CN101752588A - 燃料电池系统及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其驱动方法。根据本发明实施例的燃料电池的驱动方法包括以下步骤：在持续地将燃料供应到燃料电池堆的同时，将第一量的氧化剂(比正常量的氧化剂少)供应到燃料电池堆；将第二量的氧化剂(比正常量多)供应到燃料电池堆；将第三量的氧化剂(在正常驱动状态下供应的正常量的氧化剂)供应到燃料电池堆。

Description

燃料电池系统及其驱动方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其驱动方法。更具体地说，本发明涉及一种用于使阴极催化剂还原并容易去除燃料电池内部产生的反应物和未反应物的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是利用燃料(例如氢或重整气)和氧化剂(例如氧或空气)以电化学方式产生电功率的装置。即，燃料电池从外部装置连续地接收燃料(例如氢或重整气)和氧化剂(例如氧或空气)，并将燃料和氧化剂通过电化学反应直接转换为电能。
纯氧或富氧空气(即，含大量氧的空气)被用作燃料电池的氧化剂，纯氢或富氢燃料(即，含大量氢的燃料)被用作燃料。富氢燃料可以是通过重整碳化氢燃料(例如液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)和CH3OH)来生产的燃料。
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池系统的一个示例。PEMFC具有高输出强度和高能量转换效率，并且在低温(例如80℃以下)下可操作。另外，PEMFC能够缩小尺寸、能够关闭并且能够密封。因此，PEMFC通常可以在许多领域(例如，电动车、家用功率发生器、移动通信设备、军事设备和医用设备)中用作电源。
PEMFC包括用于从燃料产生包含大量氢的重整气的重整器，以及用于从重整气产生电功率的燃料电池堆(fuel cell stack)。燃料电池堆接收氧和重整气，并通过氧和氢的反应来产生电功率。
以高驱动电压驱动PEMFC，能够减少燃料的使用，使得驱动效率高。然而，PEMFC的高电压驱动导致燃料电池堆中的阴极被氧化，从而使阴极催化剂活性劣化。在燃料电池堆的阴极中通常使用碳负载铂催化剂(即，碳颗粒中负载有铂颗粒)作为阴极催化剂。当氧化剂被供应给燃料电池堆时，在阴极催化剂上形成氧化膜。该氧化膜使催化剂活性劣化，并且氧化剂使碳粒子在驱动时氧化。
另外，在反应过程中产生未反应物。如果不去除未反应物，则未反应物堵塞堆的通道。结果，会产生淹没问题(flooding problem)。淹没问题是燃料电池堆的寿命缩短的主要原因。
提出该背景技术部分中公开的上述信息仅仅是为了增加对本发明的理解，因此，它可包括未形成为本领域普通技术人员已知的现有技术的部分的信息。
发明内容
根据本发明的实施例，燃料电池系统及其驱动方法通过同时抑制燃料电池堆的劣化并容易地去除未反应物实现了改善了的寿命。
在本发明的一个示例性实施例中，一种驱动燃料电池系统的方法包括以下步骤：在持续地将燃料供应到燃料电池堆的同时，将第一量的氧化剂(比正常量的氧化剂少)供应到燃料电池堆；将第二量的氧化剂(比正常量的氧化剂多)供应到燃料电池堆；将第三量的氧化剂(正常量)供应到燃料电池堆。如在此使用的，氧化剂的“正常量”指的是在正常驱动状态下供应的氧化剂的量，该正常量可根据采用的燃料电池的类型及其容量而改变(这是本领域所公知的)。
在供应第一量的氧化剂的同时，燃料电池堆的电压可降低至在阴极内部形成还原气氛的还原电压。还原电压可以从大约0.5V至0.0V。
供应到燃料电池堆的第一量的氧化剂可以是第三量(即，正常量)的大约75％至大约85％。第一量的氧化剂可被供应大约2秒至大约5秒的时间段。第二量的氧化剂可以是第三量的大约120％至大约150％。第二量的氧化剂可被供应大约2秒至大约5秒的时间段。在供应第二量的氧化剂过程中，可去除残留在燃料电池堆中的未反应物和反应物。
燃料电池系统还可包括用来控制氧化剂的供应的氧化剂泵或氧化剂控制阀。
