[發明專利]燃料電池堆的夏季和冬季模式操作

無效

• 申請號: 200580044102.2
• 申請日: 2005-12-20
• 公開（公告）號: CN101084598A
• 公開（公告）日: 2007-12-05
• 發明（設計）人: 彼得·J.·巴赫;克雷格·R.·路易;卡羅萊娜·J.·E.·安德魯斯
• 申請（專利權）人: 百拉得動力系統公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/10;H01M8/02
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 秦晨

技術領域

本發明涉及實現在關閉和隨后凍結之后的燃料電池的改善啟動性能的方法。特別地，它涉及改善固態聚合物電解質燃料電池堆的啟動性能的方法。

背景技術

當前正研發燃料電池系統以在廣泛應用中用作電源。特別地，很大努力花費在研發供汽車使用的燃料電池發動機上，因為與內燃機相比較燃料電池提供更高的效率和降低的污染。

燃料電池轉換燃料和氧化劑反應物，以產生電力和反應產物。它們通常利用布置在陰極和陽極電極之間的電解質。催化劑典型地在電極處誘發期望的電化學反應。便攜式和運動應用的當前優選燃料電池類型是固態聚合物電解質(SPE)燃料電池，其包含固態聚合物電解質并且在相對低的溫度下操作。

SPE燃料電池使用膜電極組件(MEA)，其包括布置在陰極和陽極之間的固態聚合物電解質或離子交換膜。每個電極包含緊挨著固態聚合物電解質的包含適當催化劑的催化劑層。催化劑典型地是貴金屬成分(例如，鉑金屬黑或其含金)并且可以在適當支撐上提供(例如，支撐在碳黑支撐上的精細鉑顆粒)。催化劑層可以包含與用于固態聚合物膜電解質的類似的離聚物(例如，Nafion)。電板也可以包含多孔的導電襯底，其可以用于機械支承、導電和/或反應物分布的目的，從而用作流體擴散層。用于跨越每個電極或電極襯底的一個表面而引導反應物的流場板布置在MEA的每側上。在操作中，負載下單獨燃料電池的輸出電壓通常低于一伏特。因此，為了提供更大的輸出電壓，許多電池通常堆疊到一起并且串聯以形成更高電壓的燃料電池串聯堆。

在SPE燃料電池的正常操作期間，在陽極催化劑處燃料發生電化學氧化，這典型地導致質子、電子以及依賴于所使用的燃料的其他可能物質的產生。電子穿過提供可用電力的外部電路，然后在陰極催化劑處與質子和氧化劑發生電化學反應以產生水反應產物。從產生質子的反應位置傳導質子，通過電解質，以在陰極催化劑處與氧化劑和電子反應。

在一些燃料電池的應用中，對電力的要求可能基本是連續的，因此堆可能很少關閉(例如用于維護)。但是，在許多應用中(例如，汽車發動機)，燃料電池堆可能頻繁地停止和重新啟動，其間有重要的蓄電時段。這種循環使用可能在SPE燃料電池堆中引起某些問題，特別是當蓄電期間可能遇到凝固條件時。

因為在典型的SPE燃料電池電解質中離子導電率隨水合作用級別而增加，所以燃料電池堆通常以這種方式操作，即膜電解質盡可能與水完全飽和而不使液體水“淹沒”電池(“淹沒”是指液體水積聚并阻礙燃料電池中氣體的流動和/或進入)。這樣，可以在正常操作期間提供最大功率輸出。但是，雖然這可能在正常操作期間是有利的，但是隨后當堆關閉和蓄電時可能在堆中存在或液化顯著量的液體水。然后，如果在凝結溫度以下蓄電，那么這些水將凝固。內部冰的存在可能導致對堆的永久性損害。即使避免這種損害，冰的存在仍然可能阻礙隨后的啟動。

因此，利用各種方法在關閉堆以準備蓄電之前減少內部的水含量。(在這些方法中，不應當去除太多的水或顯著減小膜電解質的導電性，這會導致當重新啟動時堆的不良供電能力)。例如，可以使用干燥氣體凈化堆中的通道(例如，在US6479177中公開的)，堆可以被真空干燥(例如，在US6358637中公開的)，以及/或者可以剛好在關閉之前使堆在干燥模式中操作(例如，在US2003/0186093中公開的)。但是，這種技術可能需要顯著的時間以實施，并且還可能需要系統中有額外裝備。實際上并不總是可能預測什么時候可能期望關閉。因此，仍然需要尋找可選的方法。

發明內容

在環境溫度可能隨著時間在水的凝固點之上或之下變化的情況下，在兩種模式的一種即“夏季”模式或“冬季”模式中操作燃料電池是有益的。模式的選擇取決于電池被預期在凝固溫度之上還是之下關閉和蓄電。當預期電池在凝固溫度之上關閉和蓄電時將選擇“夏季”模式，而當預期電池在凝固溫度之下關閉和蓄電時將選擇“冬季”模式。雖然術語“夏季”模式和“冬季”模式暗示可能會在特定的季節中利用這些模式，但是應當理解在這里決定模式選擇的是在關閉和蓄電期間預期的實際溫度而不是季節。