專利名稱：使用啟動(dòng)方法來(lái)延長(zhǎng)pem燃料電池的壽命的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于降低系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)燃料電池堆的MEA中的催化劑降級(jí)的系 統(tǒng)和方法，且更具體地涉及用于降低系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)燃料電池堆的MEA中的催化劑降級(jí)的系統(tǒng) 和方法，所述系統(tǒng)和方法包括縮短燃料電池堆的端子以減少在燃料電池堆中的燃料電池陽(yáng) 極側(cè)中的空氣/氫氣鋒面產(chǎn)生的電壓。
背景技術(shù)：
氫是非常有吸引力的燃料，因?yàn)闅涫乔鍧嵉那夷軌蛴糜谠谌剂想姵刂杏行У禺a(chǎn)生 電力。氫燃料電池是電化學(xué)裝置，包括陽(yáng)極和陰極，電解質(zhì)在陽(yáng)極和陰極之間。陽(yáng)極接收氫 氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽(yáng)極中分解以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá) 陰極。質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應(yīng)產(chǎn)生水。來(lái)自于陽(yáng)極的電子不能穿過電解質(zhì)，且因而 被引導(dǎo)通過負(fù)載，以在輸送至陰極之前做功。 質(zhì)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(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極通常包括細(xì)分的催化劑顆粒，通常是鉑 (Pt)，所述催化劑顆粒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(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)。
多個(gè)燃料電池通常組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望功率。對(duì)于如上所述的車輛的燃 料電池堆來(lái)說(shuō)，燃料電池堆可以具有兩百或更多的燃料電池。燃料電池堆接收陰極反應(yīng)氣 體，通常是由壓縮機(jī)強(qiáng)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 一些空氣作為陰極排氣輸出，所述陰極排氣可以包括作為燃料電池堆的副產(chǎn)物的水。燃料 電池堆也接收流入燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極氫反應(yīng)氣體。 燃料電池堆包括位于燃料電池堆中多個(gè)MEA之間的一系列雙極板，其中，雙極板 和MEA設(shè)置在兩個(gè)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(yáng)極側(cè)和陰 極側(cè)。陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道設(shè)置在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上，且允許陽(yáng)極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)MEA。陰 極氣體流動(dòng)通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，且允許陰極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)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。雙極板和端板由導(dǎo)電材料制成， 如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。端板將燃料電池產(chǎn)生的電傳導(dǎo)到燃料電池堆之外。雙極板也包括 冷卻流體流經(jīng)的流動(dòng)通道。 當(dāng)燃料電池堆關(guān)閉時(shí)，在陽(yáng)極流動(dòng)通道中仍有氫氣。氫氣相對(duì)快速地從燃料電池 堆驅(qū)散、反應(yīng)和/或吸收在燃料電池堆中，且被空氣取代。因而，在下一次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，陰 極和陽(yáng)極流動(dòng)通道通常均被空氣填充。當(dāng)氫氣在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)被引導(dǎo)到陽(yáng)極流動(dòng)通道中時(shí)， 氫氣驅(qū)走陽(yáng)極流動(dòng)通道中的空氣，從而形成行進(jìn)通過陽(yáng)極流動(dòng)通道的氫氣_空氣鋒面。