CN106374121A - 用于pem燃料电池中整体/局部氢匮乏检测的电化学氢传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种燃料电池堆氢匮乏检测装置、一种燃料电池系统、以及一种操作燃料电池堆以保护其免于氢匮乏状况的方法。在具体形式中，燃料电池系统包括燃料电池堆、控制器、以及由一个或多个传感器制成的检测装置，所述传感器可将对应于存在基本上纯的氢的参考信号与对应于单个燃料电池内局部氢值的信号进行比较，该单个燃料电池在堆内或横跨堆内的多个燃料电池。通过这种方式，检测装置迅速提供电池或堆内氢匮乏状况的标记，不需要常规的电池电压监控。检测到的氢匮乏状况可呈现为警告信号，以提醒用户这样的状况可能出现，以及提醒控制器修正堆运行。

Description

用于PEM燃料电池中整体/局部氢匮乏检测的电化学氢传感器
技术领域
本发明大体上涉及检测燃料电池堆中的氢浓度变化，作为防止或降低氢匮乏和电池反极的影响的方式，这些影响可能会导致部件腐蚀；并且具体地涉及使用传感器检测比较性反应物流，作为识别这些氢匮乏状况发生的方式。
背景技术
燃料电池通过化学反应将燃料转换为可用的电力。这种产能装置的显著优点是不依赖燃烧作为中间步骤就可以完成。因此，与内燃机(ICE)以及相关的用于推进和相关动力应用的发电源相比，燃料电池具有多种环保优势。在典型的燃料电池——诸如质子交换膜或聚合物电解质膜(在任一情况下，PEM)燃料电池中——一对催化电极被离子交换电解质层(诸如NafionTM)分隔，从而这三层一起形成通常被称为膜电极组件(MEA)的物质。负载于阳极和阴极上的典型催化剂为每平方厘米的负载表面上大约0.05至0.4mg铂(Pt)。当气态还原剂形式的第一反应物(诸如氢气，H2)在阳极被引入并电离，并且随后被使得穿过离子交换介质，从而其与已被引入穿过另一个电极(阴极)的气态氧化剂形式的第二反应物(诸如氧气，O2)结合，发生电化学反应。反应物的这种结合形成副产物水。在第一反应物的离子化中释放出的电子通过外部电路以直流电(DC)的形式到达阴极，外部电路典型地包括负载(诸如电机，以及各种泵、阀、压缩机或者其他流体输送部件)，在这里可进行有用的工作。通过将大量这样的电池组合成更大的发电组件，可增加由这种DC电力的流动产生的发电。在一个这样的结构中，燃料电池沿着共同的堆维度连接——非常类似一副卡片——以形成燃料电池堆。本领域普通技术人员应当理解，在本文中，布置成增加全部电压或电流输出的大量单个电池的任何这种布置均被视为限定了堆，甚至在电池的这种严格堆放的布置并非显而易见的情况下。
由于扩散媒介或流动通道内的溢流或者冰堵，以及在MEA内或穿过MEA处的H2分配不均，燃料电池堆中的一些电池可能会遭受至阳极的H2供应降低；这可能在开机或正常运行期间发生，并且在极端的例子中，供应可能被完全切断。在阳极处的整体H2匮乏(其中H2供应被完全切断)导致众所周知的电池反极现象，这里阳极被极化为电势远高于阴极。当阳极的一小部分被切断H2供应，阴极的H2匮乏的部分会遭受电压电势高于特定的关键燃料电池部件的氧化阈值，诸如形成催化剂负载层的碳。这又导致碳腐蚀以及相关性能的损失，甚至影响电池中的电短路。
用于改善阳极匮乏及随后电池反极的影响的努力仍不能令人满意。在一个此类尝试中，使用电池电压监测(CVM)作为监测电池电压变化的方式。遗憾的是，这种监测仅仅提供氢短缺已经在堆内发展的氢短缺状况的标记。此外，在堆内的每个电池上布置CVM是昂贵的。另一种此类尝试可能涉及催化剂，其促进优选的析氧反应，作为抑制竞争性的碳腐蚀反应的方式；在整体或局部H2匮乏的问题下，频繁地伴随着燃料电池系统启动、停机、不稳定或流动阻塞运行条件，单独的石墨化支持策略并不能充分降低碳腐蚀速度。
发明内容
本发明人已经认识到，当匮乏开始在燃料电池系统内发展时，需要迅速检测H2浓度的变化，作为防止电池反极和相关腐蚀促进活动的方式。
