燃料电池系统中的轻微阳极泄露检测

摘要

本发明涉及燃料电池系统中的轻微阳极泄露检测。一种用于检测燃料电池系统的阳极中的轻微氢泄漏的系统和方法。所述方法包括：确定关闭序列（是否）已经开始，如果是，则耗尽燃料电池堆的阴极侧的氧。然后，所述方法将所述燃料电池堆的阳极侧的压力增加到预定设置点，并且监控所述堆的阳极侧的压力衰减。所述方法将压力衰减率与预期压力衰减率进行比较，并且如果测量到的压力衰减速率超过预期的压力衰减速率特定阈值，则确定存在潜在的泄漏。

说明书

技术领域

本发明总体涉及一种用于检测燃料电池系统中的轻微阳极泄露的系统和方法，并且更具体地，涉及一种用于检测在系统关机时类似以阳极压力衰减速率的在燃料电池系统中的轻微阳极泄露的系统和方法。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且可以用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是电化学设备，其包括阳极和阴极，以及在阳极和阴极之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分裂产生自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阳极催化剂处与氧和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，并因此在被送到阴极之前引导通过负载来做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是用于车辆的流行的燃料电池。PEMFC大体包括固态聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极电极或催化剂层通常包括细分的催化颗粒，通常是铂（Pt），支撑在碳颗粒上且与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的混合限定了膜电极组件（MEA）。每个MEA通常夹在两片多孔材料气体扩散层（GDL）之间，保护膜的机械完整性，并且还帮助均匀的反应物湿度扩散。MEA的制造相对昂贵并且要求特定条件以有效运行。

通常将若干燃料电池组合成燃料电池堆以产生期望的电力。例如，典型的车用燃料电池堆可具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是经由压缩机迫使通过所述堆的空气流。燃料电池堆还接收流到堆的阳极侧的阳极氢输入反应气体。并非所有的氧都被堆消耗，部分空气作为阴极排出气被输出，其中可含有作为发生在堆中的化学反应的副产品的水。

燃料电池堆通常包括一系列位于电池堆中的若干MEA之间的双极板，其中双极板和MEA定位于两个端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧流分配器或流场。在双极板的阳极侧上提供阳极气体流道，以允许阳极反应气体流向相应的MEA。在双极板的阴极侧上提供阴极气体流道，以允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流道，且另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池所产生的电导出所述堆。双极板还包括冷却流体流动通过其的流道。

通常很难检测燃料电池系统的阳极中的轻微氢气泄漏。大的氢气泄漏，例如阀处于打开，通常可使用阳极入口注入诊断或流量计来检测。然而，不足以超过氢排放要求的轻微阳极泄漏使用阳极入口注入诊断可能会是不可检测的。尽管轻微氢气泄漏不必然地造成排放问题，但是由于效率原因和其他原因仍然期望恰当地说明系统中的所有氢。轻微阳极泄漏的源可包括通过不适当地就位的阀的轻微泄漏、通过膜到堆的阴极侧的氢跨越和/或轻微的阳极向外泄漏。在这些中，到阴极的氢跨越是最有可能的。幸运地，跨越泄漏通常发展到几十到上百个运行小时，而不是几秒到几分钟。

在燃料电池系统启动时，假设自从之前的关闭已经逝去足够的时间，在最后关闭时剩余在堆中的大部分氢从堆散出，并且阳极和阴极流道通常填满空气。当氢在系统启动时被引入到阳极流道时，氢将空气推出阳极流道，产生行进通过阳极流道的氢/空气前端。如在文献中所述，阳极侧上的氢/空气前端与阴极侧上的空气混合的出现导致电化学反应发生，引起支撑在MEA的阴极侧上的碳的消耗，从而降低了燃料电池堆中MEA的寿命。

一种明显减少系统启动时空气/氢前端并因此减少催化腐蚀的已知技术是减小启动频率，在启动时，阳极和阴极充满空气。实现这的一项策略是将阳极和阴极置于氮/氢环境中。然而，氢将最终从阳极扩散出，或者被氧慢慢消耗掉，返回到堆。因此，为了增强减少催化腐蚀的能力，少量氢可在系统关闭的同时周期地注入到堆中。因为在系统关闭时大部分氮保留在阴极侧，所以通过燃料电池反应消耗氧的结果是，氮和氧是在系统关闭后在燃料电池堆的阴极侧和阳极侧中受到平衡的主要元素。这不允许空气中的氧形成空气/氢前端。

