專(zhuān)利名稱(chēng)：檢測(cè)燃料電池的密封狀態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池組，特別是，但不只是，具有聚合物膜(即PEFC(聚合物電解質(zhì)燃料電池)型)形式的電解質(zhì)類(lèi)型的燃料電池組。
背景技術(shù)：
已知燃料電池組在不經(jīng)過(guò)機(jī)械能轉(zhuǎn)換步驟的情況下利用氫(燃料)和氧(氧化劑)直接通過(guò)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。此技術(shù)似乎很有前景，特別是對(duì)機(jī)動(dòng)交通工具應(yīng)用。燃料電池組通常包含串聯(lián)的單元組件，其各自基本上由被聚合物膜分隔的陽(yáng)極和陰極組成，該聚合物膜允許離子經(jīng)過(guò)從陽(yáng)極到達(dá)陰極。精確評(píng)價(jià)燃料電池的密封狀態(tài)即陽(yáng)極的氣體線(xiàn)路(燃料氣體線(xiàn)路)的密封性和氧化劑氣體線(xiàn)路(在陰極的氣體線(xiàn)路)的密封性非常重要。因?yàn)槁鈩?shì)必干擾燃料電池組的運(yùn)轉(zhuǎn)并且污染其環(huán)境，特別如果是燃料氣體泄漏的話(huà)。因此，燃料電池組可遭受能量損失， 效率下降或者過(guò)早老化，甚至可損及安全操作的運(yùn)轉(zhuǎn)條件。專(zhuān)利申請(qǐng)WO 2003/061046公開(kāi)利用空氣作為氧化劑氣體工作的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的熄滅方法。公開(kāi)的方法是使陽(yáng)極與陰極之間的壓差保持低于可接受的水平。為此，在熄滅時(shí)保持空氣供給并且控制空氣壓力，以跟隨在氫側(cè)的壓降。但是，保持空氣供給存在使氫匱乏的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于電池組的壽命相當(dāng)棘手。此外，上述文件沒(méi)有教導(dǎo)檢測(cè)燃料電池組的密封狀態(tài)的方法。本發(fā)明的目的是能夠觀(guān)察燃料電池組對(duì)大氣的密封狀態(tài)，特別是在每次熄滅后， 為了在無(wú)需增加僅用于提供監(jiān)測(cè)功能的設(shè)備(即燃料電池組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)絕不需要的設(shè)備) 的情況下監(jiān)測(cè)和診斷燃料電池組。發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明提供檢測(cè)燃料電池組狀態(tài)的方法，該燃料電池組是通過(guò)組裝電化學(xué)電池制得，該電化學(xué)電池各自具有在聚合物離子交換膜兩側(cè)的陽(yáng)極和陰極，燃料電池組具有在電化學(xué)電池陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體供給系統(tǒng)和在電化學(xué)電池陰極側(cè)的氧化劑氣體供給系統(tǒng)，所述方法包括在燃料電池組每次停止運(yùn)轉(zhuǎn)(shut down)時(shí)，測(cè)定陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力和陰極線(xiàn)路中壓力演變的動(dòng)態(tài)行為，當(dāng)所述動(dòng)態(tài)行為表現(xiàn)出預(yù)先確認(rèn)的特征指示時(shí)，激活表明燃料電池組需要檢測(cè)的警報(bào)信號(hào)。本申請(qǐng)人實(shí)際上已觀(guān)察到，當(dāng)所述動(dòng)態(tài)行為表現(xiàn)出預(yù)先確認(rèn)的特征信號(hào)時(shí)，其準(zhǔn)確實(shí)例如下燃料電池組表現(xiàn)出密封性的喪失，這會(huì)削弱安全性，降低效率和耐久性。為了更仔細(xì)地檢測(cè)燃料電池組的惡化，從而其后能夠采取適當(dāng)?shù)拇胧?修復(fù)或丟棄)，需要檢測(cè)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，為了獲得燃料電池組的狀態(tài)的評(píng)價(jià)，作出陰極線(xiàn)路中壓力與陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力的數(shù)學(xué)函數(shù)。此函數(shù)隨著時(shí)間的變化作為所述動(dòng)態(tài)行為的量度，由此觀(guān)察陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力和陰極線(xiàn)路中壓力的演變。