CN101557003A - 启动期间最大化燃料电池电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及启动期间最大化燃料电池电压的方法。本发明公开了一种操作燃料电池系统的方法，该方法包括以下步骤；提供包括多个燃料电池组件的燃料电池堆，每个燃料电池组件具有置于多个燃料电池板之间的质子交换膜，其中在关闭操作期间从燃料电池系统清除水，以及，在关闭清除之后在该燃料电池系统中产生电流以产生产物水来水合所述质子交换膜。

Description

启动期间最大化燃料电池电压的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种操作燃料电池系统的方法，更具体地，涉及在可能导致燃料电池系统内的水冻结的温度，操作燃料电池系统以最优化该燃料电池系统的启动操作的方法。
背景技术
[0002]燃料电池系统在燃料电池堆(fuel cell stack)中将燃料和氧化剂转化成电。一种燃料电池系统采用质子交换膜(以下称为“proton exchange membrane，PEM”)来催化促进燃料(例如氢气)和氧化剂(例如氧气或空气)的反应，以产生电。所述PEM是固体聚合物电解质膜(solid polymer electrolyte membrane)，其在燃料电池系统的每个单独的燃料电池组件(fuel cell assembly)中促进质子从阳极转移到阴极。电极、催化剂和所述PEM组装起来形成膜电极组件(membrane electrodeassembly，MEA)。
[0003]在典型的PEM燃料电池组件中，所述MEA被置于气体扩散介质(gasdiffusion media，GDM)之间。所述GDM和MEA被置于一对导电板(plates)之间。如果所述板是双极板(bipolar plates)，则所述板在燃料电池系统中相邻的燃料电池组件之间传导电流。如果所述板是在燃料电池组件堆的末端处的单极板(unipolar plates)，则所述板向所述燃料电池组件外部传导电流。
[0004]单个的燃料电池组件包括形成于其中的通道(channels)，以便于反应物和冷却流体在其中流过。燃料电池板通常设计有盘管流动通道(serpentine flowchannels)。盘管流动通道是希望的，因为它们有效地将反应物分配在燃料电池组件的活性区域上，从而使燃料电池组件的性能和稳定性最大化。水从流动通道向燃料电池板的出口歧管(manifolds)的移动由经过燃料电池组件的反应物的流动引起。在冰点以下的条件下，PEM燃料电池系统中的水可能积聚并形成冰。PEM的反复冻结和融化可能减小所述PEM的使用寿命。另外，由于燃料电池系统中水和冰的存在，所述燃料电池系统的启动操作所需要的时间会增加。包括所述燃料电池系统的交通工具的暖机(warm-up)和开走时间(drive away time)也会增加。
[0005]一般地，在关闭操作(shutdown operation)期间，使用排水操作来移除燃料电池系统的歧管内的水。在所述排水操作之后留在所述燃料电池系统中的水可以利用关闭清除(shutdown purge)从燃料电池系统中移除。所述关闭清除可以是真空蒸发、空气清除(air purge)、反应物加湿的终止(cessation)、或本领域公知的其它类似的燃料电池组件湿度不足(humidity starvation)方法。
