[發(fā)明專利]堆電壓恢復(fù)程序

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310568494.9
• 申請(qǐng)日: 2013-11-15
• 公開（公告）號(hào): CN103825035A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: G.M.羅布;D.T.富爾姆斯比
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): H01M8/04
• 分類號(hào): H01M8/04
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉楨;胡斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體上涉及用于恢復(fù)燃料電池堆電壓損耗的系統(tǒng)和方法，并且更特別地涉及包括下列步驟的用于恢復(fù)燃料電池堆電壓損耗的系統(tǒng)和方法：在堆電極表面提供液態(tài)水；在低電池電勢(shì)下操作堆；以及使水流過燃料電池堆。

背景技術(shù)

氫是非常有吸引力的燃料，因?yàn)樗乔鍧嵉牟⑶夷苡脕碓谌剂想姵刂杏行У禺a(chǎn)生電力。氫燃料電池是一種包括陽(yáng)極和陰極并在兩者間具有電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽(yáng)極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽(yáng)極催化劑處被離解以生成自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子與陰極催化劑處的氧和電子反應(yīng)以生成水。來自陽(yáng)極的電子不能穿過電解質(zhì)，并且因此被導(dǎo)向穿過負(fù)載以便在被送至陰極之前做功。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種流行的車輛用燃料電池。PEMFC一般包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟代磺酸膜。陽(yáng)極和陰極通常但并非總是包括細(xì)分的催化劑顆粒，其通常為高度活性的催化劑，例如，通常承載在碳粒上且與離聚物混合的鉑(Pt)。催化劑混合物沉積在膜的相對(duì)側(cè)上。陽(yáng)極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA制造相對(duì)昂貴并且需要某些條件來有效操作。

幾種燃料電池通常在燃料電池堆中組合以產(chǎn)生所需功率。例如，典型的車輛用燃料電池堆可具有兩百個(gè)或以上的堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，該氣體通常為由壓縮機(jī)迫使通過堆的空氣流。并非所有氧均被堆消耗，其中一些空氣被輸出為可包括作為堆副產(chǎn)物的水的陰極排氣。燃料電池堆還接收流入堆的陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極氫輸入氣體。

燃料電池堆包括定位在堆中的若干MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA定位在兩個(gè)端板之間。雙極板包括用于堆中的相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。陽(yáng)極氣體流場(chǎng)設(shè)置在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上，其允許陽(yáng)極反應(yīng)物氣體流至相應(yīng)的MEA。陰極氣體流場(chǎng)設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，其允許陰極反應(yīng)物氣體流至相應(yīng)的MEA。一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道，另一個(gè)端板包括陰極氣體流動(dòng)通道。雙極板和端板由諸如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物的導(dǎo)電材料制成。端板將由燃料電池產(chǎn)生的電力傳導(dǎo)至堆外部。雙極板也包括其中流過冷卻流體的流動(dòng)通道。

燃料電池內(nèi)的膜需要具有足夠的水含量，以使得在膜上的離子電阻足夠低以有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。膜加濕可來自堆的水副產(chǎn)物或外部加濕。通過堆的流動(dòng)通道的反應(yīng)物流對(duì)電池膜具有干燥作用，最明顯的是反應(yīng)物流的入口處。然而，水滴在流動(dòng)通道內(nèi)的積聚會(huì)阻止反應(yīng)物流過其中，并且可能由于低反應(yīng)物氣體流量而造成電池故障，從而影響堆的穩(wěn)定性。在反應(yīng)物氣體流動(dòng)通道中和氣體擴(kuò)散層(GDL)內(nèi)的水的積聚在低堆輸出負(fù)載下特別麻煩。

濕堆操作，即以高的加濕量操作，對(duì)于系統(tǒng)加濕、性能和污染物去除來說是有利的。然而，存在各種理由支持燃料電池堆以較低的加濕量操作，該狀態(tài)也被稱為干燥操作條件。例如，濕堆操作由于水的積聚會(huì)導(dǎo)致燃料電池穩(wěn)定性問題，并且也會(huì)造成導(dǎo)致碳腐蝕的陽(yáng)極缺氣。此外，濕堆操作在結(jié)冰條件下可能有麻煩，因?yàn)橐簯B(tài)水在燃料電池堆中的多個(gè)位置結(jié)冰。因此，本領(lǐng)域需要已針對(duì)非濕操作條件進(jìn)行優(yōu)化的系統(tǒng)。

在燃料電池系統(tǒng)中，存在造成堆性能的永久損失的許多機(jī)制，例如，催化劑活性喪失、催化劑載體腐蝕和電池膜中形成針孔。然而，存在會(huì)造成基本上可逆的堆電壓損失的其它機(jī)制，例如，電池膜干透、催化劑氧化物形成、以及污染物在堆的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)上的積累。因此，本領(lǐng)域存在一種需求，即消除氧化物形成和污染物的積累，以及再水合電池膜，恢復(fù)燃料電池堆中的電池電壓的損失。

為了使PEM燃料電池系統(tǒng)在商業(yè)上可行，通常需要限制承載在燃料電池電極上的貴金屬，即鉑或鉑合金催化劑，以降低系統(tǒng)總成本。結(jié)果，限制或減少了催化劑的總可用電化學(xué)活性表面積，使得電極更易污染。污染源可來自包括加濕水的陽(yáng)極和陰極反應(yīng)物氣體供給流，或者由于膜、堆密封件和/或雙極板的劣化和分解而在燃料電池內(nèi)生成。一種特定類型的污染物包括帶負(fù)電的陰離子，例如氯或諸如SO₄的硫酸鹽。在陰極電勢(shì)通常在650mV以上的燃料電池的正常操作期間，陰離子往往會(huì)吸附到電極的鉑催化劑表面上，從而堵塞用于氧還原反應(yīng)的活性部位，導(dǎo)致電池電壓損失。此外，如果質(zhì)子傳導(dǎo)性也高度依賴于無污染的鉑表面，例如納米結(jié)構(gòu)薄膜(NSTF)型電極，降低的質(zhì)子傳導(dǎo)性造成另外的損失。