当燃料电池系统关闭时，气体渗透继续通过膜直到气体组分分压在膜的两侧平衡。从阳极到阴极通过膜的氢扩散是氮气从阴极到阳极的速率的大约3倍。较高的氢扩散率等同于与相对慢的氮分压平衡相比快速的氢分压平衡。气体扩散的差异引起阳极子系统绝对压力下降，直到阴极氢分压达到阳极氢分压。通常，以高的氢浓度诸如大于60%操作燃料电池堆的阳极，并且在阳极集管和堆的阳极外的阳极管道中存在大量的富含氢的气体。随着阳极绝对压力下降，更多的氢气从阳极子系统抽出到堆的阳极流场。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于检测燃料电池系统的阳极中的轻微氢泄漏的系统和方法。所述方法包括确定关闭序列（是否）已经开始，如果是，则耗尽燃料电池堆的阴极侧的氧。然后，所述方法将所述燃料电池堆的阳极侧的压力增加到预定设置点，并且监控所述堆的阳极侧的压力衰减。所述方法将压力衰减速率与预期压力衰减速率进行比较，并且如果测量到的压力衰减速率超过预期的压力衰减速率特定阈值，则确定存在潜在泄漏。

通过下面结合附图进行的描述以及所附权利要求，本发明的额外特征将变得明显。

本发明还提供如下方案：

1. 一种用于确定在燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧中是否存在泄漏的方法，所述方法包括：

确定所述燃料电池系统处于关闭条件；

耗尽所述燃料电池堆的阴极侧的氧；

在所述阴极侧耗尽氧之后将所述燃料电池堆的阳极侧的压力增加到预定压力设置点；

当到达压力设置点时，密封所述燃料电池堆的阳极侧；

监控所述燃料电池堆的阳极侧中的压力衰减；以及

将所述压力衰减与预定压力衰减进行比较以确定所述压力衰减是否指示在所述燃料电池堆的阳极侧中存在泄漏。

2. 根据方案1所述的方法，其特征在于，比较所述压力衰减包括：确定在预定时间段内所述压力衰减是否达到预定压力阈值。

3. 根据方案1所述的方法，其特征在于，比较所述压力衰减包括：如果所述压力衰减超过预期压力衰减预定阈值，则确定存在阳极泄漏。

4. 根据方案1所述的方法，其特征在于，其还包括：如果所述压力衰减指示存在阳极泄漏，则确定泄漏速率。

5. 根据方案4所述的方法，其特征在于，其还包括：使用所述泄漏速率修改内部控制模型。

6. 根据方案1所述的方法，其特征在于，耗尽阴极的氧包括在不将阴极空气提供给所述燃料电池堆的情况下将所述堆连接到附件负载。

7. 根据方案1所述的方法，其特征在于，其还包括：确定阳极泄漏的类型。

8. 根据方案7所述的方法，其特征在于，确定阳极泄漏的类型包括：如果最小电池电压衰减速率明显快于平均电池电压衰减速率，则确定所述泄漏是单个或几个电池中的膜泄漏。

9. 根据方案7所述的方法，其特征在于，确定阳极泄漏的类型包括：如果最小燃料电压衰减速率与平均电池电压衰减速率基本相同，则确定所述泄漏是阀泄漏、外部泄漏或均匀膜变薄。

10. 一种用于确定在燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧中是否存在泄漏的方法，所述方法包括：

确定所述燃料电池系统处于关闭条件；

通过在不将阴极空气提供给所述堆的情况下将所述堆连接到附件负载，耗尽所述燃料电池堆的阴极侧的氧；

在所述阴极侧耗尽氧之后将所述燃料电池堆的阳极侧的相对于阴极侧的压力增加到预定压力设置点；

在所述燃料电池堆的阳极侧的压力增加到所述压力设置点之后，监控所述燃料电池堆的阳极侧中的压力衰减；以及

如果在预定时间段内阳极压力到达预定压力阈值，则确定存在阳极泄漏。

11. 根据方案10所述的方法，其特征在于，其还包括：如果确定存在阳极泄漏，则确定泄漏速率。

12. 根据方案11所述的方法，其特征在于，其还包括：使用所述泄漏速率修改内部控制模型。

13. 根据方案10所述的方法，其特征在于，其还包括：确定阳极泄漏的类型。

14. 根据方案13所述的方法，其特征在于，确定阳极泄漏的类型包括：如果最小电池电压衰减速率明显快于平均电池电压衰减速率，则确定所述泄漏是一个或几个电池中的膜泄漏。

15. 根据方案13所述的方法，其特征在于，确定阳极泄漏的类型包括：如果最小燃料电压衰减速率与平均电池电压衰减速率基本相同，则确定所述泄漏是阀泄漏、外部泄漏或均匀膜变薄。

