用于保持燃料電池系統(tǒng)的性能的方法以及燃料電池氣體回路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池，具體而言，本發(fā)明并不排他地涉及具有聚合物膜形式的電解質(zhì)的類(lèi)型的燃料電池(即，PEFC(聚合物電解質(zhì)燃料電池)類(lèi)型)。
【背景技術(shù)】
[0002]已知的是，燃料電池使用燃料氣體和氧化劑氣體而通過(guò)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，而不需機(jī)械能轉(zhuǎn)化步驟。該技術(shù)很有前景，尤其是對(duì)于電動(dòng)車(chē)輛應(yīng)用。概括而言，燃料電池包括單元元件的串聯(lián)組合，所述單元元件的每個(gè)主要包括通過(guò)聚合物膜分開(kāi)的陽(yáng)極和陰極，使離子從陽(yáng)極穿過(guò)聚合物膜到達(dá)陰極。
[0003]因此，供應(yīng)有燃料(例如，氫氣)的陽(yáng)極是發(fā)生氧化半反應(yīng)的地點(diǎn)。同時(shí)，供應(yīng)有氧化劑(例如，純氧氣或包含在空氣中的氧氣)的陰極是發(fā)生還原半反應(yīng)的地點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這兩種半反應(yīng)，有必有用催化劑(即，能夠提高反應(yīng)速率但自身不被消耗的化合物)來(lái)對(duì)陽(yáng)極和陰極充電。
[0004]在所使用的各種催化劑中，已經(jīng)觀察到，使用鉑(單獨(dú)使用或作為合金使用)獲得了最好的性能。然而，由于鉑在存在氧氣時(shí)的逐漸氧化，使用鉑具有顯著的缺陷。從而，已經(jīng)觀察到，在陰極催化劑中使用的鉑的逐漸氧化導(dǎo)致了性能下降，該性能下降的表現(xiàn)是電壓下降，而這在燃料電池僅僅工作了幾十分鐘后。
[0005]美國(guó)專利US6 635 369提供了一種解決方案，其能夠使得陰極的氧氣處于規(guī)律的短缺狀態(tài)，從而減緩鉑的逐漸變劣，而這使得燃料電池的性能能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間上得到保持。
[0006]在該專利中，通過(guò)燃料電池在非常短的周期中短路(這導(dǎo)致了電流尖峰)來(lái)產(chǎn)生氧氣短缺。因此，陰極電化學(xué)勢(shì)突然下降，不再發(fā)生鉑的氧化，因?yàn)樵摲磻?yīng)需要存在氧氣以及高電化學(xué)勢(shì)。從而，在每次產(chǎn)生短路后，能夠觀察到性能的提高。
[0007]然而，這樣的解決方案有幾個(gè)主要的缺陷。特別地，僅有小容量燃料電池(例如，大約一千瓦的燃料電池)能夠?qū)崿F(xiàn)短路。如果使用更大容量的燃料電池(例如，大約50kW的燃料電池)，回路產(chǎn)生的電流的增加將更大，而具有損壞系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。另外，已經(jīng)觀察到，短路不僅導(dǎo)致陰極的鉑的還原，而且導(dǎo)致陽(yáng)極的腐蝕，從而產(chǎn)生損壞風(fēng)險(xiǎn)。最后，使用短路并不提供任何可控參數(shù)，因?yàn)?，引起的電壓下降只取決于燃料電池及其在短路時(shí)的工作。
[0008]另一解決方案還設(shè)想的是，如同專利申請(qǐng)EP 2 494 642所提出的，有規(guī)律地將燃料電池置于消耗/重啟循環(huán)中，其包括通過(guò)氧氣的短缺來(lái)消耗燃料電池。確實(shí)，每次循環(huán)可以因此使得鉑還原，從而保持燃料電池的性能。然而，當(dāng)連續(xù)使用燃料電池時(shí)，以及當(dāng)電力的產(chǎn)生不能中斷時(shí)，不能應(yīng)用該解決方案。
[0009]因此，本發(fā)明的目標(biāo)是，提出能夠保持燃料電池的性能而不干擾其工作且不產(chǎn)生額外損壞的過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提出了一種用于保持聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的性能的過(guò)程，所述燃料電池安裝在包括燃料氣體供應(yīng)回路和氧化劑氣體供應(yīng)回路的系統(tǒng)中，所述燃料氣體供應(yīng)回路將燃料氣體儲(chǔ)備區(qū)連接至燃料電池的陽(yáng)極，所述氧化劑氣體供應(yīng)回路將氧化劑氣體儲(chǔ)備區(qū)或大氣連接，所述過(guò)程包括下列步驟:
[0011]-用燃料氣體和氧化劑氣體供應(yīng)燃料電池，
[0012]-當(dāng)燃料電池達(dá)到產(chǎn)生電流的工作狀態(tài)時(shí)，中斷氧化劑氣體向燃料電池的陰極側(cè)的入口的供應(yīng)，
[0013]-在給定時(shí)間后和/或在燃料電池的端口的電壓達(dá)到預(yù)定水平時(shí)，重啟氧化劑氣體的供應(yīng)，
[0014]-在燃料電池工作的期間周期性重復(fù)前述的兩個(gè)步驟。