優(yōu)選地，為了實(shí)施本發(fā)明，燃料電池組包括來(lái)自?xún)?chǔ)氧罐的加壓供氧源、和用于填充加壓大氣的裝置、以及與燃料電池組的陰極線(xiàn)路的出口相連的再循環(huán)線(xiàn)路。在說(shuō)明書(shū)的其余部分中，通過(guò)考慮供有作為氧化劑氣體的純氧的燃料電池組來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。但是，此方面并非限制性的，本發(fā)明還可適用于供有環(huán)境空氣的燃料電池組。所述的實(shí)施方案(供有純氧)有助于特定的燃料電池組的緊湊性，這對(duì)于運(yùn)輸交通工具，特別是機(jī)動(dòng)交通工具中的應(yīng)用是有利的實(shí)施方案。此應(yīng)用示例表明，在實(shí)際設(shè)計(jì)燃料電池組時(shí)，在電化學(xué)電池的陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體供給線(xiàn)路與在電化學(xué)電池的陰極側(cè)的氧化劑氣體供給線(xiàn)路具有基本上相同的內(nèi)部體積。在此情況中，一個(gè)適當(dāng)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)函數(shù)是陰極線(xiàn)路中壓力和陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力之和，另一個(gè)函數(shù)是陰極線(xiàn)路中壓力和陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力的平均。當(dāng)然，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，為了完成上述數(shù)學(xué)函數(shù) (求和或平均)中的任一個(gè)，在陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)的氣體線(xiàn)路應(yīng)包含相同的摩爾數(shù)。若非如此，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道如何應(yīng)用相關(guān)的校正系數(shù)，或者，更普遍地，知道如何選擇相關(guān)的數(shù)學(xué)函數(shù)以全部地監(jiān)測(cè)燃料電池組的兩氣體線(xiàn)路對(duì)大氣的密封性。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述動(dòng)態(tài)行為的測(cè)定或觀(guān)察或評(píng)價(jià)在電池組完全停止工作并且陽(yáng)極線(xiàn)路和陰極線(xiàn)路中的殘余壓力不同于大氣壓時(shí)立即開(kāi)始。在此情況中，檢測(cè)燃料電池組狀態(tài)的方法是測(cè)定所述線(xiàn)路中壓力在預(yù)定時(shí)間t。中的變化。根據(jù)本發(fā)明的一方面，為了評(píng)價(jià)所述動(dòng)態(tài)行為，不是測(cè)定在特定時(shí)間后的壓差，而是測(cè)定達(dá)到特定壓差的時(shí)間。當(dāng)然，本發(fā)明包括評(píng)價(jià)所述動(dòng)態(tài)行為的其它方法。優(yōu)選地，上述檢測(cè)燃料電池組的密封狀態(tài)的方法在使所述燃料電池組停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟之后進(jìn)行，所述燃料電池組將電壓輸送至電源線(xiàn)(10)，所述停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟包括以下操作(i)切斷燃料氣體和氧化劑氣體的供給；(ii)電流繼續(xù)被汲取，只要適當(dāng)?shù)闹甘颈砻餮趸瘎怏w供給系統(tǒng)中的氧化劑氣體尚未被充分消耗；和(iii)將富含氮的氣體注入氧化劑氣體供給系統(tǒng)。操作(i)、(ii)和(iii)可一起伴隨進(jìn)行。為了更好地理解以下描述，操作(ii) 和操作(iii)是相繼的步驟，⑴和(ii)兩操作是相伴進(jìn)行。在操作(iii)后，還有利地實(shí)施燃料氣體抽吸步驟，也在本發(fā)明所述的停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟中描述。通過(guò)上述停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟，在熄滅后，S卩，在所有的氧已被消耗并且陰極線(xiàn)路已被填充氮后，氫僅非常緩慢地通過(guò)聚合物離子交換膜擴(kuò)散入陰極中。因此，氧和氫不以顯著的量共存。就在開(kāi)始所述步驟時(shí)中斷氫供給，同時(shí)或幾乎同時(shí)中斷氧化劑氣體供給。