[發明專利]用可再充電儲電裝置降低由電壓循環變化所致的電壓損失

有效

• 申請號: 200580045789.1
• 申請日: 2005-10-31
• 公開（公告）號: CN101095257A
• 公開（公告）日: 2007-12-26
• 發明（設計）人: B·克勞斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車公司
• 主分類號: H01M10/44
• 分類號: H01M10/44
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫大鵬

技術領域

本發明主要涉及采用補充功率源的燃料電池系統，且特別是，本發明涉及一種采用補充功率源的燃料電池系統，其中所述燃料電池系統使用一種功率控制策略，其中蓄電池在向所述燃料電池系統發出低負載請求時從燃料電池堆中抽運功率，從而防止所述燃料電池堆的電壓電位超過導致電壓循環變化(voltage?cycling)的預定電壓或減少所述燃料電池堆的電壓電位超過導致電壓循環變化的預定電壓的次數。

背景技術

氫是一種非常具有吸引力的燃料，這是因為氫清潔并可以用于在燃料電池中高效地產生電能。在作為車輛功率源的氫燃料電池的研發中，汽車工業要消耗大量的資源。這樣的車輛將會是更高效的并且會比當今使用內燃機的車輛產生更少的排放物。

氫燃料電池是一種電化學裝置，其包括陽極和陰極以及位于其間的電解質。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極發生離解產生自由氫質子和電子。氫質子穿過電解質到達陰極。氫質子與陰極的氧和電子反應產生水。來自陽極的電子不能穿過電解質，由此在被傳送至陰極之前被引導流過負載作功。所做的功用于使車輛工作。

質子交換膜(PEMFC)是一種流行的用于車輛的燃料電池。PEMFC一般包括固體聚合物電解質質子傳導膜，比如全氟磺酸膜。陽極和陰極一般包括細細分散的催化劑顆粒，通常為鉑(Pt)，其被擔載在碳顆粒上并與離聚物混合。該催化混合物被沉積在所述膜的相對側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定出膜電極組件(MEA)。膜電極組件對生產商來說是相對較貴的，并且需要一定的條件來有效工作。這些條件包括適當的水管理和濕化，以及對催化劑中毒成分比如一氧化碳(CO)的控制。

多個燃料電池典型地被組合在燃料電池堆中以產生所需的功率。該燃料電池堆接收陰極輸入氣體，典型地為在壓縮機的作用下加壓通過燃料電池堆的空氣流。并不是全部氧都被燃料電池堆消耗掉且一些空氣作為可能包括作為燃料電池堆副產物的陰極排出氣體被輸出。所述燃料電池堆還接收流入燃料電池堆的陽極側中的陽極氫輸入氣體。

一些燃料電池車輛為除燃料電池堆以外還采用補充功率源例如直流蓄電池或超級電容器的混合動力車輛。所述燃料電池堆通過直流電壓總線向牽引電動機提供功率用于使車輛運行。在需要附加功率超過燃料電池堆可提供的功率時，例如在加速過程中，所述蓄電池向電壓總線提供補充功率。例如，所述燃料電池堆可提供70kW的功率。然而，車輛加速可能需要100kW的功率。在再生制動過程中由牽引電動機提供的發電功率典型地被用于對蓄電池進行再充電。

已經發現，典型的燃料電池堆在其使用壽命中會產生電壓損失或電壓退化。據信，燃料電池堆的電壓退化尤其是燃料電池堆電壓循環變化作用的結果。當鉑催化劑顆粒被用于增強氧化態與非氧化態之間的電化學反應轉變時產生電壓循環變化，所述電化學反應轉變導致所述顆粒發生溶解。如果燃料電池堆的電壓小于約0.8伏，那么鉑催化劑顆粒不會發生氧化且保持為金屬。當燃料電池堆的電壓大于約0.8伏時，鉑晶體開始發生氧化。燃料電池堆上的低負載可能會導致燃料電池堆的電壓輸出高于0.8伏。根據膜電極組件的功率密度，0.8伏電壓對應于0.2A/cm²大小的電流密度，而高于0.2A/cm²的電流密度不會改變鉑的氧化狀態。所述氧化電壓閾值對于不同的燃料電池堆和不同的催化劑而言可能是不同的。

當鉑催化劑顆粒在金屬態與氧化態之間進行轉變時，鉑中的氧化離子能夠從膜電極組件的表面向膜移動且有可能進入到膜中。當顆粒回復到金屬狀態時，所述顆粒不處于有助于進行電化學反應的狀態，從而減小了活性催化劑表面并且導致燃料電池堆產生電壓退化。

圖1示出了隨著在氧化態與金屬態之間的電壓循環變化次數的增加，鉑的表面積的減小導致燃料電池堆產生電壓退化的曲線圖，其中水平軸表示電壓循環變化的次數，垂直軸表示標準化的鉑的表面積。所述電壓退化對于不同類型的催化劑而言是不同的，所述不同類型的催化劑包括具有不同顆粒尺寸、濃度和組分的催化劑。

發明內容