CN108288717B - 检测燃料电池气体泄漏的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定燃料电池系统中的燃料电池组的阳极体积中是否存在气体泄漏的方法。该方法包括确定在预定时间段期间燃料电池组的阳极体积中的总气体损失量，并且监测在预定时间段期间来自阳极体积的气体损失，诸如反应损失、交叠损失和舷外损失。该方法还包括从总气体损失量中减去气体的损失以获得阳极泄漏损失，并将阳极泄漏损失与预定阈值进行比较以识别氢气泄漏。

Description

检测燃料电池气体泄漏的方法
技术领域
本发明通常涉及用于检测燃料电池系统的阳极子系统中的气体泄漏的系统和方法，并且更具体地涉及用于在泄漏检测状况期间检测来自燃料电池系统的阳极子系统的气体泄漏的系统和方法，这可以是对燃料电池系统的零净功率请求或功率耗散，诸如在系统关闭、启动、唤醒、待机等期间，其中该方法包括确定从阳极侧到阴极侧通过燃料电池中的膜渗透的气体量，确定通过密封件、阀和垫圈损失的气体量，确定因电化学反应用掉的氢气量，将这些量加在一起，并从总气体损失中减去相加量以确定该差值是否大于预定阈值，这将指示泄漏。
背景技术
氢燃料电池是电化学装置，其包括其间具有电解质的阳极和阴极。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极解离以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不能通过电解质，并因此在被送至阴极之前被引导通过负载进行工作。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用燃料电池类型，并且通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细碎的催化颗粒，通常是铂(Pt)，其负载在碳颗粒上并与离聚物混合，其中催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。膜阻止燃料电池组的阳极侧与阴极侧之间的气体输送，同时允许质子的输送以在其相应电极上完成阳极反应和阴极反应。
通常将几个燃料电池组合在燃料电池组中以产生期望的功率。燃料电池组通常包括位于电池组中的多个MEA之间的一系列流场或双极板，其中双极板和MEA定位于两个端板之间。双极板包括用于电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应物气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，其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，而另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料诸如不锈钢或导电复合材料制成。端板将燃料电池产生的电力传导出电池组。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。
燃料电池中的MEA是可渗透的并且因此允许来自电池组的阴极侧的空气中的氮渗透通过并收集在电池组的阳极侧，通常称为氮交叠。即使阳极侧压力可能略高于阴极侧压力，阴极侧分压将使空气渗透通过膜。燃料电池组的阳极侧的氮稀释氢，使得如果氮浓度增加超过一定百分比，例如50％，则电池组中的燃料电池可能变得缺氢。如果燃料电池变得缺氢，则燃料电池组将不能产生足够的电力，并且可能损坏燃料电池组中的电极。因此，本领域已知在燃料电池组的阳极排气输出管线中提供排气阀以从电池组的阳极侧除去氮。燃料电池系统控制算法将识别阳极中期望的最小氢气浓度，并且当气体浓度下降到该阈值以下时使排气阀打开，其中该阈值基于电池组稳定性。
本领域已知使用模型来估计燃料电池组的阳极侧中气体的摩尔份数以确定何时执行阳极侧或阳极子系统的排气。例如，已知用于估计燃料电池系统的各种体积诸如阳极流场、阳极管道、阴极流场、阴极头和管道等中的氢、氮、氧、水汽等的气体浓度估计(GCE)模式。
燃料电池系统中的阳极子系统的气体泄漏是主要顾虑，因为存在于混合物中的氢气物质可能会影响整个系统效率和产品安全性。例如，由双极板和/或密封件破裂引起的安全问题可能是明显的，这对于另外可修复的燃料电池组可能是灾难性的并且可能为车辆操作员创造危险的环境。此外，由于排放要求，氢气泄漏检测必须准确以确保符合性，并且在阳极子系统中的气体损失时能够进行反应作用。另外，必须避免误报，因为任何泄漏将会给车辆操作员带来不便。
发明内容