氫 氣_空氣鋒面使得在鋒面沿每個(gè)燃料電池中的膜的長(zhǎng)度移動(dòng)時(shí)的催化反應(yīng)與跨過膜的反 應(yīng)結(jié)合形成高的電壓。這種組合電壓足夠高，使得催化劑和使催化劑在其上形成的碳顆粒 嚴(yán)重降級(jí)。具體地，氫氣_空氣鋒面產(chǎn)生的反應(yīng)與正常燃料電池反應(yīng)的組合處于比僅僅跨 過膜的燃料電池反應(yīng)更大的量級(jí)。例如，已經(jīng)表明，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)沒有解決氫氣-空氣鋒面的降級(jí)效果的問題的情況下，以這種方式僅大約100次關(guān)閉和啟動(dòng)循環(huán)就損壞燃料電池 堆。 本領(lǐng)域中已經(jīng)提出通過促使氫氣盡可能快速地通過陽(yáng)極流動(dòng)通道以減少發(fā)生降 級(jí)的時(shí)間來(lái)減少系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)氫氣-空氣鋒面的降級(jí)效果。也已經(jīng)建議以緩慢速率將氫引導(dǎo) 到陽(yáng)極流動(dòng)通道中來(lái)提供空氣和氫氣的主動(dòng)混合以消除氫氣-空氣鋒面。本領(lǐng)域中也已經(jīng) 提出在從陽(yáng)極流動(dòng)通道去除氫氣之前冷卻燃料電池。然而，所有這些方案都沒有充分地減 少氫氣_空氣降級(jí)以提供燃料電池堆的期望壽命。具體地，快速地移動(dòng)氫氣_空氣鋒面并 未完全消除催化劑的降級(jí)，且需要過大尺寸的管道和其它部件來(lái)從陽(yáng)極流動(dòng)通道快速地清 除空氣。在啟動(dòng)時(shí)緩慢地引導(dǎo)氫氣具有需要再循環(huán)泵花費(fèi)幾分鐘的時(shí)間來(lái)完全從陽(yáng)極流動(dòng) 通道去除空氣的缺點(diǎn)。另外，需要精確控制進(jìn)入陽(yáng)極流動(dòng)通道的氫氣量是難以實(shí)施的。
本領(lǐng)域中也已經(jīng)提出替換MEA中的材料，使得碳不易受到氫氣-空氣反應(yīng)的影響。 一個(gè)示例是使用石墨化碳。然而，該方案有降低燃料電池堆的性能的一些問題。
本領(lǐng)域中也已經(jīng)提出提供跨過燃料電池堆的負(fù)載(例如電阻器)以減少氫氣-空 氣鋒面所產(chǎn)生的電勢(shì)。然而，該技術(shù)具有以下缺點(diǎn)電阻器的額定功率和能量大，使得電阻 器較重且難以包裝在車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)艙中。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了采用減少或顯著消除由于系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)陽(yáng)極流動(dòng)通道中 的氫氣-空氣鋒面而引起的MEA降級(jí)的技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)。在系統(tǒng)關(guān)閉之后，剩余在陽(yáng) 極流動(dòng)通道中的任何氫將快速反應(yīng)或擴(kuò)散。在下一次啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)氫氣被引導(dǎo)到陽(yáng)極流動(dòng)通 道中時(shí)，閉合開關(guān)，以提供跨過燃料電池堆的正和負(fù)端子的短路。陰極流動(dòng)通道中存在的空 氣與跨過膜引導(dǎo)的氫氣以正常燃料電池反應(yīng)的方式反應(yīng)。然而，短路防止了跨過膜的電壓。 沿燃料電池陽(yáng)極側(cè)的膜中的氫氣-空氣鋒面所產(chǎn)生的電壓并不會(huì)提供足夠大的電壓以使 得MEA顯著降級(jí)。 本發(fā)明的附加特征將從以下說(shuō)明和所附權(quán)利要求書結(jié)合附圖顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的采用減少或顯著消除由于陽(yáng)極流動(dòng)通道中的 氫氣_空氣鋒面而引起的MEA催化劑啟動(dòng)降級(jí)的技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖。
具體實(shí)施例方式
涉及用于減少或消除由于系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)燃料電池堆中的陽(yáng)極流動(dòng)通道中的氫 氣_空氣鋒面而引起的MEA降級(jí)的技術(shù)的本發(fā)明實(shí)施例的以下闡述本質(zhì)上僅僅是示例性的 且不旨在以任何方式限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。 圖1是燃料電池系統(tǒng)10的示意性框圖，燃料電池系統(tǒng)IO包括具有正端子14和負(fù) 端子16的燃料電池堆12。壓縮機(jī)18通過陰極入口閥20和陰極入口線路22將陰極入口空 氣提供給燃料電池堆12，且陰極排氣從燃料電池堆12通過陰極出口閥26在陰極排氣線路 24上輸出。來(lái)自于氫源28的氫在陽(yáng)極入口線路30上提供給燃料電池堆12的陽(yáng)極側(cè)。陽(yáng) 極排氣從燃料電池堆12通過出口線路34上的陽(yáng)極出口閥32輸出。
