通过场外水冲洗的电压恢复和污染物去除

摘要

本发明涉及通过场外水冲洗的电压恢复和污染物去除。具体地，公开了用于从燃料电池堆除去污染物的系统和方法。该方法包括将燃料电池堆的阴极和阳极暴露于空气吹扫，然后将燃料电池堆的阴极和阳极暴露于水冲洗，然后再次将燃料电池堆的阴极和阳极暴露于空气吹扫从而干燥燃料电池堆。在一种技术中，在维修车间将燃料电池堆从车辆上卸下，从而进行空气吹扫和水冲洗，在另一种技术中，燃料电池堆保持在车辆中，合适的软管被连接到燃料电池堆，从而进行空气吹扫和水冲洗。

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于从燃料电池堆除去污染物的系统和方法，更具体地，涉及一种用于从燃料电池堆除去污染物的系统和方法，其包括用空气吹扫燃料电池堆的阴极和阳极，用水冲洗燃料电池堆的阴极和阳极，然后用空气干燥燃料电池堆的阴极和阳极。

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。氢气在阳极催化剂处分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极催化剂处反应产生水。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。阳极和阴极通常但不总是包括细分的催化剂颗粒，通常是诸如铂（Pt）的高活性催化剂，所述催化剂颗粒通常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。阳极催化剂混合物层、阴极催化剂混合物层和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物输入气体，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废气输出，所述阴极废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物输入气体。

燃料电池堆典型地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。阳极气体流场设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应物气体流向相应MEA。阴极气体流场设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应物气体流向相应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。

燃料电池内的膜需要具有足够的水含量，从而经过膜的离子阻力足够低以有效地传导质子。膜湿化可以来自于燃料电池堆水副产物或外部湿化。通过燃料电池堆流动通道的反应物流对电池膜具有干燥效应，最明显在反应物流的入口处。然而，在流动通道内的水滴积聚将防止反应物从中流过，且由于低的反应物气体流可能导致电池故障，从而影响燃料电池堆稳定性。在反应物气体流动通道内以及在气体扩散层（GDL）内的水积聚在低燃料电池堆输出负载时特别易出故障。

如上所述，水作为燃料电池堆操作的副产物产生。因而，来自于燃料电池堆的阴极废气通常包括水蒸汽和液体水。本领域已知使用水蒸汽传输（WVT）单元来捕获阴极废气中的一些水，且使用所述水来湿化阴极输入空气流。在水传输元件（如膜）的一侧处的阴极废气由水传输元件吸附且传输给水传输元件的另一侧处的阴极空气流。

在燃料电池系统中，存在引起燃料电池堆性能的永久丧失（如，催化剂活性的丧失、电池膜中的催化剂支承件腐蚀和形成针孔）的多个机制。然而，存在可能引起大致可逆的燃料电池堆电压损失以及由此的堆性能损失（如，电池膜干燥、催化剂氧化物形成以及例如阴离子、硫酸盐和乙二醇的污染物积聚在燃料电池堆的阳极和阴极两侧）的其它机制。因而，本领域需要去除氧化物形成和污染物积聚以及再次水化电池膜以恢复燃料电池堆中的电池电压损失。

对于系统湿化、性能和污染物去除来说期望潮湿燃料电池堆操作，即在高的水分量的情况下操作。然而，存在在较低水分量的情况下操作燃料电池堆的各个理由。例如，由于水积聚，潮湿燃料电池堆操作可能导致燃料电池稳定性问题，且还可能导致引起碳腐蚀的阳极隔绝氧气（anode starvation）。此外，由于在燃料电池堆的各个位置处的液体水冻结，潮湿燃料电池堆操作在冷冻状况下可能是有问题的。因而，本领域需要针对更干燥的操作状况优化的系统。

污染物会在电池中和堆中从各种源沉积和吸附在MEA电极上。这些源包括各种污染物，其会存留在进入堆的流道的氢气和空气中，来自燃料电池系统内的各种塑料部件的废气，和其自身膜的产品退化。这些污染物随时间的积累导致催化剂性能的损失，其影响堆操作。然而，很多这些污染物能够被除去，其中电池电压的损失可恢复。

