检测燃料电池的聚合物离子交换膜的渗透性状态的方法技术

检测燃料电池组的聚合物离子交换膜渗透性状态的方法，其中，在阳极线路和阴极线路中的压差降至低于阈值PS的值时，在预定的时间tc中测定所述各线路中的压力变化，计算在预定时间末在这些线路中的压差，其被称为控制压力PC，并且当所述控制压力PC低于警报阈值PA时发出警报。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池组，特别是，但不只是，具有聚合物膜(即PEFC(聚合物电解质燃料电池)型)形式的电解质类型的燃料电池组。
技术介绍
已知燃料电池组在不经过机械能转换步骤的情况下利用氢(燃料)和氧(氧化齐U)直接通过电化学氧化还原反应产生电能。此技术似乎很有前景，特别是对机动交通工具应用。燃料电池组通常包含串联的单元组件，其各自基本上由被聚合物膜分隔的阳极和阴极组成，该聚合物膜允许离子经过从阳极到达阴极。重要的是，具有对燃料电池组的各电池的离子交换膜的渗透性持续可用的精确评价方法，从而监测其老化状态，并且能够在损及安全性时停止使用电池。虽然通过压差测定离子交换膜的渗透性的原理是常规的，实践中，已知的仅是研究方法，其决定于适当的设备和操作程序的使用。例如，使用外部氮瓶，其被连接至线路之一，阳极或阴极线路，观察到气体去向另一线路。专利申请US2004/124843提供测定燃料电池组的各离子交换膜的各自的渗透性的方法。为此，阳极被供给氢，阴极被供给氮或另一种惰性气体。根据Nernst方程，在膜的任一侧的气体的性质差异产生电势差(取决于这些气体的性质和浓度或分压等)。若膜特别具有渗透性，氢似乎可在阴极侧扩散，反之亦然，由此改变在膜任一侧的气体混合物的性质，因此还改变对此电池测得的电势差。该方法必需测定电压，测定阳极线路内的压力和阴极线路内的压力以及温度来解Nernst方程，从而检测燃料电池组内安装的一或多块膜是否具有渗透性缺陷。但是，此方法受挫于以下实施困难在阳极纯氢与在阴极纯氮的理论电势差至多数十mV，这意味着非常精确的电压测定装置；渗透性的测定包括流速测定，其在实践中对于气体混合物而言难以很精确地进行；在阴极最痕量的残余氧可产生远比预期的电压水平更高的电压差，因此，使测定扭曲，而且在实践中，公知非常难以保证气体的完全消失，最特别地，在吸收性支撑体存在下，例如膜电极组件(MEA)中所含的GDL(气体扩散层)；和最后，该方法包括调整系统的特别的方法，并且需要提供氮或另一种惰性气体的来源。因此，该方法难以实现自动化，最特别是在交通工具上应用的情况中。专利申请W02006/012954公开一种没有注入氮阶段的方法，其包括使阴极线路与大气相通的阶段。该文件中所述的燃料电池组不包含用于注入空气的增压泵。故此在阴极压力不可被升高至高于大气压。因此，与阳极的压差可能不足以实施自动的膜渗透性测定。此外，此文件完全没有公开燃料电池组的离子交换膜渗透性的评价。 专利申请US2009/0220832提出燃料电池组，其包含向阴极和阳极的再循环环路，以及用于将电池组的内部线路与大气分隔的阀。但是，提供的部件的布置和所述的方法可使具有几乎纯氢的电池组的线路不胜负荷，既不安全，也不经济。此外，该文件完全未公开燃料电池组的离子交换膜渗透性的评价。本专利技术的目的是能够在每次熄灭(extinction)后自动测定燃料电池组的电池的离子交换膜的渗透性，以便在无需增加仅用于提供监测功能的设备(即燃料电池组的正常运转绝不需要的设备)的情况下监测和诊断燃料电池组。专利技术简述本专利技术提供检测燃料电池组的聚合物离子交换膜的渗透性状态的方法，燃料电池组是通过组装电化学电池制得，该电化学电池各自具有在聚合物离子交换膜两侧的阳极和阴极，燃料电池组具有在电化学电池的阳极侧的燃料气体供给系统和在电化学电池的阴极侧的氧化剂气体供给系统，所述方法包括在燃料电池组每次停止运转(shut down)时,对阳极线路中压力和阴极线路中压力达到平衡的动态行为进行测定，当所述动态行为表现出预先确认的特征信号时，激活表明燃料电池组需要检测的警报信号。