[發(fā)明專利]加速激活燃料電池的設備和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710195820.0
• 申請日: 2007-11-30
• 公開（公告）號: CN101340004A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發(fā)明（設計）人: 孫翼齊;高載準;尹鐘震;李鐘賢;吳承燦;金永敏;柳承乙;具永模;金明煥
• 申請（專利權）人: 現(xiàn)代自動車株式會社;自動車部品研究院
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/10;H01M8/24
• 代理公司: 北京紀凱知識產(chǎn)權代理有限公司
• 代理人: 沙捷;丁藝

技術領域

本發(fā)明涉及一種加速激活燃料電池的設備和方法，其可以穩(wěn)定、 快速地確保較高的電堆性能(stack?performance)，同時明顯提高了聚合 物電解質(zhì)膜燃料電池的性能，減少了用于激活的氫的用量，并簡化了 設備的結構。

背景技術

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池與其它類型的燃料電池相比，具有高效、 高電流強度、高輸出強度、較短啟動時間和對負載變化的較快響應等 特征。

特別地，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池對反應物氣體的壓力變化不敏 感，并具有不同范圍的輸出量。對于以上優(yōu)點，聚合物電解質(zhì)膜燃料 電池已應用在各種工業(yè)領域中作為例如零排放汽車(zero?emission vehicle)、私人發(fā)電站(private?power?station)、軍事用途等的電源。

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池利用氫與氧之間的電化學反應產(chǎn)生水和 熱量。供應的氫利用陽極的催化劑被分解成氫離子和電子。被分解的 氫離子通過電解質(zhì)膜轉(zhuǎn)移到陰極。

此時，被供應到陰極的氧與通過外部導線轉(zhuǎn)移到陰極的電子結合 以產(chǎn)生電能并產(chǎn)生水。在此情況下，理想的電勢大約為1.3伏，并可以 通過下列化學反應式來表示：

陽極：H₂→2H⁺+2e^-

陰極：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

在單元電池中因電化學反應所產(chǎn)生的熱量可由下列公式表示：

Q＝I×(1.23-V)

其中Q表示產(chǎn)生的熱值，I表示電流容量，V表示產(chǎn)生電壓的平均 值。

為使汽車得到必要的電勢，必須將單個單元電池堆疊起來直到達 到需要的電勢為止。堆疊電池的單元稱作電堆(即，燃料電池電堆(fuel cell?stack))。圖1示出燃料電池電堆的配置。

圖1的燃料電池電堆被制成以使單元電池通過使用聯(lián)軸套 (coupling?band)108和螺栓109裝配有電流收集板104、絕緣板105 和具有高壓端子107的連接板106。在此，單元電池包括膜電極組 (MEA)100，其包括用來轉(zhuǎn)移氫質(zhì)子的電解質(zhì)膜，涂布在電解質(zhì)膜兩 側(cè)上以使氫和氧發(fā)生反應的催化劑層(陰極和陽極)，氣體擴散層 (GDL)102，和用于供應燃料并排出氫和氧之間發(fā)生電化學反應所產(chǎn) 生的水的分離器103。

在基本上具有上述配置的燃料電池電堆中，為陽極提供氫，為陰 極提供氧，以便在那里發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生高效的電能和水。即， 因燃料電池催化劑層中的反應氣體而發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生的氫離子 通過催化劑層的電解質(zhì)和電解質(zhì)膜移動，電子通過催化劑層、氣體擴 散層和分離器移動到發(fā)電設備中。

特別地，通過電解質(zhì)或者電解質(zhì)膜移動的氫離子穿過電解質(zhì)膜中 存在的水，因此催化劑層和電解質(zhì)膜中的電解質(zhì)必須充分含水以使燃 料電池具有更好的性能，并且反應氣體必須順暢地到達用于電化學反 應的催化劑層。

在這種燃料電池電堆中，諸如陰極和陽極的電極是通過將諸如 nafion的氫離子載體和諸如鉑的催化劑相結合形成的催化劑層。這種燃 料電池電堆由于在制造燃料電池的初始驅(qū)動階段發(fā)生電化學反應，導 致可能會變得較少被激活。其原因如下：

首先，由于反應通道受阻，所以反應不能到達催化劑。

其次，利用催化劑形成三相界面的諸如nafion的氫離子載體，在 初始驅(qū)動階段不容易含水。

最后，不能確保氫離子和電子的連續(xù)移動。

基于以上原因，需要激活過程來確保燃料電池在裝配之后的性能 達到最大程度。

激活過程，即通常所說的預調(diào)節(jié)過程或者接入過程(break-in process)的目的，在于激活非反應性催化劑以使電解質(zhì)膜和電極中含 有的電解質(zhì)充分水合，因而可以確保氫離子通道。

在裝配燃料電池之后，執(zhí)行激活過程以使燃料電池達到其最大性 能。而激活過程根據(jù)驅(qū)動條件需要花費幾個小時或幾天時間。例如， 由于不恰當?shù)募せ钸^程，燃料電池可能在不能達到其最大性能的狀態(tài) 下被驅(qū)動。

如上所述，不恰當?shù)募せ钸^程會減少燃料電池的生產(chǎn)能力并增大 氫的用量，因而會增大電堆成本并降低電堆性能。