CN102891330B - 用于活化燃料电池组的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于活化燃料电池组的设备和方法，其通过在关断操作中采用真空润湿工序显著地减少活化所需要的时间和用于活化的氢的量。具体地，高湿度开路电压操作对燃料电池组进行增湿并在开路电压下运行燃料电池组，并且真空润湿操作通过在燃料电池组中产生真空气氛来使聚合物电解质膜的表面湿润。交替和重复进行高湿度开路电压操作和真空润湿操作。

Description

用于活化燃料电池组的设备和方法

技术领域

本发明涉及燃料电池组的活化。更具体地，本发明涉及用于活化燃料电池组的设备和方法，通过在关断时采用真空润湿工艺，显著地减少活化所需要的时间和用于活化的氢的量。

背景技术

由于公众对环境议题和CO₂调节的关注和兴趣日益增长，在世界范围内对开发环境友好的车辆的需求在增加。因此，环境友好且高效率的燃料电池车辆吸引了很多的公众关注，其可以替代引起环境污染的内燃机车辆。

具体地，在燃料电池车辆中，在组装燃料电池组即燃料电池车辆的核心部件之后，进行组活化工序以(1)确保存在三相电极反应区，(2)从聚合物电解质膜或电极中去除杂质，并且(3)提高聚合物电解质膜的离子导电率。通过确保这三个性质，燃料电池组能够显示出正常的性能特性。

具体地，在燃料电池组的初始运行过程中，其活性在电化学反应中降低，由此为了使正常的初始性能最大化，需要进行组活化工序。该组活化工序也被称为预调节或制动(brake-in)，且其目的是活化不可以参与反应的催化剂并且通过使电解质膜和电极中所含的电解质充分水合来确保氢粒子通道。

图1示出使用包括高电流密度放电和关断放电的脉冲工艺的常规的组活化方法/工艺的例子。如图1所示，常规的组活化方法配置成重复进行脉冲工序几到几十次，所述脉冲工序利用高电流密度放电和关断状态下的脉冲放电。然而，该常规的组活化方法例如对于220电池的子模块需要约1.5至2小时的处理时间。

更详细地，根据常规的组活化方法，将高电流密度(1.2或1.4A/cm²)放电3分钟，并且在关断状态下将脉冲放电工序进行5分钟。这两个工序在活化工序完成之前总共重复进行约11次。

然而，在通过脉冲放电的活化工序中使用的氢的量随处理时间的增加而增加。也就是，在关断状态中使用脉冲放电的常规活化方法可改变燃料电池组中的水流，从而增加活化率。然而，例如对于200电池的子模块，活化所需要的时间为约105分钟，并且活化所需要的氢的量为约2.9kg。结果，该方法需要长的处理时间和大量的氢，以致有效。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供经真空润湿工艺活化燃料电池组的设备和方法，其相比于现有的活化工艺可以有效提高离子导电率，从而显著地减少用于活化的氢的量和完成活化所需要的时间。

一方面，本发明提供用于活化燃料电池组的系统和方法。具体地，该系统和方法包括：高湿度开路电压操作，其对燃料电池组进行增湿并且在开路电压运行燃料电池组；和真空润湿操作，其通过在燃料电池组中产生真空气氛来使聚合物电解质膜的表面湿润。更具体地，高湿度开路电压操作和真空润湿操作交替和重复进行预定时期或预定数量的重复。

在一个示例性实施方式中，真空润湿操作还可以切断氢和空气的供应，并且施加电流以消耗燃料电池组中的残余气体，从而在燃料电池组中产生真空气氛。此外，高湿度开路电压操作和真空润湿操作可以以固定的间隔重复进行，所述固定的间隔可以是，例如，对于高湿度开路电压操作2至5分钟并且对于真空润湿操作2至5分钟的预定时间。而且，在一些实施方式中，在高湿度开路电压操作中可以在100％或更高的相对湿度进行增湿工序。

在另外的实施方式中，该方法还可以包括在重复进行高湿度开路电压操作和真空润湿操作之后进行的密封存储操作。

另一方面，本发明提供用于活化燃料电池组的设备，该设备包括：活化主体，包括用于向燃料电池组供应氢的氢供应装置、用于向燃料电池组供应空气的空气供应装置、用于对燃料电池组进行增湿的增湿器；和控制器，用于控制活化主体，其中控制器控制活化主体交替和重复进行高湿度开路电压操作和真空润湿操作。

在一个示例性实施方式中，活化主体可以包括与燃料电池组连接以使氢和空气流入到燃料电池组中的测试歧管。具体地，测试歧管可以与用于将燃料电池组安装至活化主体的组对接单元连接。而且，在一些实施方式中，该设备还可以包括用于传送待活化的燃料电池组的组传送单元。