雖然相對(duì)于中斷氧化劑氣體供給的操作，中斷燃料氣體供給的操作可稍微延遲，但不可顯著地延遲。 以下說(shuō)明僅限于其中氧化劑氣體供給和燃料氣體供給被同時(shí)中斷的情況，這是控制并給出完全令人滿(mǎn)意的結(jié)果的最簡(jiǎn)單的方法。在陽(yáng)極所有殘余的氫節(jié)約地用來(lái)確保期望的h2/n2 混合物。應(yīng)注意，上述停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟延用于燃料電池組，其中附加的燃料氣體蓄集室可被安置在燃料氣體供給線(xiàn)路中的任一處，即在截止閥與燃料電池組之間的任一點(diǎn)，甚至在再循環(huán)線(xiàn)路中，或者在水分離器與噴射器之間的線(xiàn)路中。但是，有利地，將其安置在線(xiàn)路中壓力最高之處，從而減小其體積，正如以上燃料電池組的描述中所述。在任何情況中，就電解質(zhì)而言，本發(fā)明適用于具有聚合物膜(即PEFC型之一)形式的電解質(zhì)類(lèi)型的燃料電池組。下述發(fā)電和停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟證明特別適合在機(jī)動(dòng)交通工具中安裝和實(shí)施。


本說(shuō)明書(shū)的其余部分借助于附圖清楚地說(shuō)明本發(fā)明的所有方面，其中圖I是利用供有純氧的燃料電池組發(fā)電的示意圖；圖2顯示在熄滅燃料電池組時(shí)各種參數(shù)的行為；圖3顯示在熄滅后壓力的行為并說(shuō)明測(cè)定電池組的密封狀態(tài)的原理。描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案出于安全原因，燃料電池組通常配有H2截止閥，它在停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持關(guān)閉。在此情況中，在熄滅步驟中不可能將H2導(dǎo)入罐中。因此，燃料電池組必須僅利用在其通道、管道、 內(nèi)部除濕貯藏器及從安全閥至實(shí)際燃料電池組的供給線(xiàn)的其它部件中殘余的氫來(lái)工作，這些部件以下統(tǒng)稱(chēng)為燃料電池組的供給線(xiàn)路。圖I表示具有聚合物膜(即PEFC或PEM (質(zhì)子交換膜)型)形式的電解質(zhì)的類(lèi)型的燃料電池組I。燃料電池組I供有兩種氣體，即燃料(在交通工具上儲(chǔ)藏或產(chǎn)生的氫)和氧化劑(純氧)，氣體供給電化學(xué)電池的電極。負(fù)載14通過(guò)輸電線(xiàn)10連接至燃料電池組
I。為了簡(jiǎn)化，圖I僅顯示有助于理解本發(fā)明的氣體線(xiàn)路部件。描沭陽(yáng)極線(xiàn)路該裝置包含在陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體供給線(xiàn)路11?？梢?jiàn)到純氫(H2)罐11T，這通過(guò)供給線(xiàn)連接至燃料電池組I的陽(yáng)極線(xiàn)路的入口，該供給線(xiàn)經(jīng)過(guò)截止閥110，接著經(jīng)過(guò)噴射器 113，而后經(jīng)過(guò)燃料氣體供給通道11A，終止在陰極。壓力探頭111被安裝在供給通道IlA 中，正好在進(jìn)入燃料電池組I的入口之前。用于將未被燃料電池組消耗的氫再循環(huán)的線(xiàn)路 IlR是氫(燃料)供給線(xiàn)路11的構(gòu)成部分，所述線(xiàn)路被連接至燃料電池組I的陽(yáng)極線(xiàn)路的出口。水分離器114被安裝在再循環(huán)線(xiàn)路IlR中。噴射器113和再循環(huán)泵115將未被消耗的氫再循環(huán)并將其與來(lái)自罐的新鮮氫混合。還可看到附加的燃料氣體蓄集室116，這被置于燃料氣體供給線(xiàn)路11的管路上， 在截止閥Iio與調(diào)壓閥117之間。在此優(yōu)選的實(shí)施方案中，附加的蓄集室被置于供給線(xiàn)路中壓力最高之處，從而減小其體積，或者以相同的體積儲(chǔ)藏較大量的氫。應(yīng)注意，附加的燃料氣體蓄集室116可被置于燃料氣體供給線(xiàn)路中的任一處，即在截止閥110與燃料電池組I 之間的任一處，甚至在再循環(huán)線(xiàn)路IlR或水分離器114與噴射器113之間的線(xiàn)路中。但是， 有利地將其置于線(xiàn)路中壓力最高之處，從而減小其體積。還可看到安裝在與大氣相通并連接水分離器114下部的線(xiàn)路上的抽吸泵119和截止閥118。圖I中所示，在此處的連接使得可通過(guò)控制截止閥118提供三種功能，即排水、清洗和抽吸氫。但是，此實(shí)施方案細(xì)節(jié)并非限制性。為了提供本發(fā)明的更具體的氫抽吸功能， 具有截止閥118的線(xiàn)路可從連接分離器114的線(xiàn)路分叉至再循環(huán)泵115。可有利地將氫濃度傳感器Cll插入陽(yáng)極線(xiàn)路中，從而在熄滅步驟中檢測(cè)無(wú)氫匱乏，并且在適當(dāng)時(shí)，通過(guò)增壓泵限制空氣的注入(參見(jiàn)陰極線(xiàn)路的描述)，例如，若氫壓力異常低并且沒(méi)有確保完成熄滅步驟的足量的氫，則可能發(fā)生。如圖I中所示，安裝此類(lèi)氫傳感器 cii。
