CN1979932A - 车辆燃料电池的激活方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激活车辆燃料电池以确保最大性能的方法，其改善聚合物电解质膜燃料电池的性能，减少氢的使用，且在制造后具有稳定的性能。该方法包括：将燃料电池置于激活装置中，从而被激活；改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态；向燃料电池提供反应气体，并维持无负载状态；维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速；将燃料电池的状态改变成无负载状态，并向燃料电池再次提供反应气体；分别将当燃料电池工作在无负载状态下时测量的数据和当燃料电池工作在负载状态下时测量的数据与参考值比较。

Description

车辆燃料电池的激活方法
相关专利申请的交互引用
本申请要求于2005年12月9日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2005-0120743的优先权和权益，其全部内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及一种激活车辆燃料电池以确保最大性能的方法，该方法改善聚合物电解质膜燃料电池的性能，减少氢的使用，且在制造后具有稳定的性能。
背景技术
通常，燃料电池包括在其中发生电化学反应的电极，传递由电化学产生的氢离子的电解质膜，及支撑电极和电解质膜的分隔装置。
近来，聚合物电解质膜燃料电池已经广泛用作车辆燃料电池。与其它类型的燃料电池相比，聚合物电解质膜燃料电池具有优异的效率，高电流密度，高输出密度，和较短的启动时间。此外，由于采用固体电解质，聚合物电解质膜燃料电池中不需要腐蚀和电解质控制。而且，聚合物电解质膜燃料电池是对环境友好的电源，其中只有纯水作为废气排放。因此，目前在全世界范围的汽车工业中都在进行着聚合物电解质膜燃料电池的研究。
聚合物电解质膜燃料电池通过氢和氧之间的电化学反应产生水和热。提供的氢通过催化剂的作用在阳极中分解成氢离子和电子。分解出的氢离子通过电解质膜被传递到阴极，并且与提供的氧及通过外部导线传递的电子相结合从而产生水，因此产生电能。
在这种情况下，理想电位大约为1.3V，并可以表示为下列化学反应方程式：
阳极：H2→2H++2e
阴极：1/2O2+2H++2e→H2O
实际上，车辆燃料电池需要高于上述电位的电位。为了获得更高的电位，必须叠加单个单元电池直到达到期望电位。叠加的单元电池称为电池组(stack)。
燃料电池电极由结合诸如nafion(全氟磺酸树脂)的氢离子载体和诸如铂的催化剂而制成。在燃料电池制成后，如果当燃料电池初始驱动时，发生电化学反应，则燃料电池变得活性较小。
这是因为反应物通道被堵塞，导致反应物不能接触催化剂，诸如nafion的氢离子载体，其形成催化剂周围的三相，在初始驱动阶段不易于水合，且无法确保氢离子和电子的连续运动。
由于这些原因，需要激活过程，从而在燃料电池用膜电极组件和分隔装置组装完成后保证该燃料电池的性能最大化。
激活过程的目的是激活无活性的催化剂，并充分水合包括在电解质膜中的电解质及电子，从而确保氢离子通过。
执行该激活过程，使得燃料电池能够达到其组装后的最大性能。根据行驶条件的不同，这可能需要几小时或几天。当该激活过程没有正确执行时，燃料电池的驱动将会达不到其最大性能。
燃料电池制造商有他们自己的激活燃料电池的方法。在一种典型激活方法中，燃料电池在一个特定电压下被驱动一段很长的时间。
在用于激活燃料电池的现有方法中，燃料电池处于低电压很长时间，使得即使在其电池组性能不再被改善的部分，也可以激活燃料电池。
由于燃料电池达到其最大性能需要较长时间，且在电池组被完全制成后完整地制成燃料电池还需要较长时间，因此传统方法的缺点在于时间效率的低下。此外，当燃料电池驱动时，氢和空气过量消耗，从而使价格竞争力降低。
发明内容
为了解决现存问题，本发明提供一种用于确保燃料电池的最优性能的激活车辆燃料电池的方法。
根据本发明的一方面，提供一种激活车辆燃料电池的方法，包括：将燃料电池置于激活装置中，从而被激活；改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态；向燃料电池提供反应气体，并维持无负载状态；维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速；将燃料电池的状态改变成无负载状态，并向燃料电池再次提供反应气体；分别将当燃料电池工作在无负载状态下时测量的数据和当燃料电池工作在负载状态下时测量的数据与参考值比较。
在本发明的上述方面中，改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态可以包括在增湿器温度和冷却水温度升高到70℃的条件下向燃料电池提供水蒸气。
此外，改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态可以包括在由增湿器提供的水蒸气相对湿度为100％的条件下向燃料电池提供水蒸气。
