在至少一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及用于恢復(fù)由于陰離子污染導(dǎo)致的燃料電池中的電壓損失的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：燃料電池在許多應(yīng)用中被用作電源。特別地，提出了將燃料電池用于汽車中來(lái)代替內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。通常使用的燃料電池設(shè)計(jì)使用固體聚合物電解質(zhì)(“SPE”)膜或質(zhì)子交換膜(“PEM”)來(lái)提供陽(yáng)極與陰極之間的離子傳輸。在質(zhì)子交換膜型燃料電池中，氫作為燃料被供應(yīng)至陽(yáng)極并且氧作為氧化劑被供應(yīng)至陰極。氧可以是純凈形式(O2)或空氣(O2和N2的混合物)。PEM燃料電池通常具有膜電極組件(“MEA”)，其中固體聚合物膜在一面上具有陽(yáng)極催化劑且在相對(duì)面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽(yáng)極層和陰極層由多孔導(dǎo)電材料(例如編織石墨、石墨化片材或者碳紙)形成，以使燃料和氧化劑能夠分別分散在面對(duì)燃料供應(yīng)電極和氧化劑供應(yīng)電極的膜的表面上。每個(gè)電極具有負(fù)載在碳顆粒上的細(xì)碎催化劑顆粒(例如鉑顆粒)以促進(jìn)氫在陽(yáng)極處的氧化和氧在陰極處的還原。質(zhì)子從陽(yáng)極通過(guò)離子導(dǎo)電聚合物膜流到陰極，在陰極處它們與氧結(jié)合形成水，水從電池中排出。MEA被夾在一對(duì)多孔氣體擴(kuò)散層(“GDL”)之間，這一對(duì)多孔氣體擴(kuò)散層進(jìn)而被夾在一對(duì)無(wú)孔導(dǎo)電元件或板之間。所述板用作陽(yáng)極和陰極的集流器，并且含有形成在其中的用于將燃料電池的氣態(tài)反應(yīng)物分配到相應(yīng)的陽(yáng)極和陰極催化劑的表面上方的適當(dāng)通道和開口。為了有效地產(chǎn)生電力，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須是薄的、化學(xué)穩(wěn)定的、可傳送質(zhì)子的、非導(dǎo)電的且不透氣的。在典型的應(yīng)用中，燃料電池被設(shè)置在許多單獨(dú)的燃料電池堆陣列中，以便提供高電平的電力。盡管現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)效果相當(dāng)好，但是已知由于全氟磺酸(PFSA)型PEM膜的化學(xué)降解可以釋放硫酸鹽。另外，來(lái)自空氣的SO2可以溶解在水中并變成亞硫酸鹽和硫酸鹽。已經(jīng)表明與電池電壓損失有強(qiáng)相關(guān)性的硫酸鹽在恢復(fù)循環(huán)期間被釋放到產(chǎn)物水中。在陽(yáng)極/陰極回路中，那些硫酸鹽將與陰離子交換材料結(jié)合，從而將不再循環(huán)回到電池中以及引起快速電壓損失。當(dāng)前，運(yùn)行恢復(fù)過(guò)程是解決可逆的降解損失的問(wèn)題的唯一有效方法。然而，在恢復(fù)循環(huán)期間，引起電極污染的硫酸鹽和其他陰離子可能沒(méi)有被完全從系統(tǒng)去除。因此，需要防止燃料電池電壓損失受到陰離子污染物的影響的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明通過(guò)在至少一個(gè)實(shí)施例中提供一種包括用于去除陰離子污染物的部件的燃料電池系統(tǒng)解決了現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。該燃料系統(tǒng)包括燃料電池堆、與燃料電池堆中的燃料電池陽(yáng)極連通的燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)、與燃料電池堆中的燃料電池陰極連通的含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)，以及與燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)和/或含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)連通的陰離子清除子系統(tǒng)。燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)將燃料提供至燃料電池陽(yáng)極，而含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)將含氧氣體提供至燃料電池陽(yáng)極。燃料電池堆中的燃料電池通過(guò)膜降解釋放硫酸鹽，所述硫酸鹽可被釋放到陽(yáng)極/陰極回路中并且可以再循環(huán)回到電池中從而引起進(jìn)一步的電壓損失。