16. 一种用于确定燃料电池系统中的燃料电池堆的阳极侧中是否存在泄漏的系统，所述系统包括：

用于确定所述燃料电池系统处于关闭条件的装置；

用于耗尽所述燃料电池堆的阴极侧的氧的装置；

用于在所述阴极侧耗尽氧之后将所述燃料电池堆的阳极侧的压力增加到预定压力设置点的装置；

用于当到达压力设置点时密封所述燃料电池堆的阳极侧的装置；

用于监控所述燃料电池堆的阳极侧中的压力衰减的装置；以及

用于将压力衰减与预期压力衰减进行比较以确定压力衰减是否指示在所述燃料电池堆的阳极侧中存在泄漏的装置。

17. 根据方案16所述的系统，其特征在于，用于比较压力衰减的装置确定在预定时间段内压力衰减是否达到预定压力。

18. 根据方案16所述的系统，其特征在于，如果所述压力衰减超过预期压力衰减预定阈值，则用于比较压力衰减的装置确定存在阳极泄漏。

19. 根据方案16所述的系统，其特征在于，如果所述压力衰减指示存在阳极泄漏，则还包括用于确定泄漏速率的装置。

20. 根据方案19所述的系统，其特征在于，其还包括：使用泄漏速率修改内部控制模型的装置。

附图说明

图1是燃料电池系统的示意框图；

图2是示出用于检测轻微阳极泄漏的过程的流程图；以及

图3是水平轴为时间、左侧竖直轴为压力以及右侧竖直轴为摩尔的曲线图。

具体实施方式

下面对涉及一种用于检测燃料电池系统中的轻微阳极气泄漏的系统和方法的本发明实施例的讨论本质上仅是示例性的，并且不以任何方式限制本发明或其应用或使用。

图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意性平面图。压缩机14在阴极输入线16上向燃料电池堆12的阴极侧提供压缩空气。阴极排出气体在阴极排出气体线18上从燃料电池堆12输出。喷射器20在阳极输入线22上将氢气从氢气源24诸如高压箱喷射到燃料电池堆12的阳极侧。从燃料电池堆12排出的阳极气体在循环线26上再循环回到喷射器20。如在本领域很好地所理解，必须周期地泄放阳极排出气体以从堆12的阳极侧去除氮。泄放阀28为此目的设置在阳极排出线30中，其中，所泄放的阳极排出气体与线18上的阴极排出气体混合，以将阳极排出气体内的氢气稀释到低于可燃和/或排放限值。压力传感器32设置在再循环线26中，并且提供在阳极子系统中的压力测量值。尽管压力传感器32在此实施例中处于再循环线26中，但是压力传感器32可以设置在阳极子系统内的适合于获取阳极压力的准确读数的任何位置。电阻器表示堆12上的辅件负载34。

如下详细所述，本发明提出了在燃料电池系统关闭时采用的算法来确定轻微氢泄漏是否出现在阳极子系统中。在系统关闭时，一旦阴极氧被消耗或者耗尽，诸如，通过使用辅件负载34，就产生阳极与阴极的压力差。然后，算法测量阳极的压力衰减率，并且将其与预期的压力衰减速率比较以评估阳极泄漏速率。

正常系统关闭将消耗在阴极管道中的大部分氧，以及阴极流场中的全部氧。这由在堆12连接到负载34时平均电池电压降到小于50 mV来识别。额外的氢气流到阳极以满足箱感测要求。最后，阳极存在轻微升高的压力，诸如150 kPa，这在去除堆负载之后衰减。在一个提出的实施例中，按照固定间隔，可以修改关闭操作以评估氢喷射器模式是否仍然准确，以及氢泄漏率是否高于基准线。特定间隔可以是固定的，或者可以随着泄漏出现的迹象而增大。

在系统关闭期间，阳极压力在氧气耗尽阶段保持在较低设置点，诸如120 kPa。一旦堆电压已经降到设置点之下，诸如50 mV/电池，则去除全部堆负载，并且将阳极压力增加到高设置点，诸如200 kPa。可以通过理想气体定律使用得到的80 kPa压力填充来估计添加到阳极的氢。这可以与由喷射器模型所估计的值进行比较。压力从200 kPa衰减到较低压力诸如130 kPa所需的时间长度可以然后用于估计泄漏速率。

