專利名稱：原地燃料電池組再生的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及用于再生燃料電池組的系統(tǒng)和方法，更具體地涉及用于再生燃 料電池組的如下系統(tǒng)和方法，其包括在不施加電池組負載的情況下在系統(tǒng)關閉時提高電池 組的陰極側的濕度水平以水合電池膜，并向燃料電池組的陽極側提供氫，使得氫穿過膜至 陰極側并與氧反應以減少污染物。
背景技術：
由于氫是清潔的并且可用于在燃料電池中有效地產生電，所以氫是非常有吸引力 的燃料。氫燃料電池是包括其間具有電解質的陽極和陰極的電化學裝置。陽極接收氫氣， 而陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極催化劑處分解，以產生自由質子和電子。質子穿過電解 質到達陰極。質子在陰極催化劑處與氧和電子反應，以產生水。來自陽極的電子不能穿過 電解質，并因此在被送到陰極之前被引導通過負載以做功。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的常見燃料電池。PEMFC通常包括諸如 全氟離子交換膜的固態(tài)聚合物電解質質子傳導膜。陽極和陰極通常但不總是包括通常支撐 在碳顆粒上并與離聚物混合的、通常為諸如鉬(Pt)的高活性催化劑的微細催化劑顆粒。催 化混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定膜電極 組件(MEA)。MEA制造起來相對昂貴，并且需要一定的條件以便有效操作。通常將多個燃料電池結合成燃料電池組，以產生預期的功率。例如，典型的用于車 輛的燃料電池組可具有兩百或更多個堆疊的燃料電池。燃料電池組接收陰極輸入氣體，其 通常為通過壓縮機迫使通過電池組的空氣流。電池組沒有消耗所有的氧，而是一些空氣作 為陰極排出氣體被輸出，陰極排出氣體可包括作為電池組副產物的水。燃料電池組還接收 流入電池組的陽極側的陽極氫輸入氣體。燃料電池組包括在電池組中定位在多個MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和 MEA定位在兩個端板之間。雙極板包括用于電池組中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。 在雙極板的陽極側上設置有允許陽極反應氣體流向相應的MEA的陽極氣體流場。在雙極板 的陰極側上設置有允許陰極反應氣體流向相應的MEA的陰極氣體流場。一塊端板包括陽極 氣體流動通道，而另一塊端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由諸如不銹鋼或導電 復合物的導電材料制成。端板將燃料電池產生的電從電池組傳到出去。雙極板還包括冷卻 流體流過其中的流動通道。燃料電池內的膜需要具有足夠的含水量，使得橫跨膜的離子阻力低到足以有效地 傳導質子。膜增濕可通過電池組的水副產物或通過外部增濕。反應物通過電池組的流動通 道的流動對電池膜具有干燥作用，并且在反應物流動的入口處最顯著。然而，水滴在流動通 道內的積聚會阻止反應物流過，并且由于低的反應氣體流動可能使電池失效，從而影響電 池組的穩(wěn)定性。水在反應氣體流動通道內、以及在氣體擴散層(GDL)內的積聚在低的電池 組輸出負載時尤其麻煩。如上所述，水作為電池組操作的副產物而產生。因此，來自電池組的陰極排出氣體通常會包括水蒸汽和液態(tài)水。本領域已知的是將水蒸汽輸送(WVT)單元用于俘獲陰極排出 氣體中的一些水，以及將水用于增濕陰極輸入氣流。諸如膜的水輸送元件一側處的陰極排 出氣體中的水由水輸送元件吸收并輸送至水輸送元件另一側的陰極氣流。在燃料電池系統(tǒng)中，存在在電池膜中造成電池組性能的永久損失的許多機構，諸 如催化劑活性的損失、催化劑載體腐蝕和針孔形成。然而，存在可造成大致可逆的電池組電 壓損失的其他機構，諸如電池膜干透、催化劑氧化物形成、以及污染物在電池組的陽極側和 陰極側上的積累。