[发明专利]用于空气存储阴极碳损失估算的车辆应用

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于估算燃料电池系统的燃料电池堆中的阴极碳损失的系统和方法，更具体地涉及一种用于估算燃料电池系统的燃料电池堆中的由空气存储导致的阴极碳损失并且调节燃料电池运转策略来补偿该阴极碳损失的系统和方法。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的并且可用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及介于两者之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂处离解以产生质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极催化剂处反应以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此被引导穿过负载以便在被发送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜－例如聚全氟磺酸膜。阳极和阴极通常但不总是包括精细的催化剂颗粒－通常是支撑在碳粒子上并且与离子聚合物混合的高活性催化剂-例如铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的相反侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定膜电极组件(MEA)。膜电极组件制作成本比较昂贵而且需要某些条件来进行有效操作。

若干燃料电池通常组合在一个燃料电池堆中以生成期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有200或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常是在压缩机作用下穿过燃料电池堆的空气流。不是所有氧都被燃料电池堆消耗，一些空气作为阴极排出气体被排出，所述阴极排出气体可包括作为燃料电池堆的副产品的水。燃料电池堆还接收流入到电池堆阳极侧的阳极输入氢气。

燃料电池堆包括定位在燃料电池堆中的若干膜电极组件之间的一系列双极板，其中双极板和膜电极组件定位在两个端板之间。对燃料电池堆中的相邻燃料电池而言，双极板包括阳极侧和阴极侧。设置在双极板阳极侧上的阳极气流流场允许阳极反应气体流向相应的膜电极组件。设置在双极板阴极侧上的阴极气流流场允许阴极反应气体流向相应的膜电极组件。一个端板包括阳极气流通道，而另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料－例如不锈钢或导电复合材料制成。端板将燃料电池产生的电流传导出燃料电池堆。双极板还包括冷却流体流过其中的流动通道。

燃料电池内的膜需要具有足够水含量，以便穿过膜的离子阻力足够低从而有效地传送质子。膜湿度可来自燃料电池堆的水副产品或者外部湿度。反应物穿过燃料电池堆的流动通道的流动对电池膜具有干燥效果(在反应物流的入口处最显著)。然而，流动通道内的水滴的聚集可阻止反应物流过其中，并且可因为低反应物气流而导致电池故障，因此影响燃料电池堆的稳定性。反应物气流通道中以及气体扩散层(GDL)内水的聚集在低燃料电池堆输出负载时尤其棘手。

如上所述，水作为燃料电池堆运转的副产品而产生。因此，来自燃料电池堆的阴极排出气体将通常包括水蒸气和液体水。所属领域中公知使用水蒸气传送(WVT)单元来捕获阴极排出气体中的一些水，并且使用这些水来加湿阴极输入空气流。在水传送元件-例如膜的一侧处的阴极排出气体中的水，被水传送元件吸收并且输送到水传送元件的另一侧处的阴极空气流中。

在燃料电池系统的运转期间发生的多种情况导致燃料电池堆电压和性能的永久损失-例如催化剂活性的损失以及阴极碳载体腐蚀。阴极碳载体腐蚀对燃料电池堆性能的影响是非线性的并且在燃料电池电动车辆(FCEV)的关闭时间期间可能由燃料电池堆中空气的存储导致。阴极碳载体腐蚀是不可逆的并且如果不减轻的话可能限制燃料电池寿命。2011年4月26日提交的、序号为No.13/094300、标题为“用于燃料电池堆健康定量的车载算法”的美国专利申请被转让给本申请的受让人并且在此通过引用并入本申请中，所述美国专利申请公开了一种用于确定燃料电池堆中的燃料电池的健康的方法，所述方法包括确定燃料电池堆中的燃料电池的催化剂层的催化剂载体面积和剩余的催化剂表面面积，所述确定可被用于估算燃料电池堆电压。然而，在本领域中需要一种估算由车辆关闭时间的空气存储导致的碳损失的方式，所述方式允许一旦达到预定的估算碳损失限制就减轻碳损失或碳损失对燃料电池性能的影响以便延迟燃料电池故障，从而延长燃料电池堆的寿命。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于估算车辆中的燃料电池堆的燃料电池中的碳载体损失的量的系统和方法。所述系统和方法包括估算燃料电池堆中的氢浓度为零的时间量以及基于所述燃料电池堆中的氢浓度为零的时间量来计算碳损失的量。