CN101340004A - 加速激活燃料电池的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于加速激活燃料电池的设备和方法。该设备包括燃料电池电堆；空气供应装置，其通过质量流量控制器和加湿器连接到燃料电池电堆的阴极催化剂侧；氢供应装置，其通过质量流量控制器和加湿器连接到燃料电池电堆的阳极催化剂侧；和电缆，其连接到燃料电池电堆两端以使阴极和阳极短路。

Description

加速激活燃料电池的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种加速激活燃料电池的设备和方法，其可以稳定、快速地确保较高的电堆性能(stack performance)，同时明显提高了聚合物电解质膜燃料电池的性能，减少了用于激活的氢的用量，并简化了设备的结构。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池与其它类型的燃料电池相比，具有高效、高电流强度、高输出强度、较短启动时间和对负载变化的较快响应等特征。
特别地，聚合物电解质膜燃料电池对反应物气体的压力变化不敏感，并具有不同范围的输出量。对于以上优点，聚合物电解质膜燃料电池已应用在各种工业领域中作为例如零排放汽车(zero emissionvehicle)、私人发电站(private power station)、军事用途等的电源。
聚合物电解质膜燃料电池利用氢与氧之间的电化学反应产生水和热量。供应的氢利用阳极的催化剂被分解成氢离子和电子。被分解的氢离子通过电解质膜转移到阴极。
此时，被供应到阴极的氧与通过外部导线转移到阴极的电子结合以产生电能并产生水。在此情况下，理想的电势大约为1.3伏，并可以通过下列化学反应式来表示：
阳极：H2→2H++2e-
阴极：1/2O2+2H++2e-→H2O
在单元电池中因电化学反应所产生的热量可由下列公式表示：
Q＝I×(1.23-V)
其中Q表示产生的热值，I表示电流容量，V表示产生电压的平均值。
为使汽车得到必要的电势，必须将单个单元电池堆叠起来直到达到需要的电势为止。堆叠电池的单元称作电堆(即，燃料电池电堆(fuelcell stack))。图1示出燃料电池电堆的配置。
图1的燃料电池电堆被制成以使单元电池通过使用联轴套(coupling band)108和螺栓109装配有电流收集板104、绝缘板105和具有高压端子107的连接板106。在此，单元电池包括膜电极组(MEA)100，其包括用来转移氢质子的电解质膜，涂布在电解质膜两侧上以使氢和氧发生反应的催化剂层(阴极和阳极)，气体扩散层(GDL)102，和用于供应燃料并排出氢和氧之间发生电化学反应所产生的水的分离器103。
在基本上具有上述配置的燃料电池电堆中，为阳极提供氢，为阴极提供氧，以便在那里发生电化学反应，产生高效的电能和水。即，因燃料电池催化剂层中的反应气体而发生电化学反应，产生的氢离子通过催化剂层的电解质和电解质膜移动，电子通过催化剂层、气体扩散层和分离器移动到发电设备中。
特别地，通过电解质或者电解质膜移动的氢离子穿过电解质膜中存在的水，因此催化剂层和电解质膜中的电解质必须充分含水以使燃料电池具有更好的性能，并且反应气体必须顺畅地到达用于电化学反应的催化剂层。
在这种燃料电池电堆中，诸如阴极和阳极的电极是通过将诸如nafion的氢离子载体和诸如铂的催化剂相结合形成的催化剂层。这种燃料电池电堆由于在制造燃料电池的初始驱动阶段发生电化学反应，导致可能会变得较少被激活。其原因如下：
首先，由于反应通道受阻，所以反应不能到达催化剂。
其次，利用催化剂形成三相界面的诸如nafion的氢离子载体，在初始驱动阶段不容易含水。
最后，不能确保氢离子和电子的连续移动。
基于以上原因，需要激活过程来确保燃料电池在装配之后的性能达到最大程度。
