CN102044689A - 原地燃料电池组再生 - Google Patents

原地燃料电池组再生 Download PDF

Info

Publication number
CN102044689A
CN102044689A CN2010105109977A CN201010510997A CN102044689A CN 102044689 A CN102044689 A CN 102044689A CN 2010105109977 A CN2010105109977 A CN 2010105109977A CN 201010510997 A CN201010510997 A CN 201010510997A CN 102044689 A CN102044689 A CN 102044689A
Authority
CN
China
Prior art keywords
battery
hydrogen
cathode side
fuel
fuel battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2010105109977A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102044689B (zh
Inventor
D·T·福姆斯比
B·拉克斯曼安
J·P·萨瓦多
J·C·马楚卡
B·克劳塞
D·R·萨瓦格
D·A·阿图尔
D·R·勒泽特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN102044689A publication Critical patent/CN102044689A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102044689B publication Critical patent/CN102044689B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/0441—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04843—Humidity; Water content of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

一种用于再生燃料电池组的方法。该方法包括周期性地提高输入到电池组的阴极输入气流的相对湿度水平，以将电池膜电极组件润湿至大于正常电池组运行状态期间的相对湿度水平。该方法还包括在不施加电池组负载的情况下在润湿膜电极组件的同时，在系统关闭时向燃料电池组的阳极侧提供氢，使得氢穿过电池膜到达阴极侧并与氧反应以减少电池组的污染物。

