使用启动方法来延长PEM燃料电池的寿命

摘要

本发明涉及使用启动方法来延长PEM燃料电池的寿命。一种采用减少或显著消除由于系统启动时阳极流动通道中的氢气-空气锋面而引起的MEA降级的技术的燃料电池系统。在系统关闭之后，剩余在阳极流动通道中的任何氢将快速反应或扩散。在下一次启动时，当氢气被引导到阳极流动通道中时，闭合开关，以提供跨过燃料电池堆的正和负端子的短路。阴极流动通道中存在的空气与跨过膜引导的氢气以正常燃料电池反应的方式反应。然而，短路防止了跨过膜的电压。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于降低系统启动时燃料电池堆的MEA中的催化剂降级的系统和方法，且更具体地涉及用于降低系统启动时燃料电池堆的MEA中的催化剂降级的系统和方法，所述系统和方法包括缩短燃料电池堆的端子以减少在燃料电池堆中的燃料电池阳极侧中的空气/氢气锋面产生的电压。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。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)。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。对于如上所述的车辆的燃料电池堆来说，燃料电池堆可以具有两百或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢反应气体。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向相应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。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。

当燃料电池堆关闭时，在阳极流动通道中仍有氢气。氢气相对快速地从燃料电池堆驱散、反应和/或吸收在燃料电池堆中，且被空气取代。因而，在下一次系统启动时，阴极和阳极流动通道通常均被空气填充。当氢气在系统启动时被引导到阳极流动通道中时，氢气驱走阳极流动通道中的空气，从而形成行进通过阳极流动通道的氢气-空气锋面。氢气-空气锋面使得在锋面沿每个燃料电池中的膜的长度移动时的催化反应与跨过膜的反应结合形成高的电压。这种组合电压足够高，使得催化剂和使催化剂在其上形成的碳颗粒严重降级。具体地，氢气-空气锋面产生的反应与正常燃料电池反应的组合处于比仅仅跨过膜的燃料电池反应更大的量级。例如，已经表明，在系统启动时没有解决氢气-空气锋面的降级效果的问题的情况下，以这种方式仅大约100次关闭和启动循环就损坏燃料电池堆。

本领域中已经提出通过促使氢气尽可能快速地通过阳极流动通道以减少发生降级的时间来减少系统启动时氢气-空气锋面的降级效果。也已经建议以缓慢速率将氢引导到阳极流动通道中来提供空气和氢气的主动混合以消除氢气-空气锋面。本领域中也已经提出在从阳极流动通道去除氢气之前冷却燃料电池。然而，所有这些方案都没有充分地减少氢气-空气降级以提供燃料电池堆的期望寿命。具体地，快速地移动氢气-空气锋面并未完全消除催化剂的降级，且需要过大尺寸的管道和其它部件来从阳极流动通道快速地清除空气。在启动时缓慢地引导氢气具有需要再循环泵花费几分钟的时间来完全从阳极流动通道去除空气的缺点。另外，需要精确控制进入阳极流动通道的氢气量是难以实施的。

本领域中也已经提出替换MEA中的材料，使得碳不易受到氢气-空气反应的影响。一个示例是使用石墨化碳。然而，该方案有降低燃料电池堆的性能的一些问题。

本领域中也已经提出提供跨过燃料电池堆的负载(例如电阻器)以减少氢气-空气锋面所产生的电势。然而，该技术具有以下缺点：电阻器的额定功率和能量大，使得电阻器较重且难以包装在车辆的发动机舱中。

发明内容

根据本发明的教导，公开了采用减少或显著消除由于系统启动时阳极流动通道中的氢气-空气锋面而引起的MEA降级的技术的燃料电池系统。在系统关闭之后，剩余在阳极流动通道中的任何氢将快速反应或扩散。在下一次启动时，当氢气被引导到阳极流动通道中时，闭合开关，以提供跨过燃料电池堆的正和负端子的短路。阴极流动通道中存在的空气与跨过膜引导的氢气以正常燃料电池反应的方式反应。然而，短路防止了跨过膜的电压。沿燃料电池阳极侧的膜中的氢气-空气锋面所产生的电压并不会提供足够大的电压以使得MEA显著降级。

本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的采用减少或显著消除由于阳极流动通道中的氢气-空气锋面而引起的MEA催化剂启动降级的技术的燃料电池系统的示意性框图。

具体实施方式

涉及用于减少或消除由于系统启动时燃料电池堆中的阳极流动通道中的氢气-空气锋面而引起的MEA降级的技术的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。

图1是燃料电池系统10的示意性框图，燃料电池系统10包括具有正端子14和负端子16的燃料电池堆12。压缩机18通过阴极入口阀20和阴极入口线路22将阴极入口空气提供给燃料电池堆12，且阴极排气从燃料电池堆12通过阴极出口阀26在阴极排气线路24上输出。来自于氢源28的氢在阳极入口线路30上提供给燃料电池堆12的阳极侧。阳极排气从燃料电池堆12通过出口线路34上的阳极出口阀32输出。

根据本发明，燃料电池堆12包括将正端子14电联接到负端子16的短路线路38。开关40被选择性地断开和闭合，以在开关40闭合时使用线路38沿燃料电池堆12施加短路且在开关40断开时去除短路。控制器42控制开关40的位置、压缩机18的操作、氢源28和阀20、26和32的开启和关闭。

如上文讨论的那样，在系统关闭之后，燃料电池堆12的阴极侧和阳极侧均相对快速地被空气填充。本发明提出了控制阀20和26以及开关40，以减少在下一次系统启动时燃料电池堆12中燃料电池的MEA降级。具体地，在启动时，控制器42同时地或者几乎同时地开启氢源28以提供氢气给燃料电池堆12的阳极侧，开启出口阀32，关闭入口阀20，关闭出口阀26且闭合开关40，从而提供跨过端子14和16的短路。

在系统10处于该配置时，当氢气被引导到燃料电池堆12中的阳极流动通道中时，每个燃料电池将以正常反应的方式提供跨过其中的膜的反应。然而，跨过正端子14和负端子16的短路将防止电压跨过膜提供。沿膜移动通过阳极流动通道并移出阳极排气线路34的氢气-空气锋面将确实产生电压，但在不与跨过膜的正常电压组合时不足够显著，从而不会引起显著的MEA降级。

当空气通过MEA反应在燃料电池堆12的阴极侧中几乎完全消耗时，氢气-空气锋面将已经通过阳极流动通道或者几乎通过阳极流动通道。此时，控制器42将断开开关40，从而去除短路。阀20和26然后可以被开启且压缩机18可以启动，使得燃料电池堆电压被允许作为开路电势正常增加。取决于燃料电池堆的设计，开关40闭合的持续时间通常非常小且可能是0.2-2.0秒的量级。

前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。