[发明专利]恢复阳极污染造成的电压损失的方法和工艺

说明书

技术领域

在至少一个实施方案中，本发明涉及用于恢复燃料电池中阳极电压损失的方法。

背景技术

燃料电池在诸多应用中被作用电源。特别是，人们提出将燃料电池用在汽车中替代内燃机。一种常用的燃料电池设计采用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或者质子交换膜(“PEM”)来提供阳极和阴极之间的离子传输。

在质子交换膜型的燃料电池中，氢作为燃料被提供至阳极，氧作为氧化剂被提供至阴极。氧可以是纯氧(O₂)或者空气(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一个表面上具有阳极催化剂，在相反面具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔导电材料例如编织石墨、石墨化片材或碳素纸制成从而使燃料和氧化剂能分别分散在面朝供应燃料和氧化剂的电极的膜表面上。每个电极都具有负载在碳颗粒上的细磨的催化剂颗粒(如铂颗粒)以促进氢在阳极的氧化和氧在阴极的还原。质子从阳极通过离子导电聚合物膜流向阴极，并在阴极处它们与氧气结合生成水，而所述水从电池中排出。MEA被夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，多孔气体扩散层反过来被夹在一对导电元件或板之间。板起着阳极和阴极集电器的作用，并且包括适量的通道和由一对导电元件或板构成的开口。板起着阳极和阴极集电器的作用，并且包括适量的通道和形成于其中的开口，用于在各自的阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气态反应物。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须为薄的、化学稳定的、可传输质子的、不导电且不透气的。在典型的应用中，燃料电池以多个独立的燃料电池堆的阵列而设置，以提供高水平的电力。

PEM燃料电池中的低负载Pt阳极非常易受CO或者类CO物质的污染，这阻碍了氢气氧气反应动力学并造成性能损失。例如，阳极催化剂的一氧化碳污染导致燃料电池中的电压下降。目前没有明确的用于燃料电池堆/模块操作的阳极恢复程序。

因此，有必要将阳极恢复程序建立到燃料电池系统操作中，以恢复阳极电极污染造成的性能损失。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供用于减少燃料电池或燃料电池的堆中的阳极电压损失的方法，解决了现有技术中的一个或多个问题。燃料电池包括质子交换层、阳极侧和阴极侧，阳极侧包括阳极催化剂层，阴极侧具有阴极催化剂层，阳极催化剂层包括阳极催化剂，阴极催化剂层包括阴极催化剂。质子交换层插置在阳极催化剂层和阴极催化剂层之间。扩散层和流场位于每一个催化剂层上方。代表性的是，催化剂层特别是阳极催化剂层中含有的阳极催化剂(即，铂族金属)由于污染而容易产生电压损失。通常情况下，多个这样的燃料电池被合并成一个堆。本实施方案的方法包括启动燃料电池或包括多个燃料电池的燃料电池堆的关闭的步骤。在关闭期间，燃料电池中一氧化碳或一氧化碳类污染物被氧化，使得一氧化碳从所述阳极催化剂中被除去。恢复阳极电压损失不仅有利于堆的耐用性，也有利于操作的稳健性和燃料效率。

在另一个实施方案中，提供了一种实施本文上述方法的燃料电池系统。该燃料电池系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个燃料电池。每个燃料电池包括质子交换层、阳极侧和阴极侧，阳极侧包括阳极催化剂层，阴极侧具有阴极催化层。阳极催化剂层包括阳极催化剂(例如，铂)，阴极催化剂层包括阴极催化剂(铂族金属)。质子交换层插置在阳极催化剂层和阴极催化剂层之间。该燃料电池系统还包括燃料电池控制器，燃料电池控制器启动燃料电池的关闭和在关闭期间阳极催化剂上设置的一氧化碳或一氧化碳类污染物的氧化，使得从阳极催化剂中除去一氧化碳。

附图说明

图1是质子交换膜燃料电池的示意性横截面；

图2是具有图1中所示设计的燃料电池的堆的示意性横截面；

图3是通过本发明的实施方案将一氧化碳氧化成二氧化碳的图示；

图4是描绘用于通过受控的匮乏(starvation)增加阳极电势以及恢复燃料电池中电池电压的方法的流程图；

图5是对于图4的方法的燃料电池电压随时间变化的曲线图；

图6是描绘用于在启动燃料电池关闭时通过受控的吹气将氧气引入到阳极并恢复燃料电池中电池电压的方法的流程图；

图7是对于图6的方法的燃料电池电压随时间变化的曲线图；

图8是描绘用于在启动燃料电池关闭时通过从阴极到阳极受控的氧气跨越将氧气引入到阳极并恢复燃料电池中电池电压的方法的流程图；