CN115708238A - 燃料电池再生 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及用于降级之后的燃料电池再生的系统和方法。

Description

燃料电池再生
相关申请的交叉引用
本非临时申请要求2021年8月19日提交的序列号为63/234,994的美国临时专利申请的根据35 U.S.C.§119(e)和任何其他适用法律或法规的权益和优先权，该申请的全部公开内容在此通过引用明确地并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及用于降级（degradation）之后的燃料电池再生（fuel cellregeneration）的系统和方法。
背景技术
燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统以其对燃料的高效利用来开发用于固定或移动应用的直流（DC）和/或交流（AC）电功率而已知。在高电压（诸如，开路电压）处的燃料电池或燃料电池堆操作由于电极处的过氧化物自由基形成和/或铂金属氧化和/或由于MEA的变干（fry out）而可能对燃料电池或燃料电池堆的健康有害。燃料电池或燃料电池堆当在这种高电压处操作时可能会经历降级。因此，典型地要避免燃料电池或燃料电池堆在高电压处的操作，以防止这种降级。
实现用于避免在低电流密度和/或高电压条件下操作燃料电池或燃料电池堆的策略可能会增加燃料电池或燃料电池堆操作的复杂性。复杂性中的这种增加可能会导致降低包括燃料电池或燃料电池堆的载具的操作效率和/或增加其操作成本。因此，需要开发用于在对燃料电池或燃料电池堆健康的最小影响的情况下在低负载和/或高电压条件下操作燃料电池或燃料电池堆的策略和方法。
本文中描述的是用于标识燃料电池或燃料电池堆何时需要再生的方法和系统、以及用于在由于在低负载和/或高电压条件下操作所引起的降级之后使燃料电池再生的方法和系统。本公开涉及可以被实现以逆转（reverse）性能损失和/或增加包括燃料电池或燃料电池堆的载具和/或动力系的效率的方法和系统。
发明内容
本公开的实施例被包括以满足这些和其他需要。在本文中描述的本公开的一个方面，一种使燃料电池或燃料电池堆的降级再生的方法包括以下步骤：监测在阈值电压以上操作燃料电池或燃料电池堆所花费的时间，确定对于使燃料电池或燃料电池堆的降级再生的需要，使燃料电池或燃料电池堆的降级再生，以及结束燃料电池或燃料电池堆的再生。
在一些实施例中，使燃料电池或燃料电池堆再生可以包括使燃料电池或燃料电池堆的可逆降级再生。
在一些实施例中，使燃料电池或燃料电池堆再生可以包括改变燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度、实现间歇非开路电压操作、或增加燃料电池或燃料电池堆中的湿度。在一些实施例中，改变操作电流密度可以包括以约0.2A/cm2至约0.8A/cm2的中间电流密度来操作燃料电池或燃料电池堆。增加燃料电池或燃料电池堆中的湿度可以包括调整燃料电池或燃料电池堆的过量（excess）燃料比或过量空气比。
在一些实施例中，监测在阈值电压以上操作燃料电池或燃料电池堆所花费的时间可以包括确定所花费的时间是否在阈值时间以上。在一些实施例中，阈值时间可以是约25小时。
在一些实施例中，确定对于使燃料电池或燃料电池堆再生的需要可以包括使用模型来估计燃料电池或燃料电池堆在阈值电压以上操作可以花费的阈值时间。
在一些实施例中，确定对于使燃料电池或燃料电池堆再生的需要可以包括：确定燃料电池或燃料电池堆在高电压条件下操作已经花费的时间，以及将燃料电池或燃料电池堆在高电压处操作已经花费的时间与阈值时间进行比较。在一些实施例中，燃料电池或燃料电池堆在高电压条件下操作已经花费的时间可以是固定时间或加权时间，并且可以由模型基于燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度或操作电压来确定。
在一些实施例中，结束燃料电池或燃料电池堆的再生可以在固定时间之后被发起。
在一些实施例中，结束燃料电池或燃料电池堆的再生可以基于模型，或者可以基于生成燃料电池或燃料电池堆之前和之后的燃料电池或燃料电池堆电压。使燃料电池或燃料电池堆再生之后的燃料电池或燃料电池堆电压与再生之前的燃料电池或燃料电池堆电压的改变不能够多于约1%。
在一些实施例中，使燃料电池或燃料电池堆的降级再生可以包括增加燃料电池或燃料电池堆中的燃料的再循环速率、减小燃料的净化（purge）速率、降低燃料电池或燃料电池堆的操作温度、降低燃料电池或燃料电池堆的操作压强、或调整燃料电池或燃料电池堆的过量空气比或过量燃料比。在一些实施例中，阈值电压可以是约0.7V至约0.85V。
在本公开的第二方面，一种燃料电池或燃料电池堆以操作电流密度、操作电压、以及在过量空气比的情况下进行操作。该燃料电池或燃料电池堆包括以第一流率流过该燃料电池或燃料电池堆的阳极入口的燃料和以第二流率流过该燃料电池或燃料电池堆的阴极入口的氧化剂。如果操作电压高于阈值电压，则监测该燃料电池或燃料电池堆的操作时间。当需要时，该燃料电池或燃料电池堆经历再生。
在一些实施例中，该燃料电池或燃料电池堆的再生可以包括改变该燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度、改变操作电压、降低第一流率、或降低第二流率。
在一些实施例中，操作电压可以通过实现间歇非开路操作来降低。该燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度可以被改变为约0.2A/cm2至约0.8A/cm2的中间电流密度。第一流率或第二流率可以通过分别调整阳极入口处的阳极化学计量学（stoichiometry）或调整阴极入口处的阴极化学计量学来降低。如果在阈值电压以上操作该燃料电池或燃料电池堆所花费的时间在阈值时间以上，则可以降低操作电压，可以降低第一流率，或者可以降低第二流率，以使该燃料电池或燃料电池堆再生。在一些实施例中，阈值时间可以是约25小时。
