CN102598382A - 检测燃料电池的密封状态的方法 - Google Patents

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Abstract

检测燃料电池组密封状态的方法，其中，在燃料电池组被认为熄灭时，记录阳极线路与阴极线路中压力的总和等于P1。在另外180秒时间之后，记录阳极线路与阴极线路中压力的总和等于P2。若P2小于P1，则触发警报。

Description

检测燃料电池的密封状态的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池组，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。
背景技术
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(氧化剂)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。
精确评价燃料电池的密封状态即阳极的气体线路(燃料气体线路)的密封性和氧化剂气体线路(在阴极的气体线路)的密封性非常重要。因为漏气势必干扰燃料电池组的运转并且污染其环境，特别如果是燃料气体泄漏的话。因此，燃料电池组可遭受能量损失，效率下降或者过早老化，甚至可损及安全操作的运转条件。
专利申请WO 2003/061046公开利用空气作为氧化剂气体工作的聚合物电解质膜燃料电池的熄灭方法。公开的方法是使阳极与阴极之间的压差保持低于可接受的水平。为此，在熄灭时保持空气供给并且控制空气压力，以跟随在氢侧的压降。但是，保持空气供给存在使氢匮乏的风险，对于电池组的寿命相当棘手。此外，上述文件没有教导检测燃料电池组的密封状态的方法。
本发明的目的是能够观察燃料电池组对大气的密封状态，特别是在每次熄灭后，为了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。
发明简述
本发明提供检测燃料电池组状态的方法，该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阳极侧的燃料气体供给系统和在电化学电池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，测定阳极线路中压力和阴极线路中压力演变的动态行为，当所述动态行为表现出预先确认的特征指示时，激活表明燃料电池组需要检测的警报信号。
本申请人实际上已观察到，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：燃料电池组表现出密封性的丧失，这会削弱安全性，降低效率和耐久性。为了更仔细地检测燃料电池组的恶化，从而其后能够采取适当的措施(修复或丢弃)，需要检测。
根据本发明的一方面，为了获得燃料电池组的状态的评价，作出阴极线路中压力与阳极线路中压力的数学函数。此函数随着时间的变化作为所述动态行为的量度，由此观察阳极线路中压力和阴极线路中压力的演变。
优选地，为了实施本发明，燃料电池组包括：来自储氧罐的加压供氧源、和用于填充加压大气的装置、以及与燃料电池组的阴极线路的出口相连的再循环线路。
在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来说明本发明。但是，此方面并非限制性的，本发明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)有助于特定的燃料电池组的紧凑性，这对于运输交通工具，特别是机动交通工具中的应用是有利的实施方案。
此应用示例表明，在实际设计燃料电池组时，在电化学电池的阳极侧的燃料气体供给线路与在电化学电池的阴极侧的氧化剂气体供给线路具有基本上相同的内部体积。在此情况中，一个适当简单的数学函数是阴极线路中压力和阳极线路中压力之和，另一个函数是阴极线路中压力和阳极线路中压力的平均。当然，应认识到，为了完成上述数学函数(求和或平均)中的任一个，在阳极侧和阴极侧的气体线路应包含相同的摩尔数。若非如此，本领域技术人员知道如何应用相关的校正系数，或者，更普遍地，知道如何选择相关的数学函数以全部地监测燃料电池组的两气体线路对大气的密封性。
根据本发明的另一方面，所述动态行为的测定或观察或评价在电池组完全停止工作并且阳极线路和阴极线路中的残余压力不同于大气压时立即开始。在此情况中，检测燃料电池组状态的方法是测定所述线路中压力在预定时间tC中的变化。
根据本发明的一方面，为了评价所述动态行为，不是测定在特定时间后的压差，而是测定达到特定压差的时间。当然，本发明包括评价所述动态行为的其它方法。
优选地，上述检测燃料电池组的密封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)和操作(iii)是相继的步骤，(i)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，也在本发明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，即，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。