[0006]为了在启动操作和正常操作期间保持燃料电池系统中的高质子传导性以及低内阻，所述PEM必须保持理想的水合水平。常规的关闭清除过程通常目的是从燃料电池系统的燃料电池板流体通道、GDM、电极孔和PEM除去液体。液态水的充分去除(例如从流动通道)通常需要长清除时间，从而所述从PEM除去水分(moisture)的过程导致不希望的PEM干燥至低于所需水合水平的水平。典型的PEM将具有约为9的水合指数(λ)。所述水合指数定义为PEM中每当量磺酸基团的水摩尔数(number of moles of water per equivalent sulfonic acid group)。经过常规关闭清除操作后，PEM可能具有低于3.5的水合指数。如果PEM的水合指数小于9，则所述燃料电池组件中会发生欧姆(电压)损耗。欧姆损耗(Ohmic loss)定义为由对PEM中离子流动的阻碍以及对通过电极和双极板材料的电子流动的阻碍导致的电压降。在寒冷或冻结条件下在启动操作期间，水合指数小于9可能导致燃料电池系统中增加的欧姆(电压)损耗，从而进一步增加暖机和开走时间。
[0007]期望开发一种操作燃料电池系统的方法，以在可能导致燃料电池系统中的水冻结的温度最优化燃料电池系统的启动操作。
发明内容
[0008]和本发明协调一致，令人惊讶地发现了一种操作燃料电池系统的方法，以在可能导致燃料电池系统中的水冻结的温度最佳化燃料电池系统的启动操作。
[0009]在一个实施方案中，操作燃料电池系统的方法包括以下步骤：提供包括多个燃料电池组件的燃料电池堆，每个燃料电池组件具有置于多个燃料电池板之间的质子交换膜；在关闭操作期间从燃料电池系统中清除水；以及在关闭清除后操作所述燃料电池系统以产生产物水(product water)，其中所述产物水水合(hydrates)所述质子交换膜以在燃料电池系统启动操作期间阻碍(militate against)跨越所述燃料电池组件的欧姆损耗(Ohmic loss across the fuel cell assemblies)。
[0010]在另一个实施方案中，操作燃料电池系统的方法包括以下步骤：提供包括多个燃料电池组件的燃料电池堆，每个燃料电池组件具有置于多个燃料电池板之间的质子交换膜；在关闭操作期间从燃料电池系统中清除水；在关闭清除后通过电流操作在燃料电池系统中产生电流以在其中产生产物水，其中所产生的水水合所述质子交换膜以在燃料电池系统的启动操作期间阻碍跨越所述燃料电池组件的欧姆损耗；以及提供调节所述电流流动的装置(means)，其中响应高频响应(High Frequency Response，HFR)信号来调整所述电流。
[0011]在另一个实施方案中，操作燃料电池系统的方法包括以下步骤：提供包括多个燃料电池组件的燃料电池堆，每个燃料电池组件具有置于多个燃料电池板之间的质子交换膜；在关闭操作期间从燃料电池系统清除水；在关闭清除后通过电流操作在燃料电池系统中产生电流以在其中产生产物水，其中所产生的水水合所述质子交换膜以在燃料电池系统启动操作期间阻碍跨越所述燃料电池组件的欧姆损耗；以及提供调节所述电流的装置，其中产生所需持续时间的电流以产生所需数量的产物水，从而实现所需的所述质子交换膜的水合指数(λ)。
附图说明
[0012]结合附图进行考虑，由下述对优选实施方案的详细说明，本发明的上述的以及其它优点对于本领域技术人员将变得显而易见，附图中：
[0013]图1是根据现有技术的包括两个燃料电池组件的燃料电池堆的分解透视图；和
[0014]图2是燃料电池组件的局部截面图。
具体实施方式
[0015]以下的详细说明和附图说明并描述了本发明的多个示例性实施方案。所述说明和附图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，并不是以任何方式限制本发明的范围。对于所公开的方法，所给出的步骤实质上是示例性的，从而，所述步骤的顺序不是必要的或关键性的。
[0016]图1显示了根据现有技术的包括两个燃料电池的燃料电池系统10。然而，可以理解的是，根据需要，在燃料电池系统10中可以采用任何数量的燃料电池。所述燃料电池系统10包括由双极板16分隔的一对膜电极组件(MEA)12、14。在终端板18、20以及终端接触元件22、24之间，所述MEA 12、14和双极板16堆叠在一起。所述双极板16和终端接触元件22、24分别包括工作面26、28、30、32，用于将燃料和氧化剂(例如，分别为H2和O2)分配到MEA12、14。非传导性衬垫(nonconductive gaskets)34在燃料电池系统10的几个部件之间提供密封和电绝缘。