下面讨论本发明的其它方面和实施方式。

附图说明

现在将参考本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，其在所附附图中说明，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是示出活化燃料电池组的常规方法的流程图；

图2是说明根据本发明的示例性实施方式的活化燃料电池组的方法的流程图；

图3是示出在根据本发明的示例性实施方式的活化燃料电池组的方法中通过密封存储提高活性的图，其中示出根据密封存储时间的推移电流密度与电压之间的关系；

图4是示出在根据本发明的示例性实施方式的活化燃料电池组的方法中通过密封存储提高活性的图，其中示出根据密封存储时间的推移开路电压与电阻之间的关系；且

图5是示出根据本发明的另一个实施方式的用于活化燃料电池组的设备的构造的示意图。

在附图中提到的附图标记包括对以下元件的参考，其在下面进一步讨论：

100：活化主体

110：测试歧管

200：组对接单元

300：组传送单元

400：燃料电池组

应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。

在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

本发明提供用于活化燃料电池组的设备、系统和方法，其通过重复进行将液滴引入到燃料电池组中的增湿操作和通过消耗燃料电池组中的残余气体产生真空气氛的真空润湿操作，在短时间内用极少量的氢实现燃料电池组的活化。

下面将参照附图详细描述根据本发明的示例说明的实施方式的用于活化燃料电池组的设备。

图5是示出根据本发明的示例说明的示例性实施方式的用于活化燃料电池组的设备的构造的示意图。本发明的设备将通过自动组装设备制造的燃料电池组活化，并包括用于在其中进行活化的活化主体100、用于传送制造的燃料电池组400的组传送单元300、和用于将通过组传送单元300所传送的燃料电池组400安装至活化主体100的组对接单元200。组对接单元200与活化主体100电连接使得燃料电池组400可以运行，并且与设置在活化主体100中的测试歧管110连接使得活化主体100中的氢和空气可以相应地流入到燃料电池组400中。而且，活化主体100配置成为活化燃料电池组提供恒定的条件，其中交替地和重复进行随后将描述的高湿度开路电压操作和真空润湿操作。为此，活化主体100可以包括氢供应装置、空气供应装置、增湿器、和用于控制这些装置的控制器。

适宜地，包括在根据本发明的实施方式的用于活化燃料电池组的设备中的活化主体100可以包括用于在燃料电池组中产生真空气氛的配置系统。在本发明的一个实施方式中，活化主体100可以包括用于将引入到燃料电池组中的氢、空气、和液滴的供应切断的流束切断装置，从而产生真空。因此，在根据本发明的示例说明的实施方式的用于活化燃料电池组的设备中，在通过流束切断装置将引入到燃料电池组中的氢、空气等的供应切断时，向燃料电池组施加预定的负载使得燃料电池组中的残余气体被消耗，从而在燃料电池组中产生真空。

如上所述，包括在本发明的活化主体100中的控制器控制活化主体100交替地和重复进行高湿度开路电压操作和真空润湿操作。为此，在高湿度开路电压操作过程中，控制器控制活化主体100在运行氢供应装置、空气供应装置、和增湿器时进行开路电压操作。相反，在真空润湿操作过程中，通过流束切断装置将引入到燃料电池组中的氢、空气等的供应切断，并向燃料电池组施加负载，从而实现燃料电池组的真空润湿。通过控制器重复进行这些操作预定的次数，直到完成活化。

下面将详细描述根据本发明的实施方式的使用上述设备的燃料电池组的活化方法。

根据本发明的实施方式的燃料电池组的活化方法从工艺中去除本质上用于活化常规燃料电池组的高电流密度操作，并通过在非输出状态下使用真空提高聚合物电解质膜的离子导电率。因此，根据本发明的燃料电池组的活化方法，在比现有技术的方法更短的时期内完成燃料电池组的活化，而同时使用极少或不使用氢。

更详细地，根据本发明的燃料电池组的活化方法包括高湿度开路电压操作和真空润湿操作。随着这两个操作被重复，实现燃料电池组的活化。

进行高湿度开路电压操作，以通过将液滴引入到燃料电池组中来实现活化，并且在高湿度开路电压操作之后进行真空润湿操作，以通过在真空气氛下使燃料电池组湿润来提高聚合物电解质膜的离子导电率。

与包括在输出状态下进行的高电流输出操作的常规的活化方法相反，根据本发明的上述活化燃料电池组的方法基本上在非输出状态下进行。也就是，根据本发明的燃料电池组的活化方法的特征在于去除高电流输出操作。