2009年10月16日提交的、题为“Automated procedure for executing in-situ fuel cell stack reconditioning”、转让给本申请的受让者且作为参考并入本文的美国专利申请序列号12/580,912公开了用于再调节燃料电池堆的系统和方法，包括增加燃料电池堆的阴极侧的湿化水平以水化电池膜且在系统关闭时将氢提供给燃料电池堆的阴极侧，其中，所述系统监测再调节事件触发、再调节阈值和再调节系统检查，从而可以在车辆操作期间提供再调节过程。

通常，燃料电池堆再调节包括在相对高湿度的情况下运行燃料电池堆以从燃料电池堆去除污染物以从燃料电池堆降级恢复。然而，再调节是异常操作且将燃料电池堆暴露于潮湿操作，如果液体水终止在阳极流场且低阳极流率不能将它们吹扫出，可能引起可靠性问题。因而，应当仅在绝对必要时执行再调节。先前燃料电池堆再调节触发包括通过监测车辆行程（trip）或关键循环的数量来触发再调节。如果行程数量超过阈值，这被认为表示之后燃料电池堆电压会降级的时间，则触发再调节过程。然而，可以进行触发再调节过程的改进，从而再调节仅在必要时执行以减少异常操作状况。

发明内容

根据本发明的教导，公开了用于从燃料电池堆除去污染物的系统和方法。该方法包括将燃料电池堆的阴极和阳极暴露于空气吹扫，然后将燃料电池堆的阴极和阳极暴露于水冲洗，然后再次将燃料电池堆的阴极和阳极暴露于空气吹扫从而干燥燃料电池堆。在一种技术中，在维修车间将燃料电池堆从车辆上卸下，从而进行空气吹扫和水冲洗，在另一种技术中，燃料电池堆保持在车辆中，合适的软管被连接到燃料电池堆，从而进行空气吹扫和水冲洗。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种用于从燃料电池堆除去污染物的方法，所述方法包括：

以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧；

在已经以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧之后，以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧；以及

在已经以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧之后，以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧，从而干燥所述燃料电池堆。

2. 如方案1所述的方法，其特征在于，其还包括在以空气吹扫所述燃料电池堆之前，将所述燃料电池堆从车辆上卸下。

3. 如方案2所述的方法，其特征在于，其还包括在以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧从而干燥所述燃料电池堆之后，将所述燃料电池堆重新安装回车辆中。

4. 如方案1所述的方法，其特征在于，以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧以及以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧包括吹扫所述燃料电池堆和冲洗所述燃料电池堆同时所述燃料电池堆保持在车辆内。

5. 如方案1所述的方法，其特征在于，从所述燃料电池堆除去的污染物包括阴离子、硫酸盐和乙二醇。

6. 如方案1所述的方法，其特征在于，以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧包括使用去离子水。

7. 一种用于从车辆中的燃料电池堆除去污染物的方法，所述方法包括：

从所述车辆上卸下所述燃料电池堆；

以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧；

在已经以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧之后，以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧；

在已经以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧之后，以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧，从而干燥所述燃料电池堆；以及

将所述燃料电池堆重新安装回所述车辆中。

8. 如方案7所述的方法，其特征在于，从所述燃料电池堆除去的污染物包括阴离子、硫酸盐和乙二醇。

9. 如方案7所述的方法，其特征在于，以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧包括使用去离子水。

10. 一种用于从车辆中的燃料电池堆除去污染物的方法，所述方法包括：

当所述燃料电池堆处于所述车辆中时以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧；

在当所述燃料电池堆处于所述车辆中时已经以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧之后，以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧；以及

在当所述燃料电池堆处于所述车辆中时已经以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧之后，以空气吹扫所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧，从而干燥所述燃料电池堆。

