燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种燃料电池系统，操作为其自己的氢气泄漏检测器。系统包括：燃料电池，所述燃料电池包括阴极管和至少一个阴极，阴极管用于引导氧化剂气体通过或者经过阴极；壳体，容纳所述燃料电池并且限定围绕燃料电池的气室；通风系统，配置成用于迫使空气从气室进入阴极管；和控制系统，配置成用于监控燃料电池电压，并且检测归因于阴极管中氢气的存的电压下降。该系统可以包括在电池组中的多个燃料电池。控制系统可以包括一个电池电压监视系统，用于确定燃料电池的实际电压或者燃料电池组中的一个或多个电池的实际电压，以及一个处理器，所述处理器用于接收指示所述燃料电池或燃料电池组的操作条件的输入。处理器因此被配置成用于确定被监视的一个或多个燃料电池的预期电压以确定实际电压和预期的电压之间的差是否超过指示在阴极管中的氢气的预定水平的预定阈值。
【专利说明】燃料电池系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种燃料电池，并且特别地涉及质子交换膜型(proton-exchangemembrane type )燃料电池,其中氢气被提供给燃料电池的阳极侧,氧气被供给至燃料电池的阴极侧，水副产物在燃料电池的阴极侧处产生并且从燃料电池的阴极侧移出。
【背景技术】
[0002]这种燃料电池通常包括夹在两个多孔电极之间的质子交换膜(PEM)，一起包括膜电极组件(MEA)。MEA本身通常夹在(i )和(ii )之间:(i )阴极扩散结构，具有邻近到MEA的阴极面的第一面jP(ii)阳极扩散结构，具有邻近MEA的阳极面的第一面。阳极扩散结构的第二面接触阳极流体流场板，用于电流收集和用于分配氢气到阳极扩散结构的第二面。阴极扩散结构的第二面接触阴极流体流场板，用于电流收集，用于分配氧气到阴极扩散结构的第二面，并且用于从MEA中提取多余的水。多个这样的燃料电池通常以串联配置分层，以形成燃料电池组。
[0003]一种燃料电池组可以被方便地设置在壳体或其他支撑框架或结构内，所述壳体或其他支撑框架或结构还可以为燃料电池系统的其它部件提供支撑和/或保护。燃料电池系统的其它部件可以包括各种元件，诸如用于阴极扩散结构的强制通风以输送氧气的一个或多个风扇、燃料输送系统、燃料和空气流动监测系统、温度监测系统、电池电压监控系统以及用于提供控制功能到燃料电池组的电子元件。 [0004]在燃料电池系统中常用的一种额外部件是氢气检测器，用于检测氢气从燃料电池组或从支撑燃料输送系统的泄漏。氢气泄漏检测器对于燃料电池组的安全操作可以是重要的特征，但是使燃料电池系统的结构增加成本和复杂性。而且，氢气泄漏检测器可以成功地检测出氢气泄漏的存在，但是不积极地协助处理逸出气体；而是通常使用泄漏检测器来触发报警条件和/或关闭燃料电池和/或燃料的供给。
【发明内容】
[0005]本发明的一个目的是提供一种用于检测在燃料电池系统中氢气泄漏的改进系统。
[0006]根据一个方面，本发明提供了一种燃料电池系统，包括:燃料电池，包括至少一个阴极、和用于引导氧化剂气体通过或者经过阴极的阴极管；壳体，容纳所述燃料电池并且限定围绕燃料电池的气室；通风系统，配置成用于迫使空气从气室进入阴极管；和控制系统，配置成用于监控燃料电池电压，并且检测归因于阴极管中氢气的存在的电压下降。
[0007]壳体可以限定气室，气室封闭(confine)燃料电池的除了阴极排气面以外的所有面，阴极排气面包括阴极管的下游端。通风系统可以包括设置在壳体的壁中的风扇，配置成用于将空气吹入气室。壳体被配置成用于使得气室中空气的主要出口路径经由阴极管。该系统可以包括在所述壳体内形成一个或多个组的多个所述燃料电池。该控制系统可以包括:电池电压监视系统，用于确定燃料电池的实际电压或者所述燃料电池组中的一个或多个电池的实际电压；处理器，用于接收指示燃料电池或燃料电池组的操作条件的输入，并且由此确定被监视的一个或多个燃料电池的预期的电压；和比较器，用于确定实际电压和预期的电压之间的差是否超过指示在阴极管中的氢气的预定水平的预定阈值。壳体可以包括用于环境空气通过而进入气室的至少一个空气入口，系统还包括设置在阴极管的下游并且配置成用于将空气从气室的吸引进入阴极管和从阴极管排出的风扇。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]以下通过示例的方式并参考附图描述本发明的实施例，其中:
[0009]图1示出包括设置在壳体中的燃料电池组的燃料电池系统；和
[0010]图2示出并入图1的燃料电池系统的氢气泄漏检测系统的功能组件的示意图。
【具体实施方式】
[0011]参照参考图1，燃料电池系统I包括设置在壳体3内的燃料电池组2。壳体3容纳燃料电池组2并且限定燃料电池组周围的空气空间或气室(plenum)4。燃料电池组2包括以常规堆配置层叠在一起的多个电池5，使得在电池组2中的连续的电池5的输出电压可以串联连接以提供任何所需的电压的电池组输出。燃料电池组2可以是传统的结构，以包括用于将燃料输送到电池组中的膜电极组件的阳极侧的阳极通道，和用于传送氧化剂至电池组中的膜电极组件的阴极侧的阴极通道。燃料电池组2可以是开放型阴极类型，使得氧化剂通过以大致大气压力强制通风通过阴极通道被输送到MEA的阴极侧。电池组2包括多个面，所述多个面包括阴极空气吹入其中的阴极入口面6和阴极空气从其被排出的阴极排气面7。如图1中显示，壳体3优选地不完全封闭燃料电池2，而是保留阴极排气面7暴露于壳体4的外部的周围空气。壳体可以被密封到电池组2的边缘以防止空气通过电池组的边缘。
[0012]壳体3包括孔8和其中相关的风扇9，所述相关的风扇9被配置用于在燃料电池组的操作过程中强制空气进入气室4，从而稍稍提高气室中的空气的压力，以便强制空气进入阴极入口面6，通过在燃料电池组2中的阴极管，并且通过阴极排气面7被排出。在空气通过阴极管输送时，空气提供穿过或通过电池组中的燃料电池的阴极表面的氧化剂气体，并且从阴极携带水副产物到阴极排气面7。风扇9还可以被定位将空气吹过在壳体内的任何支撑电子元件15，这用于冷却电路器件并且因而预热通入燃料电池的空气。可以使用产生适当的空气流的其他形式的通风系统，例如，鼓风机、压缩机或类似机器。表述“风扇”旨在包括所有这些空气流动发生器。
[0013]燃料电池组通常由数十或数百层制成，包括膜电极组件、扩散层、流体流动板和密封各层的密封圈。各层的不完美的密封或所用材料随时间的劣化可能会导致氢气逸出。因此，在许多应用中，希望监测氢气从电池组2中的逸出。在图1的设计中，将认识到，氢气从电池组2的逸出将主要导致氢气泄漏进入气室4。此外，从也容纳在壳体3中的支撑燃料输送系统中的任何氢气逸出将导致氢气泄漏到气室4。本发明人已经认识到，没有必要在气室4内提供单独的氢气检测器，因为燃料电池组自身在结合合适的控制系统的情况下可用于检测任何氢气泄露。[0014]泄漏到气室4中的任何氢气将被强制通风通过阴极入口面6和进入燃料电池组的阴极管。在燃料电池的MEA的阴极面处存在的氢气导致电压下降和燃料电池的效率降低。如下所述，这个电压下降可以通过使用控制系统仔细监测燃料电池被检测到。此外，紧邻壳体入口而不必然在壳体内的氢气泄漏也可由风扇9吸入壳体并且导致氢气强制通风通过阴极管。
[0015]如图2所示，燃料电池组2包括至少两个电池电压监视端子20，所述电池电压监视端子可以用于检测电池或一系列电池(甚至整个电池组)的电压。燃料电池可以在电池组中许多电池上或者在串联连接的电池的选定组上具有电池电压监视端子。电池电压或电池组电压被传递给电池电压监视电路21并且被记录。处理器22监视燃料电池电压并且被配置成用于检测由于在阴极管中存在氢气而导致的电池电压或电池组电压的下降。
[0016]要做到这一点，处理器22可以操作以检测在电池或电池组电压输出中意想不到的变化，并且在电池或电池组电压中意想不到下降的情况下触发检测条件。可选地，处理器可以操作以比较实际电池或电池组电压输出与对于电池或电池组的当前操作条件的预期的电池或组电压输出。要做到这一点，处理器22可以设置有对应于感测到的燃料电池、电池或电池组的操作条件的多个输入23。这些操作条件可能包括诸如如下参数:温度、燃料流量、电负荷、阴极输出湿度、局部环境湿度、燃料电池年限、大气压力和近期操作历史等。处理器可以使用这些输入以确定操作条件，操作条件可以用于通过适当的算法或查找表来确定预期电压。处理器可以包括比较器，用于确定测量的实际电压和从燃料电池的操作条件获得的预期电压之间的差是否超过将指示在阴极管中氢气的预定水平的一定值或阈值，在阴极管中氢气的预定 水平例如是由于氢气泄漏到气室中导致的。处理器需要知悉上述操作条件的一些或全部的程度或范围将取决于所需的氢气检测灵敏度。燃料电池的阴极可以对氢气的存在极为敏感，使得即使在阴极空气流中存在仅数个百万分之一(ppm)浓度的氢气，电池电压也会出现显著下降，甚至可能下降到接近于零。
