[发明专利]燃料电池堆的夏季和冬季模式操作

说明书

技术领域

本发明涉及实现在关闭和随后冻结之后的燃料电池的改善启动性能的方法。特别地，它涉及改善固态聚合物电解质燃料电池堆的启动性能的方法。

背景技术

当前正研发燃料电池系统以在广泛应用中用作电源。特别地，很大努力花费在研发供汽车使用的燃料电池发动机上，因为与内燃机相比较燃料电池提供更高的效率和降低的污染。

燃料电池转换燃料和氧化剂反应物，以产生电力和反应产物。它们通常利用布置在阴极和阳极电极之间的电解质。催化剂典型地在电极处诱发期望的电化学反应。便携式和运动应用的当前优选燃料电池类型是固态聚合物电解质(SPE)燃料电池，其包含固态聚合物电解质并且在相对低的温度下操作。

SPE燃料电池使用膜电极组件(MEA)，其包括布置在阴极和阳极之间的固态聚合物电解质或离子交换膜。每个电极包含紧挨着固态聚合物电解质的包含适当催化剂的催化剂层。催化剂典型地是贵金属成分(例如，铂金属黑或其含金)并且可以在适当支撑上提供(例如，支撑在碳黑支撑上的精细铂颗粒)。催化剂层可以包含与用于固态聚合物膜电解质的类似的离聚物(例如，Nafion)。电板也可以包含多孔的导电衬底，其可以用于机械支承、导电和/或反应物分布的目的，从而用作流体扩散层。用于跨越每个电极或电极衬底的一个表面而引导反应物的流场板布置在MEA的每侧上。在操作中，负载下单独燃料电池的输出电压通常低于一伏特。因此，为了提供更大的输出电压，许多电池通常堆叠到一起并且串联以形成更高电压的燃料电池串联堆。

在SPE燃料电池的正常操作期间，在阳极催化剂处燃料发生电化学氧化，这典型地导致质子、电子以及依赖于所使用的燃料的其他可能物质的产生。电子穿过提供可用电力的外部电路，然后在阴极催化剂处与质子和氧化剂发生电化学反应以产生水反应产物。从产生质子的反应位置传导质子，通过电解质，以在阴极催化剂处与氧化剂和电子反应。

在一些燃料电池的应用中，对电力的要求可能基本是连续的，因此堆可能很少关闭(例如用于维护)。但是，在许多应用中(例如，汽车发动机)，燃料电池堆可能频繁地停止和重新启动，其间有重要的蓄电时段。这种循环使用可能在SPE燃料电池堆中引起某些问题，特别是当蓄电期间可能遇到凝固条件时。

因为在典型的SPE燃料电池电解质中离子导电率随水合作用级别而增加，所以燃料电池堆通常以这种方式操作，即膜电解质尽可能与水完全饱和而不使液体水“淹没”电池(“淹没”是指液体水积聚并阻碍燃料电池中气体的流动和/或进入)。这样，可以在正常操作期间提供最大功率输出。但是，虽然这可能在正常操作期间是有利的，但是随后当堆关闭和蓄电时可能在堆中存在或液化显著量的液体水。然后，如果在凝结温度以下蓄电，那么这些水将凝固。内部冰的存在可能导致对堆的永久性损害。即使避免这种损害，冰的存在仍然可能阻碍随后的启动。

因此，利用各种方法在关闭堆以准备蓄电之前减少内部的水含量。(在这些方法中，不应当去除太多的水或显著减小膜电解质的导电性，这会导致当重新启动时堆的不良供电能力)。例如，可以使用干燥气体净化堆中的通道(例如，在US6479177中公开的)，堆可以被真空干燥(例如，在US6358637中公开的)，以及/或者可以刚好在关闭之前使堆在干燥模式中操作(例如，在US2003/0186093中公开的)。但是，这种技术可能需要显著的时间以实施，并且还可能需要系统中有额外装备。实际上并不总是可能预测什么时候可能期望关闭。因此，仍然需要寻找可选的方法。

发明内容

在环境温度可能随着时间在水的凝固点之上或之下变化的情况下，在两种模式的一种即“夏季”模式或“冬季”模式中操作燃料电池是有益的。模式的选择取决于电池被预期在凝固温度之上还是之下关闭和蓄电。当预期电池在凝固温度之上关闭和蓄电时将选择“夏季”模式，而当预期电池在凝固温度之下关闭和蓄电时将选择“冬季”模式。虽然术语“夏季”模式和“冬季”模式暗示可能会在特定的季节中利用这些模式，但是应当理解在这里决定模式选择的是在关闭和蓄电期间预期的实际温度而不是季节。