因此，本領域存在一種需求，即清除生成的氧化物和積累的污染物，以及 再水合電池膜，恢復燃料電池組中的電池電壓的損失。濕操作-也就是說具有高濕量的操作對于系統(tǒng)增濕、性能和污染清除是合乎需要 的。然而，存在操作具有較低濕量、也稱為干狀態(tài)的燃料電池組的各種理由。例如，濕操作 由于水的積累可導致燃料電池穩(wěn)定性問題，并且還會造成導致碳腐蝕的陽極饑餓。另外，由 于液態(tài)水在燃料電池組中的不同位置處凍結，所以濕操作在冷凍狀態(tài)下可能成為問題。因 此，本領域需要已對非濕運行狀態(tài)進行了優(yōu)化的系統(tǒng)。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的教導，公開一種用于再生燃料電池組的方法。該方法包括周期性地 提高輸入到電池組的陰極輸入氣流的相對濕度水平，以將電池膜電極組件潤濕至大于正常 電池組運行狀態(tài)期間的相對濕度水平。該方法還包括在不施加電池組負載的情況下在潤濕 膜電極組件的同時，在系統(tǒng)關閉時向燃料電池組的陽極側提供氫，使得氫穿過電池膜到達 陰極側并與氧反應以減少電池組污染物。方案1. 一種用于再生燃料電池組的方法，所述方法包括確定是否需要燃料電池組再生；如果需要電池組再生，則將燃料電池組的陰極側的濕度水平提高到正常運行狀態(tài) 期間的陰極側的相對濕度以上；在提高陰極側的濕度水平之后，等待燃料電池組中的電池膜潤濕；在燃料電池組關閉期間提供氫來覆蓋陰極側；以及等待污染物由于提高的濕度水平和氫的覆蓋而被清除。方案2.根據方案1所述的方法，其中，提高陰極側的濕度水平是將該濕度水平提 高至大于或等于100%的相對濕度。方案3.根據方案1所述的方法，其中，在陰極側的氫覆蓋發(fā)生之前，電池膜保持潤 濕一時間段。方案4.根據方案1所述的方法，其中，所述氫的覆蓋使氫從陽極側穿過電池膜到 達陰極側，以消耗氧。方案5.根據方案1所述的方法，還包括在所述氫覆蓋期間向電池組施加最小的負載。方案6.根據方案1所述的方法，其中，在燃料電池組的正常運行期間周期性地執(zhí) 行所述再生。方案7. —種用于再生燃料電池組以從該燃料電池組清除污染物的方法，所述方 法包括
通過提高電池組的相對濕度而在濕狀態(tài)下運行燃料電池組；潤濕燃料電池組中的膜電極組件；以及在潤濕膜電極組件的同時關閉燃料電池組。方案8.根據方案7所述的方法，還包括在電池組關閉期間提供氫來覆蓋燃料電池 組的陰極側，以及等待污染物由于提高的濕度水平和氫的覆蓋而被清除。方案9.根據方案8所述的方法，其中，所述氫覆蓋使氫從陽極側穿過電池膜到達 陰極側，以消耗氧。方案10.根據方案8所述的方法，其中，在所述氫覆蓋期間施加最小的負載。方案11.根據方案7所述的方法，其中，將所述相對濕度提高至大于或等于100% 的相對濕度。方案12.根據方案7所述的方法，其中，在陰極側的氫覆蓋發(fā)生之前，電池膜保持 潤濕一時間段。方案13.根據方案7所述的方法，其中，在燃料電池組的正常運行期間所述再生周 期性地進行。方案14. 一種用于再生燃料電池組的方法，所述方法包括確定是否需要燃料電池組再生；如果需要電池組再生，則將燃料電池組的陰極側的濕度水平提高至正常運行狀態(tài) 期間的陰極側的相對濕度以上；在提高陰極側的濕度水平之后等待燃料電池組中的電池膜潤濕；在燃料電池組關閉期間提供氫來覆蓋陰極側，其中，所述氫的覆蓋使氫從陽極側 穿過電池膜到達陰極側，以消耗氧；以及等待污染物由于提高的濕度水平和氫的覆蓋而被清除。方案15.根據方案14所述的方法，其中，在陰極側的氫覆蓋發(fā)生之前，電池膜保持 潤濕一時間段。方案16.根據方案14所述的方法，還包括在所述氫覆蓋期間向電池組施加最小的 負載。方案17.根據方案14所述的方法，其中，在燃料電池組的正常運行期間周期性地 執(zhí)行所述再生。通過結合附圖參閱以下的描述和所附權利要求，本發(fā)明的附加特征將變得明顯。