激活过程，即通常所说的预调节过程或者接入过程(break-inprocess)的目的，在于激活非反应性催化剂以使电解质膜和电极中含有的电解质充分水合，因而可以确保氢离子通道。
在装配燃料电池之后，执行激活过程以使燃料电池达到其最大性能。而激活过程根据驱动条件需要花费几个小时或几天时间。例如，由于不恰当的激活过程，燃料电池可能在不能达到其最大性能的状态下被驱动。
如上所述，不恰当的激活过程会减少燃料电池的生产能力并增大氢的用量，因而会增大电堆成本并降低电堆性能。
燃料电池制造商已提出各种用来激活燃料电池的方法。典型的激活方法是在特定电压下长时间驱动燃料电池。
例如，在转让给AISIN SEIKI Co.Ltd.的日本专利申请号2003-143126中公开了一种固态聚合物燃料电池的激活方法。根据日本专利申请号2003-143126所述，将燃料电池电堆长时间暴露在低压下，以便甚至激活不再提高其电堆性能的部分。然而在这种情况下存在一个缺点，即即使激活过程比较简单，燃料电池达到其最大性能也需要花费较长的时间。
根据另一种常规方法，在已转让给本发明受让人的韩国专利申请号2005-0120743中公开了一种使用阶跃电压驱动来激活聚合物电解质膜燃料电池的方法。根据韩国专利申请号2005-0120743中所述，在高驱动温度(70℃)、100％相对湿度(RH)条件下，将从开路电压(OCV)(1分钟)到0.4伏(5分钟)的电压周期提供给电堆(参见图3)，由此将燃料电池的激活时间减少到约3小时内。然而在此情况下存在一个问题，如果在制造电堆之后获得最大输出的时间较长，则可能会降低时间效率，由于在驱动过程中会过量消耗氢和氧，所以可能会减少并降低价格竞争力。
上述在发明背景部分公开的信息只是为了加强对本发明背景的理解，因此可以获得的信息并不构成本领域普通技术人员在本国已知的现有技术。
发明内容
本发明已经努力解决现有技术中的上述问题。本发明的一个目的在于提供用于加速激活燃料电池的设备和方法，其中，稳定快速地确保较高的电堆性能，同时显著提高聚合物电解质膜燃料电池的性能。本发明的另一个目的在于提供用于加速激活燃料电池的设备和方法，其可以减少激活过程中的氢的用量。本发明的再一目的在于提供具有简化结构的激活设备。
本发明一方面提供一种用于加速激活燃料电池的设备，包括：燃料电池电堆；空气供应装置，其通过质量流量控制器和加湿器连接到燃料电池电堆的阴极催化剂侧；氢供应装置，其通过质量流量控制器和加湿器连接到燃料电池电堆的阳极催化剂侧；恒温器，其用于循环供应给燃料电池电堆的冷却水；和电缆，其连接到燃料电池电堆两端以使阴极和阳极短路。
本发明的另一方面提供一种用于加速激活燃料电池的设备，包括：燃料电池电堆；空气供应装置，其通过质量流量控制器和加湿器连接到燃料电池电堆的阴极催化剂侧；氢循环风机，其连接到燃料电池电堆的氢出口侧；氢供应装置，其通过低压调节器连接到燃料电池电堆的阳极催化剂侧；氢排气阀，其连接到燃料电池电堆的氢通道上以排出氢通道中积累的水；恒温器，其用于循环供应给燃料电池电堆的冷却水；和电缆，其连接到燃料电池电堆两端以使阴极和阳极短路。
本发明的又一方面提供一种用于加速激活燃料电池的方法，包括以下步骤：(a)将燃料电池电堆安装到激活设备上；(b)将电缆连接到燃料电池电堆的两端以使阴极和阳极短路；(c)向燃料电池电堆供应循环冷却水的同时供应反应气体以由此开始激活燃料电池电堆；和(d)调节供应给燃料电池电堆反应气体的流速。
在一个优选实施方式中，在步骤(c)中，当阴极和阳极通过电缆短路时，电缆的电流值依赖于反应气体(氢和氧)的流速，并表示为电堆的最大电流值，其中电堆电压为大约0伏。
在另一个优选实施方式中，在步骤(c)中，当电堆电压降低到大约0伏时，电堆热值具有最大值，因而冷却水从恒温器供应到电堆。
在另一个优选实施方式中，在步骤(d)中，以基于电流强度所确定的低流速到高流速反复供给反应气体。
在又一个优选实施方式中，该方法还可包括以下步骤：在开始激活燃料电池之后，如果某个电池电压逐渐降低并且具有低于0伏反向电压的时间持续超过参考时间，则调节低流速和高流速的时间，以便将具有反向电压的时间减少到参考时间内的时间。