在任何情况中，就电解质而言，本发明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发明的所有方面，其中：
图1是利用供有纯氧的燃料电池组发电的示意图；
图2显示在熄灭燃料电池组时各种参数的行为；
图3显示在熄灭后压力的行为并说明测定电池组的密封状态的原理。
描述本发明的优选实施方案
出于安全原因，燃料电池组通常配有H2截止阀，它在停止运转时保持关闭。在此情况中，在熄灭步骤中不可能将H2导入罐中。因此，燃料电池组必须仅利用在其通道、管道、内部除湿贮藏器及从安全阀至实际燃料电池组的供给线的其它部件中残余的氢来工作，这些部件以下统称为燃料电池组的供给线路。
图1表示具有聚合物膜(即PEFC或PEM(质子交换膜)型)形式的电解质的类型的燃料电池组1。燃料电池组1供有两种气体，即燃料(在交通工具上储藏或产生的氢)和氧化剂(纯氧)，气体供给电化学电池的电极。负载14通过输电线10连接至燃料电池组1。为了简化，图1仅显示有助于理解本发明的气体线路部件。
描述阳极线路
该装置包含在阳极侧的燃料气体供给线路11。可见到纯氢(H2)罐11T，这通过供给线连接至燃料电池组1的阳极线路的入口，该供给线经过截止阀110，接着经过喷射器113，而后经过燃料气体供给通道11A，终止在阴极。压力探头111被安装在供给通道11A中，正好在进入燃料电池组1的入口之前。用于将未被燃料电池组消耗的氢再循环的线路11R是氢(燃料)供给线路11的构成部分，所述线路被连接至燃料电池组1的阳极线路的出口。水分离器114被安装在再循环线路11R中。喷射器113和再循环泵115将未被消耗的氢再循环并将其与来自罐的新鲜氢混合。
还可看到附加的燃料气体蓄集室116，这被置于燃料气体供给线路11的管路上，在截止阀110与调压阀117之间。在此优选的实施方案中，附加的蓄集室被置于供给线路中压力最高之处，从而减小其体积，或者以相同的体积储藏较大量的氢。应注意，附加的燃料气体蓄集室116可被置于燃料气体供给线路中的任一处，即在截止阀110与燃料电池组1之间的任一处，甚至在再循环线路11R或水分离器114与喷射器113之间的线路中。但是，有利地将其置于线路中压力最高之处，从而减小其体积。
还可看到安装在与大气相通并连接水分离器114下部的线路上的抽吸泵119和截止阀118。图1中所示，在此处的连接使得可通过控制截止阀118提供三种功能，即排水、清洗和抽吸氢。但是，此实施方案细节并非限制性。为了提供本发明的更具体的氢抽吸功能，具有截止阀118的线路可从连接分离器114的线路分叉至再循环泵115。
可有利地将氢浓度传感器C11插入阳极线路中，从而在熄灭步骤中检测无氢匮乏，并且在适当时，通过增压泵限制空气的注入(参见阴极线路的描述)，例如，若氢压力异常低并且没有确保完成熄灭步骤的足量的氢，则可能发生。如图1中所示，安装此类氢传感器C11。
描述阴极线路
所述装置还包括在阴极侧的氧化剂气体供给线路12。可看到纯氧(O2)罐12T，其通过供给线被连接至燃料电池组1的阴极线路的入口，该供给线经过截止阀120，接着经过调压阀127，而后经过喷射器123，其后经过氧化剂气体供给通道12A，终止在阴极。压力探头121被安装在供给通道12A中，正好在进入燃料电池组1的入口之前。用于使未被燃料电池组消耗的氧再循环的线路12R是氧供给线路11的组成部分，其被连接至燃料电池组1的阴极线路的出口。水分离器124被安装在再循环线路12R中。喷射器123和再循环泵125将未被消耗的氧再循环，并将其与来自罐的新鲜氧混合。
放气阀122连接至水分离器124的下部。该阀由此提供两种功能，除去水并使氧线路与大气相通。作为变体，若期望使氧线路通大气，而与将水分离器124中的水排出互不相关，此放气阀122可正好被连接在燃料电池组1的气体出口，将燃料电池组1与水分离器124之间的线路分岔。不言而喻，在所有的情况中，必须确保从水分离器124和从水分离器114排水的功能。
本发明的燃料电池组包括填充装置12N，用于向阴极线路填充加压的大气。填充装置12N包括以下部件：起始于空气进口126的线路，以及安装在所述线路上的截止阀128和增压泵129，该线路终止在氧供给线路，正好在燃料电池组1的上游。应指出，大气填充装置12N可终止在氧化剂气体供给线路12的环路中的任一处，所述环路由再循环线路12R和将喷射器123连接至燃料电池组1的线路组成。
描述一种优选的熄灭方法
下述方法可熄灭燃料电池组，从而在无需氮气瓶的情况下确保在其中储藏氢/氮混合物。推荐此方法，因为它通过使燃料电池组自然地处于相对于大气压足以实施电池组密封状态测定的压差中来结束。此外，就气体的性质和温度而言，所述方法有助于稳定的状况，由此确保电池组密封状态测定的更好的重现性。
所述停止运转方法基本上由3个阶段组成，由下述的各种需求而产生：