11. 如方案10所述的方法，其特征在于，从所述燃料电池堆除去的污染物包括阴离子、硫酸盐和乙二醇。

12. 如方案10所述的方法，其特征在于，以水冲洗所述燃料电池堆的阴极侧和阳极侧包括使用去离子水。

附图说明

图1是燃料电池系统的框图；

图2是流程图，其示出了用于从燃料电池堆除去污染物的方法，其中燃料电池堆从车辆上卸下；以及

图3是用于从燃料电池堆除去污染物的方法，其中燃料电池堆保持在车辆中。

具体实施方式

本发明实施例的下面讨论涉及用于从燃料电池堆去除污染物的系统和方法，其本质上仅为示例性的并且绝不意图限制本发明或者其应用或使用。

图1是燃料电池系统10的简化框图，其包括用于车车辆的燃料电池堆12。压缩机14将气流在阴极输入线16上提供至燃料电池堆12的阴极侧，阴极废气在阴极废气线18上从燃料电池堆12输出。燃料电池堆12的阳极通过阳极输入线22从氢气源20接收氢气，阳极废气通过阳极废气线24从燃料电池堆12输出。燃料电池系统10用于展示本文所述的适用于污染物去除工艺的燃料电池系统，其包括阳极再循环系统，阳极流切换系统，等等。然而，燃料电池堆10是适用于为车辆推进提供动力的燃料电池系统。

图2是流程图30，其示出了用于从燃料电池堆12除去污染物（如阴离子、硫酸盐和乙二醇）的工艺。在框32，燃料电池堆12在适合的维修站或维修车间从车辆上卸下，其中如下所述，能够在燃料电池堆12上进行适当的空气吹扫和水冲洗。在框34，在燃料电池堆12的阴极侧和阳极侧进行空气吹扫。特别地，合适的软管、阀门和其他管件被连接到燃料电池堆12的各个阴极和阳极歧管，使得空气能够流经燃料电池堆12中的每个燃料电池内的流道，从而推动空气经过传播介质，并且与燃料电池堆12的每个燃料电池中的MEA接触。空气流与流道中、催化剂上、碳支撑表面等的各个表面上的各种污染物反应，从而通过气压强力地除去污染物，或者导致改变污染物状态的化学反应。对于被除去的具体污染物和对于任何适合的时间段，空气吹扫能够以任何适合的气压、以任何适合的空气温度进行。

接下来，适合的管件被连接到燃料电池堆12的歧管以在框36进行阴极和阳极的水冲洗，从而从燃料电池堆12内的MEA和其他表面去除额外的污染物。对于任何希望的应用和对于任何希望的时间段，水冲洗能够以任何适合的流速或流动压力、并且以任何适合的水温进行。水从流道流入燃料电池堆12中的燃料电池，从而浸透传播介质，并且冲走已经吸附到催化剂和MEA上的其支撑结构上的各种污染物。污染物溶解或悬浮于水中，并随水被冲走流经燃料电池堆12中的燃料电池。在一个非限制性实施例中，水冲洗以去离子水进行。一旦水冲洗已经将污染物去除到希望水平，则燃料电池堆12的阳极和阴极的空气吹扫在框38进行，从而干燥燃料电池堆12中的膜和其他层。然后在框40，燃料电池堆12在车辆中重新安装。

通过以此方式从MEA的有效面积除去这些污染物，由此使铂基点更可用，平均电池电压已经被显示恢复至约30mV。电池电压恢复的此工艺已经被显示等于在潮湿工作条件下数小时燃料电池堆12运行所获得的恢复。

以上对流程图30的讨论包括将燃料电池堆12从车辆上卸下。但在其他实施例中，可行的是将燃料电池堆12保持在车辆中，并仍进行空气吹扫和水冲洗。图3中的流程图50示出了此实施例，其中在框52燃料电池堆保持在车辆中并且所需软管和管道被连接到燃料电池堆歧管。该实施例可要求在空气吹扫和水冲洗线连接到燃料电池堆12之前，将各种管件（包括氢气线，冷却流体线，空气线等）与燃料电池堆12分离。如上所述，阴极和阳极空气吹扫在框54进行，阳极和阴极水冲洗在框56进行，阳极和阴极干燥空气吹扫在框58进行。然后在框60，软管和管道与燃料电池堆12分离。

上面的工艺增强了燃料电池MEA反应燃料和氧化物的能力，因为（1）更高比例的液态水能够使任何可溶污染物被冲洗掉，（2）更高水平的膜电极饱和增加了膜和电极的质子导电性，（3）潮湿条件下的电压降低导致硫酸盐（HSO₄^-）的表面覆盖减小——类似于受污染种类，其然后在随后的操作期间被冲走，（4）表面氧化物（如氧化铂（PtO）和氢氧化铂（PtOH）的减小，其暴露出更多的贵金属基点。

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。