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描述陰極線(xiàn)路所述裝置還包括在陰極側(cè)的氧化劑氣體供給線(xiàn)路12?？煽吹郊冄?O2)罐12T，其通過(guò)供給線(xiàn)被連接至燃料電池組I的陰極線(xiàn)路的入口，該供給線(xiàn)經(jīng)過(guò)截止閥120，接著經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥127，而后經(jīng)過(guò)噴射器123，其后經(jīng)過(guò)氧化劑氣體供給通道12A，終止在陰極。壓力探頭121被安裝在供給通道12A中，正好在進(jìn)入燃料電池組I的入口之前。用于使未被燃料電池組消耗的氧再循環(huán)的線(xiàn)路12R是氧供給線(xiàn)路11的組成部分，其被連接至燃料電池組I的陰極線(xiàn)路的出口。水分離器124被安裝在再循環(huán)線(xiàn)路12R中。噴射器123和再循環(huán)泵125 將未被消耗的氧再循環(huán)，并將其與來(lái)自罐的新鮮氧混合。放氣閥122連接至水分離器124的下部。該閥由此提供兩種功能，除去水并使氧線(xiàn)路與大氣相通。作為變體，若期望使氧線(xiàn)路通大氣，而與將水分離器124中的水排出互不相關(guān)，此放氣閥122可正好被連接在燃料電池組I的氣體出口，將燃料電池組I與水分離器 124之間的線(xiàn)路分岔。不言而喻，在所有的情況中，必須確保從水分離器124和從水分離器 114排水的功能。本發(fā)明的燃料電池組包括填充裝置12N，用于向陰極線(xiàn)路填充加壓的大氣。填充裝置12N包括以下部件起始于空氣進(jìn)口 126的線(xiàn)路，以及安裝在所述線(xiàn)路上的截止閥128和增壓泵129，該線(xiàn)路終止在氧供給線(xiàn)路，正好在燃料電池組I的上游。應(yīng)指出，大氣填充裝置 12N可終止在氧化劑氣體供給線(xiàn)路12的環(huán)路中的任一處，所述環(huán)路由再循環(huán)線(xiàn)路12R和將噴射器123連接至燃料電池組I的線(xiàn)路組成。描述一種優(yōu)選的媳滅方法下述方法可熄滅燃料電池組，從而在無(wú)需氮?dú)馄康那闆r下確保在其中儲(chǔ)藏氫/氮混合物。推薦此方法，因?yàn)樗ㄟ^(guò)使燃料電池組自然地處于相對(duì)于大氣壓足以實(shí)施電池組密封狀態(tài)測(cè)定的壓差中來(lái)結(jié)束。此外，就氣體的性質(zhì)和溫度而言，所述方法有助于穩(wěn)定的狀況，由此確保電池組密封狀態(tài)測(cè)定的更好的重現(xiàn)性。所述停止運(yùn)轉(zhuǎn)方法基本上由3個(gè)階段組成，由下述的各種需求而產(chǎn)生第一階段殘余氧消耗階段，其發(fā)生在切斷燃料氣體供給和氧化劑氣體供給時(shí)，通過(guò)在燃料電池組端子汲取電流Is進(jìn)行。保持此電流汲取(current draw) Is,只要適當(dāng)?shù)闹甘颈砻餮趸瘎怏w供給系統(tǒng)中的氧化劑氣體尚未被充分消耗。適當(dāng)?shù)闹甘臼抢珀帢O線(xiàn)路中的壓力；第二階段中和階段，其發(fā)生在用氮填充陰極線(xiàn)路時(shí)。在此描述的實(shí)施方案中，氮是大氣中的氮。然后強(qiáng)制注入大氣，由此再次導(dǎo)入少量氧，其消耗必須被控制；和第三階段是任選的，在此期間，在電化學(xué)過(guò)程已完全被終止后，強(qiáng)制性地除去任何過(guò)量的燃料氣體(在此，強(qiáng)制抽吸過(guò)量的氫)。應(yīng)強(qiáng)調(diào)，通過(guò)本發(fā)明，此抽吸僅發(fā)生在已使燃料電池組處于已采取避免氫供給不足(已知其嚴(yán)重后果)的預(yù)防措施的狀態(tài)之后。圖2說(shuō)明在實(shí)際測(cè)定包含20個(gè)有效面積為300cm2并利用純氧工作的電池的燃料電池組停止運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中三階段的順序。X-軸表示時(shí)間(秒)，以停止運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程開(kāi)始時(shí)的瞬間為基準(zhǔn)(O)。此圖表明在用氮產(chǎn)生來(lái)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中作為時(shí)間的函數(shù)的數(shù)量的變化曲線(xiàn)I，其y-軸標(biāo)記為“電池組電流[A] ”，表明從燃料電池組汲取的電流(安培)；曲線(xiàn)2，其y_軸標(biāo)記為“電池組電壓[V]”，表明經(jīng)過(guò)燃料電池組端子的總電壓(伏特)；
