具有集成传感器的膜电极组件及燃料电池组的操作方法技术

由每一侧都具有一个电极的聚合物电解质膜（１００）组成的膜电极组件。在聚合物电解质膜的表面上放置有集成传感器（１１５）。传感器用于监视这个膜电极组件的物理的、热学的、化学的或者电气状态。从传感器获取的信息被用于识别有故障的膜电极组件，并且依据识别出的故障膜电极组件来改变燃料电池的工作。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及燃料电池，更特别地涉及含有集成到固体电解质的测量装置的燃料电池。
技术介绍
在燃料电池中，电能是由一种燃料和一种氧化剂在催化剂的作用下发生反应而产生的。一个典型的燃料电池由以下几个部分构成，由一层离子电解质分隔的一个燃料电极(阳极)和一个氧化剂电极(阴极)。电极通过一个外部的电导体的回路被连接到一个负载上(例如一个电子电路)。在导体回路上电荷是通过电子流传送的，而在电解质中电荷是通过离子流传递的。例如酸性电解质中的氢离子，或者是碱性电解质中的氢氧根离子。在阳极，输入的氢气电离产生了氢离子和电子。由于电解质不是电的导体，电子流通过外部的回路离开阳极。在阴极，氧气和通过电解质迁移而来的氢离子以及由外部导体回路获得的电子发生反应，产生作为副产品的水，然后，通常作为副产品的水将会以蒸汽的形式被释放。一种众所周知的燃料电池包括一个膜电极部件(MEA)，典型的MEA是一层薄的、能传输质子的、由固体聚合物构成的膜电解质，并且在一面包含一个阳极而在与它相对的一面包含一个阴极。MEA被夹在一对导电的元件之间，这一对元件是阳极和阴极的电流收集者，并且包含了适当的通道和/或洞穴，在那里燃料电池的气体反应物能够发散穿过相应的阳极和阴极各自表面的催化剂。在美国专利号5,272,017中描述了这样一个燃料电池。实际上，一些这样的燃料电池单元通常堆或者结合在一起以组成一个燃料电池堆/组。单个的电池按照一定的顺序串联在一起，这是通过一个电池的阳极电流收集器连接到紧靠着在电池组中与它相连的电池的阴极电流收集器。电池堆中仅仅一个单个的单元的性能降质或者失效会导致整个燃料电池堆的效能的下降并且可能使整个电池堆失效。燃料电池失效有多种原因，包括催化剂一氧化物中毒，电池被水浸泡，和氢气通过或者在氢离子交换膜附近发生泄漏。气体氢传输到膜的阴极侧将导致无用的氢消耗，电池/堆的效率降低，并且电池电压下降。一氧化碳中毒和/或者水浸泡将导致单元电池和/或者组电压的下降。当发生了任何一个这样的情形时，采取正确的措施就可以避免电池/堆发生不可挽回的性能降低。如果这个电池堆中的一个膜的性能降低了或者发生了故障，就需要移去整个电池堆并且进行拆卸来维修这个电池。在使用焊接和/或者粘结来进行组合的电池堆设计中，就需要扔掉整个电池堆。另外，电池堆中的电池单元的工作效率也与电池堆外面的电池单元的工作效率不同，因为外部和内部层之间的温度和湿度均存在差异。如果能够找到一个方法在燃料电池堆运行的过程中监测单个电池的性能状态并且然后能够调整燃料电池堆的工作，以针对各种环境条件对电池堆进行优化或者对性能降低的电池单元的性能进行补偿，是非常可取的。现有技术中的某些方法通过将电池断开几毫秒并且在某些固定点测量电池的电流与电压而试图解决这个问题。这一方法的缺点在于需要一个复杂的切换方法。电池不得不被切换到一个测试负载，被测量，然后再被切换回正常的工作状态。此外，电流-电压(IV)曲线上的一个或者有限的几个点提供的信息是有限的，这些信息仅提供了电池当前状态的很少一部分信息。附图说明图1是具有根据本专利技术的一个集成探测器的一个固体状态的电解质的等轴视图。图2是一个图1所示的传感器通过截面2-2作的横截面图，描绘了电容的场线。图3是一个描绘了使用交叉指型电容器来测量复介电常数的一个流程示意图。图4是一个描绘了使用平板法来测量复介电常数的一个流程示意图。图5是图3和图4所示方法的一个高层控制图。图6是利用根据本专利技术的一个燃料电池的被测量瞬态响应来对燃料电池进行优化的方法的一个框图。图7是根据本专利技术利用AC阻抗和相位检测对燃料电池进行优化的方法的一个框图。实施方式描述现有技术的缺陷已经引导我们推断出在燃料电池组运行的过程中监测单个燃料电池的状态以识别非正常运行的单个燃料电池将是有利的。