根据本发明的一个方面，公开了一种用于燃料电池系统内的氢匮乏检测装置。所述检测设备包括动态氢电极形式的反应发生器(即第一电极)，其与相同的或者另外的传感器内的一个或者多个其他电极连接，从而可以在第一电极产生的参考信号和从其他的一个或者多个电极接收的信号之间进行比较。第一电极与电源连接，从而能够产生对应于由析氢反应(HER)产生的基本上纯的氢的第一信号，同时第二电极配置成接收对应于流径内局部氢浓度的第二信号，从而可以比较第一信号和第二信号，以便提供表示堆内氢匮乏状况的标记。
根据本发明的另一个方面，燃料电池系统包括燃料电池堆、控制器以及由一个或多个传感器组成的检测装置，从而使得传感器中的至少一个(或其一部分)用作基本上纯的参考氢值的反应生成器，该参考氢值可以与第二传感器(或相同传感器内的另一部分)所采样的局部氢值进行比较。以这种方式，表示堆内氢匮乏状况的标记可以迅速被提供给控制器(或者由控制器对其起作用)，用于警示或堆运行状况改变的一种或多种。
根据本发明的又一个方面，公开了一种保护由多个燃料电池组成的燃料电池堆的方法。在该方法中，操作用作反应生成器的动态氢电极以促进析氢反应(其对应于基本上纯的氢浓度)和析氧反应中的至少一者，使得这种类似于参考的信号可以与该传感器或另一个传感器(其获取对应于局部氢浓度的第二信号)内一个或多个电极所获取的其他信号进行比较。通过这种方式，在传感器的电极内生成的比较信号(或多个比较信号)与电池或堆内的氢匮乏状况的存在相关，从而使得可以由控制器用来调节堆的运行，以减少可能由于电池或堆中氢的分布不均而产生的氢匮乏状况。
附图说明
结合以下附图进行阅读，能够最好地理解本发明的优选实施例的下列详细描述，其中，相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中附图的各个部件并不一定按比例示出：
图1A示出了配置为车辆应用的燃料电池系统的框图；
图1B示出了来自图1A的系统的简化代表性燃料电池的垂直截面图；以及
图2A和图2B示出了在燃料电池运行瞬态期间穿过燃料电池的各电子和质子流径和流体状态，其中图2A具体示出了阴极碳腐蚀状况，而图2B示出了整体阳极匮乏状况。
具体实施方式
首先参照图1A和图1B，示出了概念性的燃料电池系统(图1A)、以及单个燃料电池(图1B)的框图。移动燃料电池系统1——其可以按照与本发明的实施例一致的方式进行操作——包括反应物输送系统100、燃料电池堆200以及形式为蓄电池或马达的负载300、传动系统400和一个或多个运动装置500，最后一个概念性地示出为车轮。反应物输送系统100由燃料(即第一反应物)源110(诸如氢罐)和氧气(即第二反应物)源120(其一种优选形式为环境空气)组成。在负载300为马达的构型中，其用于将来自堆200的电流转化为诸如转动轴功率等机械功率，该机械功率用于以本领域技术人员已知的方式来操作传动系统400和车轮500。在堆200内，示出了串联连接在一起的多个单独的燃料电池210。可以看出，反应物的输送——以及辅助流体(诸如用于冷却或其他热传递的流体)的输送一一优选地通过专用电路来实现，该专用电路包括适当配置的管道170以及相应的泵140和阀150。正如本领域的技术人员将会理解的，当来自其各自源的反应物已经呈加压形式，并且任何一种变型都在本发明的范围内，泵140可以是任选配置。尽管未示出，其他燃料输送和燃料处理系统可以与系统1一起使用。例如，除了燃料源110和氧气源120之外，还可以有(除此之外)用于堆200冷却的水源(未示出)。
堆200的燃料电池210所产生的电流可以用来为泵140和相关设备以及舒适型装置(诸如空调、加热器、窗户除霜器、电动座椅)等提供动力。此外，尽管本系统1示出为用于移动(诸如车辆)应用，但是，本领域技术人员将会理解的是，燃料电池210、它们各自的堆200和辅助设备的使用同样可适用于静止的应用。在本上下文中，堆辅助设备用于提供电厂配套设施(BOP)运行，并且可以包括在此所讨论的附加装置、以及从堆200获得其电流来源的其他部件。在以与本发明一致的方式关闭堆200的一部分中，堆200所供给的电流优选地降低至基本上符合操作这类辅助设备所需的量的水平。