[0017]MEA 12、14邻近称为气体扩散介质的透气传导材料(未示出)设置。所述气体扩散介质可包括碳或石墨扩散纸。如本文中所述的那样，所述气体扩散介质粘附到MEA 12、14上。终端接触元件22、24邻近MEA 12、14的扩散介质设置。双极板16邻近在MEA 12的阳极面上的扩散介质设置，并且还邻近在MEA 14的阴极面上的气体扩散介质设置。例如，经合适的供给管道40，从氧气源38将氧气供应到燃料电池系统10的阴极侧36。例如，经合适的供给管道46，从氢气源44将氢气供应到燃料电池的阳极侧42。可选择的，可以将环境空气提供给阴极侧作为氧气源并且从甲醇或汽油转化器(reformer)等将氢气提供给阳极。还提供用于MEA 12、14的阳极侧42和阴极侧36的排出管道(未示出)。提供另外的管道48、50、52用于向双极板16和终端板18、20提供液态冷却剂。还提供用于从双极板16和终端板18、20排出冷却剂的合适的管道(未示出)。
[0018]然后参见图2，示出了PEM燃料电池组件54。所述燃料电池组件54包括第一双极板56、第二双极板58以及膜电极组件(MEA)12。MEA 12置于扩散介质60之间。
[0019]MEA 12包括置于两个催化剂层64之间的质子交换膜(PEM)62。PEM 62是薄的、固体聚合物膜-电解质，但是，根据需要，可以是任何常规的PEM 62。在所示出的实施方案中，所述催化剂层64由负载在高结构(high-structure)碳上的铂形成，但是可以是任何常规的催化剂，例如铂-钌催化剂。可以理解的是，MEA12可以包括微孔层(未示出)，用于燃料电池组件54中增加的电流密度以及水管理。
[0020]所述扩散介质60包括第一侧66和第二侧68。扩散介质60之一置于MEA12和所述第一双极板56之间，并且扩散介质60的另外一个置于MEA 12和所述第二双极板58之间。
[0021]在使用中，经管道46将氢气从氢气源44供应到燃料电池系统10的终端接触元件24和双极板16的阳极侧42。经管道40将作为氧化剂的氧气从氧气源38供应到终端接触元件22和双极板16的阴极侧36。可选择的，可将环境空气供应到阴极侧36作为氧化剂并且可以从甲醇或汽油转化器将氢气供应到阳极侧42。在阳极侧42，氢气被催化分裂成质子和电子。所形成的质子穿透PEM 62到达阴极侧36。电子沿着外部负荷电路(未示出)移动到达MEA 12的阴极侧36，这样，产生燃料电池系统10的电流输出。同时，氧气流被输送到MEA 12的阴极侧36。在阴极侧36，氧气分子与穿过PEM 62的质子以及经外部电路到达的电子反应以形成产物水。当暴露于低于其冰点的温度时水容易冻结。
[0022]在燃料电池系统10的关闭操作期间，可以执行清除操作以除去通道水、水栓(water slugs)、和来自MEA 12的残余水，并阻碍低于冰点的条件下冰的形成。当MEA 12被干燥时，PEM 62也被干燥。所述PEM可到达基本接近3.5的水合指数(λ)，其中所述水合指数定义为PEM中每当量磺酸基团(SO3-)水的摩尔数。当环境温度为-20摄氏度并且水合指数等于或大于9时，PEM 62被认为是充分水合的。可以理解的是，在低于-20摄氏度的环境温度，PEM 62的充分水合由更低的水合指数(即，λ等于或大于6)指示，并且在高于-20摄氏度的环境温度，PEM 62的充分水合由更高的水合指数(即，λ等于或大于10)指示。对于所述PEM 62当水合指数低于9时，水合不充分。当将PEM 62干燥到水合指数实质低于9时，可能发生不希望的欧姆(电压)损耗。在接近或低于水的冰点的温度，在启动操作期间欧姆损耗可能增加。