此外，维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速可以包括在流速为301/min～401/min的条件下向燃料电池提供水蒸气/气体。
此外，维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速可以包括在氢气的使用速率处于1.2至1.4范围内的条件下向燃料电池提供氢气。
此外，维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速可以包括在电压与处于0.1V至0.4V范围内的低电压相应的条件下向燃料电池提供电压。
此外，维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速可以包括使以脉冲形式提供的流速最大，以确保反应气体通道。
附图说明
参考附图，通过其实施例详细说明，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
图1为一个流程图，表示根据本发明一个实施例的激活车辆燃料电池的方法；
图2为一个流程图，表示图1方法中改变增湿状态和冷却水状态的操作；
图3为一个流程图，表示图1方法中维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速的操作；
图4为激活装置的结构图，该激活装置包括在图1方法中采用的燃料电池；而
图5为表示通过根据本发明一个实施例的激活车辆燃料电池的方法所获得结果的曲线图。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明根据本发明一个实施例的激活车辆燃料电池的方法。
参考图1，该方法包括：将燃料电池置于激活装置中，从而被激活(操作ST100)；改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态(操作ST200)；向燃料电池提供反应气体，并维持无负载状态(操作ST300)；维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速(操作ST400)；将燃料电池的状态改变成无负载状态，并向燃料电池再次提供反应气体(操作ST500)；和分别将当燃料电池工作在无负载状态下时测量的数据和当燃料电池工作在负载状态下时测量的数据与参考值比较(操作ST600)。
参考图2，改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态(操作ST200)包括在增湿器温度和冷却水温度升高到70℃的条件下向燃料电池提供水蒸气(操作ST220)。
此外，改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态(操作ST200)还包括在由增湿器提供的水蒸气相对湿度为100％的条件下向燃料电池提供水蒸气(操作ST240)。
参考图3，维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速(操作ST400)包括在流速为301/min～401/min的条件下向燃料电池提供水蒸气/气体(操作ST420)。
维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速(操作ST400)还包括在氢气的使用速率处于1.2至1.4范围内的条件下向燃料电池提供氢气(操作ST440)。
维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速(操作ST400)包括在电压与处于0.1V至0.4V范围内的低电压相应的条件下向燃料电池提供电压(操作ST460)。
维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速(操作ST400)还包括以脉冲形式使流速最大，以确保反应气体通道(操作ST480)。
下面，参考附图，说明根据本发明一个实施例的激活车辆燃料电池的方法。
参考图1-4，将燃料电池2置于激活装置中，从而被激活(操作ST100)。
改变向燃料电池2提供水蒸气的增湿器3的增湿状态和冷却水的状态(操作ST200)。在该情况中，在增湿器3的温度和冷却水的温度升高到70℃的条件下，向燃料电池2提供水蒸气。
在由增湿器3所提供的水蒸气相对湿度为100％的条件下向燃料电池2提供水蒸气。这是因为包括在燃料电池2中的电池内侧需要迅速地水合。
在相对湿度为100％的条件下，充注在冷却水箱4中的冷却水升高到70℃，而不是燃料电池2本身温度升高，使燃料电池2被快速激活。
这是因为在包括在燃料电池2中的催化剂层(图中未表示)中的电解质(图中未表示)和电解质膜(图中未表示)可以充分水合的条件下，燃料电池2具有良好的性能。
当向燃料电池2提供反应气体(氢气/空气)时，燃料电池2保持无负载状态(操作ST300)，包括在燃料电池2内的电池内部气体通道中的杂质被去除，且电池保持平衡状态。
