在至少一个实施例中，本发明涉及用于恢复由于阴离子污染导致的燃料电池中的电压损失的方法和系统。
背景技术：
：燃料电池在许多应用中被用作电源。特别地，提出了将燃料电池用于汽车中来代替内燃发动机。通常使用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)来提供阳极与阴极之间的离子传输。在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料被供应至阳极并且氧作为氧化剂被供应至阴极。氧可以是纯净形式(O2)或空气(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面上具有阳极催化剂且在相对面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层由多孔导电材料(例如编织石墨、石墨化片材或者碳纸)形成，以使燃料和氧化剂能够分别分散在面对燃料供应电极和氧化剂供应电极的膜的表面上。每个电极具有负载在碳颗粒上的细碎催化剂颗粒(例如铂颗粒)以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从阳极通过离子导电聚合物膜流到阴极，在阴极处它们与氧结合形成水，水从电池中排出。MEA被夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，这一对多孔气体扩散层进而被夹在一对无孔导电元件或板之间。所述板用作阳极和阴极的集流器，并且含有形成在其中的用于将燃料电池的气态反应物分配到相应的阳极和阴极催化剂的表面上方的适当通道和开口。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传送质子的、非导电的且不透气的。在典型的应用中，燃料电池被设置在许多单独的燃料电池堆阵列中，以便提供高电平的电力。尽管现有技术的燃料电池系统效果相当好，但是已知由于全氟磺酸(PFSA)型PEM膜的化学降解可以释放硫酸盐。另外，来自空气的SO2可以溶解在水中并变成亚硫酸盐和硫酸盐。已经表明与电池电压损失有强相关性的硫酸盐在恢复循环期间被释放到产物水中。在阳极/阴极回路中，那些硫酸盐将与阴离子交换材料结合，从而将不再循环回到电池中以及引起快速电压损失。当前，运行恢复过程是解决可逆的降解损失的问题的唯一有效方法。然而，在恢复循环期间，引起电极污染的硫酸盐和其他阴离子可能没有被完全从系统去除。因此，需要防止燃料电池电压损失受到阴离子污染物的影响的改进的方法和系统。技术实现要素：本发明通过在至少一个实施例中提供一种包括用于去除阴离子污染物的部件的燃料电池系统解决了现有技术的一个或多个问题。该燃料系统包括燃料电池堆、与燃料电池堆中的燃料电池阳极连通的燃料气体进料子系统、与燃料电池堆中的燃料电池阴极连通的含氧气体进料子系统，以及与燃料气体进料子系统和/或含氧气体进料子系统连通的阴离子清除子系统。燃料气体进料子系统将燃料提供至燃料电池阳极，而含氧气体进料子系统将含氧气体提供至燃料电池阳极。燃料电池堆中的燃料电池通过膜降解释放硫酸盐，所述硫酸盐可被释放到阳极/阴极回路中并且可以再循环回到电池中从而引起进一步的电压损失。有利地，阴离子清除子系统将硫酸盐和其他污染物(例如氯化物)从阳极或阴极再循环回路中去除。在另一个实施例中，提供了一种去除阴离子污染物的燃料电池系统。该燃料系统包括燃料电池堆、与燃料电池堆中的燃料电池阳极连通的燃料气体进料子系统、与燃料电池堆中的燃料电池阴极连通的含氧气体进料子系统，与燃料气体进料子系统流体连通的第一阴离子清除子系统，以及与含氧气体进料子系统流体连通的第二阴离子清除子系统。燃料气体进料子系统将燃料提供至燃料电池阳极。燃料气体进料子系统还包括阳极回路，在该阳极回路中燃料气体再循环并且在燃料重组站与新鲜燃料组合。类似地，含氧气体进料子系统将含氧气体提供至燃料电池阴极。含氧气体进料子系统还包括阴极回路，在该阴极回路中水通过加湿器从出口被传送至输入的干燥阴极含氧进料气体。第一阴离子清除子系统被定位在阳极排放装置与燃料重组站之间，而第二阴离子清除子系统被定位在阴极排放装置与燃料重组站之间。附图说明图1是将碳负载催化剂并入阳极和/或阴极催化剂层中的燃料电池的示意性横截面图；图2是示出了可恢复电压损失与燃料电池阴极排放物水中的硫酸盐浓度的关系的曲线图；图3提供了电池电压损失与BOP材料浸出指标的关系的曲线图；以及图4提供了提供去除的阴离子污染物的燃料电池系统的示意图。具体实施方式现在将详细参照本发明目前优选的组合物、实施例和方法，这些组合物、实施例和方法构成发明人目前已知的实施本发明的最佳模式。附图不必按比例绘制。然而，应该理解的是，所公开的实施例仅仅是可以以各种形式和可替代形式实现的本发明的示例。