有利地，陰離子清除子系統(tǒng)將硫酸鹽和其他污染物(例如氯化物)從陽(yáng)極或陰極再循環(huán)回路中去除。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種去除陰離子污染物的燃料電池系統(tǒng)。該燃料系統(tǒng)包括燃料電池堆、與燃料電池堆中的燃料電池陽(yáng)極連通的燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)、與燃料電池堆中的燃料電池陰極連通的含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)，與燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)流體連通的第一陰離子清除子系統(tǒng)，以及與含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)流體連通的第二陰離子清除子系統(tǒng)。燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)將燃料提供至燃料電池陽(yáng)極。燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)還包括陽(yáng)極回路，在該陽(yáng)極回路中燃料氣體再循環(huán)并且在燃料重組站與新鮮燃料組合。類似地，含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)將含氧氣體提供至燃料電池陰極。含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)還包括陰極回路，在該陰極回路中水通過(guò)加濕器從出口被傳送至輸入的干燥陰極含氧進(jìn)料氣體。第一陰離子清除子系統(tǒng)被定位在陽(yáng)極排放裝置與燃料重組站之間，而第二陰離子清除子系統(tǒng)被定位在陰極排放裝置與燃料重組站之間。附圖說(shuō)明圖1是將碳負(fù)載催化劑并入陽(yáng)極和/或陰極催化劑層中的燃料電池的示意性橫截面圖；圖2是示出了可恢復(fù)電壓損失與燃料電池陰極排放物水中的硫酸鹽濃度的關(guān)系的曲線圖；圖3提供了電池電壓損失與BOP材料浸出指標(biāo)的關(guān)系的曲線圖；以及圖4提供了提供去除的陰離子污染物的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。具體實(shí)施方式現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明目前優(yōu)選的組合物、實(shí)施例和方法，這些組合物、實(shí)施例和方法構(gòu)成發(fā)明人目前已知的實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。附圖不必按比例繪制。然而，應(yīng)該理解的是，所公開的實(shí)施例僅僅是可以以各種形式和可替代形式實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的示例。因此，本文所公開的具體細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制性的，而是僅僅作為用于本發(fā)明的任何方面的代表性基礎(chǔ)和/或作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以多種形式采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。除了在示例中，或者另外明確說(shuō)明之外，在本說(shuō)明書中表示材料的數(shù)量或反應(yīng)和/或使用的條件的所有數(shù)值量應(yīng)該被理解為在描述本發(fā)明的最寬范圍時(shí)由詞語(yǔ)“大約”來(lái)修飾。通常優(yōu)選在所陳述的數(shù)值限制內(nèi)的實(shí)踐。另外，除非進(jìn)行明確地相反陳述，否則百分比、“份數(shù)”和比值以重量計(jì)；結(jié)合本發(fā)明將一組或一類材料描述為對(duì)于給定目的是適當(dāng)?shù)幕騼?yōu)選的意味著所述組或類的構(gòu)件的任何兩個(gè)或多個(gè)的混合物同樣是適當(dāng)?shù)幕騼?yōu)選的；化學(xué)術(shù)語(yǔ)中組分的描述是指添加到說(shuō)明書中指定的任何組合中的組分，但不排除混合后混合物的組分之間的化學(xué)相互作用；縮略詞或其他縮寫的第一定義應(yīng)用于本文中相同縮寫的所有后續(xù)使用并且以變通的形式應(yīng)用于最初定義的縮寫的正常語(yǔ)法變型；并且除非進(jìn)行明確地相反陳述，否則性質(zhì)的測(cè)量值由先前或之后針對(duì)相同性質(zhì)所引用的相同技術(shù)來(lái)確定。還應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于以下描述的具體實(shí)施例和方法，因?yàn)榫唧w的部件和/或條件當(dāng)然可以改變。