用于燃料电池中的MEA调节的系统和方法技术方案

技术编号:21457154 阅读:21 留言:0更新日期:2019-06-26 05:51
用于调节用于燃料电池堆的燃料电池中的膜电极组件(MEA)的控制器执行的方法包括:将堆的燃料入口加湿到阈值相对湿度水平,并在至少一个电压恢复阶段中通过控制器分别将燃料电池的电流密度和电池电压维持在校准的电流密度水平和保持电压电平下。恢复阶段具有预定的电压恢复持续时间。该方法包括在完成预定的电压恢复持续时间之后测量的电池电压,并且响应于测量的电池电压超过目标电压而执行关于燃料电池或燃料电池堆的控制动作,包括经由控制器记录指示MEA的成功调节的诊断代码。燃料电池系统包括燃料电池堆和控制器。

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池中的MEA调节的系统和方法引言燃料电池堆是能量转换装置,其中通过氢和氧之间的受控电化学反应生成电。给定的燃料电池可以产生高达1伏的电力,并且因此大量相同配置的燃料电池组装在一起形成堆,而燃料电池的数量和特定的燃料电池配置最终决定所述堆的功率能力。聚合物电解质膜/质子交换膜(PEM)燃料电池是一种特定类型的燃料电池,该燃料电池用于在诸如车辆、发电厂和建筑物中使用的电力供应的高电力应用中产生电。膜电极组件(MEA)是PEM燃料电池的核心部件。在PEM燃料电池的MEA内,相对的阳极和阴极电极被聚合物电解质材料分开。气态氢以受控速率通过流动板供给阳极,而通常通过空气压缩机供应的氧气通过流动板供给阴极。存在于阳极的氢被催化分解成氢质子(正氢离子)和自由电子。质子穿过聚合物电解质到达阴极,而自由电子通过外部电路传导到阴极。也就是说,自由电子形成通过外部电路传递到阴极的电流,其中该电流可用于在采用燃料电池堆的系统内执行有用的工作。在到达阴极时,电子与质子和氧分子重新结合,以便形成水作为惰性反应副产物。在典型的氢燃料催化过程中采用MEA的PEM燃料电池堆需要向每个燃料电池的相应阳极和阴极电极供应足够的氢气和氧,以及适当的水合作用,以确保跨越MEA的离子电导性允许质子以低阻力通过。然而,MEA在新构造的燃料电池中基本上没有水分,因此缺乏必要的离子电导性。因此,在新制造的PEM燃料电池或堆中使用磨合/调节过程以优化初始功率性能。MEA调节过程具有三个主要功能:加湿、从燃料电池制造过程中去除残余溶剂和杂质,以及从用于在电极中进行电化学反应的催化剂表面除去带负电的离子(阴离子)。
技术实现思路
本文公开了一种用于调节质子交换膜(PEM)燃料电池中的膜电极组件(MEA)的方法和系统。如上所述,PEM燃料电池中使用的MEA和由这种电池构成的燃料电池堆在首次组装时需要初始磨合或调节过程。可以通过负载循环过程(即,燃料电池的电流密度的循环)来提供调节,直到在电池电压中实现平稳性能(plateauperformance)。然而,仅仅调节到这样的平稳性能可能不代表给定MEA或其相关燃料电池的峰值初始功率性能。因此,本方法旨在提供一种更有效且相对更快的作用方式,以使新构造的含MEA的燃料电池达到其峰值功率性能和效率。在示例性实施例中,一种用于调节用于燃料电池堆的燃料电池中的MEA方法包括将燃料电池堆的燃料入口加湿至阈值相对湿度水平、例如至少95%或超过100%。控制器分别在一个或多个电压恢复阶段中将燃料电池的电流密度和电池电压维持在校准的电流密度水平和校准的保持电压电平,每个电压恢复阶段具有各自的预定的电压恢复持续时间。该方法包括在完成预定的电压恢复持续时间之后经由电压传感器测量的电池电压,并且然后响应于测量的电池电压超过目标电压而对燃料电池或燃料电池堆执行控制动作。控制动作可以包括通过指示MEA的成功调节的控制器记录诊断代码。在一些实施例中,校准的电流密度水平可以在0.3至1A/cm2的范围内,并且校准的保持电压电平在0至0.4伏的范围内。电压恢复持续时间可以超过10分钟、例如10-30分钟,无论是在这样的持续时间的单个连续步骤中还是在多个这样的步骤中。在电压恢复阶段之前,该方法可以包括执行可选的负载循环阶段,其中电流密度水平在校准的电流密度范围内循环,该电流密度范围具有下限和超过在至少一个电压恢复阶段期间使用的电流密度水平的上限。在一个实施例中,下限可以是在电压恢复阶段期间使用的电流密度水平的至少两倍。在电压恢复阶段期间使用的电流密度水平可以是约0.6A/cm2,而负载循环阶段的下限是约1.5A/cm2,并且上限是约2A/cm2。每个电压恢复阶段可以在从室温至约50℃的温度范围内进行。或者,可以使用至少约80℃的温度,在这种情况下,该方法包括将氢气供应到燃料电池的阳极,将氮气供应到燃料电池的阴极,并且然后将校准的保持电压电平维持在大约0至0.2V.还公开了一种燃料电池系统,其包括具有多个燃料电池的燃料电池堆以及具有存储器的控制器,每个燃料电池具有MEA,在所述存储器上或中记录有用于磨合或调节各个燃料电池的MEA的指令。指令的执行使控制器执行上述方法。从以下结合附图对实施本专利技术的最佳方式的详细描述中,本专利技术的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。附图说明图1是根据本专利技术的示例性聚合物电解质膜/质子交换膜(PEM)燃料电池系统的示意性框图。图1A是可用于图1中所示的PEM燃料电池系统内的示例性燃料电池的横截面图。图2是分别位于竖直的Y1轴和Y2轴上的电流密度和电池电压,以及水平X轴的时间的时间曲线图。图3是竖直Y轴上的电池电压和水平X轴上的电流密度的示例性能图。图4是描述在于图1所示的PEM燃料电池堆中使用之前调节MEA的方法的流程图。本专利技术易于进行各种修改和替换形式,并且已经通过附图中的示例示出了一些代表性实施例,并且将在本文中对其进行详细描述。本专利技术的新颖方面不限于附图中示出的特定形式。而是,本专利技术旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本专利技术的范围内的修改、等同物、组合和其他替代方案。另外,本文中使用的近似词,例如“约”、“基本上”、“近似”等可以在“在...附近、接近或者接近于”、“在...的0-5%之内”、”在可接受的制造公差内或其其他逻辑组合的意义上使用。具体实施方式参照附图,其中相同的附图标记表示几个附图中的相同或相似的组件,图1中示意性地示出了聚合物电解质膜/质子交换膜(PEM)燃料电池系统20,其具有由多个燃料电池24构造的燃料电池堆(FCS)22。PEM燃料电池系统20可用于生成电力以用于许多有益的应用。例如,PEM燃料电池系统20可用于所示机动车辆10中的车载电力生成。图1的车辆10可包括安装在一组驱动轮14上的车身12,所述驱动轮与道路表面15滚动摩擦接触。燃料电池堆22可以用在这样的车辆10中,所述车辆可以为用于旋转驱动轮14的马达提供动力和/或为其他车载系统提供动力。除机动车辆10之外的车辆可受益于这种燃料电池堆22的使用,例如轨道交通工具或火车、航空航天器或海洋船舶。同样地,可以容易地设想非车辆应用,例如发电厂、移动平台、机器人系统或照明系统,并且因此所示的机动车辆10是非限制性的代表性实施例。如上所述,燃料电池堆22的各个燃料电池24在新构造时被调节或磨合。该过程可以由控制器(C)50和相关联的控制器执行的方法100来调节,其示例在下面参考图2-4进行描述。作为方法100的一部分,多阶段电压恢复过程通过其自身或结合上述负载/电流循环过程离线或在线地执行,以便最初磨合或调节燃料电池24。在一些实施例中,可以在将燃料电池堆22安装到车辆10或其他系统中之后不久执行方法100。可任选地使用氢气/氮气(H2/N2)低电压保持过程来进行所公开的电压恢复过程,该替代实施例在下面单独详述。控制器50可响应于方法100的执行而执行合适的控制动作,例如将诊断代码记录在存储器(M)或指示成功调节的其他地方。其他可能的控制动作包括排除调试或阻止在系统(例如图1的车辆10)中使用燃料电池堆22,直到燃料电池24已成功完成根据方法100的调节过程。简要地参考图1A,图1中的燃料电池24中的代表性一个包括呈阴极5本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于调节燃料电池中的膜电极组件(MEA)的方法,所述燃料电池用于燃料电池堆,所述方法包括:将所述燃料电池堆的燃料入口加湿至阈值相对湿度水平;在具有预定的电压恢复持续时间的至少一个电压恢复阶段中,通过控制器分别将所述燃料电池的电流密度和电池电压维持在校准的电流密度水平和校准的保持电压电平下;在完成所述预定的电压恢复持续时间后,通过电压传感器测量所述电池电压;响应于测量的电池电压超过目标电压,执行针对所述燃料电池或燃料电池堆的控制动作,包括经由控制器记录指示所述MEA的成功调节的诊断代码。