根据本发明的另一示例性实施例，一种燃料电池系统包括膜电极组件、燃料电池堆、燃料供应单元、氧化剂供应单元和控制器。膜电极组件包括电解质膜、在电解质膜一侧的阴极和在电解质膜另一侧的阳极。燃料电池堆包括多个功率发生器，功率发生器具有在膜电极组件的两侧的分隔件。燃料供应单元将燃料供应到燃料电池堆，氧化剂供应单元将氧化剂供应到燃料电池堆。控制器控制燃料电池系统的组成元件，以顺序地将第一量的氧化剂供应到燃料电池堆、将第二量的氧化剂供应到燃料电池堆、将第三量的氧化剂供应到燃料电池堆。第一量的氧化剂是量比正常量的氧化剂少的氧化剂，第二量的氧化剂是量比正常量的氧化剂多的氧化剂，第三量的氧化剂是正常量的氧化剂。如上所述，氧化剂的“正常量”指的是在正常驱动状态下供应的氧化剂的量。
控制器可将是第三(正常)量的大约75％至大约85％的第一量的氧化剂供应到燃料电池堆，从而使燃料电池堆的电压降低至在阴极内部形成还原气氛的还原电压。还原电压可以是大约0.5V至大约0.0V。控制器可将是第三(正常)量的大约120％至大约150％的第二量的氧化剂供应到燃料电池堆。
燃料电池系统还可包括与控制器连通的氧化剂泵或氧化剂控制阀，以控制供应到燃料电池堆的氧化剂的量。
根据本发明的实施例，通过减少氧化剂的供应来形成还原气氛，从而使被氧化的阴极催化剂还原，显著地防止了燃料电池堆的劣化。另外，随后增加氧化剂的供应能够使残留在燃料电池堆内部的反应物和未反应物容易去除。
附图说明
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的示意图。
图2是图1的燃料电池堆的分解透视图。
图3是根据本发明实施例的燃料电池系统的驱动方法的流程图。
图4是比较由根据示例1的方法驱动的燃料电池系统的性能与由对比示例1的方法驱动的燃料电池系统的性能的曲线图。
图5是由根据示例1的方法驱动的燃料电池堆的寿命的曲线图。
具体实施方式
现在，将参照附图描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以以各种不同的方式来修改示出和描述的实施例。
图1是根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的示意图。参照附图，燃料电池系统100可采用聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，PEMFC通过重整燃料来产生氢，并通过氢和氧发生电化学反应来产生电能。然而，应该理解的是，可使用任何合适的燃料电池，并且本发明不限于PEMFC。例如，燃料电池系统可采用含氢的液态燃料或气态燃料，例如，甲醇、乙醇、液化石油气(LPG)、液化天然气(LNG)、汽油和丁烷气。合适的可选燃料电池的非限制性示例包括直接氧化燃料电池(DOFC)，在DOFC中，燃料电池堆20利用功率发生器通过使氧与液态燃料或气态燃料直接反应来产生电能。一种示例性的DOFC是直接甲醇燃料电池，在直接甲醇燃料电池中，甲醇与氧直接反应来产生电能。
用于燃料电池系统100的燃料可以是液态或气态碳氢燃料，例如，甲醇、乙醇、天然气和LPG。燃料电池系统100可使用空气或储存在氧化剂储存单元中的氧气作为与氢反应的氧化剂。
在一个实施例中，燃料电池系统100包括：重整器30，用于通过燃料产生重整气；燃料电池堆20，连接到重整器30，用于通过重整气和氧化剂的反应来产生电功率；燃料供应单元10，用于向重整器30供应燃料；氧化剂供应单元50，用于向燃料电池堆20供应氧化剂。
重整器30通过重整反应将液态燃料重整为重整气。燃料电池堆20利用重整的重整气来产生电功率。另外，重整器30使重整气中含有的一氧化碳的浓度降低。
重整器30包括：重整单元，通过将液态燃料重整来产生重整气；一氧化碳减少器(reducer)，用于使重整气中的一氧化碳的浓度降低。重整单元通过诸如蒸汽重整反应、部分氧化反应和放热反应的催化反应将燃料转化为富氢重整气(即，含大量氢的重整气)。
一氧化碳减少器利用诸如水煤气变换反应(water-gas shift reaction)和选择氧化的催化反应或利用使用膜的氢净化来使重整气中含有的一氧化碳的浓度降低。
在可选实施例中，可省略重整器。如上所述，本发明的一些实施例包括不需要重整器的燃料电池。例如，由于直接氧化燃料电池的燃料不需要被重整，而是直接提供到燃料电池堆，所以直接氧化燃料电池不需要包括重整器。