在这种情况下，氢气通过阳极流入，而空气通过阴极流入。结果，产生电化学反应。
上述电化学反应在燃料电池2中的催化剂层(图中未表示)中发生。这里，产生氢并通过催化剂中的电解质和电解质膜传递。
具体地说，当燃料电池2在制造后初始驱动时，电解质膜是干的。从而，首先催化剂层中的电解质和电解质膜水合。只有在电解质和电解质膜充分水合后，才能确保氢离子和反应物到达催化剂层的通道。
然后，维持负载状态而改变向燃料电池2提供的水蒸气/气体的流速(操作ST400)。
在流速为301/min～401/min的条件下向燃料电池2提供水蒸气/气体(操作ST420)。流速增加的原因是降低从燃料气体2排出的气体的温度，使得存储在电池中的水量能够增加，从而可以避免电池内部干燥。
在氢气的使用速率处于1.2至1.4范围内的条件下向燃料电池2提供氢气(操作ST440)。
如果通过不同地改变氢使用速率向燃料电池2提供氢气，则电池可以保持水合状态，且随着残留气体通过排出孔(图中未表示)排出的水量可以减到最小。
在电压与处于0.1V至0.4V范围内的低电压相应的条件下向燃料电池提供电压(操作ST460)。
通过这样做，可以促进催化剂层中的电解质和电解质膜的水合。
使以脉冲形式提供的流速最大，以确保反应气体通道(操作ST480)。结果，可以确保部分阻塞的反应气体通道。
然后，燃料电池2的状态变成无负载状态，且反应气体再次向燃料电池2提供(操作ST500)。在该状态中，切断提供给燃料电池2的电压，仅最少的反应气体向燃料电池2提供。操作ST300和ST400重复大约两个小时。
当燃料电池2重复地从无负载状态至负载状态改变其状态时，燃料电池2可以被迅速激活。
分别将当燃料电池工作在无负载状态下时测量的数据和当燃料电池工作在负载状态下时测量的数据(电流-电压)与参考值比较(操作ST600)。如果比较结果表明数据处于2mV/电池(2mV/cell)的范围内时，2mV/电池与适于完全激活的参考值一致，则确信燃料电池2完成其激活，并关闭激活装置。
图5为表示通过根据本发明一个实施例的激活车辆燃料电池的方法所获得结果的曲线图。参考图5，将燃料电池2置于激活装置中，从而被激活。结果，当激活过去两个小时，对包括在燃料电池2中的电池测量出的电流密度稳定在1600mA/cm2，从而实现激活。
根据一种激活车辆燃料电池的方法，燃料电池可以激活到最佳状态。
此外，燃料电池可以快速激活，从而在制成电池组时，提高每小时的输出。而且，降低了氢使用量，从而降低每个电池组的生产成本。
尽管已经结合其实施例特别地表示和说明了本发明，但本领域技术人员能够理解，可以对形式和细节作各种修改而不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神与范围。

Claims (7)

1.一种激活车辆燃料电池的方法，包括：
将燃料电池置于激活装置中，从而被激活；
改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态；
向燃料电池提供反应气体，并维持无负载状态；
维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速；
将燃料电池的状态改变成无负载状态，并向燃料电池再次提供反应气体；以及
分别将当燃料电池工作在无负载状态下时测量的数据和当燃料电池工作在负载状态下时测量的数据与参考值比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其中改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态包括在增湿器温度和冷却水温度升高到70℃的条件下向燃料电池提供水蒸气。
3.根据权利要求1所述的方法，其中改变向燃料电池提供水蒸气的增湿器的增湿状态和冷却水的状态包括在由增湿器提供的水蒸气相对湿度为100％的条件下向燃料电池提供水蒸气。
4.根据权利要求1所述的方法，其中维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速包括在流速为30l/min～40l/min的条件下向燃料电池提供水蒸气/气体。
5.根据权利要求1所述的方法，其中维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速包括在氢气的使用速率处于1.2至1.4范围内的条件下向燃料电池提供氢气。
6.根据权利要求1所述的方法，其中维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速包括在电压与处于0.1V至0.4V范围内的低电压相应的条件下向燃料电池提供电压。
7.根据权利要求1所述的方法，其中维持负载状态而改变向燃料电池提供的水蒸气/气体的流速包括使以脉冲形式提供的流速最大，以确保反应气体通道。
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