燃料電池系統技術方案

本發明專利技術公開一種燃料電池系統，操作為其自己的氫氣泄漏檢測器。系統包括：燃料電池，所述燃料電池包括陰極管和至少一個陰極，陰極管用于引導氧化劑氣體通過或者經過陰極；殼體，容納所述燃料電池并且限定圍繞燃料電池的氣室；通風系統，配置成用于迫使空氣從氣室進入陰極管；和控制系統，配置成用于監控燃料電池電壓，并且檢測歸因于陰極管中氫氣的存的電壓下降。該系統可以包括在電池組中的多個燃料電池。控制系統可以包括一個電池電壓監視系統，用于確定燃料電池的實際電壓或者燃料電池組中的一個或多個電池的實際電壓，以及一個處理器，所述處理器用于接收指示所述燃料電池或燃料電池組的操作條件的輸入。處理器因此被配置成用于確定被監視的一個或多個燃料電池的預期電壓以確定實際電壓和預期的電壓之間的差是否超過指示在陰極管中的氫氣的預定水平的預定閾值。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】燃料電池系統
本專利技術涉及一種燃料電池，并且特別地涉及質子交換膜型（proton-exchangemembranetype）燃料電池，其中氫氣被提供給燃料電池的陽極側，氧氣被供給至燃料電池的陰極側，水副產物在燃料電池的陰極側處產生并且從燃料電池的陰極側移出。
技術介紹
這種燃料電池通常包括夾在兩個多孔電極之間的質子交換膜（PEM），一起包括膜電極組件（MEA）。MEA本身通常夾在（i）和（ii）之間：（i）陰極擴散結構，具有鄰近到MEA的陰極面的第一面；和（ii）陽極擴散結構，具有鄰近MEA的陽極面的第一面。陽極擴散結構的第二面接觸陽極流體流場板，用于電流收集和用于分配氫氣到陽極擴散結構的第二面。陰極擴散結構的第二面接觸陰極流體流場板，用于電流收集，用于分配氧氣到陰極擴散結構的第二面，并且用于從MEA中提取多余的水。多個這樣的燃料電池通常以串聯配置分層，以形成燃料電池組。一種燃料電池組可以被方便地設置在殼體或其他支撐框架或結構內，所述殼體或其他支撐框架或結構還可以為燃料電池系統的其它部件提供支撐和/或保護。燃料電池系統的其它部件可以包括各種元件，諸如用于陰極擴散結構的強制通風以輸送氧氣的一個或多個風扇、燃料輸送系統、燃料和空氣流動監測系統、溫度監測系統、電池電壓監控系統以及用于提供控制功能到燃料電池組的電子元件。在燃料電池系統中常用的一種額外部件是氫氣檢測器，用于檢測氫氣從燃料電池組或從支撐燃料輸送系統的泄漏。氫氣泄漏檢測器對于燃料電池組的安全操作可以是重要的特征，但是使燃料電池系統的結構增加成本和復雜性。而且，氫氣泄漏檢測器可以成功地檢測出氫氣泄漏的存在，但是不積極地協助處理逸出氣體；而是通常使用泄漏檢測器來觸發報警條件和/或關閉燃料電池和/或燃料的供給。
技術實現思路
本專利技術的一個目的是提供一種用于檢測在燃料電池系統中氫氣泄漏的改進系統。根據一個方面，本專利技術提供了一種燃料電池系統，包括：燃料電池，包括至少一個陰極、和用于引導氧化劑氣體通過或者經過陰極的陰極管；殼體，容納所述燃料電池并且限定圍繞燃料電池的氣室；通風系統，配置成用于迫使空氣從氣室進入陰極管；和控制系統，配置成用于監控燃料電池電壓，并且檢測歸因于陰極管中氫氣的存在的電壓下降。殼體可以限定氣室，氣室封閉（confine）燃料電池的除了陰極排氣面以外的所有面，陰極排氣面包括陰極管的下游端。通風系統可以包括設置在殼體的壁中的風扇，配置成用于將空氣吹入氣室。殼體被配置成用于使得氣室中空氣的主要出口路徑經由陰極管。該系統可以包括在所述殼體內形成一個或多個組的多個所述燃料電池。