[0015]在本發(fā)明的一個(gè)有益實(shí)施方案中，氣體的供應(yīng)在三秒時(shí)段的中斷后重啟。在另一實(shí)施方案中，氣體的供應(yīng)在燃料電池的電池的平均電壓變?yōu)樾∮谖灏俸练鼤r(shí)重啟。
[0016]相對(duì)短的打開(kāi)能夠在該暫時(shí)的供應(yīng)不足期間限制電壓的下降。確實(shí)，盡管燃料電池瞬間不再供應(yīng)有空氣，燃料電池的高度電容效應(yīng)有助于將電壓保持在可接收的水平，而不需干擾電的產(chǎn)生。
[0017]在本發(fā)明的另一有益實(shí)施方案中，其中，步驟的重復(fù)頻率被設(shè)定為五分鐘。
[0018]關(guān)于中斷氧化劑氣體供應(yīng)的中斷的步驟，幾種實(shí)施方案都是可能的:
[0019]-在第一實(shí)施方案中，該中斷包括:打開(kāi)位于燃料電池的陰極的上游且將氧化劑氣體供應(yīng)回路連接至外部空氣的閥，
[0020]-在第二實(shí)施方案中，該中斷包括:瞬間中斷位于氧化劑氣體供應(yīng)回路中的空氣壓縮機(jī)的工作，以及
[0021]-在第三實(shí)施方案中，該中斷包括:關(guān)閉位于氧化劑氣體供應(yīng)回路中的閥。
[0022]本發(fā)明還涉及聚合物離子交換膜燃料電池的氣體回路，其包括:
[0023]-燃料氣體供應(yīng)回路(11)，其將燃料氣體儲(chǔ)備區(qū)連接至燃料電池的陽(yáng)極，
[0024]-氧化劑氣體供應(yīng)回路(12b)，其將氧化劑氣體儲(chǔ)備區(qū)或大氣連接至燃料電池的陰極，
[0025]其特征在于，所述回路額外包括安裝在氧化劑氣體供應(yīng)回路(12b)中的構(gòu)件，其用于周期性地且瞬間地中斷氧氣向燃料電池的陰極的供應(yīng)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案，中斷構(gòu)件包括:
[0027]-電磁閥，所述電磁閥位于氧化劑氣體供應(yīng)回路中的陰極的上游，并且將該回路連接至大氣，
[0028]-壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)位于大氣入口與陰極之間，
[0029]-閥，其位于氧化劑氣體供應(yīng)回路中。
【附圖說(shuō)明】
[0030]本說(shuō)明書(shū)的剩余部分通過(guò)所附附圖使得能夠清楚地理解本發(fā)明的全部方面，在附圖中:
[0031]-圖1是供應(yīng)有純氧氣的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的示意圖；
[0032]-圖2顯示了實(shí)施或不實(shí)施本發(fā)明的燃料電池在時(shí)間上的性能。
【具體實(shí)施方式】
[0033]圖1顯示了聚合物膜形式的具有電解質(zhì)的類(lèi)型的燃料電池Ib ( S卩，PEFC (聚合物電解質(zhì)燃料電池)或PEM (質(zhì)子交換膜)類(lèi)型)。燃料電池Ib供應(yīng)有兩種氣體，即燃料(車(chē)輛存儲(chǔ)或車(chē)輛上產(chǎn)生的氫氣)和氧化劑(空氣或純氧氣)，所述氣體供應(yīng)電化學(xué)電池的電極。電負(fù)載14通過(guò)電線10連接至燃料電池lb。圖1表示了陽(yáng)極回路的元件以用于理解本發(fā)明，但是本申請(qǐng)的主題實(shí)際上還涉及燃料電池的陰極回路。
[0034]陽(yáng)極回路的描述:
[0035]該組件包括陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體供應(yīng)回路11。圖中顯示了純氫氣H2儲(chǔ)備區(qū)11T，其通過(guò)穿過(guò)截止閥110、然后穿過(guò)調(diào)壓閥117、然后穿過(guò)噴射器113并然后穿過(guò)燃料氣體供應(yīng)通道IlA的結(jié)束于陽(yáng)極的供應(yīng)線路而連接至燃料電池Ib的陽(yáng)極回路的入口。氫氣(燃料)供應(yīng)回路11還包括用于回收沒(méi)有被燃料電池消耗的氫氣的回路11R，所述回路連接至燃料電池Ib的陽(yáng)極回路的出口?；厥栈芈稩lR中安裝了水分離器114。噴射器113和再循環(huán)栗115使得未消耗的氫氣再循環(huán)，并且將其與來(lái)自儲(chǔ)備區(qū)的新的氫氣混合。
[0036]圖中還顯示了額外的燃料氣體積累室116，其位于燃料氣體供應(yīng)回路11的管道系統(tǒng)中，在截止閥110與調(diào)壓閥117之間。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，額外的積累室位于供應(yīng)回路中壓力最大的點(diǎn)，以便減小其體積，或者以相同的體積存儲(chǔ)更大量的氫氣。應(yīng)當(dāng)注意，額外的燃料氣體積累室116可以位于燃料氣體供應(yīng)回路中的任意點(diǎn)，也就是說(shuō)，位于截止閥110與燃料電池Ib之間的任意點(diǎn)、甚至回收回路IlR中的任意點(diǎn)或者水分離器114與噴射器113之間的回路中的任意點(diǎn)。然而有益的是，將其放置在回路中在壓力較高的點(diǎn)，以便減小其體積。另外