本公開內(nèi)容涉及用于加速燃料電池堆(燃料電池組，fuel cell stack)的活化的方法。更具體地，本公開內(nèi)容涉及可以減少燃料電池堆的活化時(shí)間和使用的氫氣的量的用于加速燃料電池堆的活化的方法。

背景技術(shù)：

燃料電池堆具有其中堆疊幾十至幾百個(gè)單元電池的結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元電池包括使氫陽(yáng)離子(質(zhì)子)移動(dòng)的聚合物電解質(zhì)膜。將空氣電極(陰極(正極，cathode))和燃料電極(陽(yáng)極(負(fù)極，anode))施加至電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面作為催化劑層，使得氫氣可以與氧氣反應(yīng)。氣體擴(kuò)散層堆疊在空氣電極和燃料電極的外側(cè)。雙極板堆疊在氣體擴(kuò)散層的外側(cè)以供應(yīng)燃料并通過(guò)流體通道(流動(dòng)通道，flow channel)排放水。

在燃料電池堆裝配之后的初始運(yùn)行過(guò)程中，在電化學(xué)反應(yīng)中降低了燃料電池堆的活性。因此，必須進(jìn)行堆活化處理以便使初始性能最大化。

這種堆活化處理也稱為“預(yù)處理(pre-conditioning)”或“磨合(break-in)”，其使沒(méi)有反應(yīng)的催化劑活化并且通過(guò)充分水合包含在電解質(zhì)膜和電極中的電解質(zhì)來(lái)確保氫離子通道。

為了使燃料電池堆在裝配后顯示正常性能，進(jìn)行堆活化處理以確保三相電極反應(yīng)區(qū)域，從聚合物電解質(zhì)膜或電極中去除雜質(zhì)，并改善聚合物電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)電性。

例如，在用于堆活化的傳統(tǒng)方法中，將高電流密度(1.2或1.4A/cm²)放電規(guī)定量時(shí)間(分鐘)的過(guò)程和其中在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行脈沖放電規(guī)定量時(shí)間的過(guò)程重復(fù)幾十次。然而，通過(guò)脈沖放電的活化處理具有的問(wèn)題在于，其中使用的氫氣的量以及處理時(shí)間增加。

為了解決這種問(wèn)題，已經(jīng)提出了使用真空濕潤(rùn)(vacuum wetting)的用于活化燃料電池堆的方法。在使用真空濕潤(rùn)用于活化燃料電池堆的方法中，將高電流密度放電的過(guò)程和其中在燃料電池堆中在停機(jī)狀態(tài)下產(chǎn)生真空的真空濕潤(rùn)過(guò)程可替換地重復(fù)多次至幾十次。

與僅使用現(xiàn)有的恒定電流或電位進(jìn)行的活化方法相比，以上方法可以減少活化所需的時(shí)間和使用的氫氣的量，但是由于用于堆活化的活化設(shè)備(包括電子負(fù)載)的局限性，在必須使用活化設(shè)備過(guò)程中的時(shí)間量相對(duì)較長(zhǎng)。

因此，在將來(lái)燃料電池堆的生產(chǎn)增長(zhǎng)時(shí)，由于活化設(shè)備的局限性，堆活化可以延遲燃料電池堆的生產(chǎn)時(shí)間。因此，對(duì)于可以加速燃料電池堆的活化時(shí)間并且同時(shí)減少用于活化的氫氣的量以便為燃料電池車輛的大規(guī)模生產(chǎn)準(zhǔn)備的活化處理，存在需要。

在該背景技術(shù)部分中公開的上述信息僅為了增強(qiáng)對(duì)本發(fā)明背景技術(shù)的理解，并且因此它可能包含并不形成在本國(guó)對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已經(jīng)已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開內(nèi)容已經(jīng)致力于解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的上述問(wèn)題。

在一個(gè)方面中，本公開內(nèi)容提供了用于加速燃料電池堆的活化的方法，該方法通過(guò)加速包括高電流密度放電過(guò)程和停機(jī)過(guò)程的真空脈沖活化 處理，可以進(jìn)一步減少燃料電池堆的活化時(shí)間，從而減少用于活化的氫氣的量。

根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施方式，提供了用于加速燃料電池堆的活化的方法，其中使將高電流(強(qiáng)電流，high current)施加至燃料電池堆規(guī)定量時(shí)間的過(guò)程和將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面規(guī)定量時(shí)間的停機(jī)保持過(guò)程(停工維修過(guò)程，shutdown maintenance process)重復(fù)多次。

