[发明专利]燃料电池堆插入程序和插入调节系统

说明书

公开了燃料电池堆插入程序、用于执行插入程序的调节系统以及具有根据公开的插入程序调节的燃料电池堆的机动车辆。公开了用于调节燃料电池堆的膜组件的插入方法。该方法包括将增湿氢传输到膜组件的负极，并将去离子水传输到膜组件的正极。当燃料电池堆在氢泵送模式下操作时，在燃料电池堆两端施加电流和电压循环，直到燃料电池堆被确定为在用于燃料电池堆电压输出能力的预定阈值下操作。在氢泵送过程中，膜组件氧化增湿氢，将质子穿过质子传导膜从负极传送到正极，并且通过析氢反应再生正极中的质子。

背景技术

本公开总体上涉及用于将基于氢的化学能转化为电的燃料电池系统。更具体地，本公开的各方面涉及质子交换膜(PEM)燃料电池堆的燃料电池插入系统和程序。

目前生产的机动车辆，例如现代汽车，最初装备有动力传动系，用于推进车辆并向车载电子装置供电。动力传动系，包括并且通常被错误分类为车辆传动系，其通常包括原动机，该原动机通过多速动力传输向车辆的最终驱动系统(例如，差速器、车轴和车轮)传输驱动力。汽车通常由往复活塞式内燃机(ICE)提供动力，因为其易于获得且成本相对便宜、重量轻及其总体效率较好。作为一些非限制性示例，这种发动机包括两冲程和四冲程压缩点火(CI)柴油机、四冲程火花点火(SI)汽油机、六冲程体系架构和旋转式发动机。另一方面，混合动力车辆和电动车辆利用诸如电动发电机的替代动力源来推进车辆，并最小化对发动机的依赖，从而提高整体燃料经济性。

混合动力和全电动车辆动力系采取各种架构，其中一些架构利用燃料电池堆来为一个或多个电力牵引马达供电。燃料电池堆是一种电化学装置，通常由接收氢(H₂)的负极、接收氧(O₂)的正极以及介于负极和正极之间的电解质组成。在负极处诱发电化学反应以氧化氢分子产生自由质子(H⁺)，然后使其通过电解质用于在正极处被氧化剂，诸如氧，还原。特别地，在负极催化剂层中，氢在氧化半电池反应中被催化分解以产生质子和电子。这些质子通过电解质到达正极，在那里质子与正极中的氧和电子反应生成水。然而，来自负极的电子不能通过电解质，因此，在被送到正极之前通过，诸如马达或电池的负载，被重新引导。

燃料电池堆设计通常用于汽车应用，利用固体聚合物电解质(SPE)膜或质子交换膜(PEM)在负极和正极之间提供离子传送。质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常使用固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。负极和正极通常包括极细分散的催化颗粒，例如负载在碳颗粒上并与离聚物混合的铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的侧面以形成负极和正极催化层。负极催化剂层、正极催化剂层和电解质膜的组合限定了膜电极组件(MEA)，其中负极催化剂和正极催化剂被负载在离子导电固体聚合物膜的相对面上。

作为PEMFC制造的一部分，每个新组装的燃料电池堆通常在堆操作的孵育期中循环以“插入”MEA。在燃料电池堆插入程序期间，MEA被调节成使得堆的端电压随时间逐渐升高以确保端电压稳定在或接近通常恒定的峰值电压水平。对于新制造的燃料电池堆中的MEA，经常需要插入以获得用于堆的长期操作的最佳性能。MEA插入的主要功能可包括：薄膜加湿、去除由MEA制造产生的残余溶剂和其它杂质以及从催化剂中去除阴离子以活化反应位点。目前用于在燃料电池堆中插入MEA的程序可能需要多个小时的燃料电池操作，以针对不同水平的所得功能。此外，许多已知的插入程序需要消耗大量的氢和电力，两者供应费用昂贵。燃料电池堆插入的一些方法是非常强烈的，包括高电压操作(例如，超过300伏(V))和高燃料电池温度，这要求增加电绝缘、大量冷却剂流和昂贵设备。

发明内容