根據(jù)本發(fā)明，燃料電池堆12包括將正端子14電聯(lián)接到負(fù)端子16的短路線路38。開關(guān)40被選擇性地?cái)嚅_和閉合，以在開關(guān)40閉合時(shí)使用線路38沿燃料電池堆12施加短路且在開關(guān)40斷開時(shí)去除短路。控制器42控制開關(guān)40的位置、壓縮機(jī)18的操作、氫源28和閥20、26和32的開啟和關(guān)閉。 如上文討論的那樣，在系統(tǒng)關(guān)閉之后，燃料電池堆12的陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)均相對(duì)快速地被空氣填充。本發(fā)明提出了控制閥20和26以及開關(guān)40，以減少在下一次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)燃料電池堆12中燃料電池的MEA降級(jí)。具體地，在啟動(dòng)時(shí)，控制器42同時(shí)地或者幾乎同時(shí)地開啟氫源28以提供氫氣給燃料電池堆12的陽(yáng)極側(cè)，開啟出口閥32，關(guān)閉入口閥20，關(guān)閉出口閥26且閉合開關(guān)40，從而提供跨過端子14和16的短路。 在系統(tǒng)10處于該配置時(shí)，當(dāng)氫氣被引導(dǎo)到燃料電池堆12中的陽(yáng)極流動(dòng)通道中時(shí)，每個(gè)燃料電池將以正常反應(yīng)的方式提供跨過其中的膜的反應(yīng)。然而，跨過正端子14和負(fù)端子16的短路將防止電壓跨過膜提供。沿膜移動(dòng)通過陽(yáng)極流動(dòng)通道并移出陽(yáng)極排氣線路34的氫氣-空氣鋒面將確實(shí)產(chǎn)生電壓，但在不與跨過膜的正常電壓組合時(shí)不足夠顯著，從而不會(huì)引起顯著的MEA降級(jí)。 當(dāng)空氣通過MEA反應(yīng)在燃料電池堆12的陰極側(cè)中幾乎完全消耗時(shí)，氫氣-空氣鋒面將已經(jīng)通過陽(yáng)極流動(dòng)通道或者幾乎通過陽(yáng)極流動(dòng)通道。此時(shí)，控制器42將斷開開關(guān)40，從而去除短路。閥20和26然后可以被開啟且壓縮機(jī)18可以啟動(dòng)，使得燃料電池堆電壓被允許作為開路電勢(shì)正常增加。取決于燃料電池堆的設(shè)計(jì)，開關(guān)40閉合的持續(xù)時(shí)間通常非常小且可能是0. 2-2. 0秒的量級(jí)。 前述說(shuō)明僅僅公開和描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員從這種說(shuō)明和附圖以及權(quán)利要求書將容易認(rèn)識(shí)到，能夠?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行各種變化、修改和變型，而不偏離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極側(cè)、陰極側(cè)、正端子和負(fù)端子，所述燃料電池堆還包括電聯(lián)接到所述正端子和所述負(fù)端子的短路線路；電聯(lián)接到所述短路線路的開關(guān)，所述開關(guān)能夠選擇性地?cái)嚅_和閉合，以提供或去除跨過燃料電池堆的短路；陰極入口閥，用于截?cái)嗳剂想姵囟训娜肟谔幍年帢O流動(dòng)通道；陰極出口閥，用于截?cái)嗳剂想姵囟训某隹谔幍年帢O流動(dòng)通道；氫源，用于提供氫給燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)；和控制器，用于控制所述陰極入口閥、所述陰極出口閥、所述開關(guān)和所述氫源，所述控制器同時(shí)地或者幾乎同時(shí)地進(jìn)行以下操作閉合開關(guān)，關(guān)閉陰極入口閥，關(guān)閉陰極出口閥，且開啟氫源，使得氫氣提供給燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)，且燃料電池堆的陰極側(cè)中存在的空氣與引導(dǎo)到燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的氫發(fā)生反應(yīng)，而由于短路沒有產(chǎn)生電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在燃料電池堆的陰極側(cè)中的大部分空氣被消耗 之后，控制器開啟所述陰極入口閥和所述陰極出口閥。