該控制系統可以包括：電池電壓監視系統，用于確定燃料電池的實際電壓或者所述燃料電池組中的一個或多個電池的實際電壓；處理器，用于接收指示燃料電池或燃料電池組的操作條件的輸入，并且由此確定被監視的一個或多個燃料電池的預期的電壓；和比較器，用于確定實際電壓和預期的電壓之間的差是否超過指示在陰極管中的氫氣的預定水平的預定閾值。殼體可以包括用于環境空氣通過而進入氣室的至少一個空氣入口，系統還包括設置在陰極管的下游并且配置成用于將空氣從氣室的吸引進入陰極管和從陰極管排出的風扇。附圖說明以下通過示例的方式并參考附圖描述本專利技術的實施例,其中：圖1示出包括設置在殼體中的燃料電池組的燃料電池系統；和圖2示出并入圖1的燃料電池系統的氫氣泄漏檢測系統的功能組件的示意圖。具體實施方式參照參考圖1，燃料電池系統1包括設置在殼體3內的燃料電池組2。殼體3容納燃料電池組2并且限定燃料電池組周圍的空氣空間或氣室（plenum）4。燃料電池組2包括以常規堆配置層疊在一起的多個電池5，使得在電池組2中的連續的電池5的輸出電壓可以串聯連接以提供任何所需的電壓的電池組輸出。燃料電池組2可以是傳統的結構，以包括用于將燃料輸送到電池組中的膜電極組件的陽極側的陽極通道，和用于傳送氧化劑至電池組中的膜電極組件的陰極側的陰極通道。燃料電池組2可以是開放型陰極類型，使得氧化劑通過以大致大氣壓力強制通風通過陰極通道被輸送到MEA的陰極側。電池組2包括多個面，所述多個面包括陰極空氣吹入其中的陰極入口面6和陰極空氣從其被排出的陰極排氣面7。如圖1中顯示，殼體3優選地不完全封閉燃料電池2，而是保留陰極排氣面7暴露于殼體4的外部的周圍空氣。殼體可以被密封到電池組2的邊緣以防止空氣通過電池組的邊緣。殼體3包括孔8和其中相關的風扇9，所述相關的風扇9被配置用于在燃料電池組的操作過程中強制空氣進入氣室4，從而稍稍提高氣室中的空氣的壓力，以便強制空氣進入陰極入口面6，通過在燃料電池組2中的陰極管，并且通過陰極排氣面7被排出。在空氣通過陰極管輸送時，空氣提供穿過或通過電池組中的燃料電池的陰極表面的氧化劑氣體，并且從陰極攜帶水副產物到陰極排氣面7。風扇9還可以被定位將空氣吹過在殼體內的任何支撐電子元件15，這用于冷卻電路器件并且因而預熱通入燃料電池的空氣。可以使用產生適當的空氣流的其他形式的通風系統，例如，鼓風機、壓縮機或類似機器。表述“風扇”旨在包括所有這些空氣流動發生器。燃料電池組通常由數十或數百層制成，包括膜電極組件、擴散層、流體流動板和密封各層的密封圈。各層的不完美的密封或所用材料隨時間的劣化可能會導致氫氣逸出。因此，在許多應用中，希望監測氫氣從電池組2中的逸出。在圖1的設計中，將認識到，氫氣從電池組2的逸出將主要導致氫氣泄漏進入氣室4。此外，從也容納在殼體3中的支撐燃料輸送系統中的任何氫氣逸出將導致氫氣泄漏到氣室4。本專利技術人已經認識到，沒有必要在氣室4內提供單獨的氫氣檢測器，因為燃料電池組自身在結合合適的控制系統的情況下可用于檢測任何氫氣泄露。泄漏到氣室4中的任何氫氣將被強制通風通過陰極入口面6和進入燃料電池組的陰極管。在燃料電池的MEA的陰極面處存在的氫氣導致電壓下降和燃料電池的效率降低。如下所述，這個電壓下降可以通過使用控制系統仔細監測燃料電池被檢測到。此外，緊鄰殼體入口而不必然在殼體內的氫氣泄漏也可由風扇9吸入殼體并且導致氫氣強制通風通過陰極管。如圖2所示，燃料電池組2包括至少兩個電池電壓監視端子20，所述電池電壓監視端子可以用于檢測電池或一系列電池（甚至整個電池組）的電壓。燃料電池可以在電池組中許多電池上或者在串聯連接的電池的選定組上具有電池電壓監視端子。電池電壓或電池組電壓被傳遞給電池電壓監視電路21并且被記錄。處理器22監視燃料電池電壓并且被配置成用于檢測由于在陰極管中存在氫氣而導致的電池電壓或電池組電壓的下降。