將高電流施加至燃料電池堆的過(guò)程和將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)保持過(guò)程在堆活化的初始階段中可以進(jìn)行較短的時(shí)間段，并且然后在堆活化的隨后階段中通過(guò)逐漸增加時(shí)間進(jìn)行較長(zhǎng)的時(shí)間段。

將高電流施加至燃料電池堆的過(guò)程和將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)保持過(guò)程在堆活化的初始階段中可以進(jìn)行3至5秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過(guò)逐漸增加時(shí)間進(jìn)行65至75秒。

所述停機(jī)保持過(guò)程可以包括：在燃料電池堆的停機(jī)狀態(tài)下切斷至空氣電極的氧氣供應(yīng)并且同時(shí)將氫氣供應(yīng)至燃料電極的過(guò)程，其中在燃料電極中將氫氣離解成氫陽(yáng)離子和電子的反應(yīng)過(guò)程(H₂→2H⁺+2e^-)，以及其中將解離的氫離子通過(guò)電解質(zhì)膜傳輸至空氣電極并同時(shí)與通過(guò)外部導(dǎo)線(external conducting wire)傳輸至空氣電極的電子鍵合以在空氣電極中產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)過(guò)程(2H⁺+2e^-→H₂)。

可以將氫氣通過(guò)停機(jī)保持過(guò)程泵送至空氣電極使得形成氫還原氣氛，并且可以在將規(guī)定的負(fù)載持續(xù)地(恒定地，constantly)施加至燃料電池堆時(shí)通過(guò)氫還原氣氛從包含在空氣電極中的鉑表面去除氧化物。

在停機(jī)保持過(guò)程中，可以使用其中以比閾值壓力更高的壓力供應(yīng)氫氣的氫氣加壓方法以便去除殘留在空氣電極中的氧氣。

應(yīng)理解的是，如在本文中使用的術(shù)語(yǔ)“車輛”或“車輛的”或其他類似術(shù)語(yǔ)包括廣義的機(jī)動(dòng)車輛，如包括運(yùn)動(dòng)型多用途車輛(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛的載客車輛(passenger automobile)；包括各種艇和船的水運(yùn)工具；航空器等，并且包括混合動(dòng)力車輛(hybrid vehicle)、電動(dòng)車輛、插入式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(plug-in hybrid electric vehicle)、氫動(dòng)力車輛和其他可替代燃料車輛(例如，源自除了石油之外的資源的燃料)。如在本文中提及的，混合動(dòng)力車輛是具有兩種或更多種動(dòng)力源的車輛，例如，汽油動(dòng)力和電動(dòng)力車輛。

在下文中討論本發(fā)明的上述和其它特征。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將參照在附圖中示出的本公開內(nèi)容的一些示例性實(shí)施方式詳細(xì)地描述本公開內(nèi)容的上述和其他特征，在下文中僅通過(guò)說(shuō)明的方式給出了附圖，因此并不限制本公開內(nèi)容。

圖1是比較根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思實(shí)施方式的用于加速燃料電池堆的活化的方法以及傳統(tǒng)活化方法中的活化期間電池平均電壓的圖。

圖2是比較根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思實(shí)施方式的用于加速燃料電池堆的活化的方法以及傳統(tǒng)活化方法中停機(jī)電壓的圖。

圖3和4是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思實(shí)施方式的用于加速燃料電池堆的活化的方法和傳統(tǒng)活化方法中活化時(shí)間和氫氣還原效果的圖。

應(yīng)當(dāng)理解的是，附圖不必按比例，呈現(xiàn)了說(shuō)明本發(fā)明的基本原理的各種特征的某種程度的簡(jiǎn)化表示。將通過(guò)特定的預(yù)期應(yīng)用和使用環(huán)境來(lái)部分確定如本文所公開的本公開內(nèi)容的具體設(shè)計(jì)特征，包括例如具體尺寸、取向、位置和形狀。

在圖中，參考數(shù)字是指貫穿附圖的幾幅圖的本公開內(nèi)容的相同或等效部件(部分)。

具體實(shí)施方式

在下文中，現(xiàn)在將詳細(xì)地提及本發(fā)明構(gòu)思的各種實(shí)施方式，在附圖中示出了并且在下面描述了本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)例。盡管將結(jié)合示例性實(shí)施方式描述本發(fā)明，然而將理解的是，本說(shuō)明書并不旨在將本發(fā)明限于那些示例性實(shí)施方式。相反，本發(fā)明旨在不僅涵蓋示例性實(shí)施方式，而且涵蓋可以包括在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替換、修改、等價(jià)物和其他實(shí)施方式。