曲線(xiàn)3,其y-軸標(biāo)記為“壓力(pressure out) [bar] ”,表明陽(yáng)極室內(nèi)的壓力(氫 實(shí)線(xiàn))和陰極室中的壓力(巴)(氧虛線(xiàn))；和曲線(xiàn)4，其y_軸標(biāo)記為“H2濃度[% ]”，表示陽(yáng)極室(氫實(shí)線(xiàn))中和陰極室(氧 虛線(xiàn))中的氫濃度)。在熄滅(extinction)的第一階段(0_35s，在圖2標(biāo)記為“氧耗盡”)，起始自氧供給切斷之時(shí)(通過(guò)關(guān)閉截止閥120同時(shí)關(guān)閉截止閥110，切斷氫供給)，通過(guò)汲取電流使燃料電池組中的殘余純氧被消耗。正如第一曲線(xiàn)所示，此電流首先達(dá)到50A，然后下降，同時(shí)燃料電池組的若干電池的電壓開(kāi)始下降，最終在燃料電池組的電壓接近OV時(shí)在35s停止。第三曲線(xiàn)表明，氧室中的壓力降至小于500mbara(通常在燃料電池組領(lǐng)域,“mbara”是指“絕對(duì)毫巴”，最后的字母“a”表示“絕對(duì)”)。但是，雖有與產(chǎn)生電流相關(guān)的消耗，由于存在附加的燃料氣體蓄集室116，氫壓力仍然保持在I. 75bara。正如本專(zhuān)利申請(qǐng)的概述部分中已強(qiáng)調(diào)的，本發(fā)明的熄滅方法還可適用于供有環(huán)境空氣的燃料電池組。為了實(shí)施本發(fā)明為供有空氣的燃料電池組提出的停止運(yùn)轉(zhuǎn)方法，不同于此類(lèi)燃料電池組的常規(guī)供給方案，至少在停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟中，氧化劑氣體線(xiàn)路必須包括用于使未被燃料電池組消耗的空氣循環(huán)的環(huán)路。因此，用于使未被燃料電池組消耗的空氣再循環(huán)的再循環(huán)線(xiàn)路12R是空氣供給線(xiàn)路11的組成部分，在返回和直接連接(既沒(méi)有噴射器也無(wú)水分離器，它們?cè)诖伺渲弥惺遣槐匾?至供給線(xiàn)之前，其連接至燃料電池組I的陰極線(xiàn)路的出口。描述供有純氧的燃料電池組的停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟。在時(shí)間35s (在圖2中的時(shí)間軸上 “35”)，啟動(dòng)空氣增壓泵129以使陰極線(xiàn)路增壓至2. 2bara(參數(shù)I)的恒壓，這在50s達(dá)到。 如此供給的氧使燃料電池組電壓再次升高。再一次汲取電流直至燃料電池組的電壓再次變成零。同時(shí)，監(jiān)測(cè)增壓泵129以保持恒壓。順便地，應(yīng)記住，下述所有的曲線(xiàn)都是關(guān)于燃料電池組，其被供給作為氧化劑的純氧、為大氣的富含氮的氣體。但是，應(yīng)指出，在一方面，富含氮的氣體可以是純氮，當(dāng)然，在此情況中，在時(shí)間“35秒”后，曲線(xiàn)會(huì)具有不同的外觀(guān)，因?yàn)榈⑷霙](méi)有伴隨著氧的新供給。談及所述的情況，即供有作為氧化劑的純氧的燃料電池組的情況。當(dāng)消耗電流時(shí)， 存在于陰極的空氣變得越來(lái)越缺氧，而后最終僅主要包含氮，由燃料電池組端子間的電壓在65s瞬間變?yōu)榱憧梢燥@示。在此刻(在氧(120)和氫(110)供給已被切斷后65秒)，使空氣增壓泵129停止并啟動(dòng)氫抽吸泵119，從而除去過(guò)量的氫。抽吸泵119保持運(yùn)轉(zhuǎn)直至氫壓力達(dá)到O. 5bara(參數(shù)2)。在75s瞬間達(dá)到此壓力。然后終止步驟，使增壓泵129和抽吸泵119停止，并且關(guān)閉截止閥118和128。在整個(gè)熄滅過(guò)程中，在陰極側(cè)的再循環(huán)泵125保持運(yùn)轉(zhuǎn)，從而確保氣體的均勻性良好，并確保完全消耗氧，防止出現(xiàn)氧濃度局部較高的區(qū)域。在陽(yáng)極側(cè)的再循環(huán)泵115也保持運(yùn)轉(zhuǎn)，從而避免任何局部的氫匱乏。第四曲線(xiàn)所示的氫消耗表明，在整個(gè)熄滅時(shí)期中避免了氫匱乏。在陽(yáng)極線(xiàn)路中，濃度保持高于85%，直至65秒即刻開(kāi)始?xì)涑槲鼤r(shí)。在上述方法中，前兩階段(殘余氧消耗和通過(guò)氮注入中和)相繼地進(jìn)行。但是，它們也可同時(shí)進(jìn)行。為了更快速地熄滅，期望使它們同時(shí)進(jìn)行。最終階段(抽吸過(guò)量的氫) 并非總是必要的。實(shí)際上，可設(shè)置氫緩沖罐以使所述步驟以下述期望量的氫結(jié)束。