圖1是燃料電池系統(tǒng)的示意性方框圖；以及圖2是示出用于清除積累在燃料電池組中的氧化物和污染物的方法的流程圖。
具體實施例方式以下涉及用于再生燃料電池組以便恢復電池組電壓的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明實施 例的討論本質上僅是示例性的，并且絕不用于限制本發(fā)明或本發(fā)明的應用或使用。圖1是包括燃料電池組12的燃料電池系統(tǒng)10的示意性方框圖。燃料電池組12在 陽極輸入管線18上從氫源16接收氫，并在管線20上提供陽極排出氣體。壓縮機22通過增濕陰極輸入空氣的水蒸汽輸送(WVT)單元32在陰極輸入管線14上向燃料電池組12的 陰極側提供氣流。WVT單元32在該實施例中用作非限制性示例，此處諸如焓輪增濕器、蒸發(fā) 器等其他類型的增濕裝置可用于增濕陰極入口空氣。在陰極排出氣體管線沈上從電池組 12輸出陰極排出氣體。排出氣體管線沈將陰極排氣引導至WVT單元32，以提供濕度，從而 增濕陰極輸入空氣。繞過WVT單元32設置有旁通管線30，以與在此所討論的一致地繞過 WVT單元32引導一些或所有陰極排出氣體。在替代實施例中，旁通管線可以是入口旁通線 路。在旁通管線30中設置有旁通閥34，該旁通閥34被控制以便有選擇地通過WVT單元32 或繞過WVT 32重新引導陰極排出氣體，從而向陰極輸入空氣提供預期的濕度量。控制器36控制旁通閥34是打開還是關閉，以及旁通閥34打開到什么程度。通過 控制旁通閥34，控制器36能夠確定將多少陰極排出氣體引導通過WVT單元32，以及因此將 多少來自陰極排出氣體的水用于增濕陰極輸入空氣。陰極出口濕度是電池組運行狀態(tài)的函數，包括陰極和陽極入口相對濕度、陰極和 陽極化學計量、壓力和溫度。在以下討論的再生期間，需要提高膜的濕度水平。這通常通過 提高陰極出口相對濕度實現(xiàn)。在該實施例中，在電池組再生期間控制旁通閥34，以提高陰極 入口空氣的濕度水平。然后，如本領域已知的，將操縱電池組運行狀態(tài)設定點，以將陰極出 口相對濕度進一步提高至設定點。示例包括降低電池組溫度或降低陰極化學計量?？上鄬Ω稍锏?、諸如在具有低于100%的陰極入口和排氣相對濕度的情況下運行 燃料電池組12。這種延長的時段期間內的干電池組運行可導致電池組12中的諸如電池膜 和MEA催化劑層等部件的干透。在低功率運行下當由燃料電池組12產生的水量低時，電池 組12的干透更有可能發(fā)生，但在高功率運行下更明顯。另外，低功率和高電池電壓下的運 行導致催化劑上較高的氧化物形成速率，尤其在使用貴金屬催化劑時。如以下將討論的，本發(fā)明提供電池組再生，以從電池組12內清除影響電池組性能 的諸如硫酸鹽和氯化物的污染物。在電池組再生期間，以半規(guī)則的間隔在濕狀態(tài)下運行燃 料電池組12。通過相對較濕地運行電池組，各種離子和其他分子將進入電池組12內的溶 液，并能被通過反應氣體流動通道的水流更好地排出。例如，這樣的濕狀態(tài)在高電流密度時 可超過110%的相對濕度，但也可使用其他相對濕度百分比。在維持這些濕狀態(tài)的同時關閉 燃料電池系統(tǒng)。緊接在關閉燃料電池系統(tǒng)10之后，用氫和其他氣體(例如氮氣和水蒸氣) 的混合物覆蓋陰極側催化劑。以下將更詳細地描述該程序。圖2是示出用于再生燃料電池組12的步驟的流程圖40，該再生使得能夠實現(xiàn)燃料 電池組12的電壓的恢復。在框42處的系統(tǒng)起動是第一步驟?？刂破?6在決策棱形44處 確定是否需要燃料電池組12的再生。本發(fā)明設想了能檢測來自電池組污染物的影響、諸如 低電壓、低濕度水平、低電池組功率等的任何合適的算法或裝置，所述電池組污染物可能需 要電池組再生。如果控制器36在決策棱形44處確定不需要燃料電池組12的再生，則在框 46處，控制器36不啟動再生程序并且燃料電池系統(tǒng)10在正常運行狀態(tài)下運行。