同时，与使用高电流输出操作的常规的活化方法相比，当仅使用真空而无高电流输出操作时，根据本发明的燃料电池组的活化方法没有达到100％的活化，而是显示出仅约90％的活化。为了解决该问题，在进行部分活化工序之后，进一步进行被称为密封存储操作的另外的活化工序，其中在所述部分活化工序中重复高湿度开路电压操作和真空润湿操作。

因此，在根据本发明的燃料电池组的活化方法中，可以连续进行部分活化工序和之后的密封存储操作，以完成燃料电池组的活化，其中在所述部分活化工序中重复高湿度开路电压操作和真空润湿操作。

图2示出根据本发明的燃料电池组的活化方法的实施方式，其包括高湿度开路电压操作和真空润湿操作。

在图2中示出的根据本发明的燃料电池组的活化方法的示例说明的实施方式中，以固定的间隔重复进行上述的高湿度开路电压操作和真空润湿操作以实现燃料电池组的活化。

适宜地，在根据本发明的示例说明的实施方式的燃料电池组的活化方法中，可以基于进行每一操作的时间来确定重复进行每一操作的固定间隔。鉴于此，可以分别重复进行高湿度开路电压操作和真空润湿操作2至5分钟的预定时间。

下面将更详细地描述图2中示出的实施方式的工序，其中进行每一操作。首先，如图2所示，在本实施方式中，用于将液滴引入到燃料电池组中的高湿度开路电压操作进行第一个3分钟。进行高湿度开路电压操作是为了确保在比现有技术更高的相对湿度实现充分的增湿。充分的增湿优选与运行燃料电池组的条件相对应，在相对湿度为100％或更高。例如，在图2的示例性实施方式中，在如下条件下进行高湿度操作：增湿器的温度设定在75℃，且冷却剂的温度设定在30℃，其对应于约800％的相对湿度。因此，在根据本发明的高湿度开路电压操作过程中，在开路电压向燃料电池组供应氢和空气，从而运行燃料电池组。

接下来，在高湿度开路电压操作之后，在真空气氛下进行真空润湿操作3分钟，从而润湿燃料电池组。通过切断氢和空气的供应并消耗燃料电池组中的残余气体以产生真空气氛，在上述的高湿度开路电压操作之后，进行该操作。

为此，在根据本发明的燃料电池组的活化方法的真空润湿操作过程中，将引入到燃料电池组中的氢和空气的供应切断，并向燃料电池组施加预定的负载，使得燃料电池组中的残余气体被消耗。通过真空润湿操作，在燃料电池组中产生真空气氛，从而润湿燃料电池组。

因此，如图2所示，在本发明的真空润湿操作过程中，例如向燃料电池组施加5A的电流，使得残余在燃料电池组中的反应气体被迅速地消耗，从而在缩短的时期中在燃料电池组中产生真空气氛。

通过上述真空润湿操作，聚合物电解质膜很容易膨胀，并且聚合物电解质膜的该膨胀改变膜的表面结构，以使水有利地吸收在膜的孔中。适宜地，聚合物电解质膜的膨胀改变适合于水运动的聚合物SO₃ ^-的结构以容易在膜的表面上被取向(oriented)。因此，提高了聚合物电解质膜的水吸收能力，这接着提高了聚合物电解质膜的离子导电率。也就是，液滴分散到聚合物电解质膜的纳米孔中，因此聚合物电解质膜膨胀。同时，官能团(SO₃ ^-H⁺)增加，其提高聚合物电解质膜的水吸收能力，从而提高聚合物电解质膜的离子导电率(S/cm)。

如此，在聚合物电解质膜中的水流限制于现有的组活化工序时，当以上述方式进行真空润湿操作时，水延所有方向自由地分散在聚合物电解质膜的孔中，其促进氢离子(质子)的迁移，从而加速电解质膜的活化。结果，根据本发明的用于活化燃料电池组的系统和方法相比于现有技术实现更短时期内的活化。

在图2的实施方式中，3分钟的高湿度开路电压操作和3分钟的真空润湿操作重复九次以实现燃料电池组的活化。而且，在根据本发明的燃料电池组的活化方法中，在重复进行高湿度开路电压操作和真空润湿操作以使燃料电池组活化之后，可以进行另外的活化工序以进一步活化燃料电池组。