燃料供应单元10连接到重整器30。燃料供应单元10包括用于储存液态燃料的燃料箱51和连接到燃料箱51的燃料泵11。燃料泵11以特定的抽汲功率(pumping power)将储存在燃料箱51内部的液态燃料输送到重整器。
氧化剂供应单元50连接到燃料电池堆20，并且氧化剂供应单元50包括以特定的抽汲功率吸入外部空气并将外部空气供应到燃料电池堆20的氧化剂泵13。氧化剂泵13可与控制器70连通，控制器70控制氧化剂泵13，从而控制对燃料电池堆的氧化剂的供应。
在可选实施例中，燃料电池系统还可包括在燃料电池堆20和氧化剂供应单元50之间的氧化剂控制阀(未示出)。氧化剂控制阀与控制器70连通，控制器70控制氧化剂控制阀，从而控制氧化剂的供应。在该实施例中，控制器70控制阀门而不是氧化剂泵13。然而，在省略该阀门的实施例中，控制器控制氧化剂泵13来控制氧化剂的供应。
图2是图1的燃料电池堆的分解透视图。参照图1和图2，燃料电池系统100的燃料电池堆20包括通过引起重整气和氧化剂之间的氧化还原反应来产生电能的多个功率发生器24。每个功率发生器24是产生电功率的单元电池，并且包括膜电极组件(MEA)21以及分隔件23和25。MEA使燃料中的氢氧化并且使氧化剂中的氧还原，分隔件23和25将燃料和氧化剂供应到膜电极组件21。分隔件23和25也可称为双极板。
每个功率发生器24包括膜电极组件21以及在膜电极组件21的两侧的分隔件23和25。膜电极组件21包括：电解质膜，在膜电极组件21中心；阴极，在电解质膜的一侧；阳极，在电解质膜的另一侧。
在本发明的一个实施例中，通过顺序地排列多个功率发生器24来形成燃料电池堆20。这里，在燃料电池堆20的最外侧的分隔件被称为端板27。
如上所述，燃料电池系统100还包括控制器70。控制器70连接到燃料供应单元10、氧化剂供应单元50、氧化剂控制阀和负载60，控制器70控制燃料电池系统100的整体操作。如在上面所讨论的，控制器70控制氧化剂供应单元中的泵13，或者控制阀，从而控制氧化剂的供应。
负载60电连接到燃料电池堆20，并消耗燃料电池堆20产生的电能。负载60可以是任何种类的电子装置，例如汽车的马达、将直流(DC)转换为交流(AC)的转换器、家用电加热设备。
图3是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的驱动方法的流程图。参照图3，燃料电池系统的驱动方法包括以下步骤：在步骤S101，在连续地将燃料供应到燃料电池堆的同时，将第一量的氧化剂(少于氧化剂的正常量)供应到燃料电池堆，从而降低燃料电池堆的电压；在步骤S102，将第二量的氧化剂(多于正常量)供应到燃料电池堆；在步骤S103，将第三量的氧化剂(正常量)供应到燃料电池堆。如上所述，氧化剂的“正常量”是在正常驱动状态下供应的氧化剂的量，“正常量”可根据燃料电池的种类和容量而变化。
在步骤S101供应第一量的氧化剂中，在驱动燃料电池堆期间持续供应燃料的同时，通过减少氧化剂的供应，将量减少了的氧化剂供应到燃料电池堆。第一量的氧化剂是第三量(正常量)的氧化剂的大约75％至大约85％。如果第一量的氧化剂少于正常量的大约75％，则反向电压被施加到燃料电池堆，并且燃料电池系统会劣化，或者在随后供应正常量的氧化剂时碳粒子会腐蚀。如果第一量的氧化剂多于正常量的大约85％，则可能要更长的时间来降低燃料电池堆20的电压，将难以形成还原气氛，并且可能不能使催化剂稳定地还原。
在氧化剂的供应被降低至第一量的同时，可通过控制恒压来使燃料电池堆20的电压降低至大约0V。这里，燃料电池堆20的电压被降低至在阴极内部形成还原气氛的还原电压。所述还原电压可被设为从大约0.5V至大约0.0V。当燃料电池堆20的内部电压在减少氧化剂供应的同时被降低至还原电压时，由于在阴极中形成了还原气氛，所以可在几秒内使被氧化的催化剂还原。
在驱动燃料电池系统的过程中，阴极的被氧化的铂Pt催化剂不期望地降低了活性。因此，根据本实施例的实施例，如果在阴极中形成还原气氛，则通过使Pt催化剂还原，能够容易且基本地去除催化剂中毒。
根据本发明的实施例，如果在减少氧化剂的供应(而不是完全切断氧化剂的供应)之后，电压降低，则能够防止反向电压施加到燃料电池堆20。