在一些实施例中，该燃料电池或燃料电池堆的再生可以包括使该燃料电池或燃料电池堆的可逆降级再生。在一些实施例中，阈值电压可以是约0.7V至约0.85V。在一些实施例中，使用模型来确定何时发起生成或者何时停止再生。
附图说明
图1A是包括连接到电厂辅机设备（balance of plant）的一个或多个燃料电池堆的燃料电池系统的图示。
图1B是具有燃料电池模块的燃料电池系统的图示，每个燃料电池模块具有燃料电池堆和/或燃料电池。
图1C是燃料电池堆中的燃料电池的组件的图示。
图2是图示了用以在由在诸如开路电压（OCV）之类的高电压处操作燃料电池或燃料电池堆所引起的降级之后使燃料电池或燃料电池堆再生的路径的示意图。
图3是图示了由于在诸如开路电压（OCV）之类的高电压处操作燃料电池或燃料电池堆所致的可逆和不可逆降级的示意图。
当参考本文中描述的附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。还参考了附图，该附图形成本文的一部分，并且其中通过说明的方式示出了其中可以实践本发明的特定实施例。充分详细地描述了这些实施例，以使得本领域技术人员能够实践所要求保护的内容，并且要理解的是，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以做出逻辑、机械和电气改变。因此，以下详细描述不应以限制性意义来看待。
具体实施方式
本公开涉及用于在由于在低负载和/或高电压条件下操作燃料电池20或燃料电池堆12所引起的降级202之后使燃料电池20或燃料电池堆12再生的方法。本公开涉及用于监测燃料电池20或燃料电池堆12操作以确定何时触发再生方法102的方法。本公开还涉及可以被实现以逆转性能损失和/或增加包括燃料电池20或燃料电池堆12的载具100和/或动力系100的效率的方法。
如图1A中所示，燃料电池系统10常常包括连接到电厂辅机设备（BOP）16的一个或多个燃料电池堆12或燃料电池模块14，包括各种组件，从而以环境友好的方式来产生、生成和/或分配电功率以满足现代工业和商业需要。如图1B和1C中所示，燃料电池系统10可以包括燃料电池堆12，燃料电池堆12包括多个个体燃料电池20。每个燃料电池堆12可以容纳串联地和/或并联地连接在一起的多个燃料电池20。燃料电池系统10可以包括如图1A和1B中所示的一个或多个燃料电池模块14。
每个燃料电池模块14可以包括多个燃料电池堆12和/或多个燃料电池20。燃料电池模块14还可以包括被采用以支持燃料电池模块14的功能和操作的相关联的结构元件、机械系统、硬件、固件和/或软件的适当组合。这种项目（item）包括但不限于管道（piping）、传感器、调节器、集电器（current collector）、密封件和绝缘体。
燃料电池堆12中的燃料电池20可以堆叠在一起，以倍增和增加单个燃料电池堆12的电压输出。燃料电池系统10中的燃料电池堆12的数量可以取决于操作燃料电池系统10和满足任何负载的功率需要所需的功率量而变化。燃料电池堆12中的燃料电池20的数量可以取决于操作包括燃料电池堆12的燃料电池系统10所需的功率量而变化。
每个燃料电池堆12或燃料电池系统10中的燃料电池20的数量可以是任何数量。例如，每个燃料电池堆12中的燃料电池20的数量的范围可以从约100个燃料电池至约1000个燃料电池，包括其中包含的燃料电池20的任何特定数量或数量范围（例如，约200个至约800个）。在一实施例中，燃料电池系统10可以包括约20个至约1000个燃料电池堆12，包括其中包含的燃料电池堆12的任何特定数量或数量范围（例如，约200个至约800个）。燃料电池模块14内的燃料电池堆12中的燃料电池20可以在任何方向上被定向，以优化燃料电池系统10的操作效率和功能。
燃料电池堆12中的燃料电池20可以是任何类型的燃料电池20。燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜（PEM）燃料电池、阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、再生式燃料电池（RFC）、磷酸燃料电池（PAFC）或固体氧化物燃料电池（SOFC）。在示例性实施例中，燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜（PEM）燃料电池、或固体氧化物燃料电池（SOFC）。
某些燃料电池（诸如固体氧化物燃料电池（SOFC））在提供电力以满足工业和市政需要的大规模功率系统中操作。其他的适用于较小的便携式应用，诸如对汽车、卡车或其他工业装备和载具进行供电。其他常见类型的燃料电池包括磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和质子交换膜燃料电池，它们全部通常以其电解质来命名。典型的质子交换膜燃料电池（PEMFC）由被压缩并结合到燃料电池堆中的许多燃料电池组装件组成。
在图1C中所示的实施例中，燃料电池堆12包括多个质子交换膜（PEM）燃料电池20，每个质子交换膜燃料电池20由被压缩和/或结合在堆12中的许多燃料电池组装件组成。每个燃料电池20包括单个膜电极组装件（MEA）22以及在膜电极组装件（MEA）22的任一侧或两侧上的气体扩散层（GDL）24、26（参见图1C）。燃料电池20进一步包括在每个气体扩散层（GDL）24、26的外部侧上的双极板（BPP）28、30。上面提到的组件22、24、26、30包括单个重复单元50。
双极板（BPP）28、30负责在燃料电池20中运送反应物、诸如燃料32（例如，氢气）或氧化剂34（例如，氧气、空气）、以及冷却流体36（例如，冷却剂和/或水）。双极板（BPP）28、30可以通过氧化剂流场42和/或燃料流场44将反应物32、34均匀地分布到每个燃料电池20的活性区域（active area）40。活性区域40在气体扩散层（GDL）24、26和双极板（BPP）28、30内以膜电极组装件（MEA）22为中心，在活性区域40中，发生电化学反应以生成由燃料电池20产生的电功率。双极板（BPP）28、30被压缩在一起，以将一种或多种反应物32隔离和/或密封在它们相应的路径、通道和/或流场42、44内，从而维持导电性，这是对于在燃料电池20操作期间的鲁棒性所需要的。