本公開內(nèi)容目的在于在將燃料電池堆安裝至預(yù)定的活化設(shè)備之后，重復(fù)將高電流施加至燃料電池堆的過(guò)程以及使燃料電池堆停機(jī)的過(guò)程，并在停機(jī)區(qū)域(停機(jī)部分，shutdown section)中引入將氫氣泵送至燃料電池堆的空氣電極反應(yīng)面的過(guò)程以便迅速活化燃料電池堆。

即，本公開內(nèi)容可以通過(guò)將高電流施加至燃料電池堆規(guī)定量時(shí)間，并且然后通過(guò)將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)區(qū)域引入過(guò)程(停機(jī)部分引入過(guò)程，shutdown section introduction process)重復(fù)多次規(guī)定量時(shí)間，快速活化燃料電池堆。

通過(guò)根據(jù)燃料電池堆的活性(％)分開地施加高電流保持時(shí)間和停機(jī)保持時(shí)間可以進(jìn)一步縮短活化所需的總時(shí)間并進(jìn)一步減少使用的氫氣的量。

重復(fù)將高電流施加至堆的過(guò)程以及在燃料電池堆的停機(jī)狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)過(guò)程。在這種情況下，在堆活化的初始階段進(jìn)行高電流施加和停機(jī)過(guò)程較短的時(shí)間(約3至5秒)，并且然后在堆 活化的隨后階段中通過(guò)逐漸增加時(shí)間進(jìn)行較長(zhǎng)的時(shí)間(約65至75秒，優(yōu)選70秒)。

更詳細(xì)地，在堆活化的初始階段中，即，在其中燃料電池堆具有低活性％的階段中，使用其中將高電流施加時(shí)間和用于將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)保持時(shí)間保持較短時(shí)間段的方法(快速脈沖方法(rapid pulse method))，以便增加燃料電池堆中的催化劑層的活化。相反，在堆活化的隨后階段，即，在其中燃料電池堆具有高活性％的階段中，使用其中將高電流施加時(shí)間和停機(jī)保持時(shí)間保持較長(zhǎng)時(shí)間段的方法，以便改善燃料電池堆中電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)性。

當(dāng)高電流施加時(shí)間和停機(jī)保持時(shí)間保持較短時(shí)間段時(shí)，由于對(duì)燃料電池堆的快速電位注入脈沖(rapid potential injection pulse)，在燃料電池堆中恢復(fù)了催化劑的活化(去除表面雜質(zhì)或減少氧化物)。

當(dāng)將高電流施加時(shí)間和停機(jī)保持時(shí)間保持較長(zhǎng)時(shí)間段時(shí)，由于通過(guò)電解質(zhì)膜上的磺酸基的重排順利地形成了離子通道(ion path)，所以可以有效地濕潤(rùn)電解質(zhì)膜。

將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面包括：在燃料電池堆的停機(jī)狀態(tài)下切斷至空氣電極的氧氣供應(yīng)并且同時(shí)將氫氣供應(yīng)至燃料電極的過(guò)程，其中在燃料電極中將氫氣解離成氫陽(yáng)離子和電子的反應(yīng)過(guò)程(H₂→2H⁺+2e^-)，以及其中將解離的氫離子通過(guò)電解質(zhì)膜傳輸至空氣電極并同時(shí)再次與通過(guò)外部導(dǎo)線傳輸至空氣電極的電子鍵合以在空氣電極中產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)過(guò)程(2H⁺+2e^-→H₂)。

通過(guò)迅速去除殘留在空氣電極中的氧氣，電池電位可以達(dá)到0V(SHE：氫氧化/還原標(biāo)準(zhǔn)電位)，使得在用于將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)保持時(shí)間過(guò)程中，不會(huì)由于氧氣殘留在空氣電極中使氫氣與氧氣在空氣電極反應(yīng)通道中混合。因此在空氣電極中使其中從氫電極擴(kuò)散的氫氣與殘留 的氧氣混合的混合電位區(qū)域(mixed potential section)最小化。因此，通過(guò)由氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的氧自由基，使電解質(zhì)膜和粘結(jié)劑之間的解離(分解，分開，dissociation)最小化。