第一阶段：残余氧消耗阶段，其发生在切断燃料气体供给和氧化剂气体供给时，通过在燃料电池组端子汲取电流Is进行。保持此电流汲取(currentdraw)IS，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。适当的指示是例如阴极线路中的压力；
第二阶段：中和阶段，其发生在用氮填充阴极线路时。在此描述的实施方案中，氮是大气中的氮。然后强制注入大气，由此再次导入少量氧，其消耗必须被控制；和
第三阶段：是任选的，在此期间，在电化学过程已完全被终止后，强制性地除去任何过量的燃料气体(在此，强制抽吸过量的氢)。应强调，通过本发明，此抽吸仅发生在已使燃料电池组处于已采取避免氢供给不足(已知其严重后果)的预防措施的状态之后。
图2说明在实际测定包含20个有效面积为300cm2并利用纯氧工作的电池的燃料电池组停止运转过程中三阶段的顺序。x-轴表示时间(秒)，以停止运转过程开始时的瞬间为基准(0)。此图表明在用氮产生来停止运转的过程中作为时间的函数的数量的变化：
曲线1，其y-轴标记为“电池组电流[A]”，表明从燃料电池组汲取的电流(安培)；
曲线2，其y-轴标记为“电池组电压[V]”，表明经过燃料电池组端子的总电压(伏特)；
曲线3，其y-轴标记为“压力(pressure out)[bar]”，表明阳极室内的压力(氢：实线)和阴极室中的压力(巴)(氧：虚线)；和
曲线4，其y-轴标记为“H2浓度[％]”，表示阳极室(氢：实线)中和阴极室(氧：虚线)中的氢浓度(％)。
在熄灭(extinction)的第一阶段(0-35s，在图2标记为“氧耗尽”)，起始自氧供给切断之时(通过关闭截止阀120同时关闭截止阀110，切断氢供给)，通过汲取电流使燃料电池组中的残余纯氧被消耗。正如第一曲线所示，此电流首先达到50A，然后下降，同时燃料电池组的若干电池的电压开始下降，最终在燃料电池组的电压接近0V时在35s停止。第三曲线表明，氧室中的压力降至小于500mbara(通常在燃料电池组领域，“mbara”是指“绝对毫巴”，最后的字母“a”表示“绝对”)。但是，虽有与产生电流相关的消耗，由于存在附加的燃料气体蓄集室116，氢压力仍然保持在1.75bara。
正如本专利申请的概述部分中已强调的，本发明的熄灭方法还可适用于供有环境空气的燃料电池组。为了实施本发明为供有空气的燃料电池组提出的停止运转方法，不同于此类燃料电池组的常规供给方案，至少在停止运转步骤中，氧化剂气体线路必须包括用于使未被燃料电池组消耗的空气循环的环路。因此，用于使未被燃料电池组消耗的空气再循环的再循环线路12R是空气供给线路11的组成部分，在返回和直接连接(既没有喷射器也无水分离器，它们在此配置中是不必要的)至供给线之前，其连接至燃料电池组1的阴极线路的出口。
描述供有纯氧的燃料电池组的停止运转步骤。在时间35s(在图2中的时间轴上“35”)，启动空气增压泵129以使阴极线路增压至2.2bara(参数1)的恒压，这在50s达到。如此供给的氧使燃料电池组电压再次升高。再一次汲取电流直至燃料电池组的电压再次变成零。同时，监测增压泵129以保持恒压。
顺便地，应记住，下述所有的曲线都是关于燃料电池组，其被供给作为氧化剂的纯氧、为大气的富含氮的气体。但是，应指出，在一方面，富含氮的气体可以是纯氮，当然，在此情况中，在时间“35秒”后，曲线会具有不同的外观，因为氮注入没有伴随着氧的新供给。
谈及所述的情况，即供有作为氧化剂的纯氧的燃料电池组的情况。当消耗电流时，存在于阴极的空气变得越来越缺氧，而后最终仅主要包含氮，由燃料电池组端子间的电压在65s瞬间变为零可以显示。
在此刻(在氧(120)和氢(110)供给已被切断后65秒)，使空气增压泵129停止并启动氢抽吸泵119，从而除去过量的氢。抽吸泵119保持运转直至氢压力达到0.5bara(参数2)。在75s瞬间达到此压力。然后终止步骤，使增压泵129和抽吸泵119停止，并且关闭截止阀118和128。
在整个熄灭过程中，在阴极侧的再循环泵125保持运转，从而确保气体的均匀性良好，并确保完全消耗氧，防止出现氧浓度局部较高的区域。在阳极侧的再循环泵115也保持运转，从而避免任何局部的氢匮乏。第四曲线所示的氢消耗表明，在整个熄灭时期中避免了氢匮乏。在阳极线路中，浓度保持高于85％，直至65秒即刻开始氢抽吸时。
在上述方法中，前两阶段(残余氧消耗和通过氮注入中和)相继地进行。但是，它们也可同时进行。为了更快速地熄灭，期望使它们同时进行。最终阶段(抽吸过量的氢)并非总是必要的。实际上，可设置氢缓冲罐以使所述步骤以下述期望量的氢结束。
燃料气体供给线路11的内部体积被设置成大于氧化剂气体供给线路12的内部体积，并且在正常运转时，氧化剂气体供给线路12内的压力和燃料气体供给线路11内的压力使得，在给定的氧化剂气体供给线路12的内部体积和燃料气体供给线路11的内部体积下，在熄灭过程开始时燃料气体供给线路中可用的燃料气体的摩尔数总是大于或等于在整个熄灭过程中氧化剂气体供给线路中消耗的氧的摩尔数的两倍，即直至阴极线路基本上充满期望压力的氮。