在又一个优选实施方式中，该方法还可包括以下步骤：如果在燃料电池开始激活之后因缺乏氧而产生反向电压，则调节负载同时减小空气流速以将电池电压保持在高于0伏。
在又一个优选实施方式中，该方法还可包括以下步骤：在开始激活燃料电池之后，将氢供应装置供应的干燥氢气与在供应燃料电池电堆之前利用循环风机排出到燃料电池电堆氢出口侧的水进行混合的步骤。
在又一个优选实施方式中，该方法还可包括：通过氢排气阀将积累在燃料电池电堆的氢通道内的水周期性地排出。
应该理解在此使用的术语“汽车”或者“汽车的”或其它类似术语，是包含广义的机动车，例如包括运动型多功能汽车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车在内的载客车辆，包括各种船艇在内的船舶，和空中飞行器等等。本设备和方法将特别应用于广泛的机动车上。
下文中将讨论本发明的其它方面。
附图说明
参考某些示例性实施方式并结合附图，描述本发明的上述和其它特征，其中：
图1是表示典型燃料电池电堆的立体图；
图2是根据本发明一个优选实施方式所述的燃料电池激活设备的方框图；
图3是表示常规燃料电池激活方法的曲线图；
图4是表示根据本发明的基于电流强度来调节反应气体流速的优选实施方式所述的用于加速激活燃料电池的方法的曲线图；
图5是表示常规燃料电池激活方法与本发明燃料电池激活方法的性能比较结果的曲线图；以及
图6是表示根据本发明另一个优选实施方式所述的燃料电池激活设备的方框图。
具体实施方式
现参考附图中示出的实施例以对本发明的实施方式进行详述，其中相同的附图标记表示全文中相同的部件。以下通过参考附图描述实施方式来说明本发明。
根据本发明的实施方式，燃料电池电堆的阴极和阳极是短路的，然后反复进行加速激活过程，由此可以快速完成(在30分钟内)用于改进燃料电池性能的加速激活过程。
如上所述，本发明一方面提供一种用于加速激活燃料电池的设备，包括：燃料电池电堆；通过质量流量控制器和加湿器连接到燃料电池电堆的阴极催化剂侧的空气供应装置；通过质量流量控制器和加湿器连接到燃料电池电堆的阳极催化剂侧的氢供应装置；以及连接到燃料电池电堆两端用于使阴极和阳极短路的电缆。下面参考图2描述本发明的一种实施方式的用于加速激活燃料电池的方法。
首先，将燃料电池电堆10安装在激活设备上。
接着，燃料电池电堆10连接到激活设备的气管上以提供气体，并连接到恒温器12上以冷却电堆。燃料电池电堆10的阳极催化剂侧通过质量流量控制器(MFC)14和加湿器16连接到氢供应装置20上，并且燃料电池电堆10的阴极催化剂侧通过质量流量控制器14和加湿器16连接到空气供应装置18上。电缆22连接到电堆两端以使燃料电池电堆10的阴极和阳极短路。
随后，在供应循环冷却水的同时反应气体被提供到燃料电池电堆10的内部，由此开始加速激活燃料电池。
也就是说，由于聚合物电解质膜燃料电池由氢与氧之间的电化学反应而产生水和电能，所以被供给的氢在阳极催化剂作用下分解成氢离子和电子，分解的氢离子通过电解质膜被转移到阴极。
此时，由于阴极和阳极是短路的，所以用于使阴极和阳极短路的电缆22中的电流值依赖于反应气体(氢和空气)的流速，并且表示电堆的最大电流值。同时，电堆电压保持在0伏左右。
如果电堆电压降到0伏左右，则根据上述数学公式电堆热值具有最大值。
更具体地说，如果在燃料电池电堆加速激活时电堆电压为大约0伏，则电堆热值变成接近最大值的值。如果在电堆激活过程中没有设置冷却系统，则电堆驱动温度因电堆本身的热值而可能会陡然升高几十度，导致正在被驱动的燃料电池损坏。因此，在根据本发明的加速激活过程中用来保持电堆驱动温度的冷却系统是必需的。
为此，为了通过利用冷却系统来保持电堆驱动温度，提供冷却水以使其从恒温器12到电堆10进行循环并返回。
最后，调节反应气体的流速。
根据电流强度提供反应气体，且该值是可变的。