本文中描述的燃料电池系统10可以用于固定和/或不移动的功率系统（诸如工业应用和发电厂）中。燃料电池系统10也可以结合电解器（electrolyzer）18和/或其他电解系统18来实现。在一个实施例中，燃料电池系统10串联地或并联地连接和/或附接到电解系统18，诸如BOP 16中的一个或多个电解器18（参见图1A）。在另一个实施例中，燃料电池系统10没有串联地或并联地连接和/或附接到电解系统18，诸如BOP 16中的一个或多个电解器18。
本燃料电池系统10也可以被包括在移动应用中。在示例性实施例中，燃料电池系统10在载具和/或动力系100中。包括本燃料电池系统10的载具100可以是汽车、乘用汽车、公共汽车、卡车、火车、机车、飞行器、轻型载具、中型载具或重型载具。
载具和/或动力系100可以被用于道路、高速公路、铁路、航路和/或水路上。载具100可以被用于包括但不限于非公路运输、牵引车（bobtail）和/或采矿装备的应用中。例如，采矿装备载具100的示例性实施例是采矿卡车或矿用运输卡车（mine haul truck）。
例如，当包括燃料电池20或燃料电池堆12的载具和/或动力系100从燃料电池20或燃料电池堆12需要的电功率低时，燃料电池20或燃料电池堆12被限制为在空闲状态（例如，待机状态）或在关闭状态下操作。空闲状态可以被选择为其中燃料电池20或燃料电池堆12的电压不超过某个阈值的操作状态。因此，由高电压下的操作引发的降级的量是有限的。空闲操作可能生成比该系统所要求的功率更多的功率，从而需要足够大的能量存储介质（例如，电池组（battery）、飞轮（fly-wheel）等）或需要用于浪费地耗散该能量的手段（例如，电阻器负载）。
到关闭状态的转变可能需要钝化过程以避免降级。移动到关闭状态和从关闭状态移动离开的过程可能需要大量的时间（例如，约10秒）。如果该系统在燃料电池能够从关闭状态返回之前需要功率，则在另一个设备中必须有足够的所存储的能量可用。对这些转变的管理可能是复杂的，这是因为未来的系统需求可能是未知的。因此，在这种情况下，系统设计可能是次优的，其具有次优的能量存储大小确定（sizing）和次优的能量效率。
返回到燃料电池20、燃料电池堆12和/或燃料电池系统10，它们中的全部可以在高电压条件、低电压条件或中间电压条件下操作。高电压条件、低电流密度条件和低湿度条件被同义地使用，以指示其中电流密度低于约0.05A/cm2或低于约0.15A/cm2或其中电压大于约0.8V或大于约0.85V的燃料电池或燃料电池堆操作。当燃料电池或燃料电池堆在这些条件下操作时，MEA可能具有变干的趋势。
当不存在或存在较少的负载需求时，燃料电池或燃料电池堆可能在高电压条件下操作。燃料电池或燃料电池堆可能在高电压（诸如开路电压（OCV）或开路电位（OCP））处操作。例如，包括燃料电池或燃料电池堆的载具可能在交通灯停止期间、在交通堵塞或空闲（idling）条件下等以高电压进行操作。
在中间负载条件下，燃料电池或燃料电池堆可能在中间范围内的电压处操作。当电压的范围是从约0.65V至约0.85V和/或电流密度的范围是从约0.15A/cm2至约0.6A/cm2时，燃料电池或燃料电池堆可能在中间电压条件下操作。
低电压条件和高电流密度条件被同义地用于指示其中电流密度大于约0.6A/cm2或大于约1A/cm2或其中电压低于约0.65V或低于约0.7V的燃料电池或燃料电池堆操作。可以使用操作条件来控制湿度以避免水淹（flooding）。该系统可能在低电压条件和高电流密度条件下受压（stressed），并且该系统可能对操作条件更加敏感。在这种情况下，可能重要的是避免经由燃料电池或燃料电池堆的水淹或饥饿（starvation）的加速降级，以防止性能损失。
在本公开的一个实施例中，再生方法102可以被实现以恢复通过以低电流密度、开路电压（OCV）或高电压范围（例如，在约0.8V以上或在约0.85V以上）操作燃料电池20或燃料电池堆12所引发的性能损失。所提到的所有电压可以是燃料电池20电压或燃料电池堆12电压。在一些实施例中，燃料电池堆12电压可以基于燃料电池20电压和被包括在燃料电池堆12中的燃料电池20的数量来确定。
燃料电池堆12电压可以通过对燃料电池堆12的所有燃料电池20的个体燃料电池20电压进行求和或者将平均燃料电池20电压乘以燃料电池堆20中的燃料电池20的数量来确定。燃料电池20或燃料电池堆12可以经历包括可逆降级206和/或不可逆降级208的降级202。在一些实施例中，再生方法102可以被实现以恢复由于可逆降级206所引发的性能损失。
在一个实施例中，再生方法102可以被实现以增加燃料电池20或燃料电池堆12的效率。在其他实施例中，再生方法102可以被实现以改进燃料电池20或燃料电池堆12的健康。在一些实施例中，再生方法102可以被实现以恢复由于可逆降级206所引发的燃料电池20或燃料电池堆12中的效率损失。在其他实施例中，再生方法102可以被实现以改进由于可逆降级206所致的燃料电池20或燃料电池堆12的健康。在一些其他实施例中，如果燃料电池20或燃料电池堆12被诊断为被降级，则再生方法102可以被实现以确定性能降级202是否可以被恢复。
在一个实施例中，再生方法102可以包括基于阈值电压来实现间歇非开路电压操作114。在一些实施例中，再生方法102可以包括在阈值电压（例如，约0.7V至约0.8V）以上的电压处操作包括燃料电池20或燃料电池堆12的载具100和/或动力系100，并且监测载具100和/或动力系100在该阈值电压以上进行操作所花费的时间。在一些实施例中，阈值电压可以是约0.7V至约0.8V，包括其中包含的任何特定电压或电压范围。在其他实施例中，阈值电压可以是高电压条件。
在一个实施例中，再生方法102可以在包括以低电流密度（负载）或高电压范围（例如，在约0.8V以上或在约0.85V以上）操作的燃料电池20或燃料电池堆12的载具100和/或动力系100中实现。在一些实施例中，再生方法102可以在包括在开路电压（OCV）处操作的燃料电池20或燃料电池堆12的载具100和/或动力系100中实现。
