[發明專利]通過場外水沖洗的電壓恢復和污染物去除

有效

• 申請號: 201210090009.7
• 申請日: 2012-03-30
• 公開（公告）號: CN102738491A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: A.班達里;B.拉克什馬南
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/06
• 分類號: H01M8/06
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 薛峰;傅永霄

技術領域

本發明總體涉及用于從燃料電池堆除去污染物的系統和方法，更具體地，涉及一種用于從燃料電池堆除去污染物的系統和方法，其包括用空氣吹掃燃料電池堆的陰極和陽極，用水沖洗燃料電池堆的陰極和陽極，然后用空氣干燥燃料電池堆的陰極和陽極。

背景技術

氫是非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的且能夠用于在燃料電池中有效地產生電力。氫燃料電池是電化學裝置，包括陽極和陰極，電解質在陽極和陰極之間。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處分解以產生自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子與氧和電子在陰極催化劑處反應產生水。來自于陽極的電子不能穿過電解質，且因而被引導通過負載，以在輸送至陰極之前做功。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是車輛的普遍燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常但不總是包括細分的催化劑顆粒，通常是諸如鉑（Pt）的高活性催化劑，所述催化劑顆粒通常支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化劑混合物層、陰極催化劑混合物層和膜的組合限定了膜電極組件（MEA）。MEA的制造相對昂貴且需要某些條件以有效操作。

多個燃料電池通常組合成燃料電池堆以產生期望功率。例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極反應物輸入氣體，通常是由壓縮機強制通過燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為陰極廢氣輸出，所述陰極廢氣可以包括作為燃料電池堆的副產物的水。燃料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽極側的陽極氫反應物輸入氣體。

燃料電池堆典型地包括位于燃料電池堆中多個MEA之間的一系列雙極板，其中，雙極板和MEA設置在兩個端板之間。雙極板包括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流場設置在雙極板的陽極側上，且允許陽極反應物氣體流向相應MEA。陰極氣體流場設置在雙極板的陰極側上，且允許陰極反應物氣體流向相應MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導電材料制成，如不銹鋼或導電復合物。端板將燃料電池產生的電傳導到燃料電池堆之外。雙極板也包括冷卻流體流經的流動通道。

燃料電池內的膜需要具有足夠的水含量，從而經過膜的離子阻力足夠低以有效地傳導質子。膜濕化可以來自于燃料電池堆水副產物或外部濕化。通過燃料電池堆流動通道的反應物流對電池膜具有干燥效應，最明顯在反應物流的入口處。然而，在流動通道內的水滴積聚將防止反應物從中流過，且由于低的反應物氣體流可能導致電池故障，從而影響燃料電池堆穩定性。在反應物氣體流動通道內以及在氣體擴散層（GDL）內的水積聚在低燃料電池堆輸出負載時特別易出故障。

如上所述，水作為燃料電池堆操作的副產物產生。因而，來自于燃料電池堆的陰極廢氣通常包括水蒸汽和液體水。本領域已知使用水蒸汽傳輸（WVT）單元來捕獲陰極廢氣中的一些水，且使用所述水來濕化陰極輸入空氣流。在水傳輸元件（如膜）的一側處的陰極廢氣由水傳輸元件吸附且傳輸給水傳輸元件的另一側處的陰極空氣流。

在燃料電池系統中，存在引起燃料電池堆性能的永久喪失（如，催化劑活性的喪失、電池膜中的催化劑支承件腐蝕和形成針孔）的多個機制。然而，存在可能引起大致可逆的燃料電池堆電壓損失以及由此的堆性能損失（如，電池膜干燥、催化劑氧化物形成以及例如陰離子、硫酸鹽和乙二醇的污染物積聚在燃料電池堆的陽極和陰極兩側）的其它機制。因而，本領域需要去除氧化物形成和污染物積聚以及再次水化電池膜以恢復燃料電池堆中的電池電壓損失。

對于系統濕化、性能和污染物去除來說期望潮濕燃料電池堆操作，即在高的水分量的情況下操作。然而，存在在較低水分量的情況下操作燃料電池堆的各個理由。例如，由于水積聚，潮濕燃料電池堆操作可能導致燃料電池穩定性問題，且還可能導致引起碳腐蝕的陽極隔絕氧氣（anode?starvation）。此外，由于在燃料電池堆的各個位置處的液體水凍結，潮濕燃料電池堆操作在冷凍狀況下可能是有問題的。因而，本領域需要針對更干燥的操作狀況優化的系統。

污染物會在電池中和堆中從各種源沉積和吸附在MEA電極上。這些源包括各種污染物，其會存留在進入堆的流道的氫氣和空氣中，來自燃料電池系統內的各種塑料部件的廢氣，和其自身膜的產品退化。這些污染物隨時間的積累導致催化劑性能的損失，其影響堆操作。然而，很多這些污染物能夠被除去，其中電池電壓的損失可恢復。