以下讨论公开并描述了用于在泄漏检测状况期间检测来自燃料电池组中的阳极子系统的气体泄漏的系统和方法，其可以是对燃料电池系统的零净功率请求或功率耗散，诸如在系统关闭、启动、唤醒、待机等期间。该方法在泄漏检测状况期间确定在泄漏检测时间段开始时燃料电池组的阳极体积中的总分子气体量。该方法还确定在泄漏检测时间段期间由于通过燃料电池组中的膜的渗透引起的来自燃料电池组的阳极体积的气体的交叠损失，确定在泄漏检测时段期间由于通过燃料电池组中的其它部件诸如垫圈、阀和密封件的渗透引起的来自燃料电池组的阳极体积的舷外损失，并且确定在泄漏检测时间段期间由于电池组中的电化学反应引起的来自燃料电池的阳极体积的氢气的反应损失。该方法还确定在泄漏检测时间段结束时燃料电池组的阳极体积中的总分子气体量，并且从在泄漏检测状况开始时存在于阳极体积中的气体中减去该总分子气体量。该方法将交叠损失、舷外损失和反应损失相加以获得相加损失，从总气体损失中减去相加损失以获得来自阳极体积的泄漏损失，并将阳极泄漏损失与预定阈值进行比较以确定是否存在足够明显的气体泄漏。
结合附图，从以下描述和所附权利要求中将显而易见本发明的附加特征。
附图说明
图1是燃料电池系统的简化示意性方框图；以及
图2是横轴上的时间和纵轴上的压力的曲线图，其示出了在泄漏检测状况下来自燃料电池组的阳极侧的气体损失，并且包括由于气体泄漏引起的气体损失。
具体实施方式
针对用于检测来自燃料电池系统中的阳极子系统的气体泄漏的系统和方法的本发明的实施例的以下讨论本质上仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本发明或其应用或使用。例如，本文讨论的燃料电池系统具有用于车辆的特定应用。然而，如本领域技术人员将理解，本发明的系统和方法可以具有其它应用。
图1是包括燃料电池组12的燃料电池系统10的示意性方框图。电池组12包括上述类型的一系列燃料电池，通常由燃料电池42表示，该燃料电池包括其间具有MEA 46的相对的双极板44。压缩机14通过对阴极输入空气进行加湿的水汽输送(WVT)单元18，在阴极输入管线16上将空气流提供给燃料电池组12的阴极侧。在阴极废气管线20上从电池组12输出阴极废气，该阴极废气管线将阴极废气引导至WVT单元18，以提供水汽来加湿阴极输入空气。燃料电池系统10还包括氢燃料源24，通常为高压罐，该氢燃料源向喷射器26提供氢气，该喷射器在阳极输入管线28上将受控量的氢气喷射到燃料电池组12的阳极侧。尽管没有具体示出，但是本领域技术人员将理解，将提供各种压力调节器、控制阀、截止阀等，以在适用于喷射器26的压力下从源24供应高压氢气。
阳极流出输出气体在阳极输出管线30上从燃料电池组12的阳极侧输出，该阳极输出管线被提供给排气阀32。如上所述，来自燃料电池组12的阴极侧的氮交叠稀释了电池组12的阳极侧中的氢气，由此影响燃料电池组的性能。因此，需要周期性地从阳极子系统排出阳极流出气体以减少阳极子系统中的氮量。当系统10以正常的不排气模式运行时，排气阀32处于将阳极流出气体提供给再循环管线36的位置，该再循环管线将阳极气体再循环至喷射器26以将其作为喷射器操作，并将再循环的氢气提供回到电池组12的阳极输入端。当指示排气以减少电池组12的阳极侧中的氮时，排气阀32被定位成将阳极流出气体引导到旁通管线34，该旁通管线将阳极流出气体与管线20上的阴极废气结合，其中氢气被稀释到适用于环境的水平。阴极压力传感器38测量燃料电池系统10的阴极子系统中的压力，阳极压力传感器22测量燃料电池系统10的阳极子系统中的压力，并且温度传感器48测量燃料电池组12的温度。来自传感器38、22和48的压力和温度信号被提供给控制器40，所述信号可以用于气体浓度模型、渗透率以及与本文讨论一致的其它信息以确定系统10中是否发生明显的阳极气体泄漏。
如将在下面详细讨论，本发明提出了用于在泄漏检测状况期间识别来自阳极子系统的气体泄漏的系统和方法，所述泄漏检测状况可以是对燃料电池系统的零净功率请求，诸如在系统关闭、启动、唤醒、待机等期间，其考虑到膜、子垫圈、垫圈、密封件、阀等的性质和使用年限以考虑已知和预期的气体输送离开密封的阳极子系统，以便提高对意外或不希望的系统泄漏的敏感度。气体物质的渗透率提供了更精确地将离开阳极子系统的气体质量作为物理泄漏进行估计的能力。由于渗透率随着时间而改变，因此在系统10的使用寿命期间，对所估计泄漏率的理解保持准确。
在泄漏检测状况下，气体渗透持续通过膜直到气体组分分压在膜的两侧均衡。气体物质通过膜从阳极侧到阴极侧的扩散率取决于材料，例如，使用典型的燃料电池聚合物电解质膜，氢从阴极侧到阳极侧的速率是氮的速率的大约三倍。与氮分压的相对缓慢均衡相比，较高的氢扩散率等同于氢气物质分压的快速均衡。气体扩散率的差异导致阳极子系统绝对压力下降，直到阴极气体物质分压达到阳极气体物质分压。
图2是水平轴上的时间以及通过例如垂直轴上的压力传感器22测量的阳极压力的曲线图。应注意，使用如本文讨论的压力测量是经由理想气体定律通过摩尔数来代表。其它测量或模型可能能够提供摩尔数。如果其它条件相同，通过泄漏或其它方式造成的分子损失将导致成比例的压力损失。由于系统10测量压力，因此便于根据压力表示响应。如果阳极子系统在泄漏检测状况下被完全密封，则气体将被包含在其中直到下一次启动。图线50表示理想的不可渗透的无泄漏系统的阳极压力，例如在70℃在170kPa下。在存在泄漏检测状况之后，电池组12上可能还有负载来操作附件等，其中电池组12的阳极侧中的至少一些氢气将由于电化学反应而被消耗。阳极子系统中的该氢气损失在本文中被表示为反应损失
