[发明专利]检测燃料电池的离子交换聚合物膜的渗透性状态的方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池叠层(燃料电池堆或燃料电池组)，特别地但不排外地涉及具有呈聚合物膜形式的电解质的类型(即，PEFC，聚合物电解质燃料电池型)的燃料电池叠层。

背景技术

已知，燃料电池叠层在不经过机械能转换步骤的情况下通过使用氢气(燃料)和氧气(氧化剂)的电化学氧化还原反应直接产生电能。特别是对于机动车辆应用来说，该技术似乎颇有前景。燃料电池叠层通常包括单元元件的串联组合件，每个所述单元元件基本上由通过允许离子从阳极传送至阴极的聚合物膜分隔的阳极和阴极组成。

非常有用的是，使燃料电池叠层的每个电池的离子交换膜的渗透性的精确评估永久可行，以便监测其老化状态并且因此如果安全性将被危及则能够停止其使用。虽然通过压力差测量离子交换膜的渗透性的原理是传统的，但是在实践中，仅仅规定使用适宜的设备以及人工操作步骤的探究方法是已知的。例如，连接至阳极线路或阴极线路的线路之一的外部氮气瓶被使用，并且至另一线路的气体损失被观察。

专利申请US 2004/124843提供了一种确定燃料电池叠层的每个离子交换膜的单体渗透性的方法。为了实施所述方法，阳极被供以氢气并且阴极被供以氮气或另一惰性气体。根据能斯脱方程(Nernst equation)，在所述膜的每一侧的气体的性质的差别产生电势差，所述电势差尤其是取决于这些气体的性质和浓度或局部压力。看来，如果所述膜的渗透性特别强，则氢气将在阴极侧扩散，反之亦然，从而改变所述膜的每一侧的气体混合物的性质并因此改变在电池上测量的电势差。为了求解能斯脱方程，该方法需要电压测量、阳极线路内的压力测量、阴极线路内的压力测量以及温度测量，以便检测在燃料电池叠层中安装的一个或多个膜是否具有渗透性缺陷。

然而，该方法具有以下实施上的困难：

-阳极处的纯氢气与阴极处的纯氮气的理论电势差最多为数十毫伏(mV)，这意味着需要非常精确的电压测量设备；

-渗透性的确定涉及在实践中对于气体混合物来说难以以高精度进行的流量(流速)测量；

-阴极处的残余氧气的微量痕迹可能产生比期望电压水平高得多的电压差并且因此使测量错误，但是在实践中众所周知的是，确保一种气体的完全消失，特别是存在包含在所述膜中的诸如GDL(气体扩散层)的吸收性支承的情况下，是非常困难的；以及

-最后，该方法涉及调节系统的特别方式并且需要可用的氮气源或另一惰性气体源。因此该方法难以自动化，特别是在随车应用的情况下。

从专利申请EP 2494644中同样已知的是通过在膜的每一侧观察压力平衡动态性能自动测量燃料电池叠层的膜的渗透性状态的方法，然而，在这种情况中进行的渗透性测量是总体测量，其具有两个主要缺陷：

-所述测量不够敏感从而不能检测在大叠层中的单个膜上的小的泄漏，以及

-所述测量不能确定哪个膜具有渗透性缺陷，对于维护来说这是相当大的妨碍。

因此本发明的目的是克服上述缺陷。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种检测燃料电池叠层的一个或多个膜的渗透性状态的自动化的方法，其足够敏感以检测任何泄漏，并且足够精确以使得能够实现燃料电池叠层的正确维护。

因此本发明涉及一种检测燃料电池叠层的至少一个聚合物离子交换膜的渗透性状态的方法，所述燃料电池叠层由电化学电池的叠层形成，每个所述电化学电池具有位于聚合物离子交换膜的每一侧的阳极和阴极，所述燃料电池叠层具有位于电化学电池的阳极侧的燃料气体供应系统以及位于电化学电池的阴极侧的氧化剂气体供应系统。

基于燃料电池叠层的每次关断，所述方法涉及(在于)：

-持续地测量所述叠层的至少一个电池的端子处的残余电压，

-测量在燃料电池叠层的关断和测量的残余电压下降至低于预定电压值的时刻之间的时间，

-记录测量的时间，将所述时间与以下值进行比较：

ο对先前关断测量的时间，以及

ο对同一关断对燃料电池叠层的其他电池测量的时间，

-如果所测量的时间和这两个值之一之间的差值变得大于预定阈值，则启动(激活)指示燃料电池叠层需要检查的警告信号。

在一个优选实施例中，燃料电池叠层的每次关断根据以下步骤进行：

(i)切断燃料气体和氧化剂气体的供应，

(ii)只要适宜的指示物指示氧化剂气体供应系统中的氧化剂气体尚未被充分消耗则持续通入电流；

(iii)将富氮气体注入氧化剂气体供应系统。