要做到這一點，處理器22可以操作以檢測在電池或電池組電壓輸出中意想不到的變化，并且在電池或電池組電壓中意想不到下降的情況下觸發檢測條件。可選地，處理器可以操作以比較實際電池或電池組電壓輸出與對于電池或電池組的當前操作條件的預期的電池或組電壓輸出。要做到這一點，處理器22可以設置有對應于感測到的燃料電池、電池或電池組的操作條件的多個輸入23。這些操作條件可能包括諸如如下參數：溫度、燃料流量、電負荷、陰極輸出濕度、局部環境濕度、燃料電池年限、大氣壓力和近期操作歷史等。處理器可以使用這些輸入以確定操作條件，操作條件可以用于通過適當的算法或查找表來確定預期電壓。處理器可以包括比較器，用于確定測量的實際電壓和從燃料電池的操作本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種燃料電池系統，包括：燃料電池，包括陰極管和至少一個陰極，所述陰極管用于引導氧化劑氣體通過或者經過陰極；殼體，容納所述燃料電池并且限定圍繞燃料電池的氣室；通風系統，配置成用于迫使空氣從氣室進入陰極管；和控制系統，配置成用于監控燃料電池電壓，并且檢測歸因于陰極管中氫氣的存在的電壓下降。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.09.23 GB 1116457.11.一種燃料電池系統，包括：燃料電池，包括陰極管和至少一個陰極，所述陰極管用于引導氧化劑氣體通過或者經過陰極；殼體，容納所述燃料電池并且限定圍繞燃料電池的氣室；通風系統，配置成用于迫使泄漏到氣室中的任何氫氣進入陰極管；和控制系統，配置成用于監控燃料電池電壓，并且檢測歸因于陰極管中氫氣的存在的電壓下降，其中殼體限定氣室，氣室封閉燃料電池的除了陰極排氣面以外的所有面，陰極排氣面包括陰極管的下游端。2.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中通風系統包括設置在殼體的壁中的風扇，風扇配置成用于將空氣吹入氣室。3.根據權利要求2所述的燃料電池系統，其中殼體被配置成用于使得氣室中空氣的主要出口路徑經由陰極管。4.根據權利要求1所述的燃料電池系統，包括在所述殼體內形成的一個或多個燃料電池組，所述一個或多個燃料電池組包括多個所述燃料電池。5.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中所述控制系統包括：電池電壓監視系統，用于確定燃料電池的實際電壓；處理器，用于接收指示燃料電池的操作條件的輸入，并且由此確定被監視的燃料電池的預期的電壓；和比較器，用于確定實際電壓和預期的電壓之間的差是否超過指示在陰極管中的氫氣的預定水平的預定閾值。6.根據權利要求4所述的燃料電池系統，其中所述控制系統包括：電池電壓監視系統，用于確定在所述燃料電池組中的一個或多個燃料電池的實際電壓；處理器，用于接收指示燃料電池組的操作條件的輸入，并且由此確定被監視的一個或多個燃料電池的預期的電壓；和比較器，用于確定實際電壓和預期的電壓之間的差是否超過指示在陰極管中的氫氣的預定水平的預定閾值。7.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中殼體包括用于環境空氣通過而進入氣室的至少一個空氣入口，系統還包括風扇，所述風扇設置在陰極管的下游并且配置成用于將空氣從氣室...

【專利技術屬性】
技術研發人員：西蒙·愛德華·福斯特，彼得·戴維·胡德，克里斯托弗·詹姆斯·科爾克，
申請(專利權)人：智慧能量有限公司，
類型：發明
國別省市：英國;GB