CN105247721A

CN105247721A - 用于保持燃料电池系统的性能的方法以及燃料电池气体回路

Info

Publication number: CN105247721A
Application number: CN201480030572.2A
Authority: CN
Inventors: V·布拉亚尔; G·帕加内利; L·弗拉格涅尔
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2016-01-13
Also published as: FR3006114B1; WO2014191384A1; JP6486336B2; EP3005453A1; JP2016522974A; FR3006114A1

Abstract

本发明涉及一种用于保持具有聚合物电解质膜的燃料电池(1)的性能的方法，所述燃料电池布置在包括燃料气体供应回路(11)和氧化剂气体供应回路(12b)的系统中，所述燃料气体供应回路将用于燃料气体的箱(HT)连接至燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路连接用于氧化气体的箱或外部空气，所述方法包括下列步骤：1.用燃料气体和氧化气体供应燃料电池；2.当燃料电池达到产生电流的工作条件时，切断在燃料电池的阴极侧的进入口的氧化气体供应；3.在限定时段后和/或在燃料电池的端口的电压达到限定水平时，恢复氧化气体的供应；4.在燃料电池工作的期间周期性重复前述的两个步骤。本发明进一步涉及燃料电池的气体回路。

Description

用于保持燃料电池系统的性能的方法以及燃料电池气体回路

技术领域

本发明涉及燃料电池，具体而言，本发明并不排他地涉及具有聚合物膜形式的电解质的类型的燃料电池(即，PEFC(聚合物电解质燃料电池)类型)。

背景技术

已知的是，燃料电池使用燃料气体和氧化剂气体而通过电化学氧化还原反应直接产生电能，而不需机械能转化步骤。该技术很有前景，尤其是对于电动车辆应用。概括而言，燃料电池包括单元元件的串联组合，所述单元元件的每个主要包括通过聚合物膜分开的阳极和阴极，使离子从阳极穿过聚合物膜到达阴极。

因此，供应有燃料(例如，氢气)的阳极是发生氧化半反应的地点。同时，供应有氧化剂(例如，纯氧气或包含在空气中的氧气)的阴极是发生还原半反应的地点。为了实现这两种半反应，有必有用催化剂(即，能够提高反应速率但自身不被消耗的化合物)来对阳极和阴极充电。

在所使用的各种催化剂中，已经观察到，使用铂(单独使用或作为合金使用)获得了最好的性能。然而，由于铂在存在氧气时的逐渐氧化，使用铂具有显著的缺陷。从而，已经观察到，在阴极催化剂中使用的铂的逐渐氧化导致了性能下降，该性能下降的表现是电压下降，而这在燃料电池仅仅工作了几十分钟后。

美国专利US6635369提供了一种解决方案，其能够使得阴极的氧气处于规律的短缺状态，从而减缓铂的逐渐变劣，而这使得燃料电池的性能能够在更长的时间上得到保持。

在该专利中，通过燃料电池在非常短的周期中短路(这导致了电流尖峰)来产生氧气短缺。因此，阴极电化学势突然下降，不再发生铂的氧化，因为该反应需要存在氧气以及高电化学势。从而，在每次产生短路后，能够观察到性能的提高。

然而，这样的解决方案有几个主要的缺陷。特别地，仅有小容量燃料电池(例如，大约一千瓦的燃料电池)能够实现短路。如果使用更大容量的燃料电池(例如，大约50kW的燃料电池)，回路产生的电流的增加将更大，而具有损坏系统的风险。另外，已经观察到，短路不仅导致阴极的铂的还原，而且导致阳极的腐蚀，从而产生损坏风险。最后，使用短路并不提供任何可控参数，因为，引起的电压下降只取决于燃料电池及其在短路时的工作。

另一解决方案还设想的是，如同专利申请EP2494642所提出的，有规律地将燃料电池置于消耗/重启循环中，其包括通过氧气的短缺来消耗燃料电池。确实，每次循环可以因此使得铂还原，从而保持燃料电池的性能。然而，当连续使用燃料电池时，以及当电力的产生不能中断时，不能应用该解决方案。

因此，本发明的目标是，提出能够保持燃料电池的性能而不干扰其工作且不产生额外损坏的过程。

发明内容

本发明提出了一种用于保持聚合物电解质膜燃料电池的性能的过程，所述燃料电池安装在包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路的系统中，所述燃料气体供应回路将燃料气体储备区连接至燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路将氧化剂气体储备区或大气连接，所述过程包括下列步骤：