燃料氣體供給線(xiàn)路11的內(nèi)部體積被設(shè)置成大于氧化劑氣體供給線(xiàn)路12的內(nèi)部體積，并且在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氧化劑氣體供給線(xiàn)路12內(nèi)的壓力和燃料氣體供給線(xiàn)路11內(nèi)的壓力使得，在給定的氧化劑氣體供給線(xiàn)路12的內(nèi)部體積和燃料氣體供給線(xiàn)路11的內(nèi)部體積下， 在熄滅過(guò)程開(kāi)始時(shí)燃料氣體供給線(xiàn)路中可用的燃料氣體的摩爾數(shù)總是大于或等于在整個(gè)熄滅過(guò)程中氧化劑氣體供給線(xiàn)路中消耗的氧的摩爾數(shù)的兩倍，即直至陰極線(xiàn)路基本上充滿(mǎn)期望壓力的氮。因此，在要計(jì)算和實(shí)施的簡(jiǎn)單修改方案中，可確保燃料氣體供給線(xiàn)路總是包含用于熄滅燃料電池組的足量氣體，從而耗盡氧化劑氣體供給線(xiàn)路中的氧。描述如何計(jì)算陽(yáng)極線(xiàn)路12和陰極線(xiàn)路11的體積。111。2是以例如摩爾表示的氧的量，其在整個(gè)熄滅過(guò)程中必須被完全消耗。這是在熄滅開(kāi)始時(shí)陰極線(xiàn)路中的殘余氧，其小于可排放的量加上由要產(chǎn)生氮的增壓泵129引入空氣而引入的量。因?yàn)闅怏w消耗是氫側(cè)的兩倍，必須調(diào)整陽(yáng)極線(xiàn)路和陰極線(xiàn)路的體積以確保Iiih2 ^ 2 Xmo2+resh2其中mh2是在熄滅開(kāi)始時(shí)燃料氣體供給線(xiàn)路(管道、通道、雙極板、截止閥110下游的供給線(xiàn))的內(nèi)部體積中可用的氫的量(摩爾)，reSh2是期望的殘余氫的量(摩爾)?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整附加的燃料氣體蓄集室116的體積獲得最終所需的氫的量量!11。2和Hih2盡管與相應(yīng)線(xiàn)路的體積(所需的尺寸)相關(guān)，但它們還取決于其中的普遍壓力。這是簡(jiǎn)化的方法，因?yàn)橥ǔ＿€需考慮氣體的溫度和作為壓力的非線(xiàn)性函數(shù)的氫密度。但是，對(duì)于期望的精確度，考慮壓力證明是足夠的。對(duì)于可遇到的最不利的壓力和溫度條件，即在熄滅開(kāi)始時(shí)氫線(xiàn)路中可能的最低壓力和氧線(xiàn)路中可能的最大殘余壓力，必須計(jì)算體積。但是，在供給壓力改變的情況中，以過(guò)量的氫和最終抽吸實(shí)施所述方法確保不發(fā)生氫匱乏，并且最終條件的可重現(xiàn)性更好。參照?qǐng)D3，顯示在比圖2中更長(zhǎng)的時(shí)間中在陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)的壓力變化，包括上述熄滅步驟，其后延長(zhǎng)約10分鐘。在熄滅步驟結(jié)束時(shí)(在氧和氫供給已被中斷后約100 秒)，陽(yáng)極室(實(shí)線(xiàn))和陰極室(長(zhǎng)虛線(xiàn))中的壓力不同于大氣壓，在實(shí)施例中，在陰極高于
2.2bara，在陽(yáng)極是O. 5bara?？梢?jiàn)，由于分隔二室的膜的滲透性，這兩個(gè)壓力集中在共同的平衡壓力，在10分鐘后達(dá)到約I. 3bara。但是，可見(jiàn)，由短虛曲線(xiàn)表示的兩壓力的代數(shù)總和基本上保持恒定，條件是，電池組相對(duì)于大氣具有適當(dāng)?shù)拿芊庑?。因此，若在燃料電池組被認(rèn)為已熄滅時(shí)立即進(jìn)行檢查，記錄陽(yáng)極線(xiàn)路和陰極線(xiàn)路中壓力的總和等于P115其后，在一方面陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力與另一方面陰極線(xiàn)路中壓力的總和基本上保持相同，指示所述線(xiàn)路是適當(dāng)密封的。在另外180秒的時(shí)間&后，記錄陽(yáng)極線(xiàn)路和陰極線(xiàn)路中壓力的總和等于P2，其 Φ P2幾乎與P1相同。因此，可見(jiàn)，可實(shí)施檢測(cè)燃料電池組狀態(tài)的方法，其中記錄所述數(shù)學(xué)函數(shù)(在此是代數(shù)和)隨著時(shí)間的變化，并且當(dāng)由時(shí)間和與該時(shí)間相關(guān)的函數(shù)值組成的數(shù)值對(duì)超過(guò)預(yù)定的閾值時(shí)，觸發(fā)警報(bào)。測(cè)定在預(yù)定的時(shí)間t。內(nèi)所述線(xiàn)路中的壓力變化，計(jì)算與所述線(xiàn)路中的壓力值相關(guān)的數(shù)學(xué)函數(shù)。