根据本发明的系统和方法可以由基于计算机的控制器160(也称为可编程控制装置或电子控制单元)进行，基于计算机的控制器160能够执行组织成一个或多个程序模块的指令，这些程序模块由专用硬件装置和相应的软件组成。用于根据本发明实施系统1操纵功能中任意一个(诸如开启或关闭阀、开启或关闭泵或压缩机(以及使其加速或减速)以及传送感测数据和诊断功能信息)的指令可以具体体现在各装置或部件的任何适合配置的实施例中，这些装置或部件组成控制器160，其中包括放置驻留在其存储器部分上。特别参照图1A，所描绘的控制器160与组成燃料电池系统1的各部件之间的连接表明，可以通过从控制器160所接收的指令来改变操作。与控制器160配合的一个这样的部件是吹扫流体或惰化流体引入装置130(当前示出为罐或相关流体容器)，该装置可以在一个或多个反应物流径正面临氢匮乏状况的合适信号的情况下启动。
在优选形式中，控制器160配置为自动化数据处理设备，诸如与数字计算机相关联的自动化数据处理设备。在这种情况下，其包括输入、输出、处理单元(通常称为中央处理器(CPU))和存储器中的一个或多个，其能够在控制器的存储器中临时或永久地存储这样的代码、程序或算法，使得处理单元基于输入数据对代码中含有的指令进行操作，由此代码和处理单元所生成的输出数据可以经由输出传送至另一个程序或用户。由此，控制器160变得具有特定适用性，以便在存在适当的H2泄漏或相关的分布不均状态的情况下，进行提供系统1的迅速且有效的响应所需要的数据采集、操纵或相关计算功能中的至少一些。本领域技术人员将会理解的是，具体化本发明中其他地方所讨论的计算的计算机可执行指令可以放置于控制器160内的适当位置(诸如前述存储器)内，从而实现本发明提出的目的。
在特定形式中，含有进行上述感测和控制功能所需的算法和公式的计算机可读程序代码可以加载入控制器160的存储器的合适部分。这种计算机可读程序代码还可以形成为制造品的一部分，使得该代码中所含有的指令位于磁性可读或光学可读磁盘或者其他相关的非瞬时机器可读介质上，诸如闪存装置、CD、DVD、EEPROM、软盘或其他这种能够存储机器可执行指令和数据结构的介质。这种介质能够由控制器160或其他具有用于从计算机可读程序代码解析指令的处理单元的电子装置进行存取。处理器和任何配置为由处理器执行的程序代码共同限定了进行本文所述一种或多种控制功能的方式。正如计算机领域的技术人员将会理解的，控制器160可以包括附加的芯片组、以及总线和用于在其处理单元与其他内部装置(诸如前述输入、输出和存储器装置)和外部装置(诸如堆200及其辅助设备)之间传送数据和相关信息的相关布线。在将程序代码方式加载入ROM中之后，系统1的控制器160变成配置为以本文所述方式确定适当关闭顺序的专用机器。
如图1B中特别地示出，示出了每个燃料电池210的细节。电池210包括对应于电极的部分，尤其是布置在电极之间的阳极220、阴极230和电解质层240。阳极220、阴极230和电解质层240共同限定MEA 250。还示出了用于将反应物输送入和输送出电池210的相应的氢气通道226和氧气通道236。在上下文中，术语“部分”用于描述整个燃料电池堆200的任一那些部分，或者堆200内的单个电池210的那些部分。由此，在电池210或堆200中发生的H2匮乏或分布不均状态意指涵盖这样的情形：引入电池210或堆200的相应的阳极部分220或阴极部分230中的反应物自身表现为需要进行改正的阳极部分220内的H2浓度变化，并且，上下文将清楚地表明这种分布不均适用于单个电池210或整个堆200中的哪一种。不管怎样，任意一种变型都视为落入本发明的范围内。