Description

原地燃料电池组再生
技术领域
本发明总体上涉及用于再生燃料电池组的系统和方法，更具体地涉及用于再生燃料电池组的如下系统和方法，其包括在不施加电池组负载的情况下在系统关闭时提高电池组的阴极侧的湿度水平以水合电池膜，并向燃料电池组的阳极侧提供氢，使得氢穿过膜至阴极侧并与氧反应以减少污染物。
背景技术
由于氢是清洁的并且可用于在燃料电池中有效地产生电，所以氢是非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括其间具有电解质的阳极和阴极的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极接收氧或空气。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。质子在阴极催化剂处与氧和电子反应，以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此在被送到阴极之前被引导通过负载以做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括诸如全氟离子交换膜的固态聚合物电解质质子传导膜。阳极和阴极通常但不总是包括通常支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的、通常为诸如铂(Pt)的高活性催化剂的微细催化剂颗粒。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定膜电极组件(MEA)。MEA制造起来相对昂贵，并且需要一定的条件以便有效操作。
通常将多个燃料电池结合成燃料电池组，以产生预期的功率。例如，典型的用于车辆的燃料电池组可具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体，其通常为通过压缩机迫使通过电池组的空气流。电池组没有消耗所有的氧，而是一些空气作为阴极排出气体被输出，阴极排出气体可包括作为电池组副产物的水。燃料电池组还接收流入电池组的阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池组包括在电池组中定位在多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上设置有允许阳极反应气体流向相应的MEA的阳极气体流场。在双极板的阴极侧上设置有允许阴极反应气体流向相应的MEA的阴极气体流场。一块端板包括阳极气体流动通道，而另一块端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将燃料电池产生的电从电池组传到出去。双极板还包括冷却流体流过其中的流动通道。
燃料电池内的膜需要具有足够的含水量，使得横跨膜的离子阻力低到足以有效地传导质子。膜增湿可通过电池组的水副产物或通过外部增湿。反应物通过电池组的流动通道的流动对电池膜具有干燥作用，并且在反应物流动的入口处最显著。然而，水滴在流动通道内的积聚会阻止反应物流过，并且由于低的反应气体流动可能使电池失效，从而影响电池组的稳定性。水在反应气体流动通道内、以及在气体扩散层(GDL)内的积聚在低的电池组输出负载时尤其麻烦。
如上所述，水作为电池组操作的副产物而产生。因此，来自电池组的阴极排出气体通常会包括水蒸汽和液态水。本领域已知的是将水蒸汽输送(WVT)单元用于俘获阴极排出气体中的一些水，以及将水用于增湿阴极输入气流。诸如膜的水输送元件一侧处的阴极排出气体中的水由水输送元件吸收并输送至水输送元件另一侧的阴极气流。
在燃料电池系统中，存在在电池膜中造成电池组性能的永久损失的许多机构，诸如催化剂活性的损失、催化剂载体腐蚀和针孔形成。然而，存在可造成大致可逆的电池组电压损失的其他机构，诸如电池膜干透、催化剂氧化物形成、以及污染物在电池组的阳极侧和阴极侧上的积累。因此，本领域存在一种需求，即清除生成的氧化物和积累的污染物，以及再水合电池膜，恢复燃料电池组中的电池电压的损失。
湿操作-也就是说具有高湿量的操作对于系统增湿、性能和污染清除是合乎需要的。然而，存在操作具有较低湿量、也称为干状态的燃料电池组的各种理由。例如，湿操作由于水的积累可导致燃料电池稳定性问题，并且还会造成导致碳腐蚀的阳极饥饿。另外，由于液态水在燃料电池组中的不同位置处冻结，所以湿操作在冷冻状态下可能成为问题。因此，本领域需要已对非湿运行状态进行了优化的系统。
发明内容
根据本发明的教导，公开一种用于再生燃料电池组的方法。该方法包括周期性地提高输入到电池组的阴极输入气流的相对湿度水平，以将电池膜电极组件润湿至大于正常电池组运行状态期间的相对湿度水平。该方法还包括在不施加电池组负载的情况下在润湿膜电极组件的同时，在系统关闭时向燃料电池组的阳极侧提供氢，使得氢穿过电池膜到达阴极侧并与氧反应以减少电池组污染物。
方案1.一种用于再生燃料电池组的方法，所述方法包括：
确定是否需要燃料电池组再生；
如果需要电池组再生，则将燃料电池组的阴极侧的湿度水平提高到正常运行状态期间的阴极侧的相对湿度以上；
在提高阴极侧的湿度水平之后，等待燃料电池组中的电池膜润湿；