在步骤S102供应第二量的氧化剂中，在降低电压之后，增加供应到燃料电池堆20的氧化剂的量。当氧化剂供应增加时，可通过将第二量(增大的量)的氧化剂供应到燃料电池堆20来去除未反应物和反应物。这里，第二量的氧化剂比第三量(正常量)的氧化剂多。第二量的氧化剂可以是第三量(正常量)的大约120％至大约150％，并且第二量的氧化剂被可供应大约2秒至大约5秒的时间段。
如果第二量的氧化剂少于第三量(正常量)的大约120％，则不能完全去除反应产物。如果第二量的氧化剂多于第三量(正常量)的大约150％，则会由于急剧氧化(abrupt oxidization)而使催化剂劣化。
当在第一量(即，减少的量)的氧化剂之后供应第二量的氧化剂时，在燃料电池堆内部由氧化剂产生的水和杂质能够被在高压(即，比正常驱动条件下的压强高的压强)下供应的过量(即，第二量)的氧化剂容易地去除。由于没有完全切断氧化剂的供应，所以能够防止碳粒子被氧化，切断氧化剂然后重新供应氧化剂时会出现碳粒子的氧化。
在步骤S103将第三(正常)量的氧化剂供应到燃料电池堆20中，通过在利用供应增加的氧化剂去除杂质之后将正常量的氧化剂供应到燃料电池堆20，来在正常驱动条件下驱动燃料电池堆20。然后，可在正常驱动条件下产生电能。
根据本发明的实施例，驱动燃料电池系统100的方法通过供应量减少了的氧化剂来使催化剂还原。另外，可通过随后供应量增加了的氧化剂来容易地并基本地去除杂质。结果，能够基本防止燃料电池堆的劣化，并且改善燃料电池堆的寿命。
燃料电池系统100包括控制器70，用来控制燃料电池系统的组成元件，以执行驱动燃料电池系统的方法。控制器70连接到燃料供应单元10、氧化剂供应单元50、氧化剂控制阀(未示出)和负载60。控制器70控制燃料电池系统的组成元件，从而通过减少对燃料电池堆20的氧化剂的供应，顺序地将第一量的氧化剂(少于正常量)供应到燃料电池堆20，降低燃料电池堆20的电压；将第二量的氧化剂(多于正常量)供应到燃料电池堆20；将第三(正常)量的氧化剂供应到燃料电池堆。
此外，控制器70将供应到燃料电池堆的氧化剂的量控制为第一(减少的)量的氧化剂，并控制供应第一量的氧化剂的时间段。控制器70还控制燃料电池堆的电压、电压降低的程度以及降低了的电压施加的时间段。此外，控制器70将供应到燃料电池堆的氧化剂的量控制为第二(增多的)量的氧化剂，并控制供应第二量的氧化剂的时间段，以使燃料电池堆中的催化剂还原，并去除内部反应物和未反应物。
提出下面的示例仅仅是出于举例说明的目的，并且不限制本发明的范围。
示例1
这样驱动燃料电池系统，即，将第一量的氧化剂供应到燃料电池堆，其中，第一量的氧化剂比正常量的氧化剂少。第一量的氧化剂供应大约2秒至3秒。然后，将第二量的氧化剂供应到燃料电池堆，其中，第二量的氧化剂比正常量的氧化剂多。第二量的氧化剂供应大约2秒至3秒。然后，将第三量的氧化剂供应到燃料电池堆，其中，第三量的氧化剂是正常量的氧化剂(即，在正常驱动状态下供应的氧化剂的量)。以1小时的时间段来执行整个驱动方法。
按示例1的方法驱动的燃料电池系统在0.65V和60℃下显示出了450mW/cm2的初始性能。阳极润湿率(humidification rate)为80％，阴极处于干燥状态。另外，燃料stoic与氧化剂stoic的比(燃料stoic∶氧化剂stoic)为1.2∶2.5。燃料stolc是供应到燃料电池的燃料相对于产生电所需的最小量的燃料的测量值。相似地，氧化剂stoic是供应到燃料电池的氧化剂相对于产生电所需的最小量的氧化剂的测量值。
对比示例1
通过将正常量的氧化剂供应到燃料电池堆来驱动燃料电池系统。
图4是比较由根据示例1的方法驱动的燃料电池系统的性能与由对比示例1的方法驱动的燃料电池系统的性能的曲线图。如图4所示，由对比示例1的方法驱动的燃料电池系统的性能明显比根据示例1驱动的燃料电池系统的性能差。具体地说，由示例1的方法驱动的燃料电池系统显示出的劣化明显比由对比示例1的方法驱动的燃料电池的劣化低。因此，根据本发明实施例的示例1的方法基本上防止了燃料电池堆的劣化。
图5是示出由示例1的方法驱动的燃料电池堆的寿命的曲线图。在驱动燃料电池堆200小时(包括10小时的驱动和2小时的休息的序列)之后分析寿命。如图5所示，即使燃料电池堆被驱动100小时以上，燃料电池的性能也没有劣化。