[0017]图1和图2的用于氢气检测的壳体3和通风系统的封闭结构的另一个优点在于，逸出并且由燃料电池检测到的任何泄漏的氢气将在一定程度上通过发生在PEM的阴极侧的反应耗尽。这将作为水从阴极排出口被安全地排出。因此，不仅可以方便地检测泄漏氢气，而且泄漏氢气可以通过燃料电池本身部分地或完全地变得无害。
[0018]对结合图1和图2所描述的示例性的燃料电池系统可以做出各种改变。
[0019]电池组2的阴极排气面7也可以被容纳在壳体3内，但是通过合适的通风管或其它空气流动管被直接地连接到壳体的外部。
[0020]风扇9可以被定位在燃料电池组的下游阴极排气面7上或邻近燃料电池组的下游阴极排气面7，并且被布置以通过阴极管从气室4吸引空气。在这种结构中，在壳体3中的孔8的尺寸优选地设计成确保排气风扇足够强以在气室中保持轻微的负压力，以确保来自任何显著逸出的足够氢气将通过阴极管被抽吸。孔8可以包括分布在壳体周围的用于使空气平滑流动的多个孔。
[0021]优选的是，壳体3相对气密，以确保从燃料电池组2泄漏的氢气被捕获在壳体内，并且然后被强制进入到燃料电池的阴极管。然而，应当理解的是，完整的气密性不是必需的。壳体所需要的闭合程度将部分地由这样的因素来确定:诸如风扇的强度、通过电池组的必要的气流和电池组的对于在较大空气流中检测低浓度氢气的灵敏度。因此，所需要的仅仅是，壳体3对气室4提供足够的容积，以确保足够比例的从电池组2漏出的任何氢气被捕获用于强制通风通过阴极管以实现可靠地检测。在一个优选的布置中，壳体及通风系统被配置使得用于气室4中空气的主要的(即占优势的)出口路径经由阴极管。
[0022]壳体3可以包含任何尺寸的燃料电池或燃料电池组，并且多个电池组可以共享共同的壳体。
[0023] 其他实施例落入所附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，包括: 燃料电池，包括阴极管和至少一个阴极，所述阴极管用于引导氧化剂气体通过或者经过阴极； 壳体，容纳所述燃料电池并且限定围绕燃料电池的气室； 通风系统，配置成用于迫使空气从气室进入阴极管；和 控制系统，配置成用于监控燃料电池电压，并且检测归因于阴极管中氢气的存在的电压下降。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中壳体限定气室，气室封闭燃料电池的除了阴极排气面以外的所有面，阴极排气面包括阴极管的下游端。
3.根据权利要求1所述的燃料电 池系统，其中通风系统包括设置在壳体的壁中的风扇，风扇配置成用于将空气吹入气室。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中壳体被配置成用于使得气室中空气的主要出口路径经由阴极管。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，包括在所述壳体内形成的一个或多个电池组的多个所述燃料电池。
6.根据权利要求1或5所述的燃料电池系统，其中所述控制系统包括: 电池电压监视系统，用于确定燃料电池的实际电压或者在所述燃料电池组中的一个或多个电池的实际电压； 处理器，用于接收指示燃料电池或燃料电池组的操作条件的输入，并且由此确定被监视的一个或多个燃料电池的预期的电压；和 比较器，用于确定实际电压和预期的电压之间的差是否超过指示在阴极管中的氢气的预定水平的预定阈值。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中壳体包括用于环境空气通过而进入气室的至少一个空气入口，系统还包括风扇，所述风扇设置在阴极管的下游并且配置成用于将空气从气室吸引进入阴极管和从阴极管排出。
【文档编号】H01M8/04GK104025359SQ201280046245
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年9月21日 优先权日:2011年9月23日
【发明者】西蒙·爱德华·福斯特, 彼得·戴维·胡德, 克里斯托弗·詹姆斯·科尔克 申请人:智慧能量有限公司