在一个实施例中，再生方法102可以被实现以监测MEA 22的湿度状态。由于防止在目标燃料电池堆12操作温度或压强处的水淹所需的空气流34中的增加，以较低操作电流密度的延长操作可能导致更干燥的MEA 22。例如，在以阈值电流密度（例如，0.2或0.1A/cm2）以下的操作电流密度的堆操作的情况下，可能产生更干燥的MEA 22。在一些实施例中，阈值电流密度的范围可以从约0.05A/cm2至约0.15A/cm2、约0.15A/cm2至约0.25A/cm2、约0.25A/cm2至约0.35A/cm2，包括其中包含的任何特定电流密度或范围。如上所描述的类似方法102可以用于基于MEA 22的湿度状态来触发包括再生方法102的再生事件。
监测燃料电池20或燃料电池堆12的操作以确定和/或标识采用再生方法102的需要对于确保燃料电池20或燃料电池堆12的性能和/或效率来说可能是关键的。在一个实施例中，再生方法102可以在预定时间段之后实现。在一些实施例中，再生方法102可以在实时确定的时间段之后实现。在一些实施例中，该时间段的范围可以从约90小时至约100小时、约80小时至约90小时、约70小时至约80小时、约60小时至约70小时、约60小时至约70小时、或约50小时至约60小时，包括其中包含的任何特定时间段或范围。
在一个实施例中，再生方法102可以使用基于模型的方法来实现。确定燃料电池20或燃料电池堆12何时需要再生的基于模型的方法可以取决于变量，诸如操作电流密度、操作电压、在操作期间生成的水36、阳极106和/或阴极108流率、操作温度和/或操作压强。
在一个实施例中，基于模型的方法可以基于在不同操作条件下所花费的时间来估计燃料电池20或燃料电池堆12何时需要再生204，该不同操作条件诸如操作电流密度、操作电压、在操作期间生成的水36、阳极106和/或阴极108流率、操作温度和/或操作压强。在一个实施例中，该模型可以有差别地衡量（weigh）燃料电池20或燃料电池堆12在不同操作条件（例如，操作电流密度、操作电压）下操作所花费的时间。例如，燃料电池20或燃料电池堆12在包括约0A/cm2的电流密度的开路电压（OCV）处操作所花费的时间可能比燃料电池20或燃料电池堆12以约0.01A/cm2的电流密度进行操作所花费的时间被更重地加权。
在一些实施例中，一旦达到加权阈值时间，基于模型的方法就可以触发再生方法102。在其他实施例中，一旦达到加权阈值时间，被包括在载具100和/或动力系100中的控制器（未示出）就可以触发再生方法102。在其他实施例中，一旦达到加权阈值时间，被包括在载具10和/或动力系100外部的控制器（未示出）就可以触发再生方法102。
在一些实施例中，阈值时间或加权阈值时间的范围可以从约40小时至约50小时、约35小时至约40小时、约30小时至约35小时、约25小时至约30小时、约20小时至约25小时、或约15小时至约20小时，包括其中包含的任何特定时间或范围。在一些实施例中，阈值时间或加权阈值时间的范围可以从约15小时至约20小时、约10小时至约15小时、约5小时至约10小时、或约1小时至约5小时，包括其中包括的任何特定时间或范围。在一些实施例中，与在约80至约100小时之后采用再生方法102相比，在约20小时至约30小时之后采用再生方法102可以导致较少的不可逆降级208。
在一个实施例中，再生方法102的实现可以取决于燃料电池20或燃料电池堆12的操作电压。在一些实施例中，再生方法102的实现可以取决于燃料电池20或燃料电池堆12监测电压阈值。在一些实施例中，燃料电池20或燃料电池堆12监测电压阈值可以是约0.7V至约0.8V，包括其中包括的任何特定电压或电压范围。
在一个实施例中，再生方法102的实现可以取决于预定时间段和燃料电池20或燃料电池堆12监测电压阈值的组合。如果燃料电池20或燃料电池堆12的电压改变的量等于约0.01V至约0.05V，包括在预定时间段过去之前被包含在其中的任何特定电压或范围，则可以触发再生方法102。在一些实施例中，当包括燃料电池20或燃料电池堆12的载具100和/或动力系100在阈值电压以上操作所花费的时间在阈值时间以上时，可以触发再生方法102。在其他实施例中，当在阈值电压以上操作的燃料电池20或燃料电池堆12的衰减水平（decaylevel）在阈值衰减水平以上时，可以触发再生方法102。
在一个实施例中，再生方法102可以在绝对时间段之后被触发。燃料电池系统10可以不针对任何时间阈值或电压阈值被监测。再生方法102可以利用任何监测被触发。在一些实施例中，再生方法102可以在燃料电池20或燃料电池堆12在空闲状态下操作达预定次数之后被触发。在一些实施例中，燃料电池20或燃料电池堆12可以在空闲状态下操作从约2次至约5次、从约5次至约10次、或从约10次至约20次，包括其中包含的任何特定次数或范围。
在一个实施例中，如图2中所图示，再生方法102可以在整个燃料电池20或燃料电池堆12中实现，如框104中所示。在其他实施例中，再生方法102可以在燃料电池20或燃料电池堆12的阳极侧106处或阴极侧108处实现。在一些实施例中，框104处的在整个燃料电池20或燃料电池堆12中实现的再生方法102可以包括：在框110处增加操作电流密度，在框112处增加整个燃料电池20或燃料电池堆12的平均湿度，在框114处实现间歇非开路电压操作，在框116处修改或调整过量燃料比和/或过量空气比，和/或在框1116处修改或调整燃料电池20或燃料电池堆12的操作温度和/或压强。
在一个实施例中，再生事件可以包括实现再生方法102中的一个或多个。在一些实施例中，再生方法102可以由再生事件触发。在一些实施例中，由再生事件触发的再生方法102可以包括在可以使燃料电池20或燃料电池堆12再生204的条件下操作燃料电池20或燃料电池堆12。在其他实施例中，由再生事件触发的再生方法102可以包括在可以增加燃料电池20或燃料电池堆12的性能或效率的条件下操作燃料电池20或燃料电池堆12。在一些实施例中，由再生事件触发的再生方法102可以包括在阈值电压以下的电压处操作燃料电池20或燃料电池堆12，在较高的阴极108湿度条件下操作燃料电池20或燃料电池堆12，在较高的阳极106湿度条件下操作燃料电池20或燃料电池堆12，和/或在最大允许温度处或接近最大允许温度来操作燃料电池20或燃料电池堆12。
