专利名称：用于燃料电池堆健康量化的车载算法的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及用于量化燃料电池堆中薄膜和电极的健康的方法，更特别地，涉及用于估计燃料电池堆中薄膜的横穿寄生电流和短路电阻以确定电池堆中燃料电池的健康的方法。
背景技术：
因为氢可再生，并可用于在燃 料电池中有效发电，所以是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种电化学装置，包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢，阴极接收氧或空气。氢在阳极中分解，产生自由的氢质子和电子。氢质子穿过电解质到阴极。氢质子与阴极的氧和电子反应，产生水。阳极的电子无法穿过电解质，因此在被输送至阴极之前被弓I导通过负载做功。质子交换薄膜燃料电池(PEMFC)是一种用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通常包括支撑在炭颗粒上并与离聚物混合的细分催化剂颗粒，通常为钼(Pt)。催化剂混合物沉积在薄膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和薄膜的组合限定了薄膜电极组件(MEA)。为有效操作，MEA需要适当的燃料供应和湿度。通常，若干燃料电池组合形成燃料电池堆，以产生期望的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常为通过压缩机强制通过电池堆的空气流。不是全部的氧都被电池堆消耗掉，一部分空气输出作为阴极废气，包括作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收注入电池堆阳极侧的阳极氢输入气体。燃料电池堆通常包括位于电池堆中几个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设在双极板的阳极侧上，允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设在双极板的阴极侧上，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，另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电导出电池堆。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。MEA是可渗透的，从而允许空气中的氮从电池堆的阴极侧从其渗透通过，并聚集在电池堆的阳极侧，通常称为氮气横穿(nitrogen cross-over)。即使阳极侧压力可能稍高于阴极侧压力，阴极侧局部压力会引起氧气和氮气渗透通过薄膜。在存在阳极催化剂时，渗透的氧气燃烧，但是燃料电池堆阳极侧中渗透的氮稀释了氢。如果氮浓度提高超过一定的百分比，例如50%，那么电池堆中的燃料电池会变得缺少氢。如果阳极变得缺少氢，那么燃料电池堆会无法产生充足的电力，可能损坏燃料电池堆中的电极。当薄膜老化时，它们变得更�。佣市淼愿斓乃俾噬傅窖艏唷１玖煊蛑幸阎谌剂系绯囟训难艏掀涑龃ι柚梅判狗В源拥绯囟训难艏嗳コ�。本领域还已知，使用模型估计阳极侧中氮的摩尔分数，以确定何时执行阳极侧或阳极子系统的放气。但是，模型估计会含有误差，特别是在燃料电池系统的部件(例如薄膜)随着时间的过去出现退化时。如果阳极氮摩尔分数估计显著高于实际氮摩尔分数，那么燃料电池系统会排出比必要更多的阳极气体，即，浪费燃料。如果阳极氮摩尔分数估计显著低于实际氮摩尔分数，那么系统会排出不足的阳极气体，燃料电池可能会缺乏反应物，这会损坏燃料电池堆的电极。燃料电池堆的电压根据燃料电池系统的功率需求而变化。这称为电池堆的电压循环。电压循环引起催化剂颗粒变化，例如，催化剂颗�？赡芫奂佣档偷缁Х从稍谄渖戏⑸谋砻婊�。这引起燃料电池的效率降低并降低了其耐用性。另外，催化剂颗粒的聚集会引起催化剂载体萎陷。还会发生催化剂层的腐蚀，这也降低了燃料电池的耐用性。本领域需要在电池堆中薄膜的整个寿命中以一种方式确定燃料电池堆中电极和薄膜的健康，这种方式无需车辆接受维修且无需会影响车辆正常操作的繁琐测试条件就可在车辆中的燃料电池堆上执行。量化燃料电池车辆中电极和薄膜健康的能力提供了基于驾驶需求最优化车辆效率和动力的众多可能性。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于确定燃料电池堆中燃料电池的健康的方法。