燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種燃料電池系統(tǒng)，操作為其自己的氫氣泄漏檢測器。系統(tǒng)包括：燃料電池，所述燃料電池包括陰極管和至少一個陰極，陰極管用于引導氧化劑氣體通過或者經(jīng)過陰極；殼體，容納所述燃料電池并且限定圍繞燃料電池的氣室；通風系統(tǒng)，配置成用于迫使空氣從氣室進入陰極管；和控制系統(tǒng)，配置成用于監(jiān)控燃料電池電壓，并且檢測歸因于陰極管中氫氣的存的電壓下降。該系統(tǒng)可以包括在電池組中的多個燃料電池。控制系統(tǒng)可以包括一個電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)，用于確定燃料電池的實際電壓或者燃料電池組中的一個或多個電池的實際電壓，以及一個處理器，所述處理器用于接收指示所述燃料電池或燃料電池組的操作條件的輸入。處理器因此被配置成用于確定被監(jiān)視的一個或多個燃料電池的預期電壓以確定實際電壓和預期的電壓之間的差是否超過指示在陰極管中的氫氣的預定水平的預定閾值。
【專利說明】燃料電池系統(tǒng)
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種燃料電池，并且特別地涉及質(zhì)子交換膜型(proton-exchangemembrane type )燃料電池,其中氫氣被提供給燃料電池的陽極側(cè),氧氣被供給至燃料電池的陰極側(cè)，水副產(chǎn)物在燃料電池的陰極側(cè)處產(chǎn)生并且從燃料電池的陰極側(cè)移出。
【背景技術】
[0002]這種燃料電池通常包括夾在兩個多孔電極之間的質(zhì)子交換膜(PEM)，一起包括膜電極組件(MEA)。MEA本身通常夾在(i )和(ii )之間:(i )陰極擴散結構，具有鄰近到MEA的陰極面的第一面jP(ii)陽極擴散結構，具有鄰近MEA的陽極面的第一面。陽極擴散結構的第二面接觸陽極流體流場板，用于電流收集和用于分配氫氣到陽極擴散結構的第二面。陰極擴散結構的第二面接觸陰極流體流場板，用于電流收集，用于分配氧氣到陰極擴散結構的第二面，并且用于從MEA中提取多余的水。多個這樣的燃料電池通常以串聯(lián)配置分層，以形成燃料電池組。
[0003]一種燃料電池組可以被方便地設置在殼體或其他支撐框架或結構內(nèi)，所述殼體或其他支撐框架或結構還可以為燃料電池系統(tǒng)的其它部件提供支撐和/或保護。燃料電池系統(tǒng)的其它部件可以包括各種元件，諸如用于陰極擴散結構的強制通風以輸送氧氣的一個或多個風扇、燃料輸送系統(tǒng)、燃料和空氣流動監(jiān)測系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)以及用于提供控制功能到燃料電池組的電子元件。 [0004]在燃料電池系統(tǒng)中常用的一種額外部件是氫氣檢測器，用于檢測氫氣從燃料電池組或從支撐燃料輸送系統(tǒng)的泄漏。氫氣泄漏檢測器對于燃料電池組的安全操作可以是重要的特征，但是使燃料電池系統(tǒng)的結構增加成本和復雜性。而且，氫氣泄漏檢測器可以成功地檢測出氫氣泄漏的存在，但是不積極地協(xié)助處理逸出氣體；而是通常使用泄漏檢測器來觸發(fā)報警條件和/或關閉燃料電池和/或燃料的供給。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個目的是提供一種用于檢測在燃料電池系統(tǒng)中氫氣泄漏的改進系統(tǒng)。