-用燃料气体和氧化剂气体供应燃料电池，

-当燃料电池达到产生电流的工作状态时，中断氧化剂气体向燃料电池的阴极侧的入口的供应，

-在给定时间后和/或在燃料电池的端口的电压达到预定水平时，重启氧化剂气体的供应，

-在燃料电池工作的期间周期性重复前述的两个步骤。

在本发明的一个有益实施方案中，气体的供应在三秒时段的中断后重启。在另一实施方案中，气体的供应在燃料电池的电池的平均电压变为小于五百毫伏时重启。

相对短的打开能够在该暂时的供应不足期间限制电压的下降。确实，尽管燃料电池瞬间不再供应有空气，燃料电池的高度电容效应有助于将电压保持在可接收的水平，而不需干扰电的产生。

在本发明的另一有益实施方案中，其中，步骤的重复频率被设定为五分钟。

关于中断氧化剂气体供应的中断的步骤，几种实施方案都是可能的：

-在第一实施方案中，该中断包括：打开位于燃料电池的阴极的上游且将氧化剂气体供应回路连接至外部空气的阀，

-在第二实施方案中，该中断包括：瞬间中断位于氧化剂气体供应回路中的空气压缩机的工作，以及

-在第三实施方案中，该中断包括：关闭位于氧化剂气体供应回路中的阀。

本发明还涉及聚合物离子交换膜燃料电池的气体回路，其包括：

-燃料气体供应回路(11)，其将燃料气体储备区连接至燃料电池的阳极，

-氧化剂气体供应回路(12b)，其将氧化剂气体储备区或大气连接至燃料电池的阴极，

其特征在于，所述回路额外包括安装在氧化剂气体供应回路(12b)中的构件，其用于周期性地且瞬间地中断氧气向燃料电池的阴极的供应。

根据本发明的各个实施方案，中断构件包括：

-电磁阀，所述电磁阀位于氧化剂气体供应回路中的阴极的上游，并且将该回路连接至大气，

-压缩机，所述压缩机位于大气入口与阴极之间，

-阀，其位于氧化剂气体供应回路中。

附图说明

本说明书的剩余部分通过所附附图使得能够清楚地理解本发明的全部方面，在附图中：

-图1是供应有纯氧气的根据本发明的燃料电池的示意图；

-图2显示了实施或不实施本发明的燃料电池在时间上的性能。

具体实施方式

图1显示了聚合物膜形式的具有电解质的类型的燃料电池1b(即，PEFC(聚合物电解质燃料电池)或PEM(质子交换膜)类型)。燃料电池1b供应有两种气体，即燃料(车辆存储或车辆上产生的氢气)和氧化剂(空气或纯氧气)，所述气体供应电化学电池的电极。电负载14通过电线10连接至燃料电池1b。图1表示了阳极回路的元件以用于理解本发明，但是本申请的主题实际上还涉及燃料电池的阴极回路。

阳极回路的描述：

该组件包括阳极侧的燃料气体供应回路11。图中显示了纯氢气H₂储备区11T，其通过穿过截止阀110、然后穿过调压阀117、然后穿过喷射器113并然后穿过燃料气体供应通道11A的结束于阳极的供应线路而连接至燃料电池1b的阳极回路的入口。氢气(燃料)供应回路11还包括用于回收没有被燃料电池消耗的氢气的回路11R，所述回路连接至燃料电池1b的阳极回路的出口。回收回路11R中安装了水分离器114。喷射器113和再循环泵115使得未消耗的氢气再循环，并且将其与来自储备区的新的氢气混合。

图中还显示了额外的燃料气体积累室116，其位于燃料气体供应回路11的管道系统中，在截止阀110与调压阀117之间。在优选的实施方案中，额外的积累室位于供应回路中压力最大的点，以便减小其体积，或者以相同的体积存储更大量的氢气。应当注意，额外的燃料气体积累室116可以位于燃料气体供应回路中的任意点，也就是说，位于截止阀110与燃料电池1b之间的任意点、甚至回收回路11R中的任意点或者水分离器114与喷射器113之间的回路中的任意点。然而有益的是，将其放置在回路中在压力较高的点，以便减小其体积。另外，在调压阀的上游的位置使得所述积累室能够受控地排放。

图中还显示了吸入泵119和截止阀118，其安装在向大气排气的线路上，并且(优选在水分离器114下)连接至燃料气体回收环路11R。正好在如图1所示的点处的连接使得能够通过控制截止阀118提供三个功能，即，水排放、清洗和氢气吸入。但是，该实施方案的细节不是限制性的。为提供氢气吸入功能，具有截止阀118的线路可以连接在位于调压阀117下游的任意点。

阴极回路的描述：

该组件也包括阴极侧的氧化剂气体供应回路12b。该回路包括正常使用的空气压缩机125b，其通过穿过截止阀128、然后穿过氧化剂气体供应通道12A的结束于阴极的供应线路向燃料电池供应大气126。应当注意，本发明还可以应用于供应有纯氧气的燃料电池。在该情况下，氧化剂储备区位于空气入口126的位置。