此外，本文所使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述本發(fā)明的特定實(shí)施例的目的，而并非意在以任何方式進(jìn)行限制。術(shù)語(yǔ)“包括”與“包含”、“具有”、“含有”或“特征在于”是同義的。這些術(shù)語(yǔ)是包含性的或開放式的，并且不排除其他的、未敘述的要素或方法步驟。短語(yǔ)“由……組成”排除了未在權(quán)利要求中指定的任何要素、步驟或成分。當(dāng)該短語(yǔ)出現(xiàn)在權(quán)利要求項(xiàng)的條款中，而不是立即跟在前序后時(shí)，其只限制在該條款中闡述的要素；而其他要素未被排除在作為整體的權(quán)利要求之外。短語(yǔ)“基本上由……組成”將權(quán)利要求的范圍限制到指定的材料或步驟，以及那些本質(zhì)上不影響所要求保護(hù)的主題的基本特征和新穎特征的材料或步驟。關(guān)于術(shù)語(yǔ)“包括”、“由……組成”和“基本上由……組成”，其中本文使用了這三個(gè)術(shù)語(yǔ)中的一個(gè)，目前所公開且要求保護(hù)的主題可包括其他兩個(gè)術(shù)語(yǔ)中的任一個(gè)的使用。還必須注意的是，如在說(shuō)明書和所附權(quán)利要求書中所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”包括復(fù)數(shù)對(duì)象，除非上下文另外清楚地說(shuō)明。例如，以單數(shù)提到一種部件意在包括多個(gè)部件。縮寫：“RT”是指室溫。在整個(gè)該申請(qǐng)中，在參考公開文獻(xiàn)的情況下，這些公開文獻(xiàn)的公開內(nèi)容全部被并入本申請(qǐng)中作為參考，以更充分地描述本發(fā)明所屬的
技術(shù)領(lǐng)域：
的狀況。圖1提供了可被并入其中去除了陰離子污染物的燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池的橫截面圖。PEM燃料電池10包括設(shè)置在陰極電催化劑層14與陽(yáng)極電催化劑層16之間的聚合物離子傳導(dǎo)膜12。燃料電池10還包括導(dǎo)電流場(chǎng)板20、22，導(dǎo)電流場(chǎng)板20包括氣體通道24，導(dǎo)電流場(chǎng)板22包括氣體通道26。流場(chǎng)板20、22為雙極板(如圖所示)或單極板(即端板)。在一種改進(jìn)中，流場(chǎng)板20、22由可選地涂覆有貴重金屬(例如金或鉑)的金屬板(例如不銹鋼)形成。在另一種改進(jìn)中，流場(chǎng)板20、22由同樣可選地涂覆有貴重金屬的導(dǎo)電聚合物形成。氣體擴(kuò)散層32和34也插入在流場(chǎng)板與催化劑層之間。在運(yùn)行期間，氫作為燃料被供應(yīng)至陽(yáng)極催化劑層16并且氧作為氧化劑被供應(yīng)至陰極催化劑層14，從而作為其中的電化學(xué)過(guò)程的結(jié)果產(chǎn)生電力。然而，燃料電池運(yùn)行的一個(gè)并發(fā)問(wèn)題是可以釋放硫酸鹽的聚合物離子傳導(dǎo)膜的降解。另外，來(lái)自空氣的SO2可以溶解在水中并變成亞硫酸鹽和硫酸鹽。例如，表1示出了在暴露于空氣中ppb水平的SO2之后第一時(shí)間處的燃料電池電壓(V1)和在稍后的時(shí)間處的燃料電池電壓(V2)。該表示出了來(lái)自環(huán)境空氣SO2對(duì)在0.2A/cm2下運(yùn)行的電池的影響：表1.濃度[ppb]V1[mV]V2[mV]△V[mV]080078911507927731920079076525圖2提供了示出可恢復(fù)電壓損失與燃料電池陰極排放物水中的硫酸鹽濃度的關(guān)系的曲線圖。類似地，圖3提供了電池電壓損失與BOP材料浸出指標(biāo)的關(guān)系的曲線圖。硫酸鹽對(duì)燃料電池性能的有害影響顯然是不可否認(rèn)的。參照?qǐng)D4，提供了去除陰離子污染物的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。燃料電池系統(tǒng)40包括燃料電池堆42，該燃料電池堆42包括一個(gè)或多個(gè)單個(gè)燃料電池44。在一種改進(jìn)中，燃料電池44為圖1及其相關(guān)說(shuō)明中描繪的通用設(shè)計(jì)。在一種改進(jìn)中，燃料電池堆42包括5至400個(gè)燃料電池。燃料電池系統(tǒng)40還包括與燃料電池堆42中的燃料電池陽(yáng)極連通的燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)46和在燃料電池堆42中與燃料電池陰極連通的含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)48。仍然參照?qǐng)D4，燃料電池進(jìn)料子系統(tǒng)46包括將含燃料氣體提供至燃料電池堆42并且特別地提供至燃料電池陽(yáng)極的燃料源50。通常，燃料包括分子氫。