Figure BDA0001536958830000051
并且由线52示出，其中来自该氢气损失的压降由线54识别并且可以是例如，针对0.5s的0.02A/cm2或大约3kPa。如果电池组12正在产生电流并且氢气正在被消耗，则反应损失
Figure BDA0001536958830000052
示出系统10的预期行为，其中电池组12的电流产生由线64表示。
由于膜对燃料电池组12中从阳极侧到阴极侧交叠的气体物质是可渗透的，所以由于这种渗透，在阳极子系统中存在气体损失。虽然膜充分抑制了气体扩散来有效地操作燃料电池反应，但气体仍实质上扩散穿过膜，并且可以被模拟为：
Figure BDA0001536958830000061
其中
Figure BDA0001536958830000062
是以摩尔/秒为单位的从电池组12的阳极侧到阴极侧的总气体扩散率，交叠损失Dx，eff是取决于气体物质的有效扩散常数，δPEM是膜厚度，Px，Anode是电池组12阳极侧的气体物质(x)的分压，并且Px，Cathode是电池组12阴极侧的气体物质(x)的分压。应注意，随着由于多种因素，诸如膜中产生针孔、膜随着时间变薄等引起的电池组12老化，气体穿过燃料电池42中的膜的渗透性增大。膜的渗透性增大的这些特征是本领域已知的并且被并入到等式(1)中。此外，气体物质(x)可以是但不限于H2，Nx或O2，并且所考虑的气体物质的数量是(m)。以摩尔/秒计的穿过膜的总气体输送速率可以通过乘以时间步长tstep而被转换成在给定时间步长内的摩尔数。
由于通过燃料电池组12中的垫圈、密封件、阀、子垫圈等的渗透，还存在来自阳极子系统的气体损失，并且在本文中被表示为舷外损失
Figure BDA0001536958830000063
气体离开阳极子系统的该渗透也可以使用已知等式来模拟。随着密封件、垫圈、子垫圈、阀等的老化和响应于电池组的使用，它们的完整性可以被并入气体舷外等式来识别通过这些部件的气体损失随着时间增大。
来自阳极子系统的通过膜、垫圈、子垫圈、密封件等的交叠损失
Figure BDA0001536958830000064
和舷外损失
Figure BDA0001536958830000065
的组合渗透由线56表示，其中线58是在阳极子系统中的压力损失。
除了上面讨论的那些气体损失之外，曲线图还示出了由线60表示的由于小气体泄漏引起的阳极子系统中的压力衰减，其中线62表示阳极子系统中由于泄漏引起的压力损失量。
基于上面的讨论，可以从阳极子系统泄漏的气体量，本文称为阳极泄漏损失nAn，leak，可以如下确定。一旦识别出泄漏检测状况，算法就确定时间帧，本文称为预定时间段，在该预定时间段期间确定泄漏发生。该算法首先使用任何合适的技术诸如理想气体定律pV＝nRT来确定在预定时间段的开始时间ti处燃料电池组12的阳极体积中的初始气体量，其中p是压力，V是体积，R是通用气体常数，T是温度，并且n是气体的摩尔数。该算法接着确定在预定时间段期间由于通过燃料电池组12中的电池膜的渗透引起的来自燃料电池组12的阳极体积的气体的交叠损失
Figure BDA0001536958830000071
确定在预定时间段期间由于通过燃料电池组12内的其它部件的渗透引起的来自阳极体积的气体的舷外损失
Figure BDA0001536958830000072
并且确定在预定时间段期间由于来自燃料电池组12上的负载或与该燃料电池组的电化学反应引起的来自阳极体积的气体的反应损失
Figure BDA0001536958830000073
该算法将交叠损失、舷外损失和反应损失相加以获得相加损失。该算法还确定在预定时间段的结束时间tf处的阳极体积中的最终气体量，并且通过从初始气体量中减去最终气体量来确定来自阳极体积的以摩尔计的总气体损失nAn，tot。该算法接着从总气体损失中减去相加损失，以获得以摩尔计的阳极泄漏损失nAn，leak，其与预定阈值进行比较以识别气体泄漏。这个关系在下面的等式(2)中示出。如果阳极泄漏损失大于预定阈值，则可以设置泄漏诊断以试图识别泄漏发生的位置。
Figure BDA0001536958830000074
如本领域技术人员将很好理解，本文讨论的用于描述本发明的若干和各种步骤和过程可以指由计算机、处理器或其它电子计算装置执行的操作，该计算机、处理器或其它电子计算装置使用电气现象操纵和/或变换数据。这些计算机和电子装置可以采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括其上存储有可执行程序的非暂时性计算机可读介质，该可执行程序包括能够由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。
前面的讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这些讨论和附图以及权利要求中容易地认识到，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、修改和变更。

Claims (10)

