[发明专利]具有按优先顺序仲裁的堆供电的燃料电池监测装置

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于监测燃料电池堆中的低性能燃料电池的系统，更特别的，涉及用于监测燃料电池堆中的低性能燃料电池的这样的系统，其中该系统包括用于检测燃料电池的某种状况的传感器，例如电压传感器，并且其中感测到的信号操作振荡器，该振荡器的振荡频率由感测到的状况的严重性来确定。

背景技术

氢气是一种非常有吸引力的燃料，这是因为其清洁并能用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极、阴极、以及在它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极内分解，从而产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极内的氧气和电子进行反应从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在被送至阴极之前被引导经过负载以进行工作。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种用于汽车的、受欢迎的燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电膜，例如聚氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物进行混合的细碎的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)。该催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA在制造上相对昂贵，并要求某些特定条件以便用于有效操作。

通常通过串联联接将一些燃料电池组合在燃料电池堆中以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为通过压缩机而强制经过所述堆的空气流。并非所有的氧气被堆消耗，一些空气作为阴极排气而输出，该排气可以包括作为堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧中的阳极氢反应气体。该堆还包括冷却流体流经的流动通道。

燃料电池堆包括定位在所述堆内的若干MEA之间的一系列双极板，其中这些双极板和MEA都定位于两个端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上提供阳极气体流动通道，该通道使阳极反应气体流至各个MEA。在双极板的阴极侧上提供阴极气体流动通道，该通道使阴极反应气体流至各个MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，且另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将由燃料电池产生的电传导至堆外。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。

随着燃料电池堆的老化，堆中的单独电池的性能由于各种不同的因素而不同程度地退化。存在导致低性能电池的不同起因，例如电池溢流、催化剂损耗等等，一些是暂时性的而一些则是永久性的、一些需要维护而一些则需要堆的更换，从而换掉那些低性能电池。尽管燃料电池以串联形式电联接，但是当负载并联联接到堆上时，每个电池的电压降低得不同，其中那些低性能的电池具有较低的电压。因此，需要监测堆中的燃料电池的电池电压，从而保证电池电压不会降低到预定阈值电压以下，以防止可能会导致电池永久损坏的电池电压的极性反转。

通常，对燃料电池堆中每个燃料电池的电压输出进行监测，使得系统知道燃料电池的电压是否太低，该电压太低表示可能有故障。正如在本领域中所理解的那样，由于全部的燃料电池以串联形式电联接，所以如果堆中一个燃料电池失效，那么整个堆将失效。可以对失效的燃料电池进行某些补救措施作为临时的解决方案直到燃料电池车辆能够被维修时为止，例如增加氢气的流量和/或增加阴极的化学计量值。

通常通过电池电压监测子系统来测量燃料电池的电压，以测量每个电池的正极侧和负极侧之间的电压降，该子系统包括电连接至堆中的每个双极板或者一些双极板，以及电连接至堆的端板。因此，400个电池的堆可以包括与该堆相连的401根导线。由于部件的尺寸、部件的公差、部件的数量等等原因，所以在这种具有很多燃料电池的堆中提供物理连接到每个双极板是不现实的，并且部件的数量也增加了成本并降低了系统的可靠性。

如以上所讨论的那样，本领域公知的是，对燃料电池堆中的燃料电池的电信号进行处理以确定燃料电池堆是否按照要求工作。由于与监测每个电池相关联的成本，所以通常每隔一个电池来进行电信号的处理。此外，难以在监测每个电池的可用空间内提供必需的部件。为了消除使用多根互连导线将燃料电池测量电路连接到燃料电池堆的必要性，期望将这种测量电路直接嵌入到燃料电池堆组件的结构中。这种嵌入式测量电路不会显著增加成本，并使得每个燃料电池都可以被监测。

发明内容