例如，如果基于电流强度将气体流速从低流速(在一分钟中)向高流速(在三分钟中)调节，则如图4的曲线图所示在完成激活过程之前可以反复进行例如七次(在大约30分钟内)。
供应低流速反应气体的原因在于在初始激活阶段使电堆稳定，并防止电解质膜和催化剂层因较高的电堆热值而部分受损。
另一方面，供应高流速反应气体的原因在于诱发电堆内的反应全容量执行，以便快速地激活电解质膜和催化剂层，以防止在电化学反应过程中气体在反应区域内局部不足，并确保反应物的反应通道。
为此，如果在加速激活过程中以具有最大电流值的2.0/2.0的化学计量比提供气体，则其为最稳定的流速。由电化学反应产生的大量水可以通过以2.0/2.0化学计量比提供的过量气体轻易地排出，因此可以容易地确保反应气体的通道，并可保持燃料电池的水合状态。
同时，在利用本发明上述的三步激活过程加速激活燃料电池电堆时，由于阴极和阳极是短路的，所以电堆的每个电池电压可以部分地具有反向电压。
本领域普通技术人员都知道，当电池处于大约-0.8伏20分钟时，不会影响电池性能。然而，为了使特定电池的电压具有低于0伏的反向电压，则必须减少驱动循环周期以稳定电池激活。
本发明的实施方式提供两种方法来防止反向电压的出现。
首先，如果在开始激活燃料电池之后，某个电池电压逐渐降低，并且具有低于0伏的反向电压的时间持续超过作为参考时间的30秒钟，则循环周期改变以执行具有反向电压的时间减少到30秒钟内的激活过程。例如，具有反向电压的时间可以减少到30秒钟以内以使低流速的时间被调节以减少到30秒钟，而高流速的时间被调节以减少到一分钟。
其次，可以通过减少流速和调节负载来防止反向电压。具体地，可能因激活过程中燃料不足而产生反向电压，其中空气侧电极的碳载体(carbon support)可能被侵蚀。为了防止空气侧电极被侵蚀，例如可以在减小空气流速的同时调节负载，将电池电压保持在高于0伏的电压。
如图5的曲线图所示，在韩国专利申请号2005-120743中公开的常规激活方法和本发明实施方式所述的方法具有相似性能，而本方法与常规方法相比在高电流强度上具有更优良的电堆性能。
如上所述，本发明的另一方面提供一种用来加速激活燃料电池的设备，该设备包括氢循环风机和氢排气阀。下面参考图6描述本发明另一优选实施方式的用来加速激活燃料电池的方法。
与图1所述的装置类似，图6的装置包括使电堆10的阴极和阳极短路的电缆22，连接到电堆10上的恒温器12作为用来冷却电堆10的冷却系统。
然而在本实施方式中，通过使用循环风机24来执行激活过程以尽可能减少氢的用量。
循环风机24连接到氢出口侧以再利用氢，借此总可以保持大约1.0的氢的用量。利用这种配置，不需要使用氢质量流量控制器14和加湿器16。
此外，在激活燃料电池时，通过利用循环风机24将排出到氢出口侧的水与干燥氢气混合，并将它们供应到电堆10。因此，不需要单独的加湿器。可以通过使用低压力调节器26的压力调节来提供干燥氢气。
在该实施方式中，首先在使用氢循环风机24的加速激活之前，将完全加湿的空气提供给电堆10大约5分钟，以防止氢侧电极在氢侧在初始激活阶段为干燥的状态下由于电流的产生而被损坏。
氢侧出口需要通过利用氢排出阀28周期性地排水以排出氢通道中积累的大量水。
以与图2所示设备相似或相同的方式执行该设备的加速激活方法，在此省略对其的详细描述。
同时，根据本发明，在完成燃料电池电堆的激活过程之后，有必要去除使电堆的阴极和阳极发生短路的电缆。
即，在去除电缆之前，流动过程对于去除因剩余气体造成的电堆的高压是必要的。
在燃料电池加速激活过程末期，以最小流速恒定提供氢，同时停止供应空气。当每个电池电压具有小于0.1伏电压时，停止氢的供应。
因此，由于在激活过程末期去除空气侧的氧，所以可以安全地去除电缆并同时抑制通过形成氢/氧界面而造成的空气侧碳载体的侵蚀的可能性。
根据本发明的设备和方法具有以下优点：
1)由于在供应反应气体之前阴极和阳极直接发生短路，所以电堆电压降低到大约0伏，并且可以快速激活电解质膜和催化剂层。
