[发明专利]用于燃料电池系统的在冰点以下启动的方法

说明书

公开用于从低于0℃的起始温度启动燃料电池系统的方法。所述方法应用于包含固体聚合物电解质燃料电池堆叠的系统，所述固体聚合物电解质燃料电池堆叠的阴极包含氧还原反应(ORR)催化剂，并且所述固体聚合物电解质燃料电池堆叠的阳极包含氢氧化反应(HOR)催化剂和氧化析出反应(OER)催化剂。在所述方法中，从启动开始直到所述燃料电池温度达到0℃，所述燃料电池堆叠电流保持足够低，使得汲取的电流密度不超过所述堆叠的氧化析出反应和氧还原反应分别在所述阳极和所述阴极处发生的能力(即汲取的电流密度小于所述堆叠的最大OER/ORR电流密度)。

技术领域

本发明涉及用于在低于冰点的温度下启动燃料电池系统的改进方法。具体地，本发明涉及用于启动包括固体聚合物电解质燃料电池堆叠的汽车燃料电池系统的方法。

背景技术

如固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池电化学转化反应物，即燃料(如氢气)和氧化剂(如氧气或空气)，以产生电力。固体聚合物电解质燃料电池通常在阴极和阳极之间采用质子传导的固体聚合物膜电解质。包含夹在这两个电极之间的固体聚合物膜电解质的结构被称为膜电极组件(MEA)。其中电极已经涂覆到膜电解质上以形成整体结构的MEA是可商购的并且被称为催化剂涂覆的膜(CCM)。

催化剂用于提高在电池电极处发生的电化学反应的速率。为了实现可接受的反应速率，特别是在电池的阴极侧，通常需要基于贵金属如铂的催化剂。为了实现每单位重量的最大催化活性，通常将贵金属设置在具有极高表面积的耐腐蚀载体，例如高表面积碳颗粒上。

水是在以氢气和空气反应物操作的电池中的主要副产物。在操作中，氢气在阳极催化剂处被氧化以产生氢离子(质子)和电子。前者通过质子传导聚合物电解质输送到阴极，而后者通过外部电路输送到阴极，从而提供可用的电力。在阳极催化剂处的这种正常反应被称为氢氧化反应(HOR)。在阴极催化剂处，氧气被还原并与质子和电子结合以产生水。在阴极催化剂处的此反应被称为氧还原反应(ORR)。

通常在两个电极附近采用多孔气体扩散层(GDL)以帮助将反应气体均匀地扩散到电极。另外，分别在阳极GDL和阴极GDL附近提供阳极流场板和阴极流场板(所述阳极流场板和阴极流场板各自包含用于反应物的多个流体分配通道)，以将反应物分配到相应的电极并移除在燃料电池内发生的电化学反应的副产物。因为单个电池的输出电压为1V的量级，所以通常将多个电池串联堆叠在一起以用于商业应用，以便提供更高的输出电压。在这类堆叠中，因此，一个电池的阳极流场板与相邻电池的阴极流场板相邻。出于组装目的，在组装堆叠之前，通常将一组阳极流场板接合到对应的一组阴极流场板。一对接合的阳极和阴极流场板被称为双极板组件。可进一步将燃料电池堆叠以串联和/或并联的互连堆叠的阵列连接，以用于汽车应用等。

与水一起，热量是来自燃料电池内发生的电化学反应的重要副产物。因此通常需要用于冷却燃料电池堆叠的装置。经设计用于实现高功率密度的堆叠(例如汽车堆叠)通常使液体冷却剂在整个堆叠中循环，以便快速且高效地移除热量。为实现此目的，通常还将包含多个冷却剂通道的冷却剂流场并入在堆叠中的电池的流场板中。冷却剂流场可形成在流场板的电化学惰性表面上，并且因此可将冷却剂均匀地分配在整个电池中，同时保持冷却剂可靠地与反应物分离。

在某些应用中，燃料电池堆叠可经受重复的开关工作循环，其涉及在不同的时间长度和不同的温度下储存。通常期望能够在短时间内可靠地启动这类堆叠。某些应用如汽车可需要从远低于冰点的储存条件下进行相对快速可靠的启动。由于在这类温度下电池的倍率性能相对较低，并且还由于在低于0℃操作时与电池中的水管理相关联的问题，这带来了重大挑战。适当的燃料电池操作(例如膜电解质的水合)需要一定量的水，并且由于提供电力也产生水。然而，在这类温度下，冰当然在存在液态水的情况下形成。