當(dāng)去除殘留在空氣電極中的氧氣時(shí)，可以在其中當(dāng)在其中從空氣電極反應(yīng)面完全去除氧氣的狀態(tài)中持續(xù)地施加規(guī)定的負(fù)載(例如，0.1A/cm²)時(shí)通過(guò)將氫氣泵送至空氣電極形成氫還原氣氛的狀態(tài)中，從空氣電極的鉑催化劑的表面容易地去除氧化物。

為了迅速去除殘留在空氣電極中的氧氣，需要在停機(jī)之前在其中不施加反向電壓的范圍內(nèi)施加高電流(約0.2A/cm²)。通過(guò)施加高電流，電池電位迅速下降至0V，從而去除氧氣。

當(dāng)在其中從空氣電極去除氧氣并且將規(guī)定的負(fù)載(例如，0.1A/cm²)持續(xù)地施加至燃料電池堆的狀態(tài)下通過(guò)將氫氣泵送至空氣電極形成還原氣氛時(shí)，可以通過(guò)氫還原氣氛增加包含在空氣電極中的鉑催化劑表面上的氧化物還原的反應(yīng)速率(動(dòng)力學(xué)速率)，從而加速空氣電極催化劑的活化。

當(dāng)在將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)保持過(guò)程中將氫氣供應(yīng)至燃料電極時(shí)，可以通過(guò)在比典型的氫氣供應(yīng)壓力更高的壓力下的加壓方法供應(yīng)氫氣。因此，可以在空氣電極中產(chǎn)生更多的氫氣并使氫氣(氫)容易擴(kuò)散通過(guò)電解質(zhì)膜，從而使空氣電極催化劑在停機(jī)過(guò)程期間活化。

更詳細(xì)地，當(dāng)通過(guò)加壓方法將更多的氫氣供應(yīng)至燃料電極時(shí)，可以通過(guò)在燃料電極中將氫氣解離成氫陽(yáng)離子和電子，并且然后在空氣電極中使氫陽(yáng)離子和電子再次鍵合，進(jìn)一步增加產(chǎn)生氫氣的量。因此，可以通過(guò)其中在空氣電極中產(chǎn)生更多氫氣的氫還原氣氛，進(jìn)一步增加包含在空氣電極中的鉑表面上的氧化物還原的反應(yīng)速率(動(dòng)力學(xué)速率)，從而進(jìn)一步加速空氣電極催化劑的活化。

此外，通過(guò)以上加壓方法加壓的氫氣在停機(jī)過(guò)程期間容易擴(kuò)散通過(guò)電解質(zhì)膜，并且擴(kuò)散的氫氣連同在空氣電極中產(chǎn)生的氫氣有效地形成空氣電極的還原氣氛。

當(dāng)在停機(jī)保持過(guò)程之后持續(xù)地施加規(guī)定的負(fù)載(例如，0.1A/cm²)時(shí)，在其中將空氣供應(yīng)至空氣電極的條件下形成每個(gè)電池約0.9V的電壓，該電壓低于每個(gè)電池約1V的開路電壓。當(dāng)在燃料電池活化處理中保持該開路電壓相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間段時(shí)，空氣電極的鉑和碳的表面被氧化，從而進(jìn)一步降低活性。然而，可以通過(guò)避免該開路電壓使燃料電池的活性的劣化最小化。

以下將描述根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例，但是本公開內(nèi)容不限于以下實(shí)施例。

[實(shí)施例1]

重復(fù)將高電流施加至堆的過(guò)程、以及在堆的停機(jī)狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)保持過(guò)程。在這種情況下，在堆活化的初始階段，分別進(jìn)行高電流施加和停機(jī)保持過(guò)程約3秒和5秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過(guò)逐漸增加時(shí)間各自進(jìn)行約70秒。

當(dāng)持續(xù)施加0.1A/cm²或更低的電流(負(fù)載)同時(shí)使氫氣加壓并供應(yīng)氫氣以便完全去除在停機(jī)區(qū)域(停機(jī)部分，shutdown section)中殘留在空氣電極中的一部分氧氣時(shí)，通過(guò)將氫氣泵送至空氣電極形成還原氣氛。因此，容易從空氣電極的鉑催化劑的表面去除氧化物。

根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例1的總活化時(shí)間是35分鐘。

[實(shí)施例2]