该方法包括保持到所述燃料电池堆的阳极侧的恒定氢流，并在阳极侧中的氢达到预定浓度时，关闭到所述燃料电池堆的阴极侧的空气流；和识别所述燃料电池堆中催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积。所述方法还包括确定所述燃料电池堆的总寄生电流，以确定所述燃料电池堆的横穿寄生电流和短路电阻。所述方法还包括计算所述催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积，并比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积之间的差别，以估计所述催化剂表面积中的变化。本发明提供下列技术方案。技术方案I :一种用于确定燃料电池堆中燃料电池的健康的方法，所述方法包括 保持到所述燃料电池堆的阳极侧的恒定氢流，并当所述阳极侧达到预定的氢浓度时关
闭到所述燃料电池堆的阴极侧的空气流；
在关闭到所述阴极侧的空气流之后，识别所述燃料电池堆中的预定电压降；
识别所述燃料电池堆中催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积；
确定所述燃料电池堆中薄膜的总寄生电流；
从所述总寄生电流确定所述薄膜的横穿寄生电流和短路电阻；
基于电容因数、所述短路电阻和预定电压计算所述催化剂表面积和所述催化剂载体表面积；
比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积之间的差，以估计所述催化剂表面积中的变化；以及
比较识别的催化剂载体表面积与计算的催化剂载体表面积之间的差，以估计所述催化剂载体表面积的变化。技术方案2 :如技术方案I的方法，其中在关闭到所述阴极侧的空气流之后识别所述燃料电池堆中的预定电压降包括识别所述燃料电池堆在三个阶段中的电压降，其中每个阶段是在关闭到所述阴极侧的空气流之后的预定电压降。
技术方案3 :如技术方案2的方法，其中所述三个阶段的第一阶段包括从开路电流电压测量约200 mV的电压降。技术方案4 :如技术方案3的方法，其中所述三个阶段的第二阶段包括从所述第一阶段的终止电压测量约500 mV的电压降。技术方案5 :如技术方案4的方法，其中所述三个阶段的第三阶段包括从所述第二阶段的终止电压测量约300 mV的电压降。技术方案6 :如技术方案3的方法，其中在完成所述第一阶段的电压降之后确定所述第一阶段的总寄生电流。技术方案7 :如技术方案5的方法，其中在完成所述第三阶段的电压降之后确定所、述横穿寄生电压。技术方案8 :如技术方案4的方法，其中在完成所述第二阶段的电压降之后确定所述短路电阻。技术方案9 :如技术方案4的方法，其中在所述第二阶段完成之后计算所述催化剂表面积和催化剂载体表面积。技术方案10 :如技术方案I的方法，其中比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积以及识别的催化剂载体表面积与计算的催化剂载体表面积之间的差包括迭代以在预定误差值内得到可接受的解答。技术方案11 :一种用于确定燃料电池堆中燃料电池健康的方法，所述方法包括 执行单一氢接管测试，包括保持到所述燃料电池堆的阳极侧的恒定氢流，并当在所述
阳极侧中达到预定氢浓度时关闭到所述燃料电池堆的阴极侧的空气流；
在所述单一氢接管测试之后识别所述燃料电池堆的预定电压降，包括识别所述燃料电池堆在第一阶段、第二阶段和第三阶段中的电压降；
识别所述燃料电池堆中催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积；
在完成所述第一阶段的预定电压降之后确定所述燃料电池堆中薄膜的总寄生电流；在完成所述第三阶段的预定电压降之后从所述总寄生电流确定所述燃料电池堆中薄膜的横穿寄生电流；
使用所述第二阶段的电压降从所述总寄生电流和所述横穿寄生电流确定所述燃料电池堆中薄膜的短路电阻；
在所述第二阶段完成之后计算所述催化剂表面积和所述催化剂载体表面积；以及比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积之间的差，以估计所述催化剂表面积中的变化，并比较识别的催化剂载体表面积与计算的催化剂载体表面积之间的差，以估计所述催化剂载体表面积的变化。技术方案12 :如技术方案11的方法，其中识别所述燃料电池堆的预定电压降的第一阶段包括从开路电流电压测量约200 mV的电压降，识别所述燃料电池堆的预定电压降的第二阶段包括从所述第一阶段的终止电压测量约500 mV的电压降，识别所述燃料电池堆的预定电压降的第三阶段包括从所述第二阶段的终止电压测量约300 mV的电压降。技术方案13 :如技术方案11的方法，其中比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积以及识别的催化剂载体表面积与计算的催化剂载体表面积之间的差包括迭代以在预定误差值内得到可接受的解答。