在一个实施例中，如果操作温度降低，则燃料电池20或燃料电池堆12可能能够在开路电压（OCV）处操作。在较低温度处的操作可以最小化由于高温度和低湿度所引起的降级202。与较高温度相比，在较低温度处维持较高的相对湿度可能是相对容易的。在一些实施例中，如果操作温度的范围是从约55℃至约60℃、从约60℃至约65℃、从约65℃至约70℃、或从约70℃至约75℃，包括其中包含的任何特定温度或范围，则燃料电池20或燃料电池堆12可能能够在开路电压（OCV）处操作。
图3示出了曲线图200，其图示了实现再生方法102的一个实施例对在开路电压处操作的燃料电池20或燃料电池堆12的影响。202指示在燃料电池20或燃料电池堆12的操作期间的不同时间点处在燃料电池20或燃料电池堆12中发生的降级。204指示当在燃料电池20或燃料电池堆12的操作期间的不同时间点处实现再生方法102时燃料电池20或燃料电池堆12的再生。206指示燃料电池20或燃料电池堆12当在开路电压处操作时经历的可逆降级。实现再生方法102逆转了燃料电池20或燃料电池堆12降级的该可逆组分206。208指示燃料电池20或燃料电池堆12当在开路电压处操作达给定时间段时经历的累积不可逆降级。燃料电池20或燃料电池堆12降级的不可逆组分208可能无法通过再生方法102来恢复。
在一个实施例中，在燃料电池20或燃料电池堆12以高电压或低电流密度进行操作的时间与使燃料电池20或燃料电池堆12再生204或恢复燃料电池20或燃料电池堆12的性能所花费的时间之间可能存在折衷。在一些实施例中，如果再生方法102被实现更多次或以更高的频率实现，则燃料电池20或燃料电池堆12的再生可以更加高效。例如，在开路电压处操作燃料电池20或燃料电池堆12达约68小时之后，如果再生方法102在操作周期的结束时被实现，则可能无法为燃料电池20或燃料电池堆12实现全部性能再生204。然而，如果再生方法102在68小时的操作之后约每10小时被实现，则燃料电池20或燃料电池堆12可以在约3次再生之后完全地恢复其降级的可逆组份。
在一些实施例中，再生方法102可以约每2小时至约10小时、约每10小时至约20小时、约每20小时至约30小时、约每30小时至约40小时、约每40小时至约50小时、约每50小时至约60小时、约每60小时至约70小时、约每70小时至约80小时、约每80小时至约90小时、或约每90小时至约100小时被实现，包括在其中包含的任何特定时间或时间范围之后的任何时间。在一些优选实施例中，再生方法102可以约每25小时被实现。
在一个实施例中，再生方法102可以包括以更高的电流密度来操作燃料电池20或燃料电池堆12以增加再生204的速率。在一些实施例中，再生方法102可以包括以低电流密度、中间电流密度、或以高电流密度来操作燃料电池20或燃料电池堆12。
在一个实施例中，低电流密度可以包括小于约0.05A/cm2、0.05A/cm2至约0.15A/cm2、或从约0.15A/cm2至约0.2A/cm2，包括其中包含的任何特定电流密度或范围。在一些实施例中，中间电流密度可以包括从约0.2A/cm2至约0.25A/cm2、从约0.25A/cm2至约0.35A/cm2、从约0.35A/cm2至约0.45A/cm2、从约0.45A/cm2至约0.55A/cm2、从约0.55A/cm2至约0.65A/cm2、从约0.65A/cm2至约0.75A/cm2、或从约0.75A/cm2至约0.80A/cm2，包括其中包含的任何特定电流密度或范围。在其他实施例中，高电流密度可以包括从约0.80A/cm2至约0.9A/cm2、从或约0.9A/cm2至约1.0A/cm2、从约1.0A/cm2至约1.2A/cm2、从约1.2A/cm2至约1.4A/cm2、从约1.4A/cm2至约1.6A/cm2、或从约1.6A/cm2至约1.8A/cm2，包括其中包含的任何特定电流密度或范围。
在一个实施例中，包括以中间电流密度来操作燃料电池20或燃料电池堆12的再生方法102可以比以低电流密度或高电流密度来操作燃料电池20或燃料电池堆12更加灵活。在一些实施例中，实现间歇非开路电压操作114可以包括以高电流密度或在高湿度模式下间歇地操作燃料电池20或燃料电池堆12。在其他实施例中，以高电流密度间歇地操作燃料电池20或燃料电池堆12可能不允许燃料电池20或燃料电池堆12的操作状态的修改。
在一个实施例中，修改或调整过量燃料比和/或过量空气比116可以包括调整阳极106入口处的阳极化学计量学或调整阴极108入口处的阴极化学计量学。在一些实施例中，再生方法102可以包括增加阳极106入口的相对湿度。在一些实施例中，如果燃料电池20或燃料电池堆12中的再循环流包括水36，则再循环流可以被增加。新鲜燃料或氢气流32可以被控制以维持阳极106与阴极108的压强平衡，这是因为新鲜燃料32抵消了燃料电池20或燃料电池堆12内消耗的燃料32。在一些实施例中，阳极化学计量学可以在燃料电池20或燃料电池堆12操作期间降低。
在一个实施例中，如图2中所示，阳极106处的再生方法102可以包括：在框120处增加燃料32的再循环速率，或在框122处减小燃料32净化速率。在一个实施例中，阴极108处的再生方法102可以包括：在框130处降低操作温度，在框132处降低操作压强，或在框134处降低过量空气比。
在一个实施例中，再生方法102可以包括跟踪在阈值电压以上所花费的时间，即燃料电池20或燃料电池堆12由于在高电压处操作而经历降级的时间。在其他实施例中，再生方法102可以包括跟踪由于在高电压条件（例如，在约0.8V以上、或在约0.85V以上）下操作载具100和/或动力系100所致的燃料电池20或燃料电池堆12的衰减水平。
在一个实施例中，可以确定或校准包括再生方法102的再生事件的频率和/或持续时间，以将燃料电池20或燃料电池堆12的性能或效率恢复到降级202之前的水平。在一些实施例中，在阈值电压以上操作燃料电池20或燃料电池堆12可能导致可逆降级206和/或不可逆降级208。在一个实施例中，可以确定或校准包括再生方法102的再生事件的频率和持续时间，以使燃料电池20或燃料电池堆12中的任何可逆降级206再生204。
