的薄膜湿度的高频电阻（HFR）电路提供的RH值相比较而确定燃料电池系统中的WVT单元是否具有转换接头泄漏的系统和方法。

背景技术

氢由于其干净并且可用于在燃料电池中有效地产生电，因而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是电-化学装置，其包括阳极和阴极以及在其间的电解液。阳极接收氢气并且阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处被分解以产生自由的质子并且电子。质子通过电解液到阴极。质子与在阴极催化剂处的氧和电子起反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解液，并且因此在被发送到阴极之前直接通过负荷执行作业。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种车辆流行的燃料电池。PEMFC通常包括固相聚合物电解质质子传导薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极典型地，但不总是包括精细地分开分割的催化剂粒子，通常为典型地支承在碳粒子并且与离聚物混合的高活性催化剂，诸如铂（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）。MEA制造起来相对昂贵并且需要用于有效工作的某些条件。

几个燃料电池典型地组合在燃料电池堆中以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百或以上堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地由压缩机增压通过电池堆的空气流。不是所有氧被电池堆消耗并且一些空气作为阴极排气被输出，其可以包括作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括位于电池堆的几个MEA之间的一连串的双极板，其中双极板和MEA布置在两个端板之间。双极板包括用于电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流场设置在允许阳极反应性气体流向各自的MEA的双极板的阳极侧上。阴极气体流场设置在允许阴极反应性气体流向各自的MEA的双阴极的阴极侧上。一个端板包括阳极气流通道，并且另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由有传导性的材料制成，例如不锈钢或传导的合成物。端板传导由电池堆外的燃料电池产生的电流。双极板还包括冷却液流经的流动通道。

燃料电池内的薄膜需要具有充分的含水率从而横过薄膜的离子阻力足够低以有效地传导质子。薄膜增湿可以来自电池堆水副产品或外部增湿。穿过电池堆的气流通道的反应物的流动在单元薄膜上具有干燥作用，在反应物流动的进口处最显著。然而，由于低的反应性气体流动，气流通道内的水滴的累积防止了反应物通过其流动并且可以使得电池故障，因此影响了电池堆的稳定性。在低电池堆输出负载时，反应性气体流动通道中以及气体扩散层（GDL）内的水的累积尤其麻烦。

如上所述，水作为电池堆工作的副产品而产生。所以，来自电池堆的阴极排气将典型地包括显著的水蒸汽和液态水。现有技术中公知的是采用水蒸汽传递（WVT）单元以捕获一些阴极中的水蒸汽，并且使用水蒸汽以对阴极输入气流增湿。在WVT单元内的水传递元件的一侧，例如薄膜的阴极排气中的水，被水传递元件吸收并且传递到在水传递元件的另一侧处的阴极气流中。

如上所述，通常需要控制电池堆湿度从而电池堆中的薄膜具有固有的导电性，但如果水在系统关闭期间结冰则流动通道不会变得被冰堵塞。现有技术中公知的是在燃料电池系统的阴极空气进口中提供RH传感器以当其进入电池堆时测量阴极进口气流的增湿作用。使用测量的进口相对湿度和水种类（specie）平衡，或水的质量平衡，可以估计出包括阴极空气出口流的燃料电池系统的RH曲线。RH传感器提供RH的准确读数的能力由传感器的成本和复杂性决定。典型的需要限制传感器的成本，这减少了它的精确度。

用于确定薄膜增湿作用的技术在本领域公知的是高频电阻（HFR）增湿作用测量。HFR增湿作用测量通过在电池堆的电负荷上提供高频分量或信号从而在电池堆的电流输出上产生高频电波。高频分量的电阻然后由检测器来测量，其是电池堆中薄膜的增湿作用的水平的涵数。高频电阻是燃料电池的公知的属性，并且与燃料电池薄膜的欧姆电阻，薄膜质子阻力紧密相关。欧姆电阻是燃料电池薄膜增湿作用度它本身的涵数。因此，通过测量激发电流频率的具体频带内的燃料电池堆的燃料电池薄膜的HFR，可以确定燃料电池薄膜的增湿作用度。该HFR测量考虑了燃料电池薄膜增湿作用的单独测量，其可以省去对RH传感器的需要。