[0006]根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包括:燃料電池，包括至少一個陰極、和用于引導氧化劑氣體通過或者經(jīng)過陰極的陰極管；殼體，容納所述燃料電池并且限定圍繞燃料電池的氣室；通風系統(tǒng)，配置成用于迫使空氣從氣室進入陰極管；和控制系統(tǒng)，配置成用于監(jiān)控燃料電池電壓，并且檢測歸因于陰極管中氫氣的存在的電壓下降。
[0007]殼體可以限定氣室，氣室封閉(confine)燃料電池的除了陰極排氣面以外的所有面，陰極排氣面包括陰極管的下游端。通風系統(tǒng)可以包括設置在殼體的壁中的風扇，配置成用于將空氣吹入氣室。殼體被配置成用于使得氣室中空氣的主要出口路徑經(jīng)由陰極管。該系統(tǒng)可以包括在所述殼體內(nèi)形成一個或多個組的多個所述燃料電池。該控制系統(tǒng)可以包括:電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)，用于確定燃料電池的實際電壓或者所述燃料電池組中的一個或多個電池的實際電壓；處理器，用于接收指示燃料電池或燃料電池組的操作條件的輸入，并且由此確定被監(jiān)視的一個或多個燃料電池的預期的電壓；和比較器，用于確定實際電壓和預期的電壓之間的差是否超過指示在陰極管中的氫氣的預定水平的預定閾值。殼體可以包括用于環(huán)境空氣通過而進入氣室的至少一個空氣入口，系統(tǒng)還包括設置在陰極管的下游并且配置成用于將空氣從氣室的吸引進入陰極管和從陰極管排出的風扇。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]以下通過示例的方式并參考附圖描述本發(fā)明的實施例，其中:
[0009]圖1示出包括設置在殼體中的燃料電池組的燃料電池系統(tǒng)；和
[0010]圖2示出并入圖1的燃料電池系統(tǒng)的氫氣泄漏檢測系統(tǒng)的功能組件的示意圖。
【具體實施方式】
[0011]參照參考圖1，燃料電池系統(tǒng)I包括設置在殼體3內(nèi)的燃料電池組2。殼體3容納燃料電池組2并且限定燃料電池組周圍的空氣空間或氣室(plenum)4。燃料電池組2包括以常規(guī)堆配置層疊在一起的多個電池5，使得在電池組2中的連續(xù)的電池5的輸出電壓可以串聯(lián)連接以提供任何所需的電壓的電池組輸出。燃料電池組2可以是傳統(tǒng)的結構，以包括用于將燃料輸送到電池組中的膜電極組件的陽極側(cè)的陽極通道，和用于傳送氧化劑至電池組中的膜電極組件的陰極側(cè)的陰極通道。燃料電池組2可以是開放型陰極類型，使得氧化劑通過以大致大氣壓力強制通風通過陰極通道被輸送到MEA的陰極側(cè)。電池組2包括多個面，所述多個面包括陰極空氣吹入其中的陰極入口面6和陰極空氣從其被排出的陰極排氣面7。如圖1中顯示，殼體3優(yōu)選地不完全封閉燃料電池2，而是保留陰極排氣面7暴露于殼體4的外部的周圍空氣。殼體可以被密封到電池組2的邊緣以防止空氣通過電池組的邊緣。
[0012]殼體3包括孔8和其中相關的風扇9，所述相關的風扇9被配置用于在燃料電池組的操作過程中強制空氣進入氣室4，從而稍稍提高氣室中的空氣的壓力，以便強制空氣進入陰極入口面6，通過在燃料電池組2中的陰極管，并且通過陰極排氣面7被排出。在空氣通過陰極管輸送時，空氣提供穿過或通過電池組中的燃料電池的陰極表面的氧化劑氣體，并且從陰極攜帶水副產(chǎn)物到陰極排氣面7。風扇9還可以被定位將空氣吹過在殼體內(nèi)的任何支撐電子元件15，這用于冷卻電路器件并且因而預熱通入燃料電池的空氣?？梢允褂卯a(chǎn)生適當?shù)目諝饬鞯钠渌问降耐L系統(tǒng)，例如，鼓風機、壓縮機或類似機器。表述“風扇”旨在包括所有這些空氣流動發(fā)生器。