在一个实施例中，如果再生方法102在燃料电池20或燃料电池堆12在开路电压处操作时被间歇地实现，则包括再生方法102的再生事件可以被实现以维持燃料电池20或燃料电池堆12的健康。在一些实施例中，再生方法102可以包括在较低电压处操作燃料电池或燃料电池堆达不同的时间长度。在一些实施例中，再生方法102可以包括在低电压条件或中间电压条件下操作燃料电池或燃料电池堆达小于约1分钟、约1分钟至约5分钟、约5分钟至约15分钟、约15分钟至约30分钟、约30分钟至约60分钟、或大于60分钟，包括其中包含的任何特定时间段。在一些优选实施例中，再生方法102可以被实现达约5分钟至约15分钟。
在一个实施例中，模型可以基于燃料电池20或燃料电池堆12的操作条件、诸如操作电流密度、操作电压、在操作期间生成的水36、阳极106和/或阴极108流率、操作温度和/或操作压强，来估计何时停止实现再生方法102。在一些实施例中，再生方法102可以在由模型确定的时间段之后被停止。对于在其情况下进行再生204的给定操作条件，模型可以确定或估计再生204的速率、可逆过程、或MEA 22的增湿（humidification）的速率，并且相应地确定何时停止再生方法102。
在一个实施例中，可以在实现再生方法102之前和之后并且在相同的操作条件下监测燃料电池20或燃料电池堆12电压。在一些实施例中，如果在实现再生方法102之后的燃料电池20或燃料电池堆12电压不增加或者达到平稳状态，则可以停止再生方法102。例如，如果在实现再生方法102之后的燃料电池20或燃料电池堆12电压的改变小于约1%，则可以停止再生方法102。
在一个实施例中，再生方法102可以在实现再生方法102之后评估燃料电池20或燃料电池堆12之后并且在预定时间段的经过之后被停止。在一些实施例中，可以实时评估该预定时间段，以确保该预定时间段是用于实现再生方法102的足够的时间。在一些实施例中，如果该预定时间段不是足够的时间，则可以重新实现再生方法102。
在一个实施例中，再生方法102可以被顺序地实现多于一次。可以确定每次实现之前和之后的燃料电池20或燃料电池堆12电压。在一些实施例中，再生方法102的每次实现可以在固定时间段或可变时间段内完成。在一些实施例中，再生方法102的顺序实现可以取决于在每次实现之前和之后对燃料电池20或燃料电池堆12电压的确定。
在一个实施例中，如果在再生方法102的实现之后的燃料电池20或燃料电池堆12的改变小于约1%，则可以停止再生方法102的顺序实现。在一些实施例中，每次顺序实现的时间段可以由模型基于燃料电池20或燃料电池堆12的操作电流密度、操作电压、在操作期间生成的水36、阳极106和/或阴极108流率、操作温度和/或操作压强来确定。在一些实施例中，再生方法102的顺序实现可以在预定次数的实现之后被停止。
在一个实施例中，再生方法102可以包括结合能量存储设备（未示出）来操作燃料电池20或燃料电池堆12。在一些实施例中，再生方法102可以包括结合能量耗散设备（未示出）来操作燃料电池20或燃料电池堆12。在其他实施例中，如果包括燃料电池20或燃料电池堆12的载具100和/或动力系100上的寄生负载可以被预料（anticipate），则该寄生负载可以被提前接合。在一些实施例中，寄生负载可以包括一个或多个载具100冷却风扇、泵、座舱HVAC或其他组件。
在一个实施例中，再生方法102可以被实现以评估任何性能降级202是否是可逆的206。例如，如果燃料电池20电压监测指示性能已经降级202，则可以执行主动再生204以确定性能是否可以被恢复。
在一个实施例中，再生方法102可以在包括燃料电池20或燃料电池堆12的载具100和/或动力系100在瞬时条件（transient condition）下操作时实现。在一些实施例中，可以跟踪MEA 22的湿度状态。在一些实施例中，当MEA 22暴露于非标称条件、诸如高电压条件（例如，在约0.8V以上或在约0.85V以上）时，燃料电池20或燃料电池堆12可以经历再生以将MEA 22重新增湿。在其他实施例中，燃料电池20或燃料电池堆12可以在如果MEA 22太湿则可使MEA 22变干的操作条件下被操作。
在一个实施例中，再生方法102可以包括基于燃料电池20或燃料电池堆12的操作条件来预料MEA 22的湿度状态。例如，可以使用前瞻算法来确定包括燃料电池20或燃料电池堆12的载具100或机器何时将停止。在一些实施例中，燃料电池20或燃料电池堆12可以在预料到该停止事件的情况下经历再生204。
本发明的以下描述的方面是预期的并且是非限制性的：
本发明的第一方面涉及一种使燃料电池或燃料电池堆的降级再生的方法。该方法包括以下步骤：监测在阈值电压以上操作燃料电池或燃料电池堆所花费的时间，确定对于使燃料电池或燃料电池堆的降级再生的需要，使燃料电池或燃料电池堆的降级再生，以及结束燃料电池或燃料电池堆的再生。
本发明的第二方面涉及一种燃料电池或燃料电池堆。该燃料电池或燃料电池堆以操作电流密度、操作电压、以及在过量空气比的情况下操作。该燃料电池或燃料电池堆包括以第一流率流过该燃料电池或燃料电池堆的阳极入口的燃料和以第二流率流过该燃料电池或燃料电池堆的阴极入口的氧化剂。如果操作电压高于阈值电压，则监测该燃料电池或燃料电池堆的操作时间。当需要时，该燃料电池或燃料电池堆经历再生。
在本发明的第一方面，使燃料电池或燃料电池堆再生可以包括使燃料电池或燃料电池堆的可逆降级再生。
在本发明的第一方面，使燃料电池或燃料电池堆再生可以包括改变燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度、实现间歇非开路电压操作、或增加燃料电池或燃料电池堆中的湿度。在本发明的第一方面，改变操作电流密度可以包括以约0.2A/cm2至约0.8A/cm2的中间电流密度来操作燃料电池或燃料电池堆。在本发明的第一方面，增加燃料电池或燃料电池堆中的湿度可以包括调整燃料电池或燃料电池堆的过量燃料比或过量空气比。
在本发明的第一方面，监测在阈值电压以上操作燃料电池或燃料电池堆所花费的时间可以包括确定所花费的时间是否在阈值时间以上。
