[发明专利]使用神经网络和EIS信号分析在操作PEM电池时原位量化H2渗透

说明书

提供了用于检测氢气泄漏以及量化聚合物电解质膜燃料电池堆中的氢气泄漏的速率的方法以及诊断燃料电池堆中的氢气泄漏的燃料电池诊断装置。

背景技术

由于质子交换膜(PEM)燃料电池在低温下工作的能力以及它们的低重量和体积，使得质子交换膜(PEM)燃料电池是最重要的燃料电池类型中的一个。这使得PEM燃料电池成为固定应用和汽车应用中有竞争力的替代电源。然而，PEM燃料电池的广泛使用取决于其可靠性和成本效率。多年以来，尽管燃料电池行业开发了更耐用的膜电极组件(MEA)以避免失效(failure)以及延长工作寿命，但是PEM燃料电池仍然容易遭受氢气泄漏，氢气泄漏会导致性能退化和潜在安全问题。尽管可以推迟膜降解的开始，但是对于现有技术措施，MEA针孔的萌生是不可避免的。

由于MEA中针孔的存在，氢气可以通过MEA从阳极泄漏到阴极。按照充分的氢气渗透泄漏速率，由于在阴极侧上与反应剂氧气直接复合，使得燃料电池性能降低。该复合影响用于电化学反应的可用氧气量。在严重的情况下，燃料电池可能遭受燃料和/或空气不足。燃料与氧气的直接复合使得在阴极侧上形成水，由于在阴极中的氧气消耗和/或水积聚导致受影响电池的空气不足。

处理MEA针孔的现有工作有限。Weber(Adam Z.Weber，“Gas-Crossover andMembrane-Pinhole Effects in Polymer-Electrolyte Fuel Cells”，Journal ofElectrochemical Society，155(6)B521-B531，2008)开发了模拟针孔在PEM燃料电池中的影响的数学模型。他关于电池电压和电流密度对性能降低进行说明。Lin等人还考虑电流密度的降低。(R.Lin、E.G ü lzow、M.Schulze和K.A.Friedrich，“Investigation ofMembrane Pinhole Effects in Polymer Electrolyte Fuel Cells by LocallyResolved Current Density”，Journal of The Electrochemical Society，158(1)B11-B17，2011)。还可以通过增大泄漏电流和电压的下降以检测氢气泄漏(Soshin Nakamura、Eiichi Kashiwa、Hidetoshi Sasou、Suguru Hariyama，Tsutomu Aoki、Yasuji Ogami和Hisao Nishikawa，“Measurement of Leak Current Generation Distribution in PEFCand Its Application to Load Fluctuation Testing Under Low Humidification”，日本的Electrical Engineering，Vol.174，No.1，2011；B.T.Huang、Y.Chatillon、C.Bonnet、F.Lapicque、S.Leclerc、M.Hinaje、S.Rael，“Experimental investigation of pinholeeffect on MEA/cell aging in PEMFC”，International journal of hydrogen energy38：543-550，2013)。然而，通过测量电池电压检测小氢气泄漏不可行，其中随着泄漏速率的逐渐增大，降低的电压非常小。

这些研究还仅处理了单个小型MEA。然而，在实际工业应用中，使用包括串联的多个单元电池的较大堆(或组(stack))来提供大量电力；即，数量级为数十千瓦。由于大尺寸和缺乏适当模型，该尺寸的堆需要能够在工作中检测氢气泄漏以及有效地量化其速率的诊断工具。在燃料电池工作期间知道氢气泄漏量可以便于建立减小其对堆性能的影响的减轻标准。

发明内容