1.一种用于确定在燃料电池系统中的燃料电池组的阳极体积中是否存在氢气泄漏的方法，所述方法包括：
确定所述燃料电池系统处于泄漏检测状况；
在所述泄漏检测状况期间确定在预定时间段的开始时间处所述阳极体积中的初始气体量；
确定在所述预定时间段期间由于通过所述燃料电池组中的电池膜的渗透引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的交叠损失；
确定在所述预定时间段期间由于通过设置在所述燃料电池组中的垫圈、阀、以及密封件中的一个或多个的渗透引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的舷外损失；
确定在所述预定时间段期间由于来自所述燃料电池组上的负载或与所述燃料电池组的电化学反应引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的反应损失；
将交叠损失、舷外损失和反应损失相加以获得相加损失；
确定在所述预定时间段的结束时间处所述阳极体积中的最终气体量；
通过从所述初始气体量减去所述最终气体量来确定来自所述燃料电池组的所述阳极体积的总气体损失；
从所述总气体损失中减去所述相加损失以获得阳极泄漏损失；以及
将所述阳极泄漏损失与预定阈值进行比较以识别氢气泄漏。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定交叠损失、确定舷外损失和确定反应损失都包括在所述燃料电池组的所述阳极体积中使用压力和电流测量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定舷外损失包括确定由于通过所述燃料电池组中的垫圈、子垫圈、密封件和阀的渗透引起的舷外损失。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定交叠损失和舷外损失包括考虑膜和垫圈、阀、以及密封件中的一个或多个的使用年限。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述燃料电池系统处于泄漏检测状况包括确定对所述燃料电池系统请求零净功率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述燃料电池系统处于泄漏检测状况包括确定所述燃料电池系统处于关闭模式、启动模式、唤醒模式或待机模式。
7.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述燃料电池系统处于泄漏检测状况包括确定对所述燃料电池系统请求功率耗散。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法使用以下等式：
Figure FDA0002810263510000021
其中nAn，leak是以摩尔计的所述阳极泄漏损失、nAn，tot是以摩尔计的所述总气体损失、
Figure FDA0002810263510000022
是以摩尔/秒计的所述交叠损失、
Figure FDA0002810263510000023
是以摩尔/秒计的所述舷外损失、
Figure FDA0002810263510000024
是以摩尔/秒计的所述反应损失、ti是所述预定时间段的开始时间、tf是所述预定时间段的结束时间，并且tstep限定在预定时间步长期间的计算时间步长。
9.根据权利要求1所述的方法，其中确定初始气体量和最终气体量包括确定所述气体的摩尔数。
10.一种用于确定在燃料电池系统中的燃料电池组的阳极体积中是否存在氢气泄漏的监测系统，所述监测系统包括：
用于确定所述燃料电池系统处于泄漏检测状况的机构；
用于在所述泄漏检测状况期间确定在预定时间段的开始时间处所述阳极体积中的初始气体量的机构；
用于确定在所述预定时间段期间由于通过所述燃料电池组中的电池膜的渗透引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的交叠损失的机构；
用于确定在所述预定时间段期间由于通过设置在所述燃料电池组中的垫圈、阀、以及密封件中的一个或多个的渗透引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的舷外损失的机构；
用于确定在所述预定时间段期间由于来自所述燃料电池组上的负载或与所述燃料电池组的电化学反应引起的来自所述燃料电池组的所述阳极体积的所述氢气的反应损失的机构；
用于将交叠损失、舷外损失和反应损失相加以获得相加损失的机构；
用于确定在所述预定时间段的结束时间处所述阳极体积中的最终气体量的机构；
用于通过从所述初始气体量减去所述最终气体量来确定来自所述燃料电池组的所述阳极体积的总气体损失的机构；
用于从所述总气体损失中减去所述相加损失以获得阳极泄漏损失的机构；以及
用于将所述阳极泄漏损失与预定阈值进行比较以识别氢气泄漏的机构。
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