[发明专利]燃料电池空气系统泄漏诊断的方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于识别燃料电池系统的阴极子系统中的泄露的系统和方法，更具体地涉及用于识别燃料电池系统的阴极子系统中的空气泄露的系统和方法，该方法包括当阀被设置为使得空气仅绕过压缩机流动时监控流入压缩机的空气。

背景技术

氢是很有吸引力的燃料，因为它清洁并且可以用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极、阴极和它们之间的电解质的电化学设备。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极离解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极与氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此被导引穿过负载以在被传送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是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膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细分割的催化剂微粒，通常是附着在碳粒子上并且与离聚物混合的铂（Pt）。催化剂混合物被沉积在膜的相反侧面上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的结合限定膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵并且其有效操作需要特定的条件。

通常在燃料电池堆中组合若干燃料电池以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池可具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是通过压缩机压入电池堆中的空气流。并不是所有的氧都被电池堆消耗，一些空气作为阴极废气（可以包括作为电池堆副产物的水）被输出。燃料电池堆还接收流入电池堆的阳极侧的阳极氢反应气体。所述电池堆还包括冷却流体流过的流道。

燃料电池堆包括位于电池堆中若干MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道被设置在允许阳极反应气体流到各自的MEA的双极板阳极侧。阴极气体流道被设置在允许阴极反应气体流到各自的MEA的双极板阴极侧。一个端板包括阳极气体流道，而另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电传导到电池堆外部。双极板还包括流过冷却流体流的流道。

在燃料电池系统中存在许多部件、设备和元件，通过它们，反应气体流向燃料电池堆的上游和下游。例如，在阴极子系统中，压缩机通常通过中冷器和水蒸气转移（WVT）单元向电池堆的阴极侧提供空气流，所述中冷器冷却由于压缩而被加热的压缩空气，所述水蒸气转移单元一般利用阴极废物在空气被传送到电池堆之前加湿被冷却的空气。阴极子系统通常还包括用于使空气绕过电池堆的旁路阀和控制阴极侧压力的阴极排放管道中的背压阀。随时间流逝所有这些设备和部件都会发生泄漏，空气会在到达燃料电池堆之前被排出到外部，这减少了提供到燃料电池堆的反应空气量，由此导致性能问题。换言之，燃料电池堆的控制算法可以命令压缩机达到一定速度以输出期望的电池堆输出电流，但是由于空气通过电池堆之前的一个或多个部件时发生泄漏，因此该量的空气不能到达电池堆。因此，作为诊断工具，期望能够确定阴极子系统中是否发生明显泄漏。

发明内容

根据本发明的教导，公开了用于识别燃料电池系统的阴极子系统中的泄露的系统和方法。所述阴极子系统包括以期望流率和压力向燃料电池堆的阴极侧提供阴极空气的压缩机。包括再循环阀的再循环管道绕着压缩机被设置，从而对于某些操作情况，一些或全部压缩空气可以被引导绕过压缩机而不是流过电池堆。阴极子系统还包括允许阴极空气绕过燃料电池堆流动的旁路阀和设置在阴极排放管道中用于控制电池堆的阴极侧内的压力的背压阀。空气流量计被设置在压缩机的上游并且监控流入压缩机的空气。当下达空气泄露诊断命令时，关闭旁路阀和背压阀，从而使得没有空气流过电池堆或绕过电池堆流动，并且打开再循环阀，从而使得空气绕过压缩机流动。通过获知经由旁路阀和背压阀的泄露，超过空气流量计测量的那些值的任意气流都表示空气泄露到阴极子系统的部件之外。

方案1. 一种用于确定阴极空气的向外泄露的方法，该阴极空气被提供到燃料电池系统中的燃料电池堆的阴极侧，所述方法包括：

将向电池堆提供阴极空气的压缩机设定到预定压缩机速度；

关闭位于阴极排放管道内的背压阀，以防止阴极空气流过燃料电池堆；

关闭旁路阀，以防止空气绕过燃料电池堆流动；

打开再循环阀，以使阴极空气能绕过压缩机流动并且被传送返回压缩机输入端；

在再循环的阴极空气被传送到压缩机的位置的上游测量流入压缩机的空气流量；以及

确定测量的空气流量是否表示阴极空气从系统泄漏。