另外，空气(包含氧气)供应回路12b还包括用于回收没有被燃料电池消耗的氧气的回路12R，所述回路连接至燃料电池1的阴极回路的出口。回收回路12Rb通过位于空气压缩机125b下游的分支连接123b直接连接至供应线路12A。在正常工作下，调压阀122b使得耗尽的空气持续排出到大气。该调压阀122b的打开度受到控制，从而在阴极回路中将压力保持在所希望的值。

在燃料电池正常工作时，不使用回收回路，泵125关闭，回收回路12Rb中没有循环气体，回收回路12Rb实质不存在。所有没有被阴极回路消耗的气体通过调压阀122b排气至大气。在泵125在其关闭时并不自然执行止回功能的情况下，需要在回收回路12Rb中提供止回阀，以便确保由压缩机供应的全部气体流向燃料电池1b的阴极回路。

截止阀128使得阴极回路能够在燃料电池关闭时与大气隔离。该截止阀128可以位于压缩机的上游或下游。

另外，在氧化剂气体供应回路中，电磁阀129位于阴极上游。该电磁阀旨在使得，在燃料电池正常工作的阶段，供应回路能够周期性地且非常短暂地向大气排气。确实，阀129的打开瞬间转移了大量的平常供应燃料电池的空气或氧气。该转移然后在燃料电池的阴极导致暂时的氧气供应不足或短缺。该短暂的氧气短缺能够将阴极的铂的氧化反应逆转为还原反应，从而使阴极再生。

如上所述，无论实施方式如何，在燃料电池产生电流的阶段期间有必要执行氧化剂气体的供应的中断。确实，在该情况下，压缩机125b激活并向供应回路12b送出空气或氧气。因此，在阀129的打开期间，存在于回路中的空气处于使得其确实会通过该打开而排出的压力。

图2显示了16电池的燃料电池的在4小时30分的时段中的性能。该图包括三条曲线，其分别显示燃料电池的电池电流、电压和平均功率。在开始的两个小时中，燃料电池根据常规过程工作，不实施本发明。从时间T+2小时开始，执行根据本发明的过程。

在工作的前两个小时，观察到了燃料电池的性能的下降，其表现为电压和输送的功率的逐渐下降。

从时间T＝2小时开始，燃料电池经历规律的氧气短缺，其每五分钟出现一次。然后，在每次氧气短缺时，观察到了输送的功率的立即上升，达到与在时间T＝0时所显示的水平几乎相等的水平。

该氧气短缺对应于本发明替选方案中的一个的实施，例如，图1中出现的电磁阀129的打开。该打开是受例如燃料电池的控制器控制，以打开预定时长，例如三秒。该控制的通过从控制器向电磁阀发送周期性信号来执行的。该阀的打开以及氧气短缺在燃料电池的端口产生了瞬间电压下降。因此，在另一示例中，在燃料电池的端口的电压达到预定阈值(例如，500mV)时，控制电磁阀关闭。

从而该在曲线上观察到，即使在工作一个小时后，规律的氧气短缺能够将性能几乎保持在初始水平，而在不实施根据本发明的过程的情况下，可以见到，燃料电池的性能下降得非常迅速。

Claims

1.一种用于保持聚合物电解质膜燃料电池(1)的性能的过程，所述燃料电池安装在包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路的系统中，所述燃料气体供应回路将燃料气体储备区连接至燃料电池的阳极，所述氧化剂气体供应回路将氧化剂气体储备区或大气连接至燃料电池的阴极，所述过程包括下列步骤：

-用燃料气体和氧化剂气体供应燃料电池，

-在燃料电池工作的期间周期性重复前述的两个步骤。

2.根据权利要求1所述的过程，其中，气体的供应在三秒时段的中断后重启。

3.根据权利要求1所述的过程，其中，气体的供应在燃料电池的端口的电压变为小于五百毫伏时重启。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的过程，其中，步骤的重复频率被设定为五分钟。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的过程，其中，中断氧化剂气体供应的步骤包括：打开位于燃料电池的阴极的上游且将氧化剂气体供应回路连接至外部空气的阀。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的过程，其中，中断氧化剂气体供应的步骤包括：瞬间中断位于氧化剂气体供应回路中的空气压缩机的工作。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的过程，其中，中断氧化剂气体供应的步骤包括：关闭位于氧化剂气体供应回路中的阀。

8.一种聚合物离子交换膜燃料电池(1)的气体回路，包括：

9.根据权利要求8所述的气体回路，其中，能够产生短缺的构件包括电磁阀，其位于氧化剂气体供应回路中的阴极的上游，并且将该回路连接至大气。

10.根据权利要求8所述的气体回路，其中，能够产生短缺的构件包括压缩机，其位于大气入口与阴极之间。

11.根据权利要求8所述的气体回路，其中，能够产生短缺的构件包括阀，其位于氧化剂气体供应回路中。