技术方案14 :一种用于确定燃料电池堆中燃料电池的燃料电池健康的方法，所述方法包括
执行氢接管测试，该测试包括保持到该燃料电池堆的阳极侧的恒定氢流，并当在所述阳极侧中达到预定的氢浓度时关闭到所述燃料电池堆的阴极侧的空气流；
识别所述燃料电池堆中催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积；
确定总寄生电流；
确定横穿寄生电流和短路电阻；
计算催化剂表面积和催化剂载体表面积；和
比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积之间的差，以估计所述催化剂表面积中的变化。
技术方案15 :如技术方案14的方法，还包括在所述氢接管测试之后识别所述燃料电池堆的预定电压降，包括识别所述燃料电池堆在第一阶段、第二阶段和第三阶段中的预定电压降，其中识别所述燃料电池堆的预定电压降的第一阶段包括从开路电流电压测量约200 mV的电压降，识别所述燃料电池堆的预定电压降的第二阶段包括从所述第一阶段的终止电压测量约500 mV的电压降，和识别所述燃料电池堆的预定电压降的第三阶段包括从所述第二阶段的终止电压测量约300 mV的电压降。技术方案16 :如技术方案15的方法，其中确定所述总寄生电流在所述第一阶段的预定电压降之后发生。技术方案17 :如技术方案15的方法，其中确定所述横穿寄生电流在所述第三阶段的预定电压降完成之后发生，确定短路电阻包括利用所述第二阶段期间测量的所述燃料电池堆中的预定电压降和确定的横穿寄生电流。技术方案18 :如技术方案14的方法，还包括比较识别的催化剂载体表面积与计算的催化剂载体表面积之间的差，以估计所述催化剂载体表面积的变化。技术方案19 :如技术方案18的方法，其中比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积以及识别的催化剂载体表面积与计算的催化剂载体表面积之间的差包括迭代以在预定误差值内得到可接受的解答。技术方案20 :如技术方案19的方法，其中所述预定误差值为百分之一。结合附图，从下面的说明书和所附权利要求可清楚本发明的其它特征。
图I为燃料电池的截面 图2为燃料电池系统的简化框图；以及 图3为用于量化燃料电池堆中电极和薄膜健康的算法的流程图。
具体实施例方式下面涉及用于量化燃料电池堆中的燃料电池薄膜和电极随着电池堆寿命变化的健康的方法的本发明实施例的描述实质上仅仅是示例性的，不是意欲以任何方式限制本发明或其应用或使用。图I为身为下述燃料电池堆的一部分的燃料电池10的截面图。燃料电池10包括被全磺酸薄膜16分隔开的阴极侧12和阳极侧14。阴极侧扩散介质层20设在阴极侧12，阴极侧催化剂层22设在薄膜16与扩散介质层20之间。同样，阳极侧扩散介质层24设在阳极侧14，阳极侧催化剂层26设在薄膜16与扩散介质层24之间。催化剂层22和26及薄膜16限定了 MEA。扩散介质层20和24为多孔层，提供通向MEA的输入气体传输以及从MEA的水传输。阴极侧流场板28设在阴极侧12，阳极侧流场板或双极板30设在阳极侧14。图2为包括燃料电池堆42的燃料电池系统40的简化框图。来自氢源44的氢气通过管路46被提供给燃料电池堆42的阳极侧。阳极废气通过管路50从燃料电池堆42输出，并再循环回管路46。放泄阀56周期性地打开，以通过放泄管路52排出阳极废气，从而从阳极子系统去除氮。管路50中还设有压力传感器60，以测量燃料电池系统40的阳极子系统的压力。在另一实施例中，压力传感器60可位于管路46中，如本领域技术人员所知的。图2示出了可与本发明一起使用的燃料电池系统的一个例子。其它例子包括利用具有阳极流转换的分离堆设计的燃料电池系统。空气从压缩机62通过管路64被提供给燃料电池堆42的阴极侧。阴极气体通过 阴极气体管路66从燃料电池堆42输出。混合装置68设在管路66中，用于将阴极气体与管路52上排出的阳极废气混合。控制器54监测燃料电池系统40的阳极子系统的压力(如压力传感器60所测量的)、控制压缩机62的速度、控制氢从氢源44向电池堆42的阳极侧的喷射、以及控制阳极放泄阀56的位置，如下面更加详细描述的。控制器54利用模型估计氮通过电池堆薄膜从阴极侧到阳极侧的渗透以及电池堆42的阳极侧中氮的浓度。另外，控制器54测量燃料电池系统40关闭之后阳极子系统达到环境压力所需的时间长度。