[发明专利]用于燃料电池堆的诊断和热管理系统

说明书

相关申请的引用

本申请要求于2012年12月27日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2012-0155396的优先权和权益，通过引用将其全部内容并入本文中。

技术领域

本发明涉及可以诊断燃料电池堆（fuel cell stack）并且有效地管理由诊断过程产生的热的用于燃料电池堆的诊断和热管理系统。

背景技术

燃料电池是通过与氧气或另外的氧化剂的化学反应而将来自燃料的化学能转化为电的装置。氢是最常见的燃料，但是有时使用烃类如天然气和醇类如甲醇。燃料电池与蓄电池的不同之处在于它们需要恒定的燃料和氧气来源以运转，但是只要提供这些输入，它们就可以不断地产生电。燃料电池可以应用于提供工业、家庭、以及车辆驱动力以及应用于为小型电气/电子产品提供动力。

例如，可以给予车辆动力的方式之一是通过燃料电池系统如聚合物电解质膜燃料电池或质子交换膜燃料电池（PEMFC）。这些类型的燃料电池在较低的操作温度下具有较高的功率密度、快速起动时间和快速功率转换反应时间。

PEMFC通常包括其中发生电化学反应的催化剂电极层附着至氢离子在其中移动的固态聚合物电解质膜的两侧的膜电极组件（MEA）。同样包括在PEMFC中的是均匀分布反应气体并且通过电池传递产生的电能的气体扩散层（GDL）。通常，还提供衬垫和啮合装置。啮合装置保持适当的啮合压力和反应气体的气密性和冷却剂。同样，还提供了双极板以通过电池移动反应气体和冷却剂。

当装配燃料电池堆时，气体扩散层和MEA设置在电池中间。因此，MEA的催化剂电极层，即，其上施加了催化剂施加以使氢气和氧气可以在聚合物电解质膜的两个表面反应的阳极（负极）和阴极（正极），位于MEA的外表面上。然后，气体扩散层和衬垫分别堆叠在阳极和阴极的顶部上。

在气体扩散层的外表面上，供给反应气体（通常，作为燃料的氢气和作为氧化剂的氧气或空气），并且将具有冷却剂通过的流场的双极板放置在其上。通过在单元电池中形成这种结构，在堆叠多个单元电池之后，将用于支撑集电器（集电体，集流体）的端板、绝缘板、以及堆电池耦合（附接）在叠层的最外表面上。通过在端板之间反复堆叠和啮合单元电池，可以形成燃料电池堆。

为了获得用于待操作的车辆所必需的电势（电压，电位），单元电池应当依照必需的电势堆叠以便确保通过电池输出足够的电势。

通过每个单位电池产生的电势通常为约1.3V。因此，为了产生驱动车辆所必需的动力，大量的电池必须串联堆叠。因此，确定在故障过程中哪个电池不适当地工作可以是耗时并且有时是困难的。因此，燃料电池车辆需要诊断系统以识别和确定单个单元的故障。

图1是根据传统技术的示例性实施方式的燃料电池堆的诊断系统的示意图。参照图1，根据传统技术的示例性实施方式的燃料电池堆的诊断系统包括：将诊断AC电流注入到燃料电池堆10中的交流（AC）电流注入器20以及通过分析由注入诊断AC电流引起的AC电流变化而对燃料电池堆10进行诊断的诊断分析仪30。

由于这些类型的诊断系统通常通过诊断AC电流信号的总谐波失真分析（THDA）进行诊断，因此诊断分析仪30通常包括谐波分析仪。

当通过AC电流注入器20将诊断AC电流I_AC注入到燃料电池堆10中时，诊断AC电流I_AC与燃料电池堆10的电流I_堆叠加。因此，诊断AC电流I_AC分量也包括在流向负载40的电流I_负载中。

当燃料电池堆10的电流I_堆和AC电流注入器20的诊断AC电流I_AC叠加并且从而到达负载40时，诊断分析仪30检测来自燃料电池堆10的电压，变换并分析检测电压的频率，并且诊断燃料电池堆10的状态和/或故障。

然而，为了防止与来自燃料电池堆10的DC电流碰撞，传统技术的示例性实施方式的诊断系统的AC电流注入器20还通常包括去耦电容器（CT）。由于AC电流注入器20的CT应当通过较低频率的AC电流，因此CT应当具有相当大的容量。因此，通过并联连接多个小容量电容器（CN）而形成AC电流注入器20的CT。然而，由于需要大量的这些电容器，因此CT的总尺寸和成本比大多数汽车制造商所期望的要大。此外，当AC电流注入器20的诊断AC电流通过CT时，诊断AC信号可以失真，因此不可以进行精确诊断。

本背景技术部分中公开的上述信息仅为加强对本发明的背景技术的理解，并且因此，其可包含并未形成本国中本领域普通技术人员已经已知的现有技术的信息。