然而，如果控制器36在決策棱形44處確定需要燃料電池組12的再生，則觸發(fā)用 于再生電池組12的程序。將執(zhí)行再生程序所必需的控制和校準值輸入控制器36的軟件中。 控制器36改變運行狀態(tài)，使得在框48處，在比正常運行狀態(tài)下所出現(xiàn)的濕度更濕的狀態(tài)下 操作管線26上的陰極排出氣體。取決于陽極和陰極氣體的速度，這樣的濕狀態(tài)的示例是管 線沈上的超過100%相對濕度的陰極排出氣體相對濕度。如果氣體速度低，則可維持管線沈上的正常出口相對濕度。然而，本領域技術人員顯然清楚的是，可使用具有不同出口相對 濕度和變化的氣體速度的濕狀態(tài)。接下來，控制器36在框50處等待電池MEA潤濕至預期的相對濕度水平。在框50 處的潤濕期間于陰極側或陽極側上在燃料電池組中溢流的液態(tài)水可通過主動控制流出、排 水以及其他系統(tǒng)閥來管理，或通過提高陰極化學計量來管理。避免電池組溢流的一個示例 是以較高的電流密度運行電池組，從而利用較高的陰極和陽極速度。然而，本領域技術人員 將會認識到的是，存在防止溢流的其他辦法。舉例來說，將電池MEA潤濕至預期濕度水平所必需的時間量在0. 4-lA/cm2范圍內 的電池組電流密度下可以是超過20分鐘的時段。較低的電流密度也可能是有效的；然而， 它們可能需要比較高的電流密度更長的運轉時間。本領域技術人員將容易認識到，不同的 時段和不同的電流密度范圍將實現(xiàn)預期的潤濕水平。因此，該示例不用于以任何方式限制 本發(fā)明的范圍。一旦在框50處將電池MEA潤濕至預期的濕度水平，則控制器36在框52處于系統(tǒng) 關閉時啟動陰極還原。陰極還原需要將氫用于接管(takeover)和覆蓋燃料電池組12的陰 極側。在該程序期間不使用系統(tǒng)在關閉時通常經歷的任何干透清掃操作。通過在系統(tǒng)關閉 時維持電池組12的陽極側中的過量的氫，氫能夠借助于到陰極側的滲透、通過直接注入、 或它們的組合而穿過膜，以消耗可得的氧。通過利用氫來消耗電池組12的陰極側上的氧， 減少了陰極側中的諸如可結合至陰極催化劑中的鉬位置的各種污染物。重要的是抑制向電 池組12施加負載，這會在程序的該步驟期間加速氧的消耗。因此，迄今為止描述的過程包 括首先通過將陰極入口空氣增濕到正常濕度水平以上來潤濕電池組12中的燃料電池中的 MEA，然后維持該潤濕水平直到系統(tǒng)關閉，此時在空載狀態(tài)下將氫引入燃料電池組12的陽 極側，以消耗陰極側上的氧。當然，在諸如冷凍狀態(tài)的某些運行狀態(tài)下，關于系統(tǒng)關閉之后 燃料電池組12可以濕到什么程度存在一些限制。在框52處用氫充分覆蓋陰極側之后，控制器36在框M處等待一時段，以允許污 染物清除。舉例來說，并且絕不用于限制本發(fā)明的范圍，允許污染物清除的時間量可以是 二十分鐘。由于當系統(tǒng)冷卻時更多的水蒸汽將冷凝，所以附加的浸泡時間可能是有益的，這 隨后對大部分污染物的清除是有用的。如果在框56處系統(tǒng)開始之前不能滿足需要的時間 量，則不能充分地實現(xiàn)所述益處，并且可能需要重復該程序。當在成功再生之后在框56處 重新起動燃料電池系統(tǒng)10時，該燃料電池系統(tǒng)10應在其正常運行狀態(tài)下運轉。以上程序增強燃料電池MEA的使燃料與氧化劑起反應的能力，因為(1)較大部分 的液態(tài)水使得能夠洗掉可溶解的污染物，( 較高的膜電極潤濕水平提高膜和電極的質子 傳導性，( 濕狀態(tài)下的電壓降低導致隨后在后續(xù)運行期間被洗掉的硫酸鹽(/燈04_)類毒性 物質的表面覆蓋度的降低，(4)暴露更多的貴金屬位置的諸如氧化鉬(PtO)和鉬氫氧化物 (PtOH)的表面氧化物被還原，以及(5)隨后通過等待污染清除而產生的電勢增長也有助于 燒掉-即氧化乙二醇及其他有機污染物。因此，燃料電池組12的再生過程通過減小與膜電阻和催化劑層性能相關的電壓 損失而提供電池電壓性能的增強。測試表明，該益處可達每電池50mV。這種增強足以持續(xù) 好幾百個小時，并且可針對相似的恢復水平而重復。由于這種增強，電池組的壽命將延長， 導致燃料電池組12的較長的使用壽命。該程序的規(guī)則間隔將導致較高水平的最高性能和較高的系統(tǒng)效率。該程序還可用于再增濕諸如WVT單元32的任何陰極水再增濕裝置。