燃料進(jìn)入燃料電池堆中并接觸燃料電池陽(yáng)極且特別地接觸燃料電池的陽(yáng)極催化劑層。在一些變型中，燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)46包括陽(yáng)極回路52，在該陽(yáng)極回路52中燃料從陽(yáng)極排放裝置53再循環(huán)并且在燃料重組站54與新鮮燃料組合。在該背景下，陽(yáng)極回路52包括從重組站54通過(guò)燃料電池堆且回到燃料重組站54的整個(gè)流動(dòng)路徑。仍然參照?qǐng)D4，含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)48包括將含氧氣體提供至燃料電池堆42的含氧氣體源60。通常，含氧氣體包括分子氧(例如空氣)。含氧氣體進(jìn)入燃料電池堆中并接觸燃料電池陰極且特別地接觸燃料電池的陰極催化劑層。在一些變型中，含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)48包括陰極回路62，在該陰極回路62中水通過(guò)加濕器64從燃料電池陰極的陰極排放裝置63被傳送至輸入的干燥陰極含氧進(jìn)料氣體(例如空氣)。在該背景下，陰極回路62包括從加濕器64通過(guò)燃料電池堆且回到加濕器64的整個(gè)流動(dòng)路徑。仍然參照?qǐng)D4，燃料電池系統(tǒng)40包括與燃料氣體進(jìn)料子系統(tǒng)46和/或含氧氣體進(jìn)料子系統(tǒng)48連通的陰離子清除子系統(tǒng)66和/或68。在一些變型中，燃料電池系統(tǒng)40包括陰離子清除子系統(tǒng)66和/或68中的一者或兩者。陰離子清除子系統(tǒng)66和68將硫酸鹽和可選地其他污染物從陽(yáng)極或陰極再循環(huán)回路中去除。陰離子清除子系統(tǒng)66被定位在陽(yáng)極排放裝置53與重組站54之間的陽(yáng)極再循環(huán)回路52中。類似地，陰離子清除子系統(tǒng)68被定位在陰極排放裝置63與加濕器64之間的陰極回路62中。加濕器64將形成在燃料電池的潮濕輸出陰極氣體上的水傳送至干燥的輸入含氧氣體，從而加濕所述氣體。因此，加濕器提供用于陰離子污染物的路徑以從陰極出口傳送回燃料電池堆的陰極入口。在一種改進(jìn)中，陰離子清除子系統(tǒng)66被定位在陰極出口與加濕器64之間，從而減少被傳送回含氧氣體的陰離子污染物的量。在一種改進(jìn)中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68各自獨(dú)立地分別去除燃料氣體和含氧氣體中的至少80重量百分比的陰離子污染物。在另一種改進(jìn)中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68各自獨(dú)立地分別去除燃料氣體和含氧氣體中的至少90重量百分比的陰離子污染物。在又一種改進(jìn)中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68各自獨(dú)立地分別去除燃料氣體和含氧氣體中的80至100重量百分比的陰離子污染物。在再一種改進(jìn)中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68各自獨(dú)立地分別去除燃料氣體和含氧氣體中的90至98重量百分比的陰離子污染物。針對(duì)這些重量百分比，重量百分比為流到清除子系統(tǒng)中的氣體的重量。在一種變型中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68包括氫氧化物(OH-)形式的陰離子交換樹脂或離聚物(常見官能團(tuán)：季銨)。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到的是，在使用之前，可對(duì)樹脂進(jìn)行洗滌以去除任何污染。此外，在服務(wù)期間樹脂可以再生或被代替。表2和表6提供了所測(cè)量的在平衡狀態(tài)下測(cè)試陰離子交換樹脂(其為氫氧化物形式的A26)的陰離子去除百分比。表2.表3.可以看出，當(dāng)溶液中存在過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)的陰離子時(shí)，陰離子交換樹脂對(duì)硫酸鹽具有高選擇性。此外，可以看出，在三天中在不同的溫度條件下陰離子去除能力沒(méi)有顯著差異。盡管上文描述了示例性實(shí)施例，但是并不意味著這些實(shí)施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。而是，在說(shuō)明書中使用的詞語(yǔ)是描述性而非限制性的詞語(yǔ)，且應(yīng)該理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變。另外，可以對(duì)各種實(shí)現(xiàn)實(shí)施例的特征進(jìn)行組合以形成本發(fā)明的其他實(shí)施例。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3