检测燃料电池气体泄漏的方法技术

一种用于确定燃料电池系统中的燃料电池组的阳极体积中是否存在气体泄漏的方法。该方法包括确定在预定时间段期间燃料电池组的阳极体积中的总气体损失量，并且监测在预定时间段期间来自阳极体积的气体损失，诸如反应损失、交叠损失和舷外损失。该方法还包括从总气体损失量中减去气体的损失以获得阳极泄漏损失，并将阳极泄漏损失与预定阈值进行比较以识别氢气泄漏。

A method for detecting gas leakage of fuel cells

A method for determining whether there is a gas leak in the anode volume of a fuel cell stack in a fuel cell system. The method includes determining the total gas loss in the anode volume of the fuel cell group during the predetermined period of time and monitoring the loss of gas from the anode volume during the predetermined period of time, such as reaction loss, overlapping loss and outboard loss. The method also includes reducing the loss of the gas from the total gas loss to obtain the loss of the anode leakage, and compares the loss of the anode leakage with the predetermined threshold to identify the hydrogen leakage.

【技术实现步骤摘要】
检测燃料电池气体泄漏的方法
本专利技术通常涉及用于检测燃料电池系统的阳极子系统中的气体泄漏的系统和方法，并且更具体地涉及用于在泄漏检测状况期间检测来自燃料电池系统的阳极子系统的气体泄漏的系统和方法，这可以是对燃料电池系统的零净功率请求或功率耗散，诸如在系统关闭、启动、唤醒、待机等期间，其中该方法包括确定从阳极侧到阴极侧通过燃料电池中的膜渗透的气体量，确定通过密封件、阀和垫圈损失的气体量，确定因电化学反应用掉的氢气量，将这些量加在一起，并从总气体损失中减去相加量以确定该差值是否大于预定阈值，这将指示泄漏。
技术介绍
氢燃料电池是电化学装置，其包括其间具有电解质的阳极和阴极。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极解离以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不能通过电解质，并因此在被送至阴极之前被引导通过负载进行工作。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用燃料电池类型，并且通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细碎的催化颗粒，通常是铂(Pt)，其负载在碳颗粒上并与离聚物混合，其中催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。膜阻止燃料电池组的阳极侧与阴极侧之间的气体输送，同时允许质子的输送以在其相应电极上完成阳极反应和阴极反应。通常将几个燃料电池组合在燃料电池组中以产生期望的功率。燃料电池组通常包括位于电池组中的多个MEA之间的一系列流场或双极板，其中双极板和MEA定位于两个端板之间。双极板包括用于电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应物气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，其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动通道，而另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料诸如不锈钢或导电复合材料制成。端板将燃料电池产生的电力传导出电池组。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。燃料电池中的MEA是可渗透的并且因此允许来自电池组的阴极侧的空气中的氮渗透通过并收集在电池组的阳极侧，通常称为氮交叠。即使阳极侧压力可能略高于阴极侧压力，阴极侧分压将使空气渗透通过膜。燃料电池组的阳极侧的氮稀释氢，使得如果氮浓度增加超过一定百分比，例如50％，则电池组中的燃料电池可能变得缺氢。如果燃料电池变得缺氢，则燃料电池组将不能产生足够的电力，并且可能损坏燃料电池组中的电极。因此，本领域已知在燃料电池组的阳极排气输出管线中提供排气阀以从电池组的阳极侧除去氮。燃料电池系统控制算法将识别阳极中期望的最小氢气浓度，并且当气体浓度下降到该阈值以下时使排气阀打开，其中该阈值基于电池组稳定性。本领域已知使用模型来估计燃料电池组的阳极侧中气体的摩尔份数以确定何时执行阳极侧或阳极子系统的排气。例如，已知用于估计燃料电池系统的各种体积诸如阳极流场、阳极管道、阴极流场、阴极头和管道等中的氢、氮、氧、水汽等的气体浓度估计(GCE)模式。燃料电池系统中的阳极子系统的气体泄漏是主要顾虑，因为存在于混合物中的氢气物质可能会影响整个系统效率和产品安全性。例如，由双极板和/或密封件破裂引起的安全问题可能是明显的，这对于另外可修复的燃料电池组可能是灾难性的并且可能为车辆操作员创造危险的环境。此外，由于排放要求，氢气泄漏检测必须准确以确保符合性，并且在阳极子系统中的气体损失时能够进行反应作用。另外，必须避免误报，因为任何泄漏将会给车辆操作员带来不便。
技术实现思路
以下讨论公开并描述了用于在泄漏检测状况期间检测来自燃料电池组中的阳极子系统的气体泄漏的系统和方法，其可以是对燃料电池系统的零净功率请求或功率耗散，诸如在系统关闭、启动、唤醒、待机等期间。该方法在泄漏检测状况期间确定在泄漏检测时间段开始时燃料电池组的阳极体积中的总分子气体量。该方法还确定在泄漏检测时间段期间由于通过燃料电池组中的膜的渗透引起的来自燃料电池组的阳极体积的气体的交叠损失，确定在泄漏检测时段期间由于通过燃料电池组中的其它部件诸如垫圈、阀和密封件的渗透引起的来自燃料电池组的阳极体积的舷外损失，并且确定在泄漏检测时间段期间由于电池组中的电化学反应引起的来自燃料电池的阳极体积的氢气的反应损失。该方法还确定在泄漏检测时间段结束时燃料电池组的阳极体积中的总分子气体量，并且从在泄漏检测状况开始时存在于阳极体积中的气体中减去该总分子气体量。该方法将交叠损失、舷外损失和反应损失相加以获得相加损失，从总气体损失中减去相加损失以获得来自阳极体积的泄漏损失，并将阳极泄漏损失与预定阈值进行比较以确定是否存在足够明显的气体泄漏。结合附图，从以下描述和所附权利要求中将显而易见本专利技术的附加特征。附图说明图1是燃料电池系统的简化示意性方框图；以及图2是横轴上的时间和纵轴上的压力的曲线图，其示出了在泄漏检测状况下来自燃料电池组的阳极侧的气体损失，并且包括由于气体泄漏引起的气体损失。具体实施方式针对用于检测来自燃料电池系统中的阳极子系统的气体泄漏的系统和方法的本专利技术的实施例的以下讨论本质上仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本专利技术或其应用或使用。例如，本文讨论的燃料电池系统具有用于车辆的特定应用。然而，如本领域技术人员将理解，本专利技术的系统和方法可以具有其它应用。图1是包括燃料电池组12的燃料电池系统10的示意性方框图。电池组12包括上述类型的一系列燃料电池，通常由燃料电池42表示，该燃料电池包括其间具有MEA46的相对的双极板44。压缩机14通过对阴极输入空气进行加湿的水汽输送(WVT)单元18，在阴极输入管线16上将空气流提供给燃料电池组12的阴极侧。在阴极废气管线20上从电池组12输出阴极废气，该阴极废气管线将阴极废气引导至WVT单元18，以提供水汽来加湿阴极输入空气。燃料电池系统10还包括氢燃料源24，通常为高压罐，该氢燃料源向喷射器26提供氢气，该喷射器在阳极输入管线28上将受控量的氢气喷射到燃料电池组12的阳极侧。尽管没有具体示出，但是本领域技术人员将理解，将提供各种压力调节器、控制阀、截止阀等，以在适用于喷射器26的压力下从源24供应高压氢气。阳极流出输出气体在阳极输出管线30上从燃料电池组12的阳极侧输出，该阳极输出管线被提供给排气阀32。如上所述，来自燃料电池组12的阴极侧的氮交叠稀释了电池组12的阳极侧中的氢气，由此影响燃料电池组的性能。因此，需要周期性地从阳极子系统排出阳极流出气体以减少阳极子系统中的氮量。当系统10以正常的不排气模式运行时，排气阀32处于将阳极流出气体提供给再循环管线36的位置，该再循环管线将阳极气体再循环至喷射器26以将其作为喷射器操作，并将再循环的氢气提供回到电池组12的阳极输入端。当指示排气以减少电池组12的阳极侧中的氮时，排气阀32被定位成将阳极流出气体引导到旁通管线34，该旁通管线将阳极流出气体与管线20上的阴极废气结合，其中氢气被稀释到适用于环境的水平。阴极压力传感器38测量燃料电池系统10的阴极子系统中的压力，阳极压力传感器22测量燃料电池系统10的阳极子系统中的压力，并且温度传感器48测量燃料电池组12的温度。来自传感器38、22和48的压力和温度信号被提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定在燃料电池系统中的燃料电池组的阳极体积中是否存在氢气泄漏的方法，所述方法包括：确定所述燃料电池系统处于泄漏检测状况；在所述泄漏检测状况期间确定在预定时间段的开始时间处所述阳极体积中的初始气体量；确定在所述预定时间段期间由于通过所述燃料电池组中的电池膜的渗透引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的交叠损失；确定在所述预定时间段期间由于通过所述燃料电池组中的其它部件的渗透引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的舷外损失；确定在所述预定时间段期间由于来自所述燃料电池组上的负载或与所述燃料电池组的电化学反应引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的反应损失；将交叠损失、舷外损失和反应损失相加以获得相加损失；确定在所述预定时间段的结束时间处所述阳极体积中的最终气体量；通过从所述初始气体量减去所述最终气体量来确定来自所述燃料电池组的所述阳极体积的总气体损失；从所述总气体损失中减去所述相加损失以获得阳极泄漏损失；以及将所述阳极泄漏损失与预定阈值进行比较以识别氢气泄漏。