在本发明的第一方面，确定对于使燃料电池或燃料电池堆再生的需要可以包括使用模型来估计燃料电池或燃料电池堆在阈值电压以上操作可以花费的阈值时间。在本发明的第一方面，确定对于使燃料电池或燃料电池堆再生的需要可以包括确定燃料电池或燃料电池堆在高电压条件下操作已经花费的时间，以及将燃料电池或燃料电池堆在高电压处操作已经花费的时间与阈值时间进行比较。在本发明的第一方面，燃料电池或燃料电池堆在高电压条件下操作已经花费的时间可以是固定时间或加权时间，并且可以由模型基于燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度来确定。在本发明的第一方面，燃料电池或燃料电池堆在高电压条件下操作已经花费的时间可以是固定时间或加权时间，并且可以由模型基于燃料电池或燃料电池堆的操作电压来确定。
在本发明的第一方面，结束燃料电池或燃料电池堆的再生可以在固定时间之后被发起。在本发明的第一方面，结束燃料电池或燃料电池堆的再生可以基于模型，或者可以基于生成燃料电池或燃料电池堆之前和之后的燃料电池或燃料电池堆电压。在本发明的第一方面，使燃料电池或燃料电池堆再生之后的燃料电池或燃料电池堆电压与再生之前的燃料电池或燃料电池堆电压的改变不能够多于约1%。
在本发明的第一方面，使燃料电池或燃料电池堆的降级再生可以包括增加燃料电池或燃料电池堆中的燃料的再循环速率、减小燃料的净化率、降低燃料电池或燃料电池堆的操作温度、降低燃料电池或燃料电池堆的操作压强、或调整燃料电池或燃料电池堆的过量空气比或过量燃料比。
在本发明的第二方面，该燃料电池或燃料电池堆的再生可以包括改变该燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度、改变操作电压、降低第一流率、或降低第二流率。在本发明的第二方面，操作电压可以通过实现间歇非开路操作来降低。在本发明的第二方面，该燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度可以被改变为约0.2A/cm2至约0.8A/cm2的中间电流密度。在本发明的第二方面，第一流率或第二流率可以通过分别调整阳极入口处的阳极化学计量学或阴极入口处的阴极化学计量学来降低。在本发明的第二方面，如果在阈值电压以上操作该燃料电池或燃料电池堆所花费的时间在阈值时间以上，则可以降低操作电压，可以降低第一流率，或者可以降低第二流率，以使该燃料电池或燃料电池堆再生。
在本发明的第二方面，该燃料电池或燃料电池堆的再生可以包括使该燃料电池或燃料电池堆的可逆降级再生。
在本发明的第二方面，使用模型来确定何时发起生成或者何时停止再生。
在本发明的第一和第二方面，阈值电压可以是约0.7V至约0.85V。在本发明的第一和第二方面，阈值时间可以是约25小时。
结合一个示例性实施例图示或描述的特征可以与本文中描述的任何其他实施例的任何其他特征或元素组合。这种修改和变型意图被包括在本公开的范围内。此外，本领域技术人员将认识到，对于本领域技术人员公知的术语可以在本文中互换地使用。
充分详细地描述了上述实施例，以使得本领域技术人员能够实践所要求保护的内容，并且要理解的是，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以做出逻辑、机械和电气改变。因此，本详细描述不应以限制性意义来看待。
如本文中所使用的，以单数叙述并且以单词“一（a或an）”开头的元素或步骤应当被理解为不排除多个所述元素或步骤，除非这种排除被明确地声明。此外，对当前描述的主题的“一个实施例”的引用不意图被解释为排除也并入了所叙述的特征的附加实施例的存在。单位、测量结果和/或值的指定数值范围包括如下内容、基本上由如下内容组成、或由如下内容组成：所有数值、单位、测量结果和/或范围（包括这些范围和/或端点或在这些范围和/或端点内），无论那些数值、单位、测量结果和/或范围是否在本公开中被明确地指定。
除非另行定义，否则本文中使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。本文中使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等不表示任何次序或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开。术语“或”意味着是包含性的，并且意指所列项目中的任一个或全部。此外，术语“连接的”和“耦合的”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括电连接或耦合，无论是直接的还是间接的。
此外，除非明确地相反声明，否则“包括”、“包含”或“具有”带有特定性质的元素或多个元素的实施例可以包括不具有该性质的附加的这种元素。术语“包括”或“包含”指代包含性的并且不排除附加元素、组分和/或方法步骤的组合物、化合物、配方或方法。术语“包括”还指代包含性的并且不排除附加元素、组分或方法步骤的本公开的组合物、化合物、配方或方法实施例。
短语“由……组成”或“由……构成”指代排除了任何附加元素、组分或方法步骤的存在的化合物、组合物、配方或方法。术语“由……组成”还指代排除了任何附加元素、组分或方法步骤的存在的本公开的化合物、组合物、配方或方法。
短语“基本上由……组成”或“基本上由……构成”指代如下组合物、化合物、配方或方法：其包含不会实质上影响该组合物、化合物、配方或方法的（一个或多个）特性的附加元素、组份或方法步骤。短语“基本上由……组成”也指代本公开的如下组合物、化合物、配方或方法：其包含不会实质上影响该组合物、化合物、配方或方法步骤的（一个或多个）特性的附加元素、组分或方法步骤。
遍及本说明书和权利要求在本文中使用的近似语言可以被应用以修饰任何如下定量表示：该定量表示可以可准许地变化，而不会导致与其相关的基本功能中的改变。因此，由诸如“约”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在一些实例中，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。这里以及遍及本说明书和权利要求，范围限制可以被组合和/或互换。这种范围是被标识的，并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另行指示。