當(dāng)在預(yù)定的時(shí)間末所述函數(shù)低于報(bào)警閾值時(shí)，則發(fā)出警報(bào)。在實(shí)踐中，對(duì)于總累積有效面積為約5000cm2的PEFC型燃料電池組，陽(yáng)極線(xiàn)路和陰極線(xiàn)路的體積約I升，在熄滅結(jié)束時(shí)，相對(duì)于大氣，平均壓差為約500mbar，試驗(yàn)觀(guān)察提供以下良好的實(shí)施規(guī)則當(dāng)在70°C的溫度在3分鐘內(nèi)陽(yáng)極和陰極的壓力的總和降低240mbar 時(shí)，應(yīng)激活報(bào)警閾值。此外，當(dāng)在70°C的溫度下在3分鐘內(nèi)陽(yáng)極和陰極的壓力的總和下降 300mbar時(shí)，可設(shè)置停止運(yùn)轉(zhuǎn)的閾值。當(dāng)達(dá)到停止運(yùn)轉(zhuǎn)閾值水平時(shí)，(例如通過(guò)中央控制單元中的程序)禁止電池組工作，需要進(jìn)行維護(hù)操作。在燃料電池組中的各處的密封物常是密封性不足的原因。為了在維護(hù)操作時(shí)識(shí)別泄漏源，一種方法是，以接近額定操作壓力的壓力，用惰性氣體，優(yōu)選氮，對(duì)電池組施壓，然后將常用于檢測(cè)泄漏的起泡產(chǎn)品噴施在電池組的外部上以定位泄漏源。關(guān)于氣體的性質(zhì)和壓力，上述停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟提供正確的條件，并可達(dá)到非常好的再現(xiàn)性，即，在陽(yáng)極純氫的壓力為500mbara，在陰極純氮的壓力為2. 2bara。需要確保存在的氣體不賦予任何電化學(xué)活性，其可使通過(guò)壓力變化測(cè)定電池組的狀態(tài)不可行。還清楚地理解，在測(cè)定時(shí)，陽(yáng)極線(xiàn)路和陰極線(xiàn)路必須關(guān)閉，從而與周?chē)h(huán)境或罐沒(méi)有氣體交換，氣體交換會(huì)使電池組狀態(tài)的測(cè)定全部扭曲。這意味著必須關(guān)閉閥128、122、120、127、118、110和 117。顯然陽(yáng)極線(xiàn)路和陰極線(xiàn)路中的氣壓必須不同于大氣壓，否則不可能觀(guān)察到相對(duì)于大氣的泄漏所造成的壓力變化。若內(nèi)部壓力低于大氣壓，相關(guān)線(xiàn)路中的泄漏導(dǎo)致壓力升高， 反之亦然。此外，再循環(huán)泵115和125和增壓泵129必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)以不干擾測(cè)定。
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權(quán)利要求
1.檢測(cè)燃料電池組狀態(tài)的方法，所述燃料電池組(I)是通過(guò)組裝電化學(xué)電池制得，所述電化學(xué)電池各自具有在聚合物離子交換膜兩側(cè)的陽(yáng)極和陰極，所述燃料電池組具有在電化學(xué)電池陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體供給系統(tǒng)和在電化學(xué)電池陰極側(cè)的氧化劑氣體供給系統(tǒng)，所述方法包括在所述燃料電池組每次停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)定陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力和陰極線(xiàn)路中壓力演變的動(dòng)態(tài)行為，當(dāng)所述動(dòng)態(tài)行為表現(xiàn)出預(yù)先確認(rèn)的特征指示時(shí)，激活表明所述燃料電池組需要檢測(cè)的警報(bào)信號(hào)。
2.權(quán)利要求I的檢測(cè)燃料電池組狀態(tài)的方法，其中對(duì)動(dòng)態(tài)行為演變的測(cè)定包括記錄將陰極線(xiàn)路中壓力和陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力組合的數(shù)學(xué)函數(shù)的變化，并且當(dāng)由時(shí)間和與所述時(shí)間相關(guān)的函數(shù)值組成的數(shù)值對(duì)超過(guò)預(yù)定的閾值時(shí)，觸發(fā)警報(bào)。
3.權(quán)利要求2的檢測(cè)燃料電池組狀態(tài)的方法，其中所述數(shù)學(xué)函數(shù)是陰極線(xiàn)路中壓力和陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力的總和。