控制器54还利用算法，该算法通过量化电池堆42中薄膜的寄生电流和通过量化催化剂层22和26的催化剂表面积和催化剂载体表面积来确定电极和薄膜的健康。该算法还确定寄生电流是由于穿过薄膜的气体还是由于通过薄膜的短路电流引起的，如下面更加详细描述的。寄生电流与薄膜健康直接相关。当寄生电流低时，薄膜是健康的，且如预期地工作。因此，使用上述量化寄生电流的算法，可在燃料电池堆42的整个寿命中确定薄膜的健康。电池堆42中各薄膜16的寄生电流可通过测量各电池的电压来确定，或可通过监测平均电池电压和最小电池电压来确定。薄膜16的寄生电流中的变化可用来确定电池堆42中是否发生薄膜16的快速退化，或者薄膜16是否更一致地退化。如果基于电池堆特性确定一个或多个薄膜16的寄生电流够大，足以指示异常事件，例如短路事件，那么燃料电池堆42可能需要关闭和修理。如果达到短路电阻的预定阈值，那么控制器56可指示需要维修电池堆42。但是，如果一个或多个薄膜16的寄生电流并不指示短路事件，即薄膜16 —致地退化，那么控制器54可修改燃料电池系统10的操作，以补偿薄膜16的退化。例如，如果确定氢在横穿，即薄膜16中横穿寄生电流在增大，那么氮会在电池堆42的阳极侧聚集。在这种情形下，该算法可使控制器56调节电池堆42的阳极侧的放泄进度，以去除阳极侧中聚集的氮，即，如果达到横穿寄生电流的预定阈值，那么该算法可使控制器56修改放泄进度。因为难以获得具体的测试参数和可能影响车辆的正常操作，所以对于车辆中的燃料电池堆进行有关电池堆中薄膜的寄生电流的精确计算是不现实的。但是，可通过运行氢接管测试以合理程度的精确性来估计寄生电流，该测试包括保持到阳极侧的恒定的氢流，并在已知阳极侧中氢浓度时关闭到阴极侧的空气流，如本领域技术人员所知道的。上述算法用于在单个氢接管测试的三个阶段期间估计电池堆中薄膜的总寄生电流、由横穿电流引起的寄生电流和由短路电流或短路电阻引起的寄生电流。短路电阻从电流密度确定，如本领域技术人员所知的。在每个阶段期间，监测燃料电池堆的电压降，如下面更加详细描述的。除了估计寄生电流之外，该算法还估计电池堆12中燃料电池的电极(即，催化剂层22和26)的健康。燃料电池堆12的电压循环会引起催化剂层22和26的催化剂(通常为钼)的表面积变化。例如，由于电压循环，催化剂层22和2 6的催化剂会聚集。催化剂颗粒的聚集降低了催化剂表面积的大�。够嵋鸫呋猎靥褰峁�(通常为碳)萎陷。因此，该算法监测燃料电池堆12的燃料电池中薄膜的健康以及电极的健康。图3为用于量化电极和薄膜健康的算法的流程图70。在框72，例如，在车辆关闭或待命时，执行氢接管测试。一旦关闭阴极空气流，就测量电池堆42中燃料电池的电压降。测量的电压可来自各燃料电池10或来自平均电池电压，还可监测最小电池电压。在框72，在第一阶段期间，测量电压中的预定压降。例如，可从开环电流电压(OCV)监测电池堆电压中的第一 200 mV压降。因为电压降的范围比较�。�200 mV,所以假定所有短路电阻都是恒定的。基于MEA中承载的催化剂和催化剂载体的量已知燃料电池堆42的电容。电池堆42的阴极侧的物理容量也已知，因此，阴极侧中存在的氧的量已知，还已知需要多大的电流来消耗掉电池堆42的阴极侧中的氧。阶段I可定义为其中阴极中氧的气相大部分被寄生电流消耗掉的阶段。例如，对于阶段1，在开路电压与低于开路电压200 mV之间，在框74假定电池堆42的阴极侧上催化剂表面积和催化剂载体表面积的大�。⒃诳�76使用下式计算电池堆42中薄膜16的总寄生电流
故{1)
fpJSt = ~CI&V + ~~ IJ
其中Ip为总寄生电流，t为时间，C1为阶段I的电容因数，V为电压，P1为阶段I的几何因子，b为塔费尔斜率，Y ■为氧还原反应(ORR)阶数(0.79)。阶段I的电容因数C1可如下定义
—= ((-Ca-H + Qfl-OI.) ' rfca *** ^S-DL ' rfs(2)
其中Cerf为固有的催化剂-氢准电容，CCa_DL为固有的催化剂双层电容，rfCa为催化剂的粗糙因数，Cs_m为固有的催化剂载体双层电容，rfs为催化剂载体的粗糙因数。阶段I的几何因子P :可如下定义
U —卿細r⑶
Fl — , lOI
其中F为法拉第常数(96，485 C/mol)，Vcath为含氧的总阴极容量，Amea为MEA的活性面积，C02为阴极中的氧浓度。催化剂的粗糙因数rfea可如下定义
权利要求