如本文中所使用，术语“可能”和“可能是”指示在一组情况内的发生的可能性；对指定财产、特性或功能的拥有；和/或通过表达与所限定动词相关联的技能（ability）、能力（capability）或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，对“可能”和“可能是”的使用指示经修饰的术语对于所指示的能力、功能或用途是明显适当的、有能力的、或合适的，同时考虑到在一些情况下，经修饰的术语有时可能不是适当的、有能力的、或合适的。
要理解的是，上述描述意图是说明性的，而不是限制性的。例如，上面描述的实施例（和/或其方面）可以单独地使用、一起使用、或彼此组合地使用。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情形或材料适配于本文中阐述的主题的教导。虽然本文中描述的材料的尺寸和类型意图定义所公开的主题的参数，但是它们决不是限制性的并且是示例性实施例。在查阅上述描述后，许多其他实施例对于本领域技术人员来说将是明显的。因此，本文中描述的主题的范围应当参考所附权利要求连同这种权利要求有权享有的等同物的全部范围来确定。
本书面描述使用示例来公开本文中阐述的主题的若干个实施例，包括最佳模式，并且还使得本领域普通技术人员能够实践所公开主题的实施例，包括制造和使用设备或系统以及执行方法。本文中描述的主题的可专利范围由权利要求来定义，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果这种其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元素、或者如果这种其他示例包括与权利要求的字面语言不具有实质差异的等同结构元素，则这种其他示例意图在权利要求的范围内。
虽然本文中仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解的是，所附权利要求意图覆盖落入本发明的真实精神内的所有这种修改和改变。

Claims (15)

1.一种使燃料电池或燃料电池堆的降级再生的方法，包括：
监测在阈值电压以上操作所述燃料电池或燃料电池堆所花费的时间，
确定对于使所述燃料电池或燃料电池堆的降级再生的需要，
使所述燃料电池或燃料电池堆的降级再生，以及
结束所述燃料电池或燃料电池堆的再生。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使所述燃料电池或燃料电池堆再生包括：使所述燃料电池或燃料电池堆的可逆降级再生。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使所述燃料电池或燃料电池堆再生包括：改变所述燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度、实现间歇非开路电压操作、或增加所述燃料电池或燃料电池堆中的湿度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中改变操作电流密度包括以约0.2A/cm2至约0.8A/cm2的中间电流密度来操作所述燃料电池或燃料电池堆，以及
其中增加所述燃料电池或燃料电池堆中的湿度包括调整所述燃料电池或燃料电池堆的过量燃料比或过量空气比。
5.根据权利要求1所述的方法，其中监测在阈值电压以上操作所述燃料电池或燃料电池堆所花费的时间包括：确定所花费的时间是否在阈值时间以上。
6.根据权利要求1所述的方法，其中确定对于使所述燃料电池或燃料电池堆再生的需要包括：使用模型来估计所述燃料电池或燃料电池堆在阈值电压以上操作可以花费的阈值时间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中确定对于使所述燃料电池或燃料电池堆再生的需要包括：确定所述燃料电池或燃料电池堆在高电压条件下操作已经花费的时间，以及将所述燃料电池或燃料电池堆在高电压条件下操作已经花费的时间与阈值时间进行比较。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述燃料电池或燃料电池堆在高电压条件下操作已经花费的时间可以是固定时间或加权时间，并且可以由模型基于所述燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度或操作电压来确定。
9.根据权利要求1所述的方法，其中结束所述燃料电池或燃料电池堆的再生在固定时间之后被发起。
10.根据权利要求1所述的方法，其中结束所述燃料电池或燃料电池堆的再生基于模型，或者基于在使所述燃料电池或燃料电池堆再生之前和之后的燃料电池或燃料电池堆电压，以及
其中使所述燃料电池或燃料电池堆再生之后的燃料电池或燃料电池堆电压与再生之前的燃料电池或燃料电池堆电压的改变多于约1%。
11.根据权利要求1所述的方法，其中使所述燃料电池或燃料电池堆的降级再生包括：增加所述燃料电池或燃料电池堆中的燃料的再循环速率、减小所述燃料的净化速率、降低所述燃料电池或燃料电池堆的操作温度、降低所述燃料电池或燃料电池堆的操作压强、或调整所述燃料电池或燃料电池堆的过量空气比或过量燃料比。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值电压是约0.7V至约0.85V。
13.根据权利要求5所述的方法，其中所述阈值时间是约25小时。
14.一种以操作电流密度、操作电压、以及在过量空气比的情况下操作的燃料电池或燃料电池堆，包括：
以第一流率流过所述燃料电池或燃料电池堆的阳极入口的燃料，
以第二流率流过所述燃料电池或燃料电池堆的阴极入口的氧化剂，
其中如果操作电压高于阈值电压，则监测所述燃料电池或燃料电池堆的操作时间，以及
其中当需要时，所述燃料电池或燃料电池堆经历再生。
15.根据权利要求17所述的燃料电池或燃料电池堆，其中所述燃料电池或燃料电池堆的再生包括：改变所述燃料电池或燃料电池堆的操作电流密度、改变操作电压、降低第一流率、或降低第二流率。
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