以上的討論僅公開和描述了本發(fā)明的示例性實施例。本領域技術人員將通過這樣 的討論以及通過附圖和權利要求清楚地認識到，在不偏離所附權利要求限定的本發(fā)明的精 神和范圍的情況下，能夠對本發(fā)明作出各種變化、改型和變型。
權利要求
1.一種用于再生燃料電池組的方法，所述方法包括 確定是否需要燃料電池組再生；如果需要電池組再生，則將燃料電池組的陰極側的濕度水平提高到正常運行狀態(tài)期間 的陰極側的相對濕度以上；在提高陰極側的濕度水平之后，等待燃料電池組中的電池膜潤濕； 在燃料電池組關閉期間提供氫來覆蓋陰極側；以及 等待污染物由于提高的濕度水平和氫的覆蓋而被清除。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，提高陰極側的濕度水平是將該濕度水平提高至 大于或等于100%的相對濕度。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，在陰極側的氫覆蓋發(fā)生之前，電池膜保持潤濕一 時間段。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述氫的覆蓋使氫從陽極側穿過電池膜到達陰 極側，以消耗氧。
5.根據權利要求1所述的方法，還包括在所述氫覆蓋期間向電池組施加最小的負載。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，在燃料電池組的正常運行期間周期性地執(zhí)行所 述再生。
7.一種用于再生燃料電池組以從該燃料電池組清除污染物的方法，所述方法包括 通過提高電池組的相對濕度而在濕狀態(tài)下運行燃料電池組；潤濕燃料電池組中的膜電極組件；以及 在潤濕膜電極組件的同時關閉燃料電池組。
8.根據權利要求7所述的方法，還包括在電池組關閉期間提供氫來覆蓋燃料電池組的 陰極側，以及等待污染物由于提高的濕度水平和氫的覆蓋而被清除。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述氫覆蓋使氫從陽極側穿過電池膜到達陰極 側，以消耗氧。
10.一種用于再生燃料電池組的方法，所述方法包括 確定是否需要燃料電池組再生；如果需要電池組再生，則將燃料電池組的陰極側的濕度水平提高至正常運行狀態(tài)期間 的陰極側的相對濕度以上；在提高陰極側的濕度水平之后等待燃料電池組中的電池膜潤濕； 在燃料電池組關閉期間提供氫來覆蓋陰極側，其中，所述氫的覆蓋使氫從陽極側穿過 電池膜到達陰極側，以消耗氧；以及等待污染物由于提高的濕度水平和氫的覆蓋而被清除。
全文摘要
一種用于再生燃料電池組的方法。該方法包括周期性地提高輸入到電池組的陰極輸入氣流的相對濕度水平，以將電池膜電極組件潤濕至大于正常電池組運行狀態(tài)期間的相對濕度水平。該方法還包括在不施加電池組負載的情況下在潤濕膜電極組件的同時，在系統(tǒng)關閉時向燃料電池組的陽極側提供氫，使得氫穿過電池膜到達陰極側并與氧反應以減少電池組的污染物。
文檔編號H01M8/04GK102044689SQ20101051099
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2009年10月16日
發(fā)明者B·克勞塞, B·拉克斯曼安, D·A·阿圖爾, D·R·勒澤特, D·R·薩瓦格, D·T·福姆斯比, J·C·馬楚卡, J·P·薩瓦多 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司