[0023]为了抵消(counteract)不充分的水合并阻碍欧姆损耗，在清除操作后在燃料电池系统10中产生电流。通过简单地操作(briefly operating)所述燃料电池系统10来产生所述电流。该简单操作(brief operation)称为电流操作。执行所述电流操作以在燃料电池系统10中产生所需数量的产物水来水合PEM 62。在清除操作后水合PEM 62在启动期间阻碍欧姆损耗。所述所需数量的产物水是这样的量，其足以将PEM 62水合到所需的水合指数，而不产生产物水至其中所述水溢出进入催化剂层64的程度。已经获得有利的结果，其中燃料电池系统10中产生的电流具有等于或小于0.12A/cm2的电流密度，但是按照需要也可以使用其它的电流密度。例如，在0.02A/cm2的电流密度需要230秒的持续时间来充分水合PEM 62的情况下，在相似条件下，0.05A/cm2的电流密度需要92秒的持续时间来充分水合PEM 62。在所述电流密度低的情况下，所述电流操作的持续时间更长以再水合PEM 62。但是，如果电流密度太高，PEM将无法和水被产生一样快的来吸收产物水，所述水会溢出进入催化剂层，抵消所述清除带来的好处。所述电流操作的电流密度不应大于PEM可以吸收产物水的速率。PEM可以吸收水的速率依赖于PEM的性质，例如，当量(equivalent weight，EW)、催化剂负载量(catalyst loading)和电极组成(electrode composition)。评估PEM性质的特定组合并由此调整电流密度。
[0024]可以调整电流操作的持续时间以产生所需数量的产物水，其中电流的调整包括量值(magnitude)的增加、量值的减小、恒定量值以及电流流动的停止。所述持续时间可以预先确定，或者，可以响应例如高频响应(HFR)信号来调整所述持续时间。如图2所示，使频率响应系统70适应于测量燃料电池组件54的HFR。本公开的频率响应系统可以是任何公知的适于测量燃料电池系统或燃料电池部件的HFR的设备，例如频率响应分析器(frequency response analyzer)。HFR在于当AC信号被施加到电负载(electronic load)以调制DC负载电流时，测量燃料电池系统10的电阻抗(electrical impedance)的变化。所述AC信号一般产生于大约1kHz的特定频率。然而，可以理解的是，所述AC信号可以在一定频率范围之内变化。由频率响应系统70测量所得到的AC电压和电流响应的量值和相位。这组信号之间的振幅和相位关系将产生非常多种的分析结果，例如总阻抗量值(overall impedance magnitude)。
[0025]所述频率响应系统70适应于测量跨越燃料电池系统10的至少一个PEM62的HFR。作为一个无限定作用的实例，所述频率响应系统70与燃料电池系统10的一个或多个燃料电池组件54独立电连接。所述频率响应系统70适应于测量跨越整个燃料电池系统10的至少一部分的HFR。如所说明的那样，所述频率响应系统70显示出与催化剂层64电连接。本领域技术人员应理解，可以根据需要选择其它的频率响应系统70的配置，用于测量燃料电池系统10的HFR。
[0026]在预先确定在电流操作期间所产生的电流的持续时间的情况下，将根据电流操作的所述持续时间产生电流以将PEM 62水合到所需的水合指数。例如，如果PEM 62的水合指数为3.5并且电流操作期间的电流密度为0.02A/cm2持续230秒，那么在电流操作停止之前，PEM 62水合PEM 62230秒的时间。可以理解的是，可以通过任何常规方式例如手工操作和控制器来调整电流的持续时间。
[0027]在响应高频响应(HFR)信号调整电流的持续时间的情况下，当AC信号被施加到电负载以调制DC负载电流时，测量燃料电池系统10的电阻抗的变化。HFR信号通过频率响应系统70测量并由操作者(operator)进行分析。随着PEM 62水合的增加，HFR值减小。在电流操作期间电流的持续时间一直持续直到达到所需的HFR值变化，表明PEM 62已经达到基本接近9的水合指数或者达到所需水合。可以理解的是，频率响应系统70可以包括适应于响应所述HFR信号而调节所述电流的控制器。通过将PEM 62水合至基本接近9的水合指数，使得在启动操作期间，尤其是在寒冷或冰冻条件下，所遇到的燃料电池系统10中的欧姆损耗被最小化。因此，发电(power generation)被最大化，并且暖机时间和达到开走功率的时间被最小化。