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括壓縮機(jī)，用于在開啟所述陰極入口閥和所述陰 極出口閥之后提供陰極入口空氣流給燃料電池堆的陰極側(cè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，控制器閉合開關(guān)、關(guān)閉陰極入口 閥，關(guān)閉陰極出口閥，且開啟氫源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，控制器閉合開關(guān)、關(guān)閉陰極入口 閥，關(guān)閉陰極出口閥，且開啟氫源，從而減少或顯著消除由于陽(yáng)極流動(dòng)通道中的氫氣-空氣 鋒面而引起的MEA降級(jí)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，控制器僅閉合開關(guān)小于2秒的時(shí)間段。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料電池系統(tǒng)在車輛上。
8. —種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極側(cè)、陰極側(cè)、正端子和負(fù)端子，所述燃料電池堆 還包括電聯(lián)接到所述正端子和所述負(fù)端子的短路線路；禾口電聯(lián)接到所述短路線路的開關(guān)，所述開關(guān)能夠選擇性地?cái)嚅_或閉合，以提供或去除跨 過燃料電池堆的短路，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所述開關(guān)被閉合以消除跨過燃料電池堆中的膜的電 壓，從而減少或顯著消除由于陽(yáng)極流動(dòng)通道中的氫氣_空氣鋒面而引起的MEA降級(jí)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括陰極入口閥，用于在開關(guān)閉合時(shí)截?cái)嗳剂想姵?堆的入口處的陰極流動(dòng)通道；和陰極出口閥，用于在開關(guān)閉合時(shí)截?cái)嗳剂想姵囟训某隹谔?的陰極流動(dòng)通道。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，開關(guān)僅被閉合小于2秒的時(shí)間段。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料電池系統(tǒng)在車輛上。
12. —種用于減少或顯著消除由于流經(jīng)燃料電池堆中陽(yáng)極流動(dòng)通道的氫氣_空氣鋒面 而引起的MEA降級(jí)的方法，所述方法包括關(guān)閉燃料電池堆陰極流動(dòng)通道的入口處的陰極入口閥； 關(guān)閉燃料電池堆陰極流動(dòng)通道的出口處的陰極出口閥； 提供氫氣流給陽(yáng)極流動(dòng)通道；禾口在氫氣_空氣鋒面移動(dòng)通過陽(yáng)極流動(dòng)通道時(shí)提供跨過燃料電池堆的正端子和負(fù)端子 的短路。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括在陰極流動(dòng)通道中的大部分空氣被消耗且氫 氣_空氣鋒面已經(jīng)移動(dòng)通過陽(yáng)極流動(dòng)通道之后開啟所述陰極入口閥和所述陰極出口閥。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，提供跨過燃料電池堆的正端子和負(fù)端子的短 路包括提供跨過燃料電池堆的正端子和負(fù)端子的短路小于2秒的時(shí)間段。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用啟動(dòng)方法來(lái)延長(zhǎng)PEM燃料電池的壽命。一種采用減少或顯著消除由于系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)陽(yáng)極流動(dòng)通道中的氫氣-空氣鋒面而引起的MEA降級(jí)的技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)。在系統(tǒng)關(guān)閉之后，剩余在陽(yáng)極流動(dòng)通道中的任何氫將快速反應(yīng)或擴(kuò)散。在下一次啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)氫氣被引導(dǎo)到陽(yáng)極流動(dòng)通道中時(shí)，閉合開關(guān)，以提供跨過燃料電池堆的正和負(fù)端子的短路。陰極流動(dòng)通道中存在的空氣與跨過膜引導(dǎo)的氫氣以正常燃料電池反應(yīng)的方式反應(yīng)。然而，短路防止了跨過膜的電壓。
文檔編號(hào)B60L11/18GK101728561SQ20091020906
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者C·G·霍奇格拉夫, F·T·沃納, P·T·于, R·S·富利 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司