[发明专利]堆电压恢复程序

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于恢复燃料电池堆电压损耗的系统和方法，并且更特别地涉及包括下列步骤的用于恢复燃料电池堆电压损耗的系统和方法：在堆电极表面提供液态水；在低电池电势下操作堆；以及使水流过燃料电池堆。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且能用来在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极并在两者间具有电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处被离解以生成自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极催化剂处的氧和电子反应以生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此被导向穿过负载以便在被送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的车辆用燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟代磺酸膜。阳极和阴极通常但并非总是包括细分的催化剂颗粒，其通常为高度活性的催化剂，例如，通常承载在碳粒上且与离聚物混合的铂(Pt)。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA制造相对昂贵并且需要某些条件来有效操作。

几种燃料电池通常在燃料电池堆中组合以产生所需功率。例如，典型的车辆用燃料电池堆可具有两百个或以上的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，该气体通常为由压缩机迫使通过堆的空气流。并非所有氧均被堆消耗，其中一些空气被输出为可包括作为堆副产物的水的阴极排气。燃料电池堆还接收流入堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括定位在堆中的若干MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场设置在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应物气体流至相应的MEA。阴极气体流场设置在双极板的阴极侧上，其允许阴极反应物气体流至相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将由燃料电池产生的电力传导至堆外部。双极板也包括其中流过冷却流体的流动通道。

燃料电池内的膜需要具有足够的水含量，以使得在膜上的离子电阻足够低以有效地传导质子。膜加湿可来自堆的水副产物或外部加湿。通过堆的流动通道的反应物流对电池膜具有干燥作用，最明显的是反应物流的入口处。然而，水滴在流动通道内的积聚会阻止反应物流过其中，并且可能由于低反应物气体流量而造成电池故障，从而影响堆的稳定性。在反应物气体流动通道中和气体扩散层(GDL)内的水的积聚在低堆输出负载下特别麻烦。

湿堆操作，即以高的加湿量操作，对于系统加湿、性能和污染物去除来说是有利的。然而，存在各种理由支持燃料电池堆以较低的加湿量操作，该状态也被称为干燥操作条件。例如，湿堆操作由于水的积聚会导致燃料电池稳定性问题，并且也会造成导致碳腐蚀的阳极缺气。此外，湿堆操作在结冰条件下可能有麻烦，因为液态水在燃料电池堆中的多个位置结冰。因此，本领域需要已针对非湿操作条件进行优化的系统。

在燃料电池系统中，存在造成堆性能的永久损失的许多机制，例如，催化剂活性丧失、催化剂载体腐蚀和电池膜中形成针孔。然而，存在会造成基本上可逆的堆电压损失的其它机制，例如，电池膜干透、催化剂氧化物形成、以及污染物在堆的阳极侧和阴极侧上的积累。因此，本领域存在一种需求，即消除氧化物形成和污染物的积累，以及再水合电池膜，恢复燃料电池堆中的电池电压的损失。

为了使PEM燃料电池系统在商业上可行，通常需要限制承载在燃料电池电极上的贵金属，即铂或铂合金催化剂，以降低系统总成本。结果，限制或减少了催化剂的总可用电化学活性表面积，使得电极更易污染。污染源可来自包括加湿水的阳极和阴极反应物气体供给流，或者由于膜、堆密封件和/或双极板的劣化和分解而在燃料电池内生成。一种特定类型的污染物包括带负电的阴离子，例如氯或诸如SO₄的硫酸盐。在阴极电势通常在650mV以上的燃料电池的正常操作期间，阴离子往往会吸附到电极的铂催化剂表面上，从而堵塞用于氧还原反应的活性部位，导致电池电压损失。此外，如果质子传导性也高度依赖于无污染的铂表面，例如纳米结构薄膜(NSTF)型电极，降低的质子传导性造成另外的损失。