在燃料电池组关闭期间提供氢来覆盖阴极侧；以及
等待污染物由于提高的湿度水平和氢的覆盖而被清除。
方案2.根据方案1所述的方法，其中，提高阴极侧的湿度水平是将该湿度水平提高至大于或等于100％的相对湿度。
方案3.根据方案1所述的方法，其中，在阴极侧的氢覆盖发生之前，电池膜保持润湿一时间段。
方案4.根据方案1所述的方法，其中，所述氢的覆盖使氢从阳极侧穿过电池膜到达阴极侧，以消耗氧。
方案5.根据方案1所述的方法，还包括在所述氢覆盖期间向电池组施加最小的负载。
方案6.根据方案1所述的方法，其中，在燃料电池组的正常运行期间周期性地执行所述再生。
方案7.一种用于再生燃料电池组以从该燃料电池组清除污染物的方法，所述方法包括：
通过提高电池组的相对湿度而在湿状态下运行燃料电池组；
润湿燃料电池组中的膜电极组件；以及
在润湿膜电极组件的同时关闭燃料电池组。
方案8.根据方案7所述的方法，还包括在电池组关闭期间提供氢来覆盖燃料电池组的阴极侧，以及等待污染物由于提高的湿度水平和氢的覆盖而被清除。
方案9.根据方案8所述的方法，其中，所述氢覆盖使氢从阳极侧穿过电池膜到达阴极侧，以消耗氧。
方案10.根据方案8所述的方法，其中，在所述氢覆盖期间施加最小的负载。
方案11.根据方案7所述的方法，其中，将所述相对湿度提高至大于或等于100％的相对湿度。
方案12.根据方案7所述的方法，其中，在阴极侧的氢覆盖发生之前，电池膜保持润湿一时间段。
方案13.根据方案7所述的方法，其中，在燃料电池组的正常运行期间所述再生周期性地进行。
方案14.一种用于再生燃料电池组的方法，所述方法包括：
确定是否需要燃料电池组再生；
如果需要电池组再生，则将燃料电池组的阴极侧的湿度水平提高至正常运行状态期间的阴极侧的相对湿度以上；
在提高阴极侧的湿度水平之后等待燃料电池组中的电池膜润湿；
在燃料电池组关闭期间提供氢来覆盖阴极侧，其中，所述氢的覆盖使氢从阳极侧穿过电池膜到达阴极侧，以消耗氧；以及
等待污染物由于提高的湿度水平和氢的覆盖而被清除。
方案15.根据方案14所述的方法，其中，在阴极侧的氢覆盖发生之前，电池膜保持润湿一时间段。
方案16.根据方案14所述的方法，还包括在所述氢覆盖期间向电池组施加最小的负载。
方案17.根据方案14所述的方法，其中，在燃料电池组的正常运行期间周期性地执行所述再生。
通过结合附图参阅以下的描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得明显。
附图说明
图1是燃料电池系统的示意性方框图；以及
图2是示出用于清除积累在燃料电池组中的氧化物和污染物的方法的流程图。
具体实施方式
以下涉及用于再生燃料电池组以便恢复电池组电压的系统和方法的本发明实施例的讨论本质上仅是示例性的，并且绝不用于限制本发明或本发明的应用或使用。
图1是包括燃料电池组12的燃料电池系统10的示意性方框图。燃料电池组12在阳极输入管线18上从氢源16接收氢，并在管线20上提供阳极排出气体。压缩机22通过增湿阴极输入空气的水蒸汽输送(WVT)单元32在阴极输入管线14上向燃料电池组12的阴极侧提供气流。WVT单元32在该实施例中用作非限制性示例，此处诸如焓轮增湿器、蒸发器等其他类型的增湿装置可用于增湿阴极入口空气。在阴极排出气体管线26上从电池组12输出阴极排出气体。排出气体管线26将阴极排气引导至WVT单元32，以提供湿度，从而增湿阴极输入空气。绕过WVT单元32设置有旁通管线30，以与在此所讨论的一致地绕过WVT单元32引导一些或所有阴极排出气体。在替代实施例中，旁通管线可以是入口旁通线路。在旁通管线30中设置有旁通阀34，该旁通阀34被控制以便有选择地通过WVT单元32或绕过WVT 32重新引导阴极排出气体，从而向阴极输入空气提供预期的湿度量。
控制器36控制旁通阀34是打开还是关闭，以及旁通阀34打开到什么程度。通过控制旁通阀34，控制器36能够确定将多少阴极排出气体引导通过WVT单元32，以及因此将多少来自阴极排出气体的水用于增湿阴极输入空气。
阴极出口湿度是电池组运行状态的函数，包括阴极和阳极入口相对湿度、阴极和阳极化学计量、压力和温度。在以下讨论的再生期间，需要提高膜的湿度水平。这通常通过提高阴极出口相对湿度实现。在该实施例中，在电池组再生期间控制旁通阀34，以提高阴极入口空气的湿度水平。然后，如本领域已知的，将操纵电池组运行状态设定点，以将阴极出口相对湿度进一步提高至设定点。示例包括降低电池组温度或降低阴极化学计量。
可相对干燥地、诸如在具有低于100％的阴极入口和排气相对湿度的情况下运行燃料电池组12。这种延长的时段期间内的干电池组运行可导致电池组12中的诸如电池膜和MEA催化剂层等部件的干透。在低功率运行下当由燃料电池组12产生的水量低时，电池组12的干透更有可能发生，但在高功率运行下更明显。另外，低功率和高电池电压下的运行导致催化剂上较高的氧化物形成速率，尤其在使用贵金属催化剂时。