阳极220包括流体地与氢通道226相接触的气体扩散层222和催化剂层224。同样地，阴极230包括流体地连接至氧通道236的气体扩散层232和催化剂层234。通道226和236都形成阳极流径和阴极流径(二者都在下文中描述)的部分，其中阳极流径和阴极流径将适当的反应物输送至其相应的阳极220和阴极230并从其输送适当的反应物。优选地，气体扩散层222和232是多孔的，从而允许氢和氧的扩散，以及燃料-氧反应形成的水的流动。当前显示为质子交换膜形式的电解质层240在阻止电流通过其的同时允许离子化的氢从阳极220流至阴极230。在当前上下文中，反应物流径可包括形成于与MEA 250协作的双极板(未示出)中的通道、以及导管、歧管、顶盖和其他流动地连接至燃料和氧源的输送机构。关于流径的任一形式的讨论在上下文中将会是显而易见的。
在瞬态燃料电池运行期间，尤其是在启动和关闭期间(以下将更详细地讨论后者)，氢-空气接口和其他状况(包括冰堵、溢流等等)的存在可导致过度的电势，这可能会缩短催化剂层224和234内的碳的寿命；要阻止或使这种状况的影响最小化，系统1中可包含惰化和吹扫设备(包括结合适当的下述流体输送设备的上述流体引入装置130)。
示出了用于每个燃料电池210的阳极220侧的电化学氢传感器SH，其包括一对形式为动态氢电极EDH(其用作为前述反应生成器)的电极和工作电极EW，两者彼此隔开。虽然在当前示出为单个传感器，但是本领域技术人员将理解的是，根据需求，可将一个以上的这种氢传感器SH设置在阳极220的流径中。在当前上下文中，传感器SH不同于常规传感器(诸如图1A中示出的传感器S)，不同之处在于其具有依赖于由电压生成器(当前以小型功率源的形式示出)P生成的主动生成信号的电化学属性，其中电压生成器P与基本上纯的H2参考相关。同样地，氧气生成电极EOER(其在构造上与动态氢电极EDH类似)设置在阴极230的流径内；如同上述的动态氢电极EDH和工作电极EW，多个氧气生成电极EOER可沿着阴极230间隔开，使得其与相应的动态氢电极EDH和电压生成器P协作来测量整个电池210的电势。
特别地，传感器SH与功率源P一同工作来限定检测装置260。通过使用功率源P来驱动下述方程式1的HER和析氧反应(OER)——选择取决于电池210或电池组200中的特定位置内的动态氢电极EDH的设置——对应于阳极220中的以基本上纯的形式存在的H2的参考信号可通过动态氢电极EDH生成，以供传感器SH使用。该信号与从工作电极EW获得的、在阳极220中的其他地方与局部H2浓度相接触的信号之间的比较可非常快速地生成准确的局部H2浓度和相关的H2匮乏状况的标记。虽然动态氢电极EDH需要设置在阳极220侧来适当地检测H2浓度，但是其可设置在阳极220的入口或出口的任一者中，且任一设置都不超出本发明的范围。在当前上下文中，局部H2浓度对应于电池210或电池组200内的紧邻工作电极EW的位置，使得获得的信号在该紧邻的区域中基本上全部对应于局部H2浓度，而不影响对应的电池210或电池组200的其他部分的其他流体浓度。虽然可使用其他形式的基本上纯的H2的生成(诸如具有位于喷射器的上游处的线，其中喷射器能够以基本上类似于在内燃机中使用的常规O2传感器所采用的方式来获得氢原料)，但是本发明人却选择了电极基参考生成，因为其担心高压喷射器基方法及其对电压产生的后续影响将会是附加性的。在方程式形式中，HER如下所示：
HER：2H++2e-→H2 (1)。
如下面所讨论的，差分信号的使用使得电化学氢传感器SH能够测量氢浓度中的非常小的变化。而且，不同于与CVM相关联的时间延迟，指示H2匮乏状况的信号一旦被控制器160接收到，就能够更加迅速地起作用，使得运行条件能够被调整来防止H2匮乏和电池210反极的进一步发展。如此一来，导致阳极220的H2匮乏的通常不需要的状况能够早在电池210和电池组200发生任何显著的性能变化或损害之前就被检测出来。在另一形式中，本发明的电化学氢传感器SH可被用来减少电池组200中的CVM装置的数量。以下有关传感器SH的灵敏度能力的表格示出了代表性的在两个不同温度下的电压变化。
此表格示出了由感测电极SH测量的预期电压信号，并示出了显著的对H2浓度中的相对微小变化的灵敏度。