[0013]燃料電池組通常由數(shù)十或數(shù)百層制成，包括膜電極組件、擴散層、流體流動板和密封各層的密封圈。各層的不完美的密封或所用材料隨時間的劣化可能會導致氫氣逸出。因此，在許多應用中，希望監(jiān)測氫氣從電池組2中的逸出。在圖1的設計中，將認識到，氫氣從電池組2的逸出將主要導致氫氣泄漏進入氣室4。此外，從也容納在殼體3中的支撐燃料輸送系統(tǒng)中的任何氫氣逸出將導致氫氣泄漏到氣室4。本發(fā)明人已經(jīng)認識到，沒有必要在氣室4內(nèi)提供單獨的氫氣檢測器，因為燃料電池組自身在結合合適的控制系統(tǒng)的情況下可用于檢測任何氫氣泄露。[0014]泄漏到氣室4中的任何氫氣將被強制通風通過陰極入口面6和進入燃料電池組的陰極管。在燃料電池的MEA的陰極面處存在的氫氣導致電壓下降和燃料電池的效率降低。如下所述，這個電壓下降可以通過使用控制系統(tǒng)仔細監(jiān)測燃料電池被檢測到。此外，緊鄰殼體入口而不必然在殼體內(nèi)的氫氣泄漏也可由風扇9吸入殼體并且導致氫氣強制通風通過陰極管。
[0015]如圖2所示，燃料電池組2包括至少兩個電池電壓監(jiān)視端子20，所述電池電壓監(jiān)視端子可以用于檢測電池或一系列電池(甚至整個電池組)的電壓。燃料電池可以在電池組中許多電池上或者在串聯(lián)連接的電池的選定組上具有電池電壓監(jiān)視端子。電池電壓或電池組電壓被傳遞給電池電壓監(jiān)視電路21并且被記錄。處理器22監(jiān)視燃料電池電壓并且被配置成用于檢測由于在陰極管中存在氫氣而導致的電池電壓或電池組電壓的下降。
[0016]要做到這一點，處理器22可以操作以檢測在電池或電池組電壓輸出中意想不到的變化，并且在電池或電池組電壓中意想不到下降的情況下觸發(fā)檢測條件?？蛇x地，處理器可以操作以比較實際電池或電池組電壓輸出與對于電池或電池組的當前操作條件的預期的電池或組電壓輸出。要做到這一點，處理器22可以設置有對應于感測到的燃料電池、電池或電池組的操作條件的多個輸入23。這些操作條件可能包括諸如如下參數(shù):溫度、燃料流量、電負荷、陰極輸出濕度、局部環(huán)境濕度、燃料電池年限、大氣壓力和近期操作歷史等。處理器可以使用這些輸入以確定操作條件，操作條件可以用于通過適當?shù)乃惴ɑ虿檎冶韥泶_定預期電壓。處理器可以包括比較器，用于確定測量的實際電壓和從燃料電池的操作條件獲得的預期電壓之間的差是否超過將指示在陰極管中氫氣的預定水平的一定值或閾值，在陰極管中氫氣的預定 水平例如是由于氫氣泄漏到氣室中導致的。處理器需要知悉上述操作條件的一些或全部的程度或范圍將取決于所需的氫氣檢測靈敏度。燃料電池的陰極可以對氫氣的存在極為敏感，使得即使在陰極空氣流中存在僅數(shù)個百萬分之一(ppm)濃度的氫氣，電池電壓也會出現(xiàn)顯著下降，甚至可能下降到接近于零。
[0017]圖1和圖2的用于氫氣檢測的殼體3和通風系統(tǒng)的封閉結構的另一個優(yōu)點在于，逸出并且由燃料電池檢測到的任何泄漏的氫氣將在一定程度上通過發(fā)生在PEM的陰極側(cè)的反應耗盡。這將作為水從陰極排出口被安全地排出。因此，不僅可以方便地檢測泄漏氫氣，而且泄漏氫氣可以通過燃料電池本身部分地或完全地變得無害。
[0018]對結合圖1和圖2所描述的示例性的燃料電池系統(tǒng)可以做出各種改變。
[0019]電池組2的陰極排氣面7也可以被容納在殼體3內(nèi)，但是通過合適的通風管或其它空氣流動管被直接地連接到殼體的外部。
[0020]風扇9可以被定位在燃料電池組的下游陰極排氣面7上或鄰近燃料電池組的下游陰極排氣面7，并且被布置以通過陰極管從氣室4吸引空氣。在這種結構中，在殼體3中的孔8的尺寸優(yōu)選地設計成確保排氣風扇足夠強以在氣室中保持輕微的負壓力，以確保來自任何顯著逸出的足夠氫氣將通過陰極管被抽吸?？?可以包括分布在殼體周圍的用于使空氣平滑流動的多個孔。