如以下将讨论的，本发明提供电池组再生，以从电池组12内清除影响电池组性能的诸如硫酸盐和氯化物的污染物。在电池组再生期间，以半规则的间隔在湿状态下运行燃料电池组12。通过相对较湿地运行电池组，各种离子和其他分子将进入电池组12内的溶液，并能被通过反应气体流动通道的水流更好地排出。例如，这样的湿状态在高电流密度时可超过110％的相对湿度，但也可使用其他相对湿度百分比。在维持这些湿状态的同时关闭燃料电池系统。紧接在关闭燃料电池系统10之后，用氢和其他气体(例如氮气和水蒸气)的混合物覆盖阴极侧催化剂。以下将更详细地描述该程序。
图2是示出用于再生燃料电池组12的步骤的流程图40，该再生使得能够实现燃料电池组12的电压的恢复。在框42处的系统起动是第一步骤。控制器36在决策棱形44处确定是否需要燃料电池组12的再生。本发明设想了能检测来自电池组污染物的影响、诸如低电压、低湿度水平、低电池组功率等的任何合适的算法或装置，所述电池组污染物可能需要电池组再生。如果控制器36在决策棱形44处确定不需要燃料电池组12的再生，则在框46处，控制器36不启动再生程序并且燃料电池系统10在正常运行状态下运行。
然而，如果控制器36在决策棱形44处确定需要燃料电池组12的再生，则触发用于再生电池组12的程序。将执行再生程序所必需的控制和校准值输入控制器36的软件中。控制器36改变运行状态，使得在框48处，在比正常运行状态下所出现的湿度更湿的状态下操作管线26上的阴极排出气体。取决于阳极和阴极气体的速度，这样的湿状态的示例是管线26上的超过100％相对湿度的阴极排出气体相对湿度。如果气体速度低，则可维持管线26上的正常出口相对湿度。然而，本领域技术人员显然清楚的是，可使用具有不同出口相对湿度和变化的气体速度的湿状态。
接下来，控制器36在框50处等待电池MEA润湿至预期的相对湿度水平。在框50处的润湿期间于阴极侧或阳极侧上在燃料电池组中溢流的液态水可通过主动控制流出、排水以及其他系统阀来管理，或通过提高阴极化学计量来管理。避免电池组溢流的一个示例是以较高的电流密度运行电池组，从而利用较高的阴极和阳极速度。然而，本领域技术人员将会认识到的是，存在防止溢流的其他办法。
举例来说，将电池MEA润湿至预期湿度水平所必需的时间量在0.4-1A/cm2范围内的电池组电流密度下可以是超过20分钟的时段。较低的电流密度也可能是有效的；然而，它们可能需要比较高的电流密度更长的运转时间。本领域技术人员将容易认识到，不同的时段和不同的电流密度范围将实现预期的润湿水平。因此，该示例不用于以任何方式限制本发明的范围。
一旦在框50处将电池MEA润湿至预期的湿度水平，则控制器36在框52处于系统关闭时启动阴极还原。阴极还原需要将氢用于接管(takeover)和覆盖燃料电池组12的阴极侧。在该程序期间不使用系统在关闭时通常经历的任何干透清扫操作。通过在系统关闭时维持电池组12的阳极侧中的过量的氢，氢能够借助于到阴极侧的渗透、通过直接注入、或它们的组合而穿过膜，以消耗可得的氧。通过利用氢来消耗电池组12的阴极侧上的氧，减少了阴极侧中的诸如可结合至阴极催化剂中的铂位置的各种污染物。重要的是抑制向电池组12施加负载，这会在程序的该步骤期间加速氧的消耗。因此，迄今为止描述的过程包括首先通过将阴极入口空气增湿到正常湿度水平以上来润湿电池组12中的燃料电池中的MEA，然后维持该润湿水平直到系统关闭，此时在空载状态下将氢引入燃料电池组12的阳极侧，以消耗阴极侧上的氧。当然，在诸如冷冻状态的某些运行状态下，关于系统关闭之后燃料电池组12可以湿到什么程度存在一些限制。
在框52处用氢充分覆盖阴极侧之后，控制器36在框54处等待一时段，以允许污染物清除。举例来说，并且绝不用于限制本发明的范围，允许污染物清除的时间量可以是二十分钟。由于当系统冷却时更多的水蒸汽将冷凝，所以附加的浸泡时间可能是有益的，这随后对大部分污染物的清除是有用的。如果在框56处系统开始之前不能满足需要的时间量，则不能充分地实现所述益处，并且可能需要重复该程序。当在成功再生之后在框56处重新起动燃料电池系统10时，该燃料电池系统10应在其正常运行状态下运转。
以上程序增强燃料电池MEA的使燃料与氧化剂起反应的能力，因为(1)较大部分的液态水使得能够洗掉可溶解的污染物，(2)较高的膜电极润湿水平提高膜和电极的质子传导性，(3)湿状态下的电压降低导致随后在后续运行期间被洗掉的硫酸盐
Figure BSA00000308059400081
类毒性物质的表面覆盖度的降低，(4)暴露更多的贵金属位置的诸如氧化铂(PtO)和铂氢氧化物(PtOH)的表面氧化物被还原，以及(5)随后通过等待污染清除而产生的电势增长也有助于烧掉-即氧化乙二醇及其他有机污染物。
因此，燃料电池组12的再生过程通过减小与膜电阻和催化剂层性能相关的电压损失而提供电池电压性能的增强。测试表明，该益处可达每电池50mV。这种增强足以持续好几百个小时，并且可针对相似的恢复水平而重复。由于这种增强，电池组的寿命将延长，导致燃料电池组12的较长的使用寿命。该程序的规则间隔将导致较高水平的最高性能和较高的系统效率。该程序还可用于再增湿诸如WVT单元32的任何阴极水再增湿装置。
以上的讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将通过这样的讨论以及通过附图和权利要求清楚地认识到，在不偏离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，能够对本发明作出各种变化、改型和变型。