因此，在要计算和实施的简单修改方案中，可确保燃料气体供给线路总是包含用于熄灭燃料电池组的足量气体，从而耗尽氧化剂气体供给线路中的氧。
描述如何计算阳极线路12和阴极线路11的体积。mo2是以例如摩尔表示的氧的量，其在整个熄灭过程中必须被完全消耗。这是在熄灭开始时阴极线路中的残余氧，其小于可排放的量加上由要产生氮的增压泵129引入空气而引入的量。
因为气体消耗是氢侧的两倍，必须调整阳极线路和阴极线路的体积以确保：
mh2≥2×mo2+resh2
其中mh2是在熄灭开始时燃料气体供给线路(管道、通道、双极板、截止阀110下游的供给线)的内部体积中可用的氢的量(摩尔)，resh2是期望的残余氢的量(摩尔)。可通过调整附加的燃料气体蓄集室116的体积获得最终所需的氢的量mh2。
量mo2和mh2尽管与相应线路的体积(所需的尺寸)相关，但它们还取决于其中的普遍压力。这是简化的方法，因为通常还需考虑气体的温度和作为压力的非线性函数的氢密度。但是，对于期望的精确度，考虑压力证明是足够的。对于可遇到的最不利的压力和温度条件，即在熄灭开始时氢线路中可能的最低压力和氧线路中可能的最大残余压力，必须计算体积。
但是，在供给压力改变的情况中，以过量的氢和最终抽吸实施所述方法确保不发生氢匮乏，并且最终条件的可重现性更好。
参照图3，显示在比图2中更长的时间中在阳极侧和阴极侧的压力变化，包括上述熄灭步骤，其后延长约10分钟。在熄灭步骤结束时(在氧和氢供给已被中断后约100秒)，阳极室(实线)和阴极室(长虚线)中的压力不同于大气压，在实施例中，在阴极高于2.2bara，在阳极是0.5bara。可见，由于分隔二室的膜的渗透性，这两个压力集中在共同的平衡压力，在10分钟后达到约1.3bara。但是，可见，由短虚曲线表示的两压力的代数总和基本上保持恒定，条件是，电池组相对于大气具有适当的密封性。因此，若在燃料电池组被认为已熄灭时立即进行检查，记录阳极线路和阴极线路中压力的总和等于P1。其后，在一方面阳极线路中压力与另一方面阴极线路中压力的总和基本上保持相同，指示所述线路是适当密封的。在另外180秒的时间tC后，记录阳极线路和阴极线路中压力的总和等于P2，其中P2几乎与P1相同。
因此，可见，可实施检测燃料电池组状态的方法，其中记录所述数学函数(在此是代数和)随着时间的变化，并且当由时间和与该时间相关的函数值组成的数值对超过预定的阈值时，触发警报。测定在预定的时间tC内所述线路中的压力变化，计算与所述线路中的压力值相关的数学函数。当在预定的时间末所述函数低于报警阈值时，则发出警报。
在实践中，对于总累积有效面积为约5000cm2的PEFC型燃料电池组，阳极线路和阴极线路的体积约1升，在熄灭结束时，相对于大气，平均压差为约500mbar，试验观察提供以下良好的实施规则：当在70℃的温度在3分钟内阳极和阴极的压力的总和降低240mbar时，应激活报警阈值。此外，当在70℃的温度下在3分钟内阳极和阴极的压力的总和下降300mbar时，可设置停止运转的阈值。当达到停止运转阈值水平时，(例如通过中央控制单元中的程序)禁止电池组工作，需要进行维护操作。在燃料电池组中的各处的密封物常是密封性不足的原因。为了在维护操作时识别泄漏源，一种方法是，以接近额定操作压力的压力，用惰性气体，优选氮，对电池组施压，然后将常用于检测泄漏的起泡产品喷施在电池组的外部上以定位泄漏源。
关于气体的性质和压力，上述停止运转步骤提供正确的条件，并可达到非常好的再现性，即，在阳极纯氢的压力为500mbara，在阴极纯氮的压力为2.2bara。需要确保存在的气体不赋予任何电化学活性，其可使通过压力变化测定电池组的状态不可行。还清楚地理解，在测定时，阳极线路和阴极线路必须关闭，从而与周围环境或罐没有气体交换，气体交换会使电池组状态的测定全部扭曲。这意味着必须关闭阀128、122、120、127、118、110和117。
显然阳极线路和阴极线路中的气压必须不同于大气压，否则不可能观察到相对于大气的泄漏所造成的压力变化。若内部压力低于大气压，相关线路中的泄漏导致压力升高，反之亦然。
此外，再循环泵115和125和增压泵129必须停止运转以不干扰测定。

Claims (15)

1.检测燃料电池组状态的方法，所述燃料电池组(1)是通过组装电化学电池制得，所述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，所述燃料电池组具有在电化学电池阳极侧的燃料气体供给系统和在电化学电池阴极侧的氧化剂气体供给系统，所述方法包括：在所述燃料电池组每次停止运转时，测定阳极线路中压力和阴极线路中压力演变的动态行为，当所述动态行为表现出预先确认的特征指示时，激活表明所述燃料电池组需要检测的警报信号。
2.权利要求1的检测燃料电池组状态的方法，其中对动态行为演变的测定包括：记录将阴极线路中压力和阳极线路中压力组合的数学函数的变化，并且当由时间和与所述时间相关的函数值组成的数值对超过预定的阈值时，触发警报。
3.权利要求2的检测燃料电池组状态的方法，其中所述数学函数是阴极线路中压力和阳极线路中压力的总和。
