[发明专利]通过场外水冲洗的电压恢复和污染物去除

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于从燃料电池堆除去污染物的系统和方法，更具体地，涉及一种用于从燃料电池堆除去污染物的系统和方法，其包括用空气吹扫燃料电池堆的阴极和阳极，用水冲洗燃料电池堆的阴极和阳极，然后用空气干燥燃料电池堆的阴极和阳极。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极催化剂处反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常但不总是包括细分的催化剂颗粒，通常是诸如铂（Pt）的高活性催化剂，所述催化剂颗粒通常支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物层、阴极催化剂混合物层和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极废气输出，所述阴极废气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢反应物输入气体。

燃料电池堆典型地包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应物气体流向相应MEA。阴极气体流场设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应物气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。

燃料电池内的膜需要具有足够的水含量，从而经过膜的离子阻力足够低以有效地传导质子。膜湿化可以来自于燃料电池堆水副产物或外部湿化。通过燃料电池堆流动通道的反应物流对电池膜具有干燥效应，最明显在反应物流的入口处。然而，在流动通道内的水滴积聚将防止反应物从中流过，且由于低的反应物气体流可能导致电池故障，从而影响燃料电池堆稳定性。在反应物气体流动通道内以及在气体扩散层（GDL）内的水积聚在低燃料电池堆输出负载时特别易出故障。

如上所述，水作为燃料电池堆操作的副产物产生。因而，来自于燃料电池堆的阴极废气通常包括水蒸汽和液体水。本领域已知使用水蒸汽传输（WVT）单元来捕获阴极废气中的一些水，且使用所述水来湿化阴极输入空气流。在水传输元件（如膜）的一侧处的阴极废气由水传输元件吸附且传输给水传输元件的另一侧处的阴极空气流。

在燃料电池系统中，存在引起燃料电池堆性能的永久丧失（如，催化剂活性的丧失、电池膜中的催化剂支承件腐蚀和形成针孔）的多个机制。然而，存在可能引起大致可逆的燃料电池堆电压损失以及由此的堆性能损失（如，电池膜干燥、催化剂氧化物形成以及例如阴离子、硫酸盐和乙二醇的污染物积聚在燃料电池堆的阳极和阴极两侧）的其它机制。因而，本领域需要去除氧化物形成和污染物积聚以及再次水化电池膜以恢复燃料电池堆中的电池电压损失。

对于系统湿化、性能和污染物去除来说期望潮湿燃料电池堆操作，即在高的水分量的情况下操作。然而，存在在较低水分量的情况下操作燃料电池堆的各个理由。例如，由于水积聚，潮湿燃料电池堆操作可能导致燃料电池稳定性问题，且还可能导致引起碳腐蚀的阳极隔绝氧气（anode starvation）。此外，由于在燃料电池堆的各个位置处的液体水冻结，潮湿燃料电池堆操作在冷冻状况下可能是有问题的。因而，本领域需要针对更干燥的操作状况优化的系统。

污染物会在电池中和堆中从各种源沉积和吸附在MEA电极上。这些源包括各种污染物，其会存留在进入堆的流道的氢气和空气中，来自燃料电池系统内的各种塑料部件的废气，和其自身膜的产品退化。这些污染物随时间的积累导致催化剂性能的损失，其影响堆操作。然而，很多这些污染物能够被除去，其中电池电压的损失可恢复。