1.一种用于确定燃料电池堆中燃料电池的健康的方法，所述方法包括 保持到所述燃料电池堆的阳极侧的恒定氢流，并在所述阳极侧达到预定的氢浓度时关闭到所述燃料电池堆的阴极侧的空气流； 在关闭到所述阴极侧的空气流之后，识别所述燃料电池堆中的预定电压降； 识别所述燃料电池堆中催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积； 确定所述燃料电池堆中薄膜的总寄生电流； 从所述总寄生电流确定所述薄膜的横穿寄生电流和短路电阻； 基于电容因数、所述短路电阻和预定电压计算所述催化剂表面积和所述催化剂载体表面积； 比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积之间的差，以估计所述催化剂表面积中的变化；以及 比较识别的催化剂载体表面积与计算的催化剂载体表面积之间的差，以估计所述催化剂载体表面积的变化。
2.如权利要求I的方法，其中在关闭到所述阴极侧的空气流之后识别所述燃料电池堆中的预定电压降包括识别所述燃料电池堆在三个阶段中的电压降，其中每个阶段是在关闭到所述阴极侧的空气流之后的预定电压降。
3.如权利要求2的方法，其中所述三个阶段的第一阶段包括从开路电流电压测量约200 mV的电压降。
4.如权利要求3的方法，其中所述三个阶段的第二阶段包括从所述第一阶段的终止电压测量约500 mV的电压降。
5.如权利要求4的方法，其中所述三个阶段的第三阶段包括从所述第二阶段的终止电压测量约300 mV的电压降。
6.如权利要求3的方法，其中在完成所述第一阶段的电压降之后确定所述第一阶段的总寄生电流。
7.如权利要求5的方法，其中在完成所述第三阶段的电压降之后确定所述横穿寄生电压。
8.如权利要求4的方法，其中在完成所述第二阶段的电压降之后确定所述短路电阻。
9.一种用于确定燃料电池堆中燃料电池健康的方法，所述方法包括 执行单一氢接管测试，包括保持到所述燃料电池堆的阳极侧的恒定氢流，并当在所述阳极侧中达到预定氢浓度时关闭到所述燃料电池堆的阴极侧的空气流； 在所述单一氢接管测试之后识别所述燃料电池堆的预定电压降，包括识别所述燃料电池堆在第一阶段、第二阶段和第三阶段中的电压降； 识别所述燃料电池堆中催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积； 在完成所述第一阶段的预定电压降之后确定所述燃料电池堆中薄膜的总寄生电流；在完成所述第三阶段的预定电压降之后从所述总寄生电流确定所述燃料电池堆中薄膜的横穿寄生电流； 使用所述第二阶段的电压降从所述总寄生电流和所述横穿寄生电流确定所述燃料电池堆中薄膜的短路电阻； 在所述第二阶段完成之后计算所述催化剂表面积和所述催化剂载体表面积；以及比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积之间的差，以估计所述催化剂表面积中的变化，并比较识别的催化剂载体表面积与计算的催化剂载体表面积之间的差，以估计所述催化剂载体表面积的变化。
10.一种用于确定燃料电池堆中燃料电池的燃料电池健康的方法，所述方法包括 执行氢接管测试，该测试包括保持到该燃料电池堆的阳极侧的恒定氢流，并当在所述阳极侧中达到预定的氢浓度时关闭到所述燃料电池堆的阴极侧的空气流； 识别所述燃料电池堆中催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积； 确定总寄生电流； 确定横穿寄生电流和短路电阻； 计算催化剂表面积和催化剂载体表面积；和 比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积之间的差，以估计所述催化剂表面积中的变化。
全文摘要
本发明涉及用于燃料电池堆健康量化的车载算法。一种用于确定燃料电池堆中燃料电池的健康的方法。该方法包括在阳极侧中的氢达到预定浓度时，保持到所述燃料电池堆的阳极侧的恒定氢流，关闭到所述燃料电池堆的阴极侧的空气流，并识别所述燃料电池堆中催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积。所述方法还包括确定所述燃料电池堆的总寄生电流，以确定所述燃料电池堆的横穿寄生电流和短路电阻。所述方法还包括计算所述催化剂层的催化剂表面积和催化剂载体表面积，并比较识别的催化剂表面积与计算的催化剂表面积之间的差，以估计所述催化剂表面积中的变化。
文档编号G01N27/00GK102759714SQ20121012551
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者A.J.马斯林, B.拉克什马南, P.K.辛哈 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司
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