根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例2，重復(fù)將高電流施加至堆的過(guò)程、以及在堆的停機(jī)狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)保持過(guò)程。在這種情況下，在堆活化的初始階段中，進(jìn)行高電流施加過(guò)程約3秒，并且然后在隨后的堆活化階段中通過(guò)逐漸增加時(shí)間進(jìn)行高電流施加過(guò)程約70秒。在堆活化的初始階段中進(jìn)行停機(jī)保持過(guò)程約70秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過(guò)逐漸減少時(shí)間，進(jìn)行約5秒。進(jìn)行活化35分鐘。

[實(shí)施例3]

根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例3，重復(fù)將高電流施加至堆的過(guò)程、以及在堆的停機(jī)狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)保持過(guò)程。在這種情況下，在堆活化的初始階段中進(jìn)行高電流施加過(guò)程約70秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過(guò)逐漸減少時(shí)間進(jìn)行高電流施加過(guò)程約3秒。在堆活化的初始階段中進(jìn)行停機(jī)保持過(guò)程約5秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過(guò)逐漸增加時(shí)間進(jìn)行停機(jī)保持過(guò)程約70秒。進(jìn)行活化35分鐘。

[實(shí)施例4]

根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例4，重復(fù)將高電流施加至燃料電池堆的過(guò)程、以及在堆的停機(jī)狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機(jī)保持過(guò)程。在堆活化的初始階段中進(jìn)行高電流施加過(guò)程約70秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過(guò)逐漸減少時(shí)間進(jìn)行高電流施加過(guò)程約3秒。此外，在堆活化的初始階段中進(jìn)行停機(jī)保持過(guò)程約70秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過(guò)逐漸減少時(shí)間進(jìn)行停機(jī)保持過(guò)程約5秒。進(jìn)行活化35分鐘。

[比較例]

根據(jù)相關(guān)技術(shù)的比較例，高電流施加和停機(jī)保持(沒(méi)有泵送氫氣)時(shí)間分別是55秒和70秒。類似地進(jìn)行活化處理1至18個(gè)周期，并且進(jìn)行活化50分鐘和80分鐘。

[表1]

在進(jìn)行根據(jù)各個(gè)實(shí)施例和比較例的活化處理之后，測(cè)量活化之后的平均電壓。在上表1中示出了結(jié)果。

如在表1中看出的，作為在比較例中進(jìn)行活化總共50分鐘的結(jié)果，堆活化之后的平均電壓是0.620V。在本公開內(nèi)容的實(shí)施例1中，堆活化35分鐘之后的平均電壓是0.619V。

即，可以看出，當(dāng)最初減少并且然后逐漸增加高電流施加和停機(jī)時(shí)間時(shí)，在本公開內(nèi)容的實(shí)施例1中實(shí)現(xiàn)了更高的活化效率。

因此，如在圖1至圖3中示出的，在根據(jù)本公開內(nèi)容的用于加速燃料電池堆的活化的方法中，與相關(guān)技術(shù)相比在停機(jī)期間的電池電壓下降速率更快。因此，活化處理可以在35分鐘內(nèi)進(jìn)行，這與比較例的活化時(shí)間(50分鐘或80分鐘)相比顯著減少了時(shí)間。

此外，如在圖4中示出的，由于顯著減少了堆活化時(shí)間，所以與相關(guān)技術(shù)相比，可以顯著減少消耗的氫氣的量。

通過(guò)以上示例性實(shí)施方式，本公開內(nèi)容提供了以下效果。

1)與相關(guān)技術(shù)相比，在停機(jī)過(guò)程期間電池電壓下降速率可以更快，因此，通過(guò)重復(fù)將高電流施加至燃料電池堆的過(guò)程以及使燃料電池堆停機(jī)的過(guò)程并且引入在停機(jī)過(guò)程期間將氫氣泵送至堆的空氣電極反應(yīng)面的過(guò)程，與相關(guān)技術(shù)相比可以顯著地減少活化時(shí)間。

2)此外，因?yàn)轱@著減少了堆活化時(shí)間，所以可以顯著減少消耗的氫氣的量。

3)另外，即使在必須使用活化設(shè)備期間的時(shí)間量相對(duì)較長(zhǎng)，由于顯著減少了堆活化時(shí)間，所以可以增加燃料電池堆的生產(chǎn)。

已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實(shí)施方式詳細(xì)描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行改變，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物限定。