【技术特征摘要】
2017.12.19 US 15/8467771.一种用于调节燃料电池中的膜电极组件(MEA)的方法,所述燃料电池用于燃料电池堆,所述方法包括:将所述燃料电池堆的燃料入口加湿至阈值相对湿度水平;在具有预定的电压恢复持续时间的至少一个电压恢复阶段中,通过控制器分别将所述燃料电池的电流密度和电池电压维持在校准的电流密度水平和校准的保持电压电平下;在完成所述预定的电压恢复持续时间后,通过电压传感器测量所述电池电压;响应于测量的电池电压超过目标电压,执行针对所述燃料电池或燃料电池堆的控制动作,包括经由控制器记录指示所述MEA的成功调节的诊断代码。2.根据权利要求1所述的方法,其中所述校准的电流密度水平在0.5到1A/cm2的范围内,并且所述校准的保持电压电平在0到约0.4伏的范围内。3.根据权利要求1所述的方法,其中所述电压恢复持续时间在单个连续步骤中或在多个步骤中为至少10分钟。4.根据权利要求3所述的方法,其中所述电压恢复持续时间在所述单个连续步骤或所述多个步骤中...

【专利技术属性】
技术研发人员:S·P·库马拉古鲁张景新N·拉马斯瓦米P·A·拉帕波特
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

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