具体地，本申请人已观察到，当所述动态行为表现出预先确认的特征信号时，其准确实例如下聚合物离子交换膜的渗透性变得过高，这会削弱安全性，降低效率和耐久性。根据本专利技术的一方面，为了评价动态行为，在阳极线路和阴极线路中的压差降至低于阈值&的值时，在预定的时间t。中，测定所述各线路中的压力变化，计算在所述预定时间末在这些线路中的压差，被称为控制压力Pc，并且当所述控制压力Pc低于警报阈值Pa时发出警报。根据本专利技术的一方面，为了评价所述动态行为，不是测定在特定时间末的压差，而是测定达到特定压差的时间。当然，本专利技术包括评价所述动态行为的其它方法。本专利技术基于观察在阳极侧与阴极侧的气体线路之间的压力达到平衡所需的时间可有利地提供关于膜渗透性的指示。实际上，膜的渗透性是表明燃料电池组工作状态的非常重要的因素。因此，在其中存在于膜任一侧的气体的性质受控并且不发生电化学反应并且其各自的压力足够不同的条件下，例如，在每次停止运转后，通过采用使要供给的燃料电池组处于有利于特定的老化测定的情况中的方法，压差随着时间的变化是燃料电池组的老化的优异指示。优选地，检测燃料电池组的聚合物离子交换膜的渗透性状态的方法在使所述燃料电池组停止运转步骤之后进行，所述燃料电池组将电压输送至电源线(10)，所述停止运转步骤包括以下操作(i)切断燃料气体和氧化剂气体的供给；(ii)电流继续被汲取，只要适当的指示表明氧化剂气体供给系统中的氧化剂气体尚未被充分消耗；和(iii)将富含氮的气体注入氧化剂气体供给系统。操作(i)、(ii)和(iii)可一起伴随进行。为了更好地理解以下描述，操作(ii)和(iii)是相继的步骤，⑴和(ii)两操作是相伴进行。在操作(iii)后，还有利地实施燃料气体抽吸步骤，也在本专利技术所述的停止运转步骤中描述。通过上述停止运转步骤，在熄灭后，S卩，在所有的氧已被消耗并且阴极线路已被填充氮后，氢仅非常缓慢地通过聚合物离子交换膜扩散入阴极中。因此，氧和氢不以显著的量共存。就在开始所述步骤时中断氢供给，同时或几乎同时中断氧化剂气体供给。虽然相对于中断氧化剂气体供给的操作，中断燃料气体供给的操作可稍微延迟，但不可显著地延迟。以下说明仅限于其中氧化剂气体供给和燃料气体供给被同时中断的情况，这是控制并给出完全令人满意的结果的最简单的方法。在阳极所有残余的氢节约地用来确保期望的h2/n2混合物。应注意，上述停止运转步骤延用于燃料电池组，其中附加的燃料气体蓄集室可被安置在燃料气体供给线路中的任一处，即在截止阀与燃料电池组之间的任一点，甚至在再循环线路中，或者在水分离器与喷射器之间的线路中。但是，有利地，将其安置在线路中压力最高之处，从而减小其体积，正如以上燃料电池组的描述中所述。优选地，为了实施本专利技术，所述燃料电池组同时包含来自储氧罐的加压氧进料、用于填充增压大气的装置、以及与所述燃料电池组的阴极线路的出口相连的再循环线路。在本说明书的其余部分中，通过考虑供有作为氧化剂气体的纯氧的燃料电池组说明本专利技术。但是，此方面并非限制性，本专利技术还可适用于供有环境空气的燃料电池组。所述 的实施方案(供有纯氧)有助于给定功率的燃料电池组的紧凑性，故此这对于运输交通工具，特别是机动交通工具中的应用是优选的实施方案。在任何情况中，就电解质而言，本专利技术适用于具有聚合物膜(即PEFC型之一)形式的电解质类型的燃料电池组。下述发电和停止运转步骤证明特别适合在机动交通工具中安装和实施。附图说明本说明书的其余部分借助于附图清楚地说明本专利技术的所有方面，其中图I是利用供有纯氧的燃料电池组发电的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·帕加内利，
申请(专利权)人：米其林企业总公司，米其林研究和技术股份公司，
类型：发明
国别省市：