燃料電池管理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燃料電池管理方法，該燃料電池管理方法用于防止在長期貯存燃料電池堆時發生性能下降。
【背景技術】
[0002]燃料電池是一種發電系統，用于將烴基物質例如甲醇、乙醇、天然氣等等所含的氫和氧的化學反應能量直接轉換成電能。
[0003]燃料電池根據電解質的類型可分為磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、聚合物電解質膜燃料電池等。這些燃料電池的基本原理是彼此相同的，但在燃料的類型、工作溫度、催化劑、電解質等方面，它們是彼此不同的。
[0004]相比于其他燃料電池,聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC:polymer electrolytemembrane fuel cell)具有非常高的輸出性能、低的工作溫度、快速啟動和響應特性、以及廣泛的應用范圍。
[0005]在燃料電池系統中，實質上發電的燃料電池堆具有單元電池的疊層結構，每個單元電池包括膜電極組件(MEA:membrane-electrode assembly)和設置有氣體通道的分隔件(separator)。該膜電極組件配置為使得陽極電極和陰極電極其間隔著聚合物電解質彼此附著。即，該膜電極組件具有一個聚合物電解質膜、兩個電極、催化劑層、和氣體擴散層的疊層結構。
[0006]當氫供應到陽極時，其通過電化學氧化反應被氧化成氫離子和電子。該氫離子通過聚合物電解質膜轉移到陰極，而電子通過外電路轉移到陰極。轉移到陰極的氫離子與供應到陰極的氧一起引起電化學還原反應而生成熱量和水，并且通過電子的移動生成電能。
[0007]在聚合物電解質膜燃料電池堆運行一段設定的時間后，其性能由于鉬-碳(Pt-C)電極和構成膜電極組件(MEA)的聚合物電解質膜的劣化(degradat1n)而性能下降。鄰近高電壓陰極的鉬粒子通過氧化而洗脫(elute)或消失，或由支承鉬的碳的腐蝕而分離，從而降低了電化學表面積(ECSA electrochemical surface area)。而且,包括在燃料中的一氧化碳(幾ppm (parts per mill1n))被化學吸附于鉬催化劑上,從而降低了氫氧化反應(H0R:hydrogen oxidat1n react1n)的速率。另外，發生于高功率車輛的運行期間的局部溫度上升使膜孔縮小或重新排列S03 —末端基團，因此降低了離子導電率。
[0008]另外，已知燃料電池堆的性能的下降發生在其長期貯存過程期間以及在大功率車輛運行時發生的MEA劣化期間。換而言之，在燃料電池堆存儲很長一段時間的情況下，當充入陽極和陰極的空氣(空氣/空氣(陽極/陰極))被留置很長一段時間時，每個陽極和陰極的電壓都會變為大約1.0V0在這種情況下，根據以下化學式，在約1.0V的高電壓下，氧化膜形成在暴露于氧和液滴的鉬表面上，防止活性氧在燃料電池運行期間被吸附在鉬的表面上，從而降低了還原反應速率。
[0009][化學式]
[0010]Pt+H20_〉Pt_0H+H+e
[0011]燃料電池堆在其存儲期間發生的性能下降大多通過由可逆劣化引起的鉬還原過程恢復到其原來的性能。然而，當車輛運行在燃料電池堆的存儲期間形成的氧化物殘存于鉬表面的狀態下時，加速了不可逆劣化，例如，鉬從氧化物洗脫，從而降低了燃料電池車輛的燃料電池堆的耐久性。
[0012]應當理解的是，前面描述僅僅是為幫助理解本發明而提供的，并不意味著本發明落入本領域技術人員已經公知的相關技術范圍內。

【發明內容】

[0013]本發明已設計為解決上述問題，并且本發明的一方面提供一種燃料電池管理方法，該燃料電池管理方法可以減小燃料電池堆性能的下降率和其在長期存儲期間發生的燃料電池堆的劣化率。
[0014]根據本發明的示例性實施例，燃料電池管理方法包括:由控制器利用供應到陰極的空氣和供應到陽極的氫來除去殘留在燃料電池堆中的液滴。通過停止氫和空氣的供應，并且使得燃料電池堆中的氫和氧發生化學反應來除去殘余的氫和氧，從而除去殘留在燃料電池堆中的氫和氧。在除去殘余的氫和氧后，在燃料電池堆的陰極中生成氫。利用所生成的氫追加除去殘余的氧，所生成的氫吸附于陽極和陰極上形成的催化劑層的表面上。該催化劑層使空氣和氫的化學反應加速。
[0015]在除去液滴的步驟中，可通過向陰極供應干燥空氣而除去液滴，其中該干燥空氣通過對堆負載施加電流所生成的熱量而被加溫。
[0016]在燃料電池堆的陰極中生成氫的步驟中，可通過施加靜電流(static electriccurrent)到與燃料電池堆連接的堆負載(stack load)而生成氫。
[0017]在燃料電池堆的陰極中生成氫的步驟中，可通過直接向陰極吹掃(purging)氫而生成氫。
[0018]在催化劑層的表面上吸附所生成的氫的步驟中，所生成的氫可被化學吸附在催化劑層的表面上。
[0019]燃料電池管理方法還可包括在吸附氫的步驟之后密封陽極和陰極。
【附圖說明】
[0020]本發明的上述和其他目的、特征及優點可結合附圖從下面的詳細描述中得到更清楚的理解。
[0021]圖1是示出本發明的一實施例的燃料電池系統的框圖。
[0022]圖2是示出本發明的一實施例的燃料電池管理方法的流程圖。
[0023]圖3是根據各種燃料電池的管理方法比較燃料電池堆性能的下降率的表格。
[0024]圖4是示出圖3的各種燃料電池管理方法的相對于基準的燃料電池堆的劣化程度的圖表。
【具體實施方式】
[0025]在不脫離本發明的精神和顯著特征的前提下，本發明可以以許多不同的形式來體現。因此，本發明的實施例的公開僅用于說明的目的而不應當解釋為限制本發明。
[0026]相應地，應認為任何和所有修改、變化或等效布置均在本發明的范圍之內，并且本發明的具體范圍將由所附的權利要求予以披露。
[0027]術語“第一和/或第二”等用于區分特定構件與其他構件，但是這些構件的配置不應解釋為受術語的限制。
[0028]應當理解的是，當一元件被稱為“結合”或“連接”到另一元件時，其可以直接結合或連接到另一元件或其間可存在中間元件。與此相反，應當理解的是，當一元件被稱為“直接結合”或“直接連接”到另一元件時，不存在中間元件。
[0029]本文所使用的術語是僅為描述特定實施例的目的而非意在限制。如在本文中所使用的，單數形式“一(a)”，“一個(an)”和“該(the) ”旨在也包括復數形式，除非上下文另有明確說明。進一步應當理解的是，術語“包含”，“包括”，“具有”等，當使用在本說明書中時，指定存在所陳述特征、整數(integer)、步驟、操作、元件、構件和/或它們的組合，但是不排除存在或添加一個或多個其它特征、整數、步驟、操作、元件、構件和/或它們的組合。
[0030]除另有定義外，包括本文所使用的技術和科學術語在內的所有術語具有與由本發明所屬領域內普通技術人員通常理解的相同含義。還應理解的是，術語，例如在常用辭典中定義的那些術語，應該被解釋為具有與它們在相關技術和本發明上下文中的含義相一致的含義，而不應以理想化或過于形式的意義來解釋，除非在本文有明確地定義。
[0031]在下文中，將參照附圖對本發明的示例性實施例進行詳細的說明。貫穿附圖，用相同的附圖標記來表示相同或相似的組件。
[0032]圖1是示出本發明的一實施例的燃料電池系統的框圖。參照圖1，燃料電池系統100包括:氫罐110、供氫閥112、氫再循環鼓風機114、氫吹掃閥116、聚水器(watertrap) 118、燃料電池堆120、陽極122、陰極124、鼓風機130、加濕器140、堆負載(stackload) 150、開關裝置 155、直流 / 直流轉換器(DC/DC converter) 160、電池(battery) 170、以及控制器160。
[0033]氫罐110中的高壓氫通過高壓和低壓調節器(未示出)被壓縮和解壓，隨后被供應到燃料電池堆120的陽極122。氫再循環鼓風機114使殘留在燃料電池堆120的陽極122中的未反應氫再循環到陽極122。
[0034]鼓風機130吸入外部干燥空氣，然后將其供應到燃料電池系統100中。所供應的干燥空氣流過加濕器140，然后被供應到燃料電池堆120的陰極124。
[0035]燃料電池堆120的陽極122在其輸出端處設置有用于吹掃氫的氫吹掃閥116。氫吹掃閥116排出蓄積在該陽極122中的氮、水等，聚水器118收集燃料電池堆120生成的水，然后排出所收集的水。
[0036]燃料電池堆120包括多個單元電池(unit cell)。每個單元電池包括膜電極組件(MEA)和隔著MEA彼此靠近地配置的分隔件。每個分隔件由導電板制成，并設置有用于使氫和空氣循環的流道。MEA在其一側上設置有作為氧化電極的陽極122，并在其另一側上設置有作為還原電極的陰極124。
[0037]堆負載150是電阻負載，其并聯連接到燃料電池堆120的輸出端，且根據響應于從控制器180施加的控制信號而執行的開關裝置155的開-關切換(ON-OFF-SWITCHING)，由燃料電池堆120或電池170提供的動力來運行。堆負載150可以用于在燃料電池堆的關斷(S/D)過程中耗盡殘留在陰極124中的氧并除去燃料電池堆的電壓。
[0038]直流/直流轉換器160并聯連接到燃料電池堆120的輸出端。該直流/直流轉換器160對從燃料電池堆120輸出的電力進行直流/直流轉換，然后將直流/直流轉換后的電力供應到電池170作為充電電力，并且對從該電池輸出的電力進行直流/直流轉換，然后將直流/直流轉換后的電力供應到堆負載150和電負載(未示出)。此外，直流/直流轉換器160對在再生制動期間從驅動電動機(未示出)生成的再生制動能量進行直流/直流轉換，隨后將該直流/直流轉換后的再生制動能量供應到電池170作為充電電力。
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