[0028]根据上述说明，本领域技术人员能够容易地确定本发明的本质特征，而且在不偏离本发明的精神和范围的情况下，能够对本发明做出各种变化和修改以使其适应于各种用途和条件。

Claims (20)

1.操作燃料电池系统的方法，该方法包括以下步骤：
提供燃料电池堆，其包括多个燃料电池组件，每个燃料电池组件具有置于多个燃料电池板之间的质子交换膜；
在关闭操作期间从该燃料电池系统中清除水；以及
在所述关闭清除之后，操作该燃料电池系统以产生产物水，其中所述产物水水合所述质子交换膜以在该燃料电池系统的启动操作期间阻碍跨越所述燃料电池组件的欧姆损耗。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括使用水合指数测量所述质子交换膜的水合的步骤。
3.根据权利要求2的方法，其中一直产生电流直到测量到所述质子交换膜的所希望的水合指数。
4.根据权利要求3的方法，其中该所希望的水合指数在-20摄氏度温度为约9。
5.根据权利要求1的方法，其中所产生的电流的电流密度小于0.12A/cm2。
6.根据权利要求5的方法，其中在电流操作期间所产生的电流的电流密度为0.02A/cm2至0.05A/cm2。
7.根据权利要求1的方法，其中产生预定持续时间的电流以产生所需数量的产物水。
8.根据权利要求1的方法，其中响应指示所述质子交换膜的水合的高频响应(HFR)信号调节所产生的电流。
9.根据权利要求8的方法，其中一直产生所述电流直到达到所需的指示所述质子交换膜的水合的HFR信号。
10.操作燃料电池系统的方法，该方法包括以下步骤：
提供燃料电池堆，其包括多个燃料电池组件，每个燃料电池组件具有置于多个燃料电池板之间的质子交换膜；
在关闭操作期间从该燃料电池系统中清除水；
在该关闭清除之后利用电流操作在该燃料电池系统中产生电流以在其中产生产物水，其中所产生的水水合所述质子交换膜以在该燃料电池系统的启动操作期间阻碍跨越所述燃料电池组件的欧姆损耗；以及
提供调节电流流动的装置，其中响应高频响应(HFR)信号调节该电流。
11.根据权利要求10的方法，进一步包括使用水合指数测量所述质子交换膜的水合的步骤。
12.根据权利要求11的方法，其中一直产生电流直到测量到所述质子交换膜的所希望的水合指数。
13.根据权利要求12的方法，其中该所希望的水合指数在-20摄氏度温度为约9。
14.根据权利要求10的方法，其中所产生的电流的电流密度小于0.12A/cm2。
15.根据权利要求14的方法，其中所产生的电流的电流密度为0.02A/cm2至0.05A/cm2。
16.根据权利要求10的方法，其中产生所需持续时间的电流以产生指示所述燃料电池膜的水合的HFR信号。
17.操作燃料电池系统的方法，该方法包括以下步骤：
提供燃料电池堆，其包括多个燃料电池组件，每个燃料电池组件具有置于多个燃料电池板之间的质子交换膜；
在关闭操作期间从该燃料电池系统中清除水；
在该关闭清除之后利用电流操作在该燃料电池系统中产生电流以在其中产生产物水，其中所产生的水水合所述质子交换膜以在该燃料电池系统的启动操作期间阻碍跨越所述燃料电池组件的欧姆损耗；以及
提供调节该电流的装置，其中产生所需持续时间的所述电流以产生所需数量的产物水以实现质子交换膜的所需的水合指数(λ)。
18.根据权利要求17的方法，进一步包括使用水合指数测量所述质子交换膜的水合的步骤。
19.根据权利要求18的方法，其中一直产生电流直到测量到所述质子交换膜的所希望的水合指数。
20.根据权利要求19的方法，其中该所希望的水合指数在-20摄氏度温度为约9。
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