下面参照图2A和2B，示出了各种反应如何运行以在瞬态状态期间引起整个燃料电池210的电压变化。具体参照图2A，描述了启动和关闭的影响，以及在局部H2匮乏可存在的运行异常期间的影响。由于燃料电池210的运行状况发生变化，因此阳极220和阴极230中的流体的组成也发生变化。例如，在稳态状态期间，阳极220具有相对恒定的流过其的燃料(通常以H2的形式存在)流，而阴极230则具有相对恒定的流过其的氧气(通常以空气的形式存在)流。
在正常运行期间，沿着流动通道引入反应物并让其穿过适合的管道170，其中沿着电池210的长度对流动通道进行限定。氧化反应和还原反应在氢锋面F(也被称为氢-空气界面)的后方进行。在其中，H2在阳极220处通常被称为氢氧化反应(HOR)的反应中进行氧化。这以方程式形式示出，如下所示：
HOR：2H2→4H++4e- (2)。
通过比较上述方程式1和方程式2可以看出，HOR和HER为彼此的逆反应。O2的可比较还原在阴极230处(在常常被称为氧还原反应(ORR)的反应中)进行。这以方程式形式示出，如下所示：
ORR：O2+4H++4e-→2H2O (3)。
瞬态流期间的多种缺陷被认为是造成阳极220和阴极230的腐蚀的原因，尤其是在其涉及上述碳载体结构的时候。不管其如何发生，H2的分布不均引起了不按化学计量的状况，其反过来导致了上述的电池反极，并随之导致阳极220的电势显著增加，其中阳极220的电势充分地超过碳氧化的热力平衡电势(0.207伏)。特别地，在瞬态运行期间(诸如从稳态转向关闭)，随着H2被转化为质子和电子，已存在于阳极220中的H2继续被消耗。此H2消耗形成了由进入空气(例如，来自于开放的阳极排气管路)进行充注的稀薄气体环境，从而导致产生形成高于测得电压的电极电位的锋面F。在正常开路电压下(OCV)，燃料电池210位于锋面F后方的部分在阳极220和阴极230之间的测得电位约为0.9伏，而燃料电池210位于锋面F前方的部分的电位可约为1.7伏(包括测得的0.9伏OCV，加上由于面内质子向锋面F右侧区域传导较差导致的膜240中的0.8伏的反极性负电化学电势降)。
在这些增加的电势下，燃料电池210位于锋面F前方的部分的可用H2减少。在阳极220具有可用O2的情况下，阴极230中的碳载体将被氧化。通过利用这些概念性电压，在不使用本发明方法的情况下，于各个位于锋面F后方(如图所示，向左侧)的位置处测得的OCV有可能在阳极220处产生0伏的电压、在膜240处产生0伏的电压、在阴极230处产生0.9伏的电压(净电压为0.9伏)。锋面F的前方(如图所示，向右侧)可能在阳极220处显示0伏的电压、在膜240处显示-0.8伏的电压(例如由于固有的内电阻)、在阴极230处显示0.9伏的电压，净电压为1.7伏；该过电压足以导致发生前述的碳氧化。通过使用本文所述的方法，可迅速实施补救措施(诸如通过引入氮气来惰化或吹扫阴极230，或吹扫来自于流体引入装置130的流体)，以将高OCV降至一个将保证不能获得足以驱动碳发生腐蚀反应的电压电平的水平。例如，控制器160可对应于这些检测装置260获得的低电压需求，以实现操控各种阀、泵和相关的反应物输送设备(以及操控电流消耗载荷)来接受外围或槽包含的吹扫或惰化流体，以作为避免有害的电池210或堆200运行状况的方式。在一种形式中，在使用本发明的方法后，在各种位于锋面F后方的位置处测得的OCV有可能在阳极220处显示0伏的电压、在膜240处显示0伏的电压、在阴极230处显示0.2伏(或更低)的电压(净电压为0.4伏或更低)。同样地，锋面的相同的前方有可能在阳极220处显示0伏的电压、在膜240处显示-0.8伏的电压、在阴极230处显示0.2伏的电压，净电压为1.0伏；因此，H2浓度变化的检测可结合其他设备一同使用，以防止局部或整体H2匮乏的不期望状况。由于任何的过电压都会导致显著的碳腐蚀，因此任何减少都会优选地将端电压降至0.2伏以下，使得阴极中的局部电势可低于1.0伏。