然后，这一信息能够被用于去关闭非正常运行的那个电池或者去调整输入到这个电池的燃料和氧化剂，以重新调节这个膜的工作条件或者重新分配燃料以使这个电池能够达到对它最有效的使用并且实现整个电池组系统的最佳优化性能。一个传感器被放置于一个燃料电池组中的一个独立的MEA电池之上或者附近并且监测任何因素的变化，这些因素包括(但不限于)介电常数、电阻、阻抗或者电容等等，这个传感器可以被用于推测独立的电池内部的温度、湿度、流量速率的因素。可以使用这些数据建立一个反馈环来调整这个电池的参数(例如燃料或者氧化剂的流速)或者整个系统(电负荷平衡)来使整个系统的运行于最佳的优化状态。本专利技术提供了监测燃料电池组中的单个燃料电池的性能的方法和装置，并且可以选择的，当性能降低到一个不可接受的程度时，自动触发正确的措施(例如，警告操作者，启动预防或者校正动作)。更具体地，本专利技术提供了方法，它通过被集成地放置在MEA上的一个传感器来测量每一个单独的燃料电池中的MEA的各种物理的、热学的、电子的、或者化学的状态；通过将这个被测量状态与一个预先设定的标准状态进行比较，来判断检测是否有单个燃料电池的状态超过可以接受的范围；并且当被测量状态表明一个或者更多的单个燃料电池的状态不能被接受时，改变整个电池组的运行操作。单个燃料电池中的每一个MEA都包含一个位于固体聚合物电解质上的集成传感器，该传感器用于监测MEA的物理、热学、电、或者化学状态。典型的，电池组由多个独立的燃料电池组成。每一个独立的燃料电池包括(1)一个有一个阳极和一个阴极的质子交换膜，阳极和阴极分别固定在膜相对的两个表面上，(2)一个与阳极相邻以使燃料(通常是氢)通过而与阳极接触的一第一流通道，和(3)一个与阴极相邻以使携带氧气的气体(优选的，是空气)流过而与阴极接触的一第二流通道。每一个MEA上的传感器监测电池电压和单个电池的电压。进行多个测量、计算和与预先设定的参考值的比较来确定电池组的条件，并且，在此基础之上，将会采取校正措施，例如提示电池堆的工作人员有即将发生的或者预期的不希望的状态，和/或者自动启动预防动作来减轻这样的条件。材料可以被直接淀积于固体电解质之上来构成作为整个MEA的一个组成部分的传感器。例如，导体材料可以被淀积在上面用来构成电容器或者热敏元件，电阻材料可以淀积在上面用来构成温度传感器所使用的电阻，还有压电材料可以淀积在上面用来构成声音传感器。其他的材料和传感器包括，但不限于，形状记忆合金，磁致电阻，磁致导体，磁体，和铁电材料。本专利技术并不限定于任何特定的几何形状。事实上，本专利技术可以用于电池组中的一个单独的燃料电池或者管状电池，只要电池可以被单独控制。一种实现感应操作的方法是测量燃料电池膜的复介电常数。使用所检测的响应，可以优化电池的运行性能(控制温度，湿度，氧化剂流速，氧化剂压力，燃料流速，燃料压力，燃料化学当量，电负荷)。使用复介电常数测量的方法有如下的众多优点1.可以对燃料电池进行测量和优化，而不需要燃料电池在工作中进行复杂的高功率切换；2.优化处理可对电池性能的快、慢改变都产生响应。3.优化处理例程可以判断MEA的阳极和阴极侧的湿度以更好的控制湿度，延长膜的寿命，并且实现更好的燃料电池性能。4.复介电常数的测量结果将会表明电池组的性能是否可以被优化或者是否存在一个材料故障。5.系统可以识别出失效的单个电池并代替它。现在转到图1，一个ME本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有一个集成传感器的一个膜电极组件，包括： 一个聚合物电解质膜，在两个主要侧面中的每一个上具有一个电极；和 一个传感器，用于监视这个膜电极组件的物理的、热学的、化学的或者电气状态，其中这个传感器被放置在两个主要侧面中的一个上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗纳德J凯利，罗伯特J墨里根，史蒂文D普拉特，希瓦库马穆特胡斯沃米，博比D兰德雷斯，罗伯特W潘尼斯，
申请(专利权)人：摩托罗拉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]