4.权利要求2的检测燃料电池组状态的方法，其中所述数学函数是阴极线路中压力和阳极线路中压力的平均。
5.权利要求3或4的检测燃料电池组状态的方法，其中所述数值对是在所述燃料电池组被认为熄灭后经过的时间和将与所述时间相关的阴极线路中压力和阳极线路中压力组合的数学函数值。
6.在前权利要求之一的检测燃料电池组状态的方法，其中测定在预定的时间tC内所述各线路中压力的变化，计算将所述各线路中压力值组合的数学函数，并且当在预定的时间末所述函数低于报警阈值时，发出警报。
7.在前权利要求之一的检测燃料电池组密封状态的方法，其在使所述燃料电池组(1)停止运转的步骤之后进行，所述燃料电池组(1)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所述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所述氧化剂气体供给系统。
8.在前权利要求之一的检测燃料电池组密封状态的方法，该方法用于包含在电化学电池阴极侧的氧化剂气体供给系统的燃料电池组，所述氧化剂气体供给系统同时包含置于储氧罐(12T)的出口的截止阀(120)、以及用于填充增压大气的装置、和在返回并连接至氧化剂气体供给线之前的再循环线路(12R)以及水分离器(124)，所述再循环线路(12R)与燃料电池组(1)的阴极线路出口相连。
9.权利要求7的检测燃料电池组密封状态的方法，其中所述操作(i)、(ii)和(iii)同时进行。
10.权利要求7的检测燃料电池组密封状态的方法，其中所述操作(ii)和操作(iii)是相继的步骤，所述操作(i)和操作(ii)是同时进行的。
11.权利要求7的检测燃料电池组密封状态的方法，其还包括在所述操作(iii)后的抽吸燃料气体的步骤。
12.权利要求7的检测燃料电池组密封状态的方法，其用于供有作为氧化剂的纯氧的燃料电池组，所述的富含氮的气体是大气。
13.权利要求7的检测燃料电池组密封状态的方法，其中所述的切断燃料气体供给的操作相对于所述的切断氧化剂气体供给的操作延迟。
14.权利要求7的检测燃料电池组密封状态的方法，其中纯氧供给和燃料气体供给同时被切断。
15.权利要求7的检测燃料电池组密封状态的方法，其中所述电流汲取首先被设定在第一水平，当所述燃料电池组的若干电池的电压开始下降时，电流汲取同时降低，最终当所述燃料电池组的电压接近0V时，电流汲取变为零。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10314594B2 (en) 2012-12-14 2019-06-11 Corquest Medical, Inc. Assembly and method for left atrial appendage occlusion
US10307167B2 (en) 2012-12-14 2019-06-04 Corquest Medical, Inc. Assembly and method for left atrial appendage occlusion
US10813630B2 (en) 2011-08-09 2020-10-27 Corquest Medical, Inc. Closure system for atrial wall
US20140142689A1 (en) 2012-11-21 2014-05-22 Didier De Canniere Device and method of treating heart valve malfunction
JP5808773B2 (ja) * 2013-05-30 2015-11-10 株式会社豊田自動織機 燃料電池システム
US9566443B2 (en) 2013-11-26 2017-02-14 Corquest Medical, Inc. System for treating heart valve malfunction including mitral regurgitation
WO2015148250A1 (en) * 2014-03-27 2015-10-01 Nuvera Fuel Cells, Inc. Cathode gas recirculation method and system for fuel cells
US10842626B2 (en) 2014-12-09 2020-11-24 Didier De Canniere Intracardiac device to correct mitral regurgitation
JP6635187B2 (ja) * 2016-03-15 2020-01-22 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御装置、並びに燃料電池システムの制御方法
CN108120568A (zh) * 2018-01-24 2018-06-05 同济大学 一种燃料电池电堆气密性实时检测设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1561555A (zh) * 2002-01-17 2005-01-05 日产自动车株式会社 燃料电池的控制装置