更详细地，在活化工序，其中重复所述两个操作之后，进行密封燃料电池组并长时期存储密封的燃料电池组的密封存储操作，以进一步活化燃料电池组。

图3和4示出通过密封存储操作的性能的改变。图3示出根据密封存储时间的推移电流密度与电压之间的关系。如图3所示，可以看出，根据活化之后密封存储时间的推移，通过燃料电池组的另外的活化，燃料电池组的电压关于电流密度增加。而且，图4示出根据密封存储时间的推移开路电压和电阻的变化。如图4所示，可以看出，根据密封存储时间的推移开路电压增加，并且电阻降低，由此可以看出根据密封存储时间的推移活性提高。

在密封存储操作中的另外的活化工序中，通过氢与氧之间的反应增加真空气氛，使得水容易地分散到电解质膜的次微孔(submicropore)中。结果，适合于水运动的聚合物SO₃ ^-的结构被取向以促进氢离子的迁移，从而实现活化。因此，在根据本发明的燃料电池组的活化方法中，重复进行高湿度开路电压操作和真空润湿操作，由此可以显著地减少燃料电池组的活化所需要的时间和用于活化的氢的量。而且，根据本发明的燃料电池组的活化方法，为了进一步活化进一步进行密封存储，由此可以在包括上述高湿度开路电压操作和真空润湿操作的部分活化工序之后进一步提高燃料电池组的活性。

有利地，用于活化燃料电池组的设备和方法从整个工序中去除用于向燃料电池组施加高输出电流的工序，并且作为替代采用高湿度开路电压操作和真空润湿操作，并显著地减少重复的工序的数量，从而显著地减少燃料电池组的活化所需要的时间和用于活化的氢的量。

本发明已参考其实施方式进行了详细描述。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行各种改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (17)

1.一种燃料电池组的活化方法，所述方法包括：

增湿开路电压操作，对燃料电池组进行增湿并且在开路电压运行燃料电池组；和

真空润湿操作，通过切断氢和空气的供应，并且施加电流以消耗燃料电池组中的残余气体，使聚合物电解质膜的孔湿润，

其中交替和重复进行所述增湿开路电压操作和所述真空润湿操作。

2.如权利要求1所述的方法，其中以固定间隔重复进行所述增湿开路电压操作和所述真空润湿操作。

3.如权利要求2所述的方法，其中重复进行所述增湿开路电压操作2至5分钟的预定时间。

4.如权利要求3所述的方法，其中重复进行所述真空润湿操作2至5分钟的预定时间。

5.如权利要求1所述的方法，其中在所述增湿开路电压操作中，在100％或更高的相对湿度进行所述增湿。

6.如权利要求1所述的方法，还包括在重复进行所述增湿开路电压操作和所述真空润湿操作之后进行的密封存储操作。

7.一种用于活化燃料电池组的设备，所述设备包括：

包括用于向燃料电池组供应氢的氢供应装置、用于向燃料电池组供应空气的空气供应装置、用于对燃料电池组进行增湿的增湿器的活化主体；和

用于控制所述活化主体的控制器，

其中所述控制器控制所述活化主体交替和重复进行增湿开路电压操作和真空润湿操作，

其中所述增湿开路电压操作和所述真空润湿操作如权利要求1所限定。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述活化主体包括与燃料电池组连接以使氢和空气流入到燃料电池组中的测试歧管，所述测试歧管与用于将燃料电池组安装至所述活化主体的组对接单元连接。

9.如权利要求8所述的设备，还包括用于传送待活化的燃料电池组的组传送单元。

10.一种用于活化燃料电池组的系统，所述系统包括：

活化主体，在其中活化燃料电池；和

用于控制所述活化主体的控制器，所述控制器配置成交替和重复进行第一操作和第二操作，其中所述第一操作对燃料电池组进行增湿并且在开路电压运行燃料电池组，并且所述第二操作通过切断氢和空气的供应，并施加电流以消耗燃料电池组中的残余气体来使聚合物电解质膜的孔湿润。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述第一操作是增湿开路电压操作，所述第二操作是真空润湿操作，所述增湿开路电压操作与所述真空润湿操作一起以固定间隔重复进行。

12.如权利要求11所述的系统，其中重复进行所述增湿开路电压操作2至5分钟的预定时间。

13.如权利要求12所述的系统，其中重复进行所述真空润湿操作2至5分钟的预定时间。

14.如权利要求10所述的系统，其中在所述第一操作中，在100％或更高的相对湿度进行所述增湿。

15.如权利要求10所述的系统，还包括在重复进行所述第一操作和所述第二操作之后进行的密封存储操作。

16.如权利要求10所述的系统，其中所述活化主体还包括与燃料电池组连接以使氢和空气流入到燃料电池组中的测试歧管，所述测试歧管与用于将燃料电池组安装至所述活化主体的组对接单元连接。

17.如权利要求16所述的系统，还包括用于传送待活化的燃料电池组的组传送单元。