Claims (10)

1.一种用于再生燃料电池组的方法，所述方法包括：
确定是否需要燃料电池组再生；
如果需要电池组再生，则将燃料电池组的阴极侧的湿度水平提高到正常运行状态期间的阴极侧的相对湿度以上；
在提高阴极侧的湿度水平之后，等待燃料电池组中的电池膜润湿；
在燃料电池组关闭期间提供氢来覆盖阴极侧；以及
等待污染物由于提高的湿度水平和氢的覆盖而被清除。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，提高阴极侧的湿度水平是将该湿度水平提高至大于或等于100％的相对湿度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在阴极侧的氢覆盖发生之前，电池膜保持润湿一时间段。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氢的覆盖使氢从阳极侧穿过电池膜到达阴极侧，以消耗氧。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述氢覆盖期间向电池组施加最小的负载。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在燃料电池组的正常运行期间周期性地执行所述再生。
7.一种用于再生燃料电池组以从该燃料电池组清除污染物的方法，所述方法包括：
通过提高电池组的相对湿度而在湿状态下运行燃料电池组；
润湿燃料电池组中的膜电极组件；以及
在润湿膜电极组件的同时关闭燃料电池组。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在电池组关闭期间提供氢来覆盖燃料电池组的阴极侧，以及等待污染物由于提高的湿度水平和氢的覆盖而被清除。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述氢覆盖使氢从阳极侧穿过电池膜到达阴极侧，以消耗氧。
10.一种用于再生燃料电池组的方法，所述方法包括：
确定是否需要燃料电池组再生；
如果需要电池组再生，则将燃料电池组的阴极侧的湿度水平提高至正常运行状态期间的阴极侧的相对湿度以上；
在提高阴极侧的湿度水平之后等待燃料电池组中的电池膜润湿；
在燃料电池组关闭期间提供氢来覆盖阴极侧，其中，所述氢的覆盖使氢从阳极侧穿过电池膜到达阴极侧，以消耗氧；以及
等待污染物由于提高的湿度水平和氢的覆盖而被清除。
CN201010510997.7A 2009-10-16 2010-10-15 原地燃料电池组再生 Active CN102044689B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/580,863 US9368817B2 (en) 2009-10-16 2009-10-16 In-situ fuel cell stack reconditioning
US12/580,863 2009-10-16
US12/580863 2009-10-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102044689A true CN102044689A (zh) 2011-05-04
CN102044689B CN102044689B (zh) 2014-03-19

Family

ID=43879540

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201010510997.7A Active CN102044689B (zh) 2009-10-16 2010-10-15 原地燃料电池组再生

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9368817B2 (zh)
CN (1) CN102044689B (zh)
DE (1) DE102010048253B4 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104051760A (zh) * 2013-03-14 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 适应性调整退化因子的阴极加湿单元
CN114388839A (zh) * 2021-12-28 2022-04-22 新源动力股份有限公司 一种冷却剂污染膜电极的恢复方法
CN114447380A (zh) * 2022-01-18 2022-05-06 同济大学 一种恢复质子交换膜燃料电池电堆性能的方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101405551B1 (ko) * 2012-08-01 2014-06-10 현대자동차주식회사 연료전지 성능 회복 방법
DE102012020130B4 (de) * 2012-10-15 2018-12-06 Mann + Hummel Gmbh Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle
DE102012020131A1 (de) * 2012-10-15 2014-04-17 Mann + Hummel Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle
DE102014217780A1 (de) * 2014-09-05 2016-03-10 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum prädiktiven Betrieb einer Brennstoffzelle bzw. eines Hochvoltspeichers
DE102017009386A1 (de) 2017-10-10 2018-04-19 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030224226A1 (en) * 2002-05-30 2003-12-04 Ballard Power Systems Inc. Conditioning method for fuel cells
WO2007078289A2 (en) * 2005-12-29 2007-07-12 Utc Fuel Cells, Llc Rejuvenating contaminated fuel cell electrodes with ozone
CN101127402A (zh) * 2006-06-09 2008-02-20 通用汽车环球科技运作公司 用于增加堆入口rh的系统水平调节