【技术特征摘要】
2017.01.09 US 15/4017981.一种用于确定在燃料电池系统中的燃料电池组的阳极体积中是否存在氢气泄漏的方法，所述方法包括：确定所述燃料电池系统处于泄漏检测状况；在所述泄漏检测状况期间确定在预定时间段的开始时间处所述阳极体积中的初始气体量；确定在所述预定时间段期间由于通过所述燃料电池组中的电池膜的渗透引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的交叠损失；确定在所述预定时间段期间由于通过所述燃料电池组中的其它部件的渗透引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的舷外损失；确定在所述预定时间段期间由于来自所述燃料电池组上的负载或与所述燃料电池组的电化学反应引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的反应损失；将交叠损失、舷外损失和反应损失相加以获得相加损失；确定在所述预定时间段的结束时间处所述阳极体积中的最终气体量；通过从所述初始气体量减去所述最终气体量来确定来自所述燃料电池组的所述阳极体积的总气体损失；从所述总气体损失中减去所述相加损失以获得阳极泄漏损失；以及将所述阳极泄漏损失与预定阈值进行比较以识别氢气泄漏。2.根据权利要求1所述的方法，其中确定交叠损失、确定舷外损失和确定反应损失都包括在所述燃料电池组的所述阳极体积中使用压力和电流测量。3.根据权利要求1所述的方法，其中确定舷外损失包括确定由于通过所述燃料电池组中的垫圈、子垫圈、密封件和阀的渗透引起的舷外损失。4.根据权利要求1所述的方法，其中确定交叠损失和舷外损失包括考虑膜和其它部件的使用年限。5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述燃料电池系统处于泄漏检测状况包括确定对所述燃料电池系统请求零净功率。6.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述燃料电池系统处于泄漏检测状况包括确定所述燃料电池系统处于关闭模式、启动模式、唤醒模...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·J·格力亚朵，S·D·佩斯，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US