[发明专利]对于燃料电池系统中最小电池电压下降速率的选择性反应

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于确定燃料电池组中低性能燃料电池的电压下降是否由阳极反应物缺乏而造成的系统和方法，并且更特别地，涉及一种用于通过将电压下降速率与预定阈值比较，来确定燃料电池组中低性能燃料电池的电压下降是否由阳极缺乏而造成的系统和方法。

背景技术

氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为它洁净并且能够用于在燃料电池中高效地生产电力。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括在其间具有电解液的阳极和阴极。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解液到达阴极。质子与氧气和电子在阴极发生反应而产生水。来自阳极的电子无法穿过电解液，并且因此在被发送到阴极之前被引导通过负载以完成工作。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC总体上包括固态聚合物电解液质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括极细的催化剂粒子（通常为铂（Pt）），其被支撑在碳粒子上并与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相反侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合定义了一种膜电极组件（MEA）。MEA制造起来较为昂贵并且需要一定的条件来高效操作。

通常，在燃料电池组中多个燃料电池通过串联联接组合以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池组可以具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入反应气体（典型地，通过压缩机强行通过电池组的空气流）。并非所有的氧气都被电池组消耗，并且一些空气作为阴极废气被输出，这些阴极废气可以包括作为电池组副产品的水。燃料电池组还接收流入电池组阳极侧的阳极氢反应气体。电池组还包括冷却液流过的流动通道。

燃料电池组包括定位在电池组中的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于电池组中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道设置在双极板的阳极侧，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气流通道设置在双极板的阴极侧，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，并且另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，例如，不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电力传导到电池组之外。双极板还包括冷却液流过的流动通道。

随着燃料电池组的老化，电池组中各个电池的性能由于各种因素而不同程度地降低。此外，存在导致电池不同操作的多种电池组操作条件。还存在低性能电池的多种诱因，例如电池溢流、催化剂损失等，一些是临时性的并且一些是永久性的，一些需要维修，并且一些需要更换电池组来替换低性能的电池。例如，如果一个电池缺乏反应物（尤其是氢气），电池的电压将下降，并且可能发生不希望的副反应。在本领域中公知的是，低性能电池可能是由于电池的阳极反应物或阴极反应物之一或两者缺失，例如，比如说在反应物流动通道中形成了冰。如本文中所使用的，阳极反应物缺乏指的是到达电池的氢气量比维持消耗的电流所需的量少，并且阴极反应物缺乏的意思是到达电池的氧气量比维持消耗的电流所需的量少。

虽然燃料电池被电气串联联接，但是当负载跨过电池组而联接时每个电池的电压不同程度地减小，其中低性能的那些电池具有较低的电压。由于所有的燃料电池被电气串联联接，所以如果电池组中一个燃料电池失效，那么整个电池组就会失效。另外，由于电池被电气串联联接，所以各电池必须生产全部电池组电流。因此，有必要分别监测电池组中燃料电池的电压，以确保电池的电压不会下降到低于预定的阈值电压，从而防止电池电压极性反转（可能会对电池造成永久损坏）。

电池电压监测器或电池组健康监测器用于测量电池组中燃料电池的电压以查看电池中的行为，所述行为表明电池组具有的问题。总体上，电池电压监测器包括在电池组和电池组的端板中的与各双极板或一些数量双极板的电气连接件，以测量各电池的正极侧与负极侧之间的电压电势。

如果最小电池电压下降到低于某一预定的最小电池电压阈值（例如300mV，表明电池出现问题），系统控制将很可能采取某措施来试图防止最小电池电压进一步下降（这可能损坏电池）。可以采取各种补救措施，例如提供更加良好的电池组润湿，增大电池组的化学计量等。然而，应对显著低性能的电池通常所采取的主要补救措施是对电池组进行功率限制或限制其电流，以防止从电池组消耗大量电流。然而，对电池组进行功率限制对于车辆运行和驾驶员满意度具有明显缺陷。