[发明专利]模拟燃料电池中电池电压反转行为的电池组

说明书

技术领域

本申请涉及一种用于模拟燃料电池中电池电压反转行为的电池组。更具体地，本发明涉及如下的用于模拟燃料电池中电池电压反转行为的电池组，其模拟仅在燃料电池组多个电池的部分电池中局部产生的电压反转行为。

背景技术

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)技术被广泛地用作车辆的燃料电池。为使PEMFC在不同的车辆运行状态下适当实现至少几十千瓦的高功率性能，PEMFC需要在宽范围的电流密度下稳定运行。

众所周知，燃料电池实现为单元电池堆叠的电池组形式以满足相应的功率需求。膜电极组件(MEA)位于燃料电池组的单元电池的最里部分。MEA包括可以使氢离子移动的固体聚合物电解质膜，以及作为催化剂电极的阳极和阴极，其中通过在聚合物电解质膜的两面上涂覆催化剂而配置催化剂电极。另外，气体扩散层(GDL)和垫片布置在MEA的外部，即阳极和阴极的外部。并且，隔板(separator)或双极板布置在GDL外部从而提供流场用于供应反应气体和排除反应所产生的水。

在燃料电池产生电的反应中，在供应到阳极(在燃料电池中在此发生氧化)的氢气被分解成氢离子和电子之后，氢离子经聚合物电解质膜向发生还原的阴极移动，并且电子通过外部电路向阴极移动。并且，在阴极中，氧分子、氢离子和电子相互反应而产生电、热和副产物水。

如果在燃料电池中电化学反应产生适量的水，所生成的水可以为MEA高效运行维持适当的湿度。但是，如果水过量产生，且过量的水在高电流密度下未被移除，则可能发生溢流(flooding)。这种溢流可妨碍反应气体高效供应到燃料电池，从而进一步加重电压损耗。

由于各种因素比如燃料电池中的溢流、冬季结冰和反应气体供给装置异常等等，可能出现反应气体(即，在PEMFC中使用的阳极的氢气和阴极的氧气或空气)不足。特别地，已知阳极的氢燃料不足对燃料电池的性能有显著的决定性影响，因此其致使电池电压显著降低。

一般而言，氢燃料不足可以分为整体氢气不足，即遍及整个燃料电池氢气供应都不足，以及局部氢气不足，即，尽管有充足的氢气供应，但由于分布不均，导致局部氢气供应不足。在运行状态例如氢气的供应和分布不均、燃料电池负载需求突然增加、和/或燃料电池启动的状态下经常出现氢燃料不足。整体氢气不足可以相对容易地通过在燃料电池系统中使用传感器监测氢气供应而被检测到，而部分电池的局部氢气不足仅能通过使用电池组电压监测装置单独地对燃料电池组中的各电池进行准确监测来检测，这需要更大的努力和更复杂的控制系统。这里，电池组表示包括两个以上电池的燃料电池，且部分电池是指等于或少于电池组中电池总量的50％的一个或多个电池。

图1是示出在实际燃料电池车辆的电池组中产生的电池电压快速降低的视图。在图1所示的燃料电池组中，一个电池的电压在5分钟或更长的运行期间内快速降至0.1V。当出现电池电压快速降低时，需要停止汽车电池组的运行，以便使整个燃料电池不会受损，且随后需要更换或修复运行异常的电池。这种现象经常因为局部氢气不足而发生。当用户继续开车而没有修复电压降低的电池时，汽车可能很快进入电压低于0V的电池电压反转状态，加速MEA催化剂载体(support)即碳的腐蚀。

一般来说，在MEA催化剂载体中广泛使用的碳在PEMFC的运行状态下是热力学不稳定的，且可能按照下列化学反应式被氧化：

C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^-(0.207V vs.RHE)

C+H₂O→CO+2H⁺+2e^-(0.518V vs.RHE)

这里，RHE表示基准氢电极。一般来说，上述氧化反应缓慢进行，但是在燃料电池的高电压状态下可以快速进行。高电压状态通常是因氢气不足或燃料电池车辆起动/关闭引起。另外，当电池电压反转继续且随后达到约-2V的过度电压反转状态时，燃料电池产生的热量变得过多，损坏整体的MEA和气体扩散层，特别是造成在MEA中出现针孔(pin-hole)和电池电短路的严重情况。由此，燃料电池进入燃料电池不能再正常运行且必须完全更换的电池失效状态。

因此，在出现电压反转之前通过适当控制燃料电池车辆以使燃料电池车辆稳定运行以及开发耐用性优良的可以承受电压反转的燃料电池部件和系统是很重要的。然而，因为难以在运行燃料电池车辆之前检测到前述的由局部氢气不足引起的电池电压反转，所以应当在车辆开始运行之前获得可以可重现模拟这种现象的标准诊断技术。