WO2008104865A1 (en) * 2007-03-01 2008-09-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Concentration distribution estimation device for impurity in anode side, and fuel cell system using the device
WO2009041271A1 (ja) * 2007-09-28 2009-04-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム
JP2009146651A (ja) * 2007-12-12 2009-07-02 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料ガス漏れ判定方法
US20090220832A1 (en) * 2003-08-06 2009-09-03 Reiser Carl A Hydrogen passivation shut down system for a fuel cell power plant

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4788989B2 (ja) * 2004-01-07 2011-10-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
FR2873498B1 (fr) * 2004-07-20 2007-08-10 Conception & Dev Michelin Sa Arret d'une pile a combustible alimentee en oxygene pur
WO2008026449A1 (en) * 2006-08-29 2008-03-06 Canon Kabushiki Kaisha Method for stopping power generation of fuel cell system and fuel cell system including power generation stopping unit
JP2008277215A (ja) * 2007-05-07 2008-11-13 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよびその制御方法
FR2917536B1 (fr) * 2007-06-15 2009-08-21 Michelin Soc Tech Arret d'une pile a combustible alimentee en oxygene pur
JP5236966B2 (ja) * 2008-02-29 2013-07-17 三菱重工業株式会社 燃料電池およびその運転方法
JP2009252552A (ja) * 2008-04-07 2009-10-29 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1561555A (zh) * 2002-01-17 2005-01-05 日产自动车株式会社 燃料电池的控制装置
US20090220832A1 (en) * 2003-08-06 2009-09-03 Reiser Carl A Hydrogen passivation shut down system for a fuel cell power plant
WO2008104865A1 (en) * 2007-03-01 2008-09-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Concentration distribution estimation device for impurity in anode side, and fuel cell system using the device
WO2009041271A1 (ja) * 2007-09-28 2009-04-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム
JP2009146651A (ja) * 2007-12-12 2009-07-02 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料ガス漏れ判定方法

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JP2013509679A (ja) 2013-03-14

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