如上所述，由于电子和质子的供给来自于阳极220处的碳氧化反应(COR)和OER中的一个或两个，因而电池反极尤其具有破坏性。这些以方程式形式示出，如下所示：
OER：2H2O→O2+4H++4e- (4)
COR：C+2H2O→CO2+4H++4e- (5)
如方程式5的COR中清楚所示，电池反极导致用于负载阳极220催化剂(在典型的形式中，其可为铂(Pt))的碳被消耗。同样地，在图2A所示的阳极220中的局部H2匮乏的情况下，穿过膜240的O2在H2被耗尽的区域中被还原，从而导致阴极230的碳载体被腐蚀。任一反应都以不希望的方式导致了MEA 250内的总体退化，并可通过将其在图1B的检测装置260的燃料电池系统1中进行实施来对其进行限制。
特别参照图2B，类似的状况可引起整体的阳极220匮乏状况(诸如，如图所示，在基本上整个阳极都失去氢的情况下)。在当前上下文中，虽然产生图2A的局部H2匮乏(其中损坏发生在相应的阴极230的碳载体上)和图2B的整体H2匮乏(其中损坏发生在阳极220的碳载体上)的机制存在着差异，但是所产生的减少或避免碳腐蚀的需要是相同的。与局部H2匮乏(例如图2A所示的局部H2匮乏)相比，在涉及整体H2匮乏的状况中，不存在ORR反应。
返回参照图1A和1B，本发明人发现，通过使用传感器SH，不同的元件引线(或电极)可与不同浓度的H2相接触。而且，由于能斯特还原/氧化电势的存在，因而接收到的浓度的比较能够产生电压差，其以方程式形式中描述为：
Eeq＝E0+(RT/nF)x ln(Ox/Red)
其中E0为引用成相对于在25℃下的标准(即可逆)电极电势的热力值，R为气体常数8.31451J/(K.mol)，T为开尔文温度，n为电子的数量，F为法拉第常数96485C/mol，Ox和Red各自代表氧化剂和还原剂种类的化学活性。此电压差可被传感器SH和控制器160利用来作为实现更快速、准确的H2匮乏状况的标记的方式，以及作为将惰化或吹扫流体(诸如来自流体引入装置130的流体)用作为减压阳极220或阴极230溢流过程的一部分的方式。
传感器SH电极的设置选择关乎的是使用单个电池210的入口和/或出口区域中的任一者，或者关乎使用选自电池组200内的不同位置处的电池210的入口和/或出口区域中的任一者。任一变型均被认为在本发明的范围内。在一种特定的形式中，两个电极EDH和EW可设置为与所监测的电池210的入口或出口成协作关系，而在另一特定的形式中，其可设置为与电池组200内的不同电池210中的阳极部分220或阴极部分230成协作关系。保证基本上纯(即100％)的H2的一种方式就是结合功率源P将动态氢电极EDH用作为以上述方程式1所述方式启动HER的方式。同样地，除了功率源P之外，氧气生成电极(EOER)还可与所选取的电池210的阴极230相连接，以促进上述方程式4所示的OER反应。
如上所述，电化学氢传感器SH可在电池组200中与所选取的电池210相连接。所选取的电池210的一种版本可具有堵塞的流动通道、或者一个或多个具有缩减的截面积的通道，其中截面积的缩减通过降低通道相对于电池组200的剩余部分中的板的深度来实现；这种修改可将其本身显示为通道在尺寸、形状或纵横比方面的变化，其中通道形成于用于将反应物输送给电池电极的双极板(未示出)中。将氢传感器SH用于甚至更早地检测不希望的状况在避免危害性运行状况方面至关重要，并且可允许更早地采取补救措施。
值得注意的是，在此使用的术语“优选地”、“通常”和“典型地”并非用于限制本发明的范围，也不意味着特定特征对于本发明的结构或功能而言是关键的、必要的或甚至重要的。相反，这些术语仅仅意在突出在本发明的具体实施例中可使用或可不使用的备选的或额外的特征。
出于描述和限定本发明的目的，值得注意的是，术语“基本上”和“约”及其变型在此处用来表示可归因于任何定量比较、值、尺寸或其他表示的不确定性的固有程度。术语“基本上”在此还用来表示定量表示可与给定的参考有差异的程度，而不会导致讨论中的主题的基本功能的变化。