4.權(quán)利要求2的檢測(cè)燃料電池組狀態(tài)的方法，其中所述數(shù)學(xué)函數(shù)是陰極線(xiàn)路中壓力和陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力的平均。
5.權(quán)利要求3或4的檢測(cè)燃料電池組狀態(tài)的方法，其中所述數(shù)值對(duì)是在所述燃料電池組被認(rèn)為熄滅后經(jīng)過(guò)的時(shí)間和將與所述時(shí)間相關(guān)的陰極線(xiàn)路中壓力和陽(yáng)極線(xiàn)路中壓力組合的數(shù)學(xué)函數(shù)值。
6.在前權(quán)利要求之一的檢測(cè)燃料電池組狀態(tài)的方法，其中測(cè)定在預(yù)定的時(shí)間t。內(nèi)所述各線(xiàn)路中壓力的變化，計(jì)算將所述各線(xiàn)路中壓力值組合的數(shù)學(xué)函數(shù)，并且當(dāng)在預(yù)定的時(shí)間末所述函數(shù)低于報(bào)警閾值時(shí)，發(fā)出警報(bào)。
7.在前權(quán)利要求之一的檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，其在使所述燃料電池組(I) 停止運(yùn)轉(zhuǎn)的步驟之后進(jìn)行，所述燃料電池組(I)將電壓輸送至電源線(xiàn)(10)，所述停止運(yùn)轉(zhuǎn)步驟包括以下操作(i)切斷燃料氣體和氧化劑氣體的供給；( )電流繼續(xù)被汲取，只要適當(dāng)?shù)闹甘颈砻魉鲅趸瘎怏w供給系統(tǒng)中的氧化劑氣體尚未被充分消耗；和(iii)將富含氮的氣體注入所述氧化劑氣體供給系統(tǒng)。
8.在前權(quán)利要求之一的檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，該方法用于包含在電化學(xué)電池陰極側(cè)的氧化劑氣體供給系統(tǒng)的燃料電池組，所述氧化劑氣體供給系統(tǒng)同時(shí)包含置于儲(chǔ)氧罐(12T)的出口的截止閥(120)、以及用于填充增壓大氣的裝置、和在返回并連接至氧化劑氣體供給線(xiàn)之前的再循環(huán)線(xiàn)路(12R)以及水分離器(124)，所述再循環(huán)線(xiàn)路(12R)與燃料電池組(I)的陰極線(xiàn)路出口相連。
9.權(quán)利要求7的檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，其中所述操作和(iii)同時(shí)進(jìn)行。
10.權(quán)利要求7的檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，其中所述操作(ii)和操作(iii) 是相繼的步驟，所述操作(i)和操作(ii)是同時(shí)進(jìn)行的。
11.權(quán)利要求7的檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，其還包括在所述操作(iii)后的抽吸燃料氣體的步驟。
12.權(quán)利要求7的檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，其用于供有作為氧化劑的純氧的燃料電池組，所述的富含氮的氣體是大氣。
13.權(quán)利要求7的檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，其中所述的切斷燃料氣體供給的操作相對(duì)于所述的切斷氧化劑氣體供給的操作延遲。
14.權(quán)利要求7的檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，其中純氧供給和燃料氣體供給同時(shí)被切斷。
15.權(quán)利要求7的檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，其中所述電流汲取首先被設(shè)定在第一水平，當(dāng)所述燃料電池組的若干電池的電壓開(kāi)始下降時(shí)，電流汲取同時(shí)降低，最終當(dāng)所述燃料電池組的電壓接近OV時(shí)，電流汲取變?yōu)榱恪?br> 全文摘要
檢測(cè)燃料電池組密封狀態(tài)的方法，其中，在燃料電池組被認(rèn)為熄滅時(shí)，記錄陽(yáng)極線(xiàn)路與陰極線(xiàn)路中壓力的總和等于P1。在另外180秒時(shí)間之后，記錄陽(yáng)極線(xiàn)路與陰極線(xiàn)路中壓力的總和等于P2。若P2小于P1，則觸發(fā)警報(bào)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK102598382SQ201080049223
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
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