通过设计，燃料电池膜对氢可穿透，并且因此提高的阳极压力通过膜到阴极来自然地释放。驱动力是阳极和阴极中的氢的分压差。因此，衰减速率受到阴极和阳极中的氢量以及通过反应或对流从阳极去除氢的速率。类似地，截止压力应选择成使得在阳极与阴极之间仍然存在大的绝对压力差，以确保仍然存在明显的分压驱动力。此程序在关闭结束时或者在堆电压由于氧消耗导致下降之后的任何其他时间来实现。对于开电路电压衰减到极低的水平，诸如50 – 100 mV，阴极流场氧浓度通常<< 1%。当驱动力存在时，氢自然地总是横越阴极。如果阴极中存在足够的可用氧量，则其随着氢横越阴极将消耗氢。然后，氢流的估计将需要知道阴极上的氧存量。此外，如果在堆12上甚至存在小负载，则当前感测中的不准确性可能容易地与可能的泄露处于相同的量级。

如果在压力到达其最终阈值之前重启车辆，则算法可以评估是否存在足够的数据来进行中期评估，诸如较小的差压对较少的时间，或者可在下一次关闭再次尝试程序。

在替代实施例中，可以在关闭程序时的氢喷射事件期间使用此程序。这还可以作为待机程序的一部分来执行，但是可能在收集足够的测量值之前会重启系统。

在上述讨论中，压力增加到相对高的值，诸如200 kPa，以最大化可靠地观察响应的可能性。根据系统的几何结构，可能的是，压力衰减速率的改变可能足够大以测量正常阳极压力设置点下的泄露速率。在这种情况下，可以每当关闭时使用该算法。

在快速压力增加期间，存在通过理想气体定律增加到阳极的已知量的氢。这可以用于核查喷射器流模型上的校准。此算法已经存在，并且上面所描述的仅是提供了整洁机会（clean opportunity）以提供输入数据。

图2是示出用于检测与上述讨论一致的轻微阳极泄露的一种过程的流程图40。算法在燃料电池系统10的关闭序列期间开始，如块42所示。在关闭序列期间，在块44，使用任何适当的技术耗尽阴极侧的氧，诸如在保持氢气流到阳极的同时关闭压缩器14和将堆12连接到辅件负载34。一旦电池电压下降到低于特定最小电池电压，算法就确定阴极基本耗尽氧。在块46，一旦阴极侧耗尽氧，并且阀门关闭以密封阴极侧，则阳极侧压力通过向堆12的阳极侧提供氢气而增加到期望的压力设置点，诸如200 kPa。一旦阳极压力达到设置点，就停止氢气流，并且关闭阀门以密封阳极侧且将阳极侧保持在该压力。该算法然后在块48使用压力传感器诸如压力传感器32监控随时间的压力衰减或减少，并且在块50基于系统容积、系统设计、系统配置等将该压力衰减与预期的压力衰减进行比较以确定实际的压力衰减是否满足预期衰减。如果阳极的压力衰减与预定阈值相比太快，则算法可设置指示阳极可能泄漏的标记。

压力设置点可以是任何适当的压力设置点，以便确定和监控压力衰减。可以在关闭序列的任何选择处诸如每当关闭时来执行阳极泄漏的确定，以及取决于是否很可能发生轻微泄漏可改变或增加压力设置点。预期的衰减可以是标称的预期衰减，或者可以是基于系统的寿命和操作所确定的校准的衰减。此外，监控衰减的时间可以是基于系统配置的任何适当的时间，例如，从30秒到2分钟。

一旦算法识别到存在泄漏或者可能是泄漏，二次度量可以用于确定泄漏的类型。例如，在下一关闭时，或者在进入待机状态期间，以固定的阳极压力的电压衰减率可以用于评估泄漏的类型。如果最小电池电压衰减率明显快于平均电池电压衰减率，则可能的是，问题是一个内部膜问题，如针孔。如果堆电压具有更典型的衰减率，则泄漏很可能通过阳极排放阀或者外部，或者氢跨越的均衡增加。确定泄漏率可以与其他决策一起用于修改阳极浓度模型。

图3是水平轴为时间、左侧竖直轴为压力以及右侧竖直轴为摩尔的曲线图。曲线60示出从200 kPa在73秒中到133.6 kPa处的阈值线62的正常阳极压力衰减。曲线64示出对于在10 kPa处的0.001mol/s泄漏，在20秒从200 kPa到阈值线62的阳极压力衰减。曲线66示出对于在10 kPa处的0.01mol/s泄漏，在4秒从200 kPa到阈值线62的阳极压力衰减。曲线70示出没有泄漏时阳极中的正常氢渗透，曲线72示出具有10 kPa的0.001mol/s泄漏时阳极中的氢渗透，而曲线74示出具有10 kPa的0.01mol/s泄漏时阳极中的氢渗透。

上述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。根据这种讨论和附图以及所附权利要求，本领域的技术人员可以容易地认识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、修改和变型。