虽然已参照具体实施例详细描述了本发明，但是将显而易见的是，在不背离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可进行更改和改变。特别地，可设想的是，本发明的范围不一定局限于所描述的优选方面和示例性实施例，相反，其应当受所附权利要求书所制约。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统氢匮乏检测装置，所述装置包括：
至少一个传感器，其通过信号方式与所述系统内的阳极流径和阴极流径中的至少一者进行协作，所述传感器包括：
第一电极，其配置为产生对应于基本上纯的氢浓度的第一信号；以及
第二电极，其配置为接收第二信号，所述第二信号对应于所述阳极流径内的局部氢浓度，由此所述第一信号和所述第二信号的比较将表示所述堆内的氢匮乏状况的标记提供给所述控制器；以及
电压源，其与所述第一电极协作，所述电压源配置为提供足以促进至少一个反应的电压，所述反应在所述电池内产生所述基本上纯的氢浓度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一电极与所述阳极流径协作，以基于发生在所述阳极流径内的析氢反应测量所述第一信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一电极与所述阴极流径协作，以基于发生在所述阳极流径内的析氧反应测量所述第一信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压源配置为促进所述阳极流径内的析氢反应。
5.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池堆，每个燃料电池包括阳极、阴极、位于所述阳极和所述阴极之间的膜、以及配置为向其输送相应反应物的流径；
控制器，其与所述堆协作；
至少一个传感器，其通过信号方式与所述控制器和所述堆内的所述电池的至少一者进行协作，所述传感器包括：
第一电极，其配置为产生第一信号，所述第一信号对应于所述阳极流径内的析氢反应产生的基本上纯的氢浓度；以及
第二电极，其配置为接收第二信号，所述第二信号对应于所述阳极流径内的局部氢浓度，由此所述第一信号和所述第二信号的比较将表示所述堆内的氢匮乏状况的标记提供给所述控制器；以及
电压源，其与所述第一电极协作，所述电压源配置为提供足以促进至少一个反应的电压，所述反应产生所述基本上纯的氢浓度。
6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括流体引入装置，所述装置与所述阳极流径和所述阴极流径的至少一者选择性地流体协作，由此使得所述控制器的运行对应于所述比较，所述流径的各自一条从所述流体引入装置接收吹扫流体和惰化流体中的至少一者。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一电极与所述阳极流径协作，以基于发生在所述阳极流径内的析氢反应测量所述第一信号。
8.根据权利要求5所述的系统，其中所述电压源配置为促进所述阳极流径内的析氢反应。
9.一种保护燃料电池堆的方法，所述方法包括：
具有至少一个传感器，其通过信号方式与所述控制器和所述堆内的至少一个电池进行协作，所述传感器包括：
第一电极，其配置为产生第一信号，所述第一信号对应于所述阳极流径内的析氢反应产生的基本上纯的氢浓度；以及
第二电极，其配置为接收第二信号，所述第二信号对应于所述至少一个反应物流径内的局部氢浓度；
使用电压源以产生所述析氢反应或所述析氧反应；
使用所述第一信号和所述第二信号的比较将表示所述堆内的氢匮乏状况的标记提供给所述控制器；以及
通过所述控制器调整所述堆的运行，以减小所述氢匮乏状况。
10.根据权利要求9所述的方法，其中对所述氢匮乏状况进行的所述检测不使用电池电压监控装置。
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