虽然已经参照特定的示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将认识到，在不脱离如权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种修改和改变。

Claims (16)

1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
燃料电池堆，被构造为使燃料与氧化剂反应来产生电能；
氧化剂供应单元，被构造为将氧化剂供应到燃料电池堆；
控制器，被构造为控制氧化剂从氧化剂供应单元向燃料电池堆的供应，其中，控制器被构造为顺序地将第一量的氧化剂、第二量的氧化剂和第三量的氧化剂供应到燃料电池堆，其中，第一量的氧化剂比第三量的氧化剂少，第二量的氧化剂比第三量的氧化剂多。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括被构造为将燃料供应到燃料电池堆的燃料供应单元。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括重整器。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括氧化剂控制阀，通过氧化剂控制阀将氧化剂从氧化剂供应单元供应到燃料电池堆，其中，氧化剂控制阀响应于控制器来打开和关闭，从而控制供应到燃料电池堆的氧化剂的量。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括氧化剂泵，通过氧化剂泵将氧化剂从氧化剂供应单元供应到燃料电池堆，其中，氧化剂泵响应于控制器来控制供应到燃料电池堆的氧化剂的量。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，燃料电池堆包括多个功率发生器。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，每个功率发生器包括膜电极组件和至少一个分隔件，其中，膜电极组件包括被电解质膜分隔开的阳极和阴极。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，第一量的氧化剂是第三量的氧化剂的75％至85％。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，第二量的氧化剂是第三量的氧化剂的120％至150％。
10.如权利要求1所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括连接到燃料电池堆的负载，所述负载被构造为消耗由燃料电池堆产生的电能。
11.如权利要求1所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括：燃料供应单元，被构造为将燃料供应到燃料电池堆；负载，连接到燃料电池堆，被构造为消耗由燃料电池堆产生的电能，其中，控制器还被构造为控制对燃料电池堆的燃料的供应，并控制对负载的电能的供应。
12.一种驱动燃料电池系统的方法，所述方法包括以下步骤：
提供包括燃料电池堆的燃料电池系统；
将燃料供应到燃料电池堆；
首先，将第一量的氧化剂供应到燃料电池堆，以降低燃料电池堆的电压；
第二，将第二量的氧化剂供应到燃料电池堆；
第三，将第三量的氧化剂供应到燃料电池堆，从而驱动燃料电池堆，其中，第一量的氧化剂比第三量的氧化剂少，第二量的氧化剂比第三量的氧化剂多，燃料和氧化剂在燃料电池堆中反应以产生电能。
13.如权利要求12所述的方法，其中，第一量的氧化剂是第三量的氧化剂的75％至85％。
14.如权利要求12所述的方法，其中，第二量的氧化剂是第三量的氧化剂的120％至150％。
15.如权利要求12所述的方法，其中，燃料电池堆包括多个功率发生器，每个功率发生器包括膜电极组件，所述膜电极组件包括被电解质膜分隔开的阳极和阴极，第一量的氧化剂是足以使燃料电池堆的电压降低以在功率发生器的阴极中产生还原气氛的量。
16.如权利要求15所述的方法，其中，在首先将第一量的氧化剂供应到燃料电池堆的步骤中，燃料电池堆的电压被降低至0V和0.5V之间的电压。
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