[0021]優(yōu)選的是，殼體3相對氣密，以確保從燃料電池組2泄漏的氫氣被捕獲在殼體內(nèi)，并且然后被強制進入到燃料電池的陰極管。然而，應當理解的是，完整的氣密性不是必需的。殼體所需要的閉合程度將部分地由這樣的因素來確定:諸如風扇的強度、通過電池組的必要的氣流和電池組的對于在較大空氣流中檢測低濃度氫氣的靈敏度。因此，所需要的僅僅是，殼體3對氣室4提供足夠的容積，以確保足夠比例的從電池組2漏出的任何氫氣被捕獲用于強制通風通過陰極管以實現(xiàn)可靠地檢測。在一個優(yōu)選的布置中，殼體及通風系統(tǒng)被配置使得用于氣室4中空氣的主要的(即占優(yōu)勢的)出口路徑經(jīng)由陰極管。
[0022]殼體3可以包含任何尺寸的燃料電池或燃料電池組，并且多個電池組可以共享共同的殼體。
[0023] 其他實施例落入所附權利要求的保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池，包括陰極管和至少一個陰極，所述陰極管用于引導氧化劑氣體通過或者經(jīng)過陰極； 殼體，容納所述燃料電池并且限定圍繞燃料電池的氣室； 通風系統(tǒng)，配置成用于迫使空氣從氣室進入陰極管；和 控制系統(tǒng)，配置成用于監(jiān)控燃料電池電壓，并且檢測歸因于陰極管中氫氣的存在的電壓下降。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池，其中殼體限定氣室，氣室封閉燃料電池的除了陰極排氣面以外的所有面，陰極排氣面包括陰極管的下游端。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃料電 池系統(tǒng)，其中通風系統(tǒng)包括設置在殼體的壁中的風扇，風扇配置成用于將空氣吹入氣室。
4.根據(jù)權利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中殼體被配置成用于使得氣室中空氣的主要出口路徑經(jīng)由陰極管。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，包括在所述殼體內(nèi)形成的一個或多個電池組的多個所述燃料電池。
6.根據(jù)權利要求1或5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)包括: 電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)，用于確定燃料電池的實際電壓或者在所述燃料電池組中的一個或多個電池的實際電壓； 處理器，用于接收指示燃料電池或燃料電池組的操作條件的輸入，并且由此確定被監(jiān)視的一個或多個燃料電池的預期的電壓；和 比較器，用于確定實際電壓和預期的電壓之間的差是否超過指示在陰極管中的氫氣的預定水平的預定閾值。
7.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中殼體包括用于環(huán)境空氣通過而進入氣室的至少一個空氣入口，系統(tǒng)還包括風扇，所述風扇設置在陰極管的下游并且配置成用于將空氣從氣室吸引進入陰極管和從陰極管排出。
【文檔編號】H01M8/04GK104025359SQ201280046245
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年9月21日 優(yōu)先權日:2011年9月23日
【發(fā)明者】西蒙·愛德華·福斯特, 彼得·戴維·胡德, 克里斯托弗·詹姆斯·科爾克 申請人:智慧能量有限公司