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5082472A (en) * 1990-11-05 1992-01-21 Mallouk Robert S Composite membrane for facilitated transport processes
US6066408A (en) * 1997-08-07 2000-05-23 Plug Power Inc. Fuel cell cooler-humidifier plate
JP4283928B2 (ja) 1999-03-04 2009-06-24 大阪瓦斯株式会社 燃料電池の運転方法
JP3863042B2 (ja) 2002-03-20 2006-12-27 東芝燃料電池システム株式会社 燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステム
US20030224227A1 (en) * 2002-05-30 2003-12-04 Ballard Power Systems Inc. Conditioning and maintenance methods for fuel cells
US20060134472A1 (en) * 2004-12-21 2006-06-22 Bach Peter J Summer and winter mode operation of fuel cell stacks
US20060147773A1 (en) * 2005-01-06 2006-07-06 Steinshnider Jeremy D Heat and humidity exchanger
US7591880B2 (en) * 2005-07-25 2009-09-22 Bloom Energy Corporation Fuel cell anode exhaust fuel recovery by adsorption
JP2008077911A (ja) 2006-09-20 2008-04-03 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US8685584B2 (en) * 2009-08-20 2014-04-01 Hyundai Motor Company Method for removing residual water from fuel cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030224226A1 (en) * 2002-05-30 2003-12-04 Ballard Power Systems Inc. Conditioning method for fuel cells
WO2007078289A2 (en) * 2005-12-29 2007-07-12 Utc Fuel Cells, Llc Rejuvenating contaminated fuel cell electrodes with ozone
CN101127402A (zh) * 2006-06-09 2008-02-20 通用汽车环球科技运作公司 用于增加堆入口rh的系统水平调节

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104051760A (zh) * 2013-03-14 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 适应性调整退化因子的阴极加湿单元
CN104051760B (zh) * 2013-03-14 2016-08-24 通用汽车环球科技运作有限责任公司 适应性调整退化因子的阴极加湿单元
CN114388839A (zh) * 2021-12-28 2022-04-22 新源动力股份有限公司 一种冷却剂污染膜电极的恢复方法
CN114447380A (zh) * 2022-01-18 2022-05-06 同济大学 一种恢复质子交换膜燃料电池电堆性能的方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102010048253B4 (de) 2018-09-13
CN102044689B (zh) 2014-03-19
US20110091780A1 (en) 2011-04-21
US9368817B2 (en) 2016-06-14
DE102010048253A1 (de) 2011-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102044689B (zh) 原地燃料电池组再生
CN102170005B (zh) 恢复pem燃料电池堆的电压损失的方法和过程
CN102044688B (zh) 用于执行原地燃料电池组再生的自动程序
US8192885B2 (en) Shutdown strategy for enhanced water management
JP4931709B2 (ja) 凍結性能のための水管理計画を有する燃料電池システム
JP4300346B2 (ja) 燃料電池システム
US9099703B2 (en) Fast MEA break-in and voltage recovery
JP4072707B2 (ja) 固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法
CN102163726B (zh) 基于燃料电池堆参数估计自动地启用/停用燃料电池堆再调节过程的方法
CN102820478B (zh) 智能车载被动恢复策略
WO2004075326A1 (ja) 高分子電解質型燃料電池および高分子電解質型燃料電池の運転方法
CN102034994A (zh) 针对防止电池反转的改进的燃料堆操作方法
JP4806913B2 (ja) 燃料電池システム
US20230006223A1 (en) Methods and Apparatus for Mold Mitigation in Fuel Cell Humidifiers
CN115425257A (zh) 一种自调节紧凑型质子交换膜燃料电池的自增湿装置
CN101609900B (zh) 在延长关闭时间后改善启动可靠性的改进的启动策略
US20120251908A1 (en) Voltage recovery and contaminant removal by ex-situ water flush
JP4547853B2 (ja) 高分子電解質型燃料電池の運転方法および特性回復方法
KR101405689B1 (ko) 연료전지용 가습장치
US20070116993A1 (en) Water management of PEM fuel cell stacks using surface active agents
JP2000357530A (ja) 燃料電池システム
CN103825035A (zh) 堆电压恢复程序
KR101628443B1 (ko) 연료 전지 스택의 건조 억제 시스템 및 방법
US20210367250A1 (en) Fuel cell system
JP2011113661A (ja) 燃料電池スタックおよび燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant