专利名称：加速燃料电池活化的方法
技术领域：
本发明涉及一种加速燃料电池活化的方法。更具体地，本发明涉 及加速燃料电池活化的方法，其中该方法可以减少燃料电池活化所需 时间以及氢气用量，并促进燃料电池的活化。
背景技术：
通常，燃料电池是通过氢(H2)和氧(02)之间的电化学反应产 生电能的装置，该装置包括膜电极组件(MEA)。如图6所示，MEA可以包括供应有氢气的燃料电极12 (阳极)、 供应有空气的空气电极14 (阴极)、介于燃料电极12和空气电极14 之间的输送氢离子的电解质膜10、以及位于燃料电极12和空气电极 14外部的气体扩散层(GDL) 16，其可以分别包括催化剂层。燃料电 池组通常通过顺序堆叠MEA和隔板而形成。现将参照图6说明燃料电池组的发电原理。将氢气作为燃料供应 给燃料电极12并将氧气作为氧化剂供应给空气电极14时，供应给燃 料电极12的氢气通过催化剂层上的氧化反应被离解成氢离子(H+)和 电子(e—)。因此，由此产生的氢离子通过电解质膜10移至空气电极 14，电子通过外部电路输送至空气电极14。因此，在空气电极14处， 供给的氧气与电子结合，以通过催化剂层上的还原反应产生氧离子， 氢离子与氧离子结合以产生水，从而产生电力。在具有上述结构和发电原理的新制造的燃料电池组的情况下，电 化学反应的活化程度在初始运行中减少。因此，为了在初始运行期间 达到最佳性能，通常进行活化过程。燃料电池活化过程也称为预调节(pre-conditioning)或初试，其优选目标是去除MEA和燃料电池组制造过程中引入的残留杂质、活化不能参与反应的催化剂金属反应位点、确保反应物至催化剂的转移路径、 并通过充分水合电解质膜和电极中含有的电解质来确保氢离子转移路 径。燃料电池活化的因素包括催化剂反应加速、膜水合、电接触表面 形成和三相界形成。催化剂反应加速的发生使氧化铂还原(PtxOy—Pt金属)，其包括使 用电容电压(CV)扫描的还原方法和将催化剂暴露于氢气的还原方法。膜水合的进行增进氢离子的传导性，其中水分子存在于膜的孔隙 内，以促进氢离子的转移。电接触表面形成的进行减少各个电极与GDL之间的界面或GDL 与膜之间的界面处的电接触电阻。三相界形成的进行通过在电解质、电极催化剂和反应物气体之间 形成边界来加速电化学反应。对于燃料电池活化的常规方法，本领域常规使用通过恒定电压运 行和循环运行的活化方法，但使用该方法，活化时间增加，氢气用量 较大，且活化设备复杂。克服通常的活化方法的一些上述挑战的常规方法包括(1)授予 UTC Fuel Cells的美国专利第7,078,118号，其公开了一种通过施加直 流电来控制反应物气体的方法；(2)授予AisinSeikiCo.,Ltd.的日本专 利公开第2004-349050号，其公开了一种通过恒定电流模式运行的活化 方法；(3)授予Ballard Power Systems Inc.的美国专利第6，896,982号， 其公开了一种燃料电池的调节方法，其中将阴极处的催化剂暴露于要 还原的氢气；(4)授予British Gas pic的美国专利第5,601,936号，其 公开了一种通过使用电池施加电压来活化燃料电池的方法；和(5)授 予Plug Power Inc.的美国专利第6,576,356号，其公开了一种通过膜水 合的预调节方法。但是，上述常规方法具有以下考虑因素(1) 对于通过施加直流电控制反应物气体的方法，由于反应物气 体应当从空气变成氮气，该方法非常复杂，且需要有额外的供氮装置。(2) 对于通过恒定电流模式运行的活化方法，也必须提供氮气，6从而需要有额外的供氮设备。(3) 对于阴极催化剂暴露于要还原的氢气的调节方法，如果将空 气供应给氢气没有完全去除的阴极，催化剂可能受损，并且，为完全 去除残余氢气，必须使用氮气等惰性气体清洗阴极。(4) 对于通过使用电池施加电压来活化燃料电池的方法，必须提 供原电池和电容以及电池，因此系统非常复杂。(5) 对于通过膜水合进行预调节的方法，必须使用氮气等惰性气 体代替空气，并且水合过程完成后必须进行额外的活化过程，因此系 统非常复杂，并且活化时间增加。发明背景部分公开的上述资料仅用于增进对本发明背景的理解， 因此，可能包含不构成本国本领域普通技术人员已知先有技术的资料。在此背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景技 术的理解，并因此其可以包含不形成本国家的本领域普通技术人员已 知的现有技术的信息。发明内容一方面，本发明提供一种加速燃料电池活化的方法，该方法可以 在不增加任何额外设备的情况下大幅减少活化燃料电池活化所需的时间以及用于活化的氢气用量，从而消除了对MEA水合过程和活化预处 理过程的需要，减少了活化时间，因而减少了通常随活化时间的增加 而增加的氢气用量，并消除了通常所需的对电池和额外的供氮设备的 需要。在一个实施方式中，本发明提供一种加速燃料电池活化的方法，该方法包括第一步骤，优选向燃料电池的燃料电极供应氢气，向燃料电池的空气电极供应空气，并适当将电池电压保持成预定水平的开路电压；第二步骤，优选切断向空气电极的空气供应；第三步骤，适 当切断向空气电极的空气供应后，优选将电池电压从预定水平的开路 电压降低至阈值水平；第四步骤，当开路电压优选降低至阈值水平时， 优选再次向空气电极供应空气，以适当将开路电压增加至预定水平； 第五步骤，优选分别向燃料电极和空气电极供应足量的氢气和空气， 并适当以恒定电流或恒定电压运行模式运行燃料电池；和优选第六步骤，适当将上述第一至第五步骤重复预定的次数。在另一优选实施方式中，在第一和第四步骤中，预定水平的开路电压优选为0.95-1.2 V，并且，在第一步骤中，将预定水平的开路电压 适当保持数秒。在再另一优选实施方式中，在第三步骤中，开路电压的阈值水平 优选为0.2 V。在再另一优选实施方式中，在第五步骤中，恒定电流或恒定电压 运行模式的运行电压优选为0.1-0.8 V/燃料电池。在再另一优选实施方式中，恒定电流或恒定电压运行模式的运行 电压优选为0.1-0. 6V/燃料电池。在再另一优选实施方式中，在第六步骤中，第一至第五步骤优选 在45、 50、 55、 60、 65至70分钟之间的时间内重复30、 40、 45、 50、 55、 60、 65至70次或更多次。在另一方面，本发明提供一种加速燃料电池活化的方法，该方法 包括第一步骤，优选向燃料电池的燃料电极供应氢气，向燃料电池 的空气电极供应空气，并通过适当施加电流负载，将电池电压适当保 持在预定水平，该预定水平低于开路电压；第二步骤，优选切断向空 气电极的空气供应；第三步骤，切断向空气电极的空气供应后，优选 将电池电压降低至阈值水平；第四步骤，当开路电压降低至阈值水平 时，通过施加电流负载，优选再次向空气电极供应空气，并将开路电 压增加至预定水平；第五步骤，优选分别向燃料电极和空气电极供应 足量的氢气和空气，并以恒定电流或恒定电压运行模式运行燃料电池； 和第六步骤，将上述第一至第五步骤重复预定的次数。在另一优选实施方式中，在第三步骤中，电池电压的阈值水平优 选为0.2 V。在再另一优选实施方式中，在第五步骤中，恒定电流或恒定电压 运行模式的运行电压优选为0.1-0.8 V/燃料电池。在再另一优选实施方式中，恒定电流或恒定电压运行模式的运行 电压优选为0.1-0. 6V/燃料电池。在再另一优选实施方式中，在第六步骤中，第一至第五步骤优选 在45、 50、 55、 60、 65至70分钟之间的时间内重复30、 40、 45、 50、855、 60、 65至70次或更多次。本文所用的术语"车辆(vehicle)"、"车用"或其它类似术语理解 成包括通常的机动车辆，例如载客车辆，包括运动型多功能车(SUV)、 公共汽车、卡车、各种商用车辆，包括各种船只和船舶的水运工具， 航空器和类似物，并包括混合动力车辆、电动车辆、插入式(plug-in) 混合电动车辆、氢动力车辆和其它代用燃料车辆(例如，源自石油以 外的资源的燃料)。如本文所述，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆， 例如汽油动力和电动动力。所附附图结合在本说明书中并形成其一部分，并与以下具体描述 一起，更详细地说明了本发明的以上特征和优势，其用于通过实施例 的方式解释本发明的原理，这些特征和优势由此将是显而易见的。
现在参考附图中图示的某些示范性实施方式对本发明的上述和其 它特征进行详细说明，以下附图仅仅作为图示给出，因此不是对本发明的限制，其中图1是示出根据本发明的加速燃料电池活化的方法的流程图；图2是示出根据本发明的加速燃料电池活化的方法的图表；图3是示出仅仅通过恒定电压或恒定电流运行的常规活化方法的图表；图4是示出通过循环运行模式的常规活化方法的图表； 图5是示出通过常规活化方法和本发明活化方法进行的活化过程 结果的图表；和图6是示出燃料电池及其运行原理的示意图。 附图中所标的参考数字系指下文进一步讨论的下列元件 10:电解质膜 12:燃料电极14:空气电极 16:气体扩散层应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明 基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部 分取决于具体的既定用途和使用环境。在附图中，参考数字在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或 等同部件。
具体实施方式
如上所述，本发明包括一种加速燃料电池活化的方法，该方法包 括向燃料电池的燃料电极供应氢气、向燃料电池的空气电极供应空气， 并将电池电压保持在预定水平，该预定水平低于开路电压；切断向空 气电极的空气供应；切断向空气电极的空气供应后，将电池电压降低 至阈值水平；再次向空气电极供应空气，并将开路电压增加至预定水 平；分别向燃料电极和空气电极供应足量的氢气和空气。在该方法的一个实施方式中，向燃料电池的燃料电极供应氢气和 向燃料电池的空气电极供应空气是通过施加电流负载进行的。在该方法的另一个实施方式中，再次向空气电极供应空气、并将 开路电压增加至预定水平是通过施加电流负载进行的。在该方法的再另一个实施方式中，将开路电压降低至阈值水平时 施加电流负载。在进一个实施方式中，燃料电池在恒定电流或恒定电 压运行模式下运行。在该方法的另一个实施方式中，将以下步骤重复预定的次数向 燃料电池的燃料电极供应氢气、向燃料电池的空气电极供应空气，和 将电池电压保持在预定水平，和分别向燃料电极和空气电极供应足量 的氢气和空气，和在恒定电流或恒定电压运行模式下运行燃料电池。本发明还可以包括一种机动车辆，该机动车辆包括通过权利要求1 所述的方法活化的燃料电池。下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在附图 中，并在下文加以说明。尽管本发明将结合示例性实施方式进行描述， 但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。 相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方案，还要涵盖各种替换方 式、变化方式、等同方式和其它实施方式，其均可以包括在所附权利 要求限定的本发明的精神和范围之内。图1是示出根据本发明的加速燃料电池活化的优选方法的流程图， 图2是其图表。如图1和2所示，根据本发明的加速燃料电池活化的优选方法通 过如下方式适当进行优选向燃料电池供应或不供应空气，电池电压 适当增加或减少，以及恒定电流或恒定电压操作模式适当持续，直至 没有电压变化。上述根据本发明的加速燃料电池活化的示例性方法进行大约55分钟。因此，例如与活化时间约为120至220分钟的在对燃料电池施加 负载条件下通过循环运行模式进行的常规活化方法(参照图4)相比较， 以及与活化时间约为3小时的通过恒定电流或恒定电压运行模式进行 的常规活化方法相比较，可以大幅减少活化时间，并因活化时间的减 少而减少氢气用量。如图5的图表所示，根据本发明的加速燃料电池活化的优选方法 表现出与使用常规活化方法得到的活化结果相当的活化结果；但本文 所述的根据本发明的优选方法特点在于活化时间减少。实施例以下实施例对本发明进行说明，但不对其加以限定。实施例l在优选的实施方式中，作为第一步骤，优选向燃料电池的燃料电 极供应氢气，同时，优选向燃料电池的空气电极供应氧；但用量相当 地少，并且电池电压适当保持在0.95-1.2 V的开路电压(OCV)下并 保持10-20秒。在优选的实施方式中，作为第二步骤，适当切断向空气电极的空 气供应，优选地，作为第三步骤，在切断向空气电极的空气供应后， 优选将电池电压从0.95-1.2 V的OCV适当降低至阈值电平，即0.2 V。在优选的实施方式中，作为第四步骤，当电池电压优选降低至阈 值电压0.2V时，优选再次向空气电极供应空气，以将电池电压适当增 加至0.95-1.2 V的OCV。在进一步优选的实施方式中，适当进行第五步骤，即优选分别向 燃料电极和空气电极供应足量的氢气和空气，并优选以恒定电流或恒定电压运行模式运行燃料电池。因此，恒定电流或恒定电压运行模式的运行电压优选介于0.1至0.8V/燃料电池之间，其中0.8V表示施加最低所需电流时的电压，0.1 V表示最大运行区域处的电压。优选地，恒定电流或恒定电压运行模式的运行电压介于0.1至0.6 V/燃料电池之间，其中O.IV为适当最大运行区域处的电压，0.6 V为 施加适当最低所需电流时的电压。在进一步优选的实施方式中，作为第六步骤，将第一至第五步骤 重复进行30、 40、 45、 50、 55、 60、 65至70次或更多次，优选重复 进行50至60次，并且进行45、 50、 55、 60、 65至70分钟，优选55 至60分钟，并持续进行至电池电压不发生变化。实施例2在优选的实施方式中，作为第一步骤，优选向燃料电池的燃料电 极和空气电极供应氢气和空气，并优选向燃料电池施加电流负载，以 将燃料电池的适当电池电压保持在0.8-1.23 V，该电压低于开路电压 (OCV)。在某些实施方式中，由于最常用电池的OCV接近于0.9 V，当施 加少量电流时，可以将电压适当保持在0.8V， 1.23V代表理论电压。在其它实施方式中，作为第二步骤，优选切断向空气电极的空气 供应，并且优选地，作为第三步骤，在切断向空气电极的空气供应后， 将电池电压降低至阈值水平0.2 V。因此，在其它实施方式中，在适当切断空气供应并且优选向燃料 电池仅供应氢气的情况下，电池电压适当保持在0-0.2 V。在进一步的实施方式中，作为第四步骤，当电池电压优选降低至 阈值电压时，优选再次向空气电极供应空气并向燃料电池适当施加电 流负载，以将电池电压增加至0.8-1.23 V。在进一步的实施方式中，进行第五步骤，即分别向燃料电极和空 气电极适当供应足量的氢气和空气，并优选以恒定电流或恒定电压运 行模式运行燃料电池。因此，恒定电流或恒定电压运行模式的运行电压适当介于0.1至 0.8V/燃料电池之间，其中0.8V表示施加最低所需电流时的优选电压，120.1 V表示最大运行区域处的优选电压。优选地，恒定电流或恒定电压运行模式的运行电压介于0.1至0.6 V/燃料电池之间，其中O.IV为优选最大运行区域处的电压，0.6 V为 适当施加最低所需电流时的电压。在进一步的实施方式中，作为第六步骤，将第一至第五步骤重复 进行30、 40、 45、 50、 55、 60、 65至70次或更多次，优选重复进行 50至60次，并且进行45、 50、 55、 60、 65至70分钟，优选55至60 分钟，并持续进行至电池电压不发生变化。在一个实施例中，对根据本发明实施例的活化时间和氢气用量与 使用负载循环的常规活化方法的活化时间和氢气用量进行比较，其结 果显示于下表1。[表1]类别常规方法(车辆用)本发明工艺负载循环(cc模式)改良电势循环+恒定电流 (cc模式)活化时间(分钟)9055活化度(％)95-98100氢气用量(升)202.6108.4如表1所示，与通过负载循环进行的常规活化方法相比，本发明 可以大幅减少燃料电池的活化时间，并因而减少氢气用量。如上所述，根据本发明的加速燃料电池活化的优选方法，该方法 优选包括分别向燃料电池的燃料电极和空气电极供应氢气和空气，在 预定时间点适当切断向空气电极的空气供应，适当降低电池电压，适 当再次向空气电极供应空气以将电池电压增加至原始水平，并优选向 燃料电极和空气电极供应氢气和空气、并以恒定电流或恒定电压模式 运行燃料电池。因此，可以在无需任何额外设备的情况下，大幅减少 燃料电池的活化时间，并因而减少氢气用量。本发明参考其优选实施方式进行了详细说明。然而，本领域技术 人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实 施方式进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同方式限定。1权利要求
1.一种加速燃料电池活化的方法，所述方法包括第一步骤，向燃料电池的燃料电极供应氢气，向所述燃料电池的空气电极供应空气，并将电池电压保持成预定水平的开路电压；第二步骤，切断向所述空气电极的空气供应；第三步骤，切断向所述空气电极的空气供应后，将所述电池电压从所述预定水平的开路电压降低至阈值水平；第四步骤，当所述开路电压降低至所述阈值水平时，再次向所述空气电极供应空气，以将所述开路电压增加至所述预定水平；第五步骤，分别向所述燃料电极和所述空气电极供应足量的氢气和空气，并以恒定电流或恒定电压运行模式运行所述燃料电池；和第六步骤，将所述第一至第五步骤重复预定的次数。
2. —种加速燃料电池活化的方法，所述方法包括第一步骤，向燃料电池的燃料电极供应氢气，向所述燃料电池的 空气电极供应空气，并通过施加电流负载将电池电压保持在预定水平， 所述预定水平低于开路电压；第二步骤，切断向所述空气电极的空气供应；第三步骤，切断向所述空气电极的空气供应后，将所述电池电压 降低至阈值水平；第四步骤，当所述开路电压降低至所述阈值水平时，通过施加电 流负载，再次向所述空气电极供应空气，并将所述开路电压增加至所 述预定水平；第五步骤，分别向所述燃料电极和所述空气电极供应足量的氢气 和空气，并以恒定电流或恒定电压运行模式运行所述燃料电池；禾口 第六步骤，将所述第一至第五步骤重复预定的次数。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述第一和第四步 骤中，所述预定水平的开路电压为0.95-1.2 V，所述电池电压为0.8-1.23 V，所述电池电压低于所述开路电压，并且，在所述第一步骤中，将所述预定水平的开路电压保持数秒。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述第三步骤中，所述阈值水平的开路电压为0.2 V，并且所述阈值水平的电池电压为0.2 V。
5. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述第五步骤中， 所述恒定电流或恒定电压运行模式的运行电压为0.1-0.8 V/燃料电池。
6. —种加速燃料电池活化的方法，所述方法包括 向燃料电池的燃料电极供应氢气，向所述燃料电池的空气电极供应空气，并将电池电压保持在预定水平，所述预定水平低于开路电压； 切断向所述空气电极的空气供应；切断向所述空气电极的空气供应后，将所述电池电压降低至阈值 水平；再次向所述空气电极供应空气，并将所述开路电压增加至所述预 定水平；和分别向所述燃料电极和所述空气电极供应足量的氢气和空气。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中向燃料电池的燃料电极供应 氢气和向所述燃料电池的空气电极供应空气是通过施加电流负载进行 的。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中再次向所述空气电极供应空 气、并将所述开路电压增加至所述预定水平是通过施加电流负载进行 的。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中在将所述开路电压降低至所 述阈值水平时施加所述的电流负载。
10. 根据权利要求6所述的方法，其中所述燃料电池在恒定电流或 恒定电压运行模式下运行。
11. 根据权利要求6所述的方法，其中将以下步骤重复预定的次 数向燃料电池的燃料电极供应氢气、向所述燃料电池的空气电极供 应空气，和将电池电压保持在预定水平，和分别向所述燃料电极和所 述空气电极供应足量的氢气和空气，和在恒定电流或恒定电压运行模 式下运行所述燃料电池。
12. —种机动车辆，其包括通过权利要求1所述的方法活化的燃料 电池。
13. —种机动车辆，其包括通过权利要求6所述的方法活化的燃料电池。
全文摘要
本发明提供一种加速燃料电池活化的方法，该方法可以大幅减少燃料电池活化所需时间和氢气用量，并促进燃料电池的活化。
文档编号H01M8/04GK101582513SQ20081017271
公开日2009年11月18日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年5月15日
发明者吴承灿, 孙翼齐, 尹钟震, 李钟贤, 金永敏, 高载准 申请人:现代自动车株式会社;起亚自动车株式会社