2)与常规激活方法相比，激活燃料电池的时间减少十分之一(1/10)，借此提高电堆生产能力。
3)在激活小型/大型单元电池电堆以便评估物理性能过程中，可以使用电堆连接部件本身的冷却热值，因而不需要用于维持激活过程中电堆温度的单个冷却系统。
4)在由电缆而使阴极和阳极发生短路的状态下执行激活过程，可以替换比较昂贵的电堆组件，产生低价激活设备。
5)在使用氢循环风机时(即，在不使用高价氢侧质量流量控制器和氢侧加湿器时)，可以进一步减少制造成本。
6)常规方法的氢的用量为1.200L/电池，而本方法的氢的用量为300L/电池，意味着氢的用量可以减少到小于四分之一(1/4)，因而可以降低电堆的制造成本。
7)在使用氢循环风机时，可以将氢的用量进一步减少到大约二分之一(1/2)，因而可以明显降低电堆的制造成本。
8)因此，可以快速、稳定地提高燃料电池电堆的性能，还可以明显提高聚合物电解质膜燃料电池的综合性能。
尽管已经参考某些典型实施方式详细描述了本发明，然而本领域技术人员应该理解在不脱离本发明原理和精神的范围内还可以对本发明进行各种修改和变形，本发明的保护范围由权利要求及其等效物来限定。

Claims (10)

1.一种用于加速激活燃料电池的设备，包括：
燃料电池电堆；
空气供应装置，其通过质量流量控制器和加湿器被连接到所述燃料电池电堆的阴极催化剂侧；
氢供应装置，其通过质量流量控制器和加湿器被连接到所述燃料电池电堆的阳极催化剂侧；
恒温器，其用于循环被供应给所述燃料电池电堆的冷却水；以及
电缆，其被连接到所述燃料电池电堆的两端以用于使阴极和阳极短路。
2.一种用于加速激活燃料电池的设备，包括：
燃料电池电堆；
空气供应装置，其通过质量流量控制器和加湿器被连接到所述燃料电池电堆的阴极催化剂侧；
氢循环风机，其被连接到所述燃料电池电堆的氢出口侧；
氢供应装置，其通过低压力调节器被连接到所述燃料电池电堆的阳极催化剂侧；
氢排气阀，其被连接到所述燃料电池电堆的氢通道以排出在所述氢通道中积累的水；
恒温器，其用于循环被供应给所述燃料电池电堆的冷却水；以及
电缆，其被连接到所述燃料电池电堆两端以使阴极和阳极短路。
3.一种用于加速激活燃料电池的方法，包括以下步骤：
(a)将燃料电池电堆安装到激活装置上；
(b)将电缆连接到所述燃料电池电堆的两端以使阴极和阳极短路；
(c)在向所述燃料电池电堆供应循环冷却水的同时供应反应气体，由此开始激活所述燃料电池电堆；和
(d)调节供应给所述燃料电池电堆的所述反应气体的流速。
4.如权利要求3所述的方法，其中在步骤(c)中，当阴极和阳极通过所述电缆被短路时，所述电缆的电流值依赖于所述反应气体(氢和氧)的流速，并表示所述电堆的最大电流值，其中电堆电压大约为0伏。
5.如权利要求3所述的方法，其中在步骤(c)中，当所述电堆电压降低到大约0伏时，电堆热值具有最大值，并且冷却水从恒温器供应到所述电堆。
6.如权利要求3所述的方法，其中在步骤(d)中，基于电流强度以低流速和高流速反复供给所述反应气体。
7.如权利要求3所述的方法，还包括在开始激活所述燃料电池之后，如果某电池电压逐渐降低并且具有低于0伏的反向电压的时间持续超过参考时间，则调节低流速的时间和高流速的时间，以便由此将具有反向电压的时间减少到所述参考时间以内。
8.如权利要求3所述的方法，还包括如果在所述燃料电池开始激活之后由于氧气缺乏而产生反向电压，则调节负载同时减小空气流速，由此将电池电压保持在高于0伏。
9.如权利要求3所述的方法，还包括在所述燃料电池开始激活之后，在将混合物供应到所述燃料电池电堆之前将氢供应装置供应的干燥氢气与利用循环风机排出到所述燃料电池电堆的氢出口侧的水进行混合。
10.如权利要求3所述的方法，还包括通过氢排气阀将积累在所述燃料电池电堆的氢通道内的水周期性地排出。
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