因此，本文所公开的具体细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为用于本发明的任何方面的代表性基础和/或作为用于教导本领域技术人员以多种形式采用本发明的代表性基础。除了在示例中，或者另外明确说明之外，在本说明书中表示材料的数量或反应和/或使用的条件的所有数值量应该被理解为在描述本发明的最宽范围时由词语“大约”来修饰。通常优选在所陈述的数值限制内的实践。另外，除非进行明确地相反陈述，否则百分比、“份数”和比值以重量计；结合本发明将一组或一类材料描述为对于给定目的是适当的或优选的意味着所述组或类的构件的任何两个或多个的混合物同样是适当的或优选的；化学术语中组分的描述是指添加到说明书中指定的任何组合中的组分，但不排除混合后混合物的组分之间的化学相互作用；缩略词或其他缩写的第一定义应用于本文中相同缩写的所有后续使用并且以变通的形式应用于最初定义的缩写的正常语法变型；并且除非进行明确地相反陈述，否则性质的测量值由先前或之后针对相同性质所引用的相同技术来确定。还应该理解的是，本发明不限于以下描述的具体实施例和方法，因为具体的部件和/或条件当然可以改变。此外，本文所使用的术语仅用于描述本发明的特定实施例的目的，而并非意在以任何方式进行限制。术语“包括”与“包含”、“具有”、“含有”或“特征在于”是同义的。这些术语是包含性的或开放式的，并且不排除其他的、未叙述的要素或方法步骤。短语“由……组成”排除了未在权利要求中指定的任何要素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求项的条款中，而不是立即跟在前序后时，其只限制在该条款中阐述的要素；而其他要素未被排除在作为整体的权利要求之外。短语“基本上由……组成”将权利要求的范围限制到指定的材料或步骤，以及那些本质上不影响所要求保护的主题的基本特征和新颖特征的材料或步骤。关于术语“包括”、“由……组成”和“基本上由……组成”，其中本文使用了这三个术语中的一个，目前所公开且要求保护的主题可包括其他两个术语中的任一个的使用。还必须注意的是，如在说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另外清楚地说明。例如，以单数提到一种部件意在包括多个部件。缩写：“RT”是指室温。在整个该申请中，在参考公开文献的情况下，这些公开文献的公开内容全部被并入本申请中作为参考，以更充分地描述本发明所属的
技术领域：
的状况。图1提供了可被并入其中去除了阴离子污染物的燃料电池系统中的燃料电池的横截面图。PEM燃料电池10包括设置在阴极电催化剂层14与阳极电催化剂层16之间的聚合物离子传导膜12。燃料电池10还包括导电流场板20、22，导电流场板20包括气体通道24，导电流场板22包括气体通道26。流场板20、22为双极板(如图所示)或单极板(即端板)。在一种改进中，流场板20、22由可选地涂覆有贵重金属(例如金或铂)的金属板(例如不锈钢)形成。在另一种改进中，流场板20、22由同样可选地涂覆有贵重金属的导电聚合物形成。气体扩散层32和34也插入在流场板与催化剂层之间。在运行期间，氢作为燃料被供应至阳极催化剂层16并且氧作为氧化剂被供应至阴极催化剂层14，从而作为其中的电化学过程的结果产生电力。然而，燃料电池运行的一个并发问题是可以释放硫酸盐的聚合物离子传导膜的降解。另外，来自空气的SO2可以溶解在水中并变成亚硫酸盐和硫酸盐。例如，表1示出了在暴露于空气中ppb水平的SO2之后第一时间处的燃料电池电压(V1)和在稍后的时间处的燃料电池电压(V2)。该表示出了来自环境空气SO2对在0.2A/cm2下运行的电池的影响：表1.浓度[ppb]V1[mV]V2[mV]△V[mV]080078911507927731920079076525图2提供了示出可恢复电压损失与燃料电池阴极排放物水中的硫酸盐浓度的关系的曲线图。类似地，图3提供了电池电压损失与BOP材料浸出指标的关系的曲线图。硫酸盐对燃料电池性能的有害影响显然是不可否认的。参照图4，提供了去除阴离子污染物的燃料电池系统的示意图。燃料电池系统40包括燃料电池堆42，该燃料电池堆42包括一个或多个单个燃料电池44。在一种改进中，燃料电池44为图1及其相关说明中描绘的通用设计。在一种改进中，燃料电池堆42包括5至400个燃料电池。燃料电池系统40还包括与燃料电池堆42中的燃料电池阳极连通的燃料气体进料子系统46和在燃料电池堆42中与燃料电池阴极连通的含氧气体进料子系统48。仍然参照图4，燃料电池进料子系统46包括将含燃料气体提供至燃料电池堆42并且特别地提供至燃料电池阳极的燃料源50。通常，燃料包括分子氢。燃料进入燃料电池堆中并接触燃料电池阳极且特别地接触燃料电池的阳极催化剂层。在一些变型中，燃料气体进料子系统46包括阳极回路52，在该阳极回路52中燃料从阳极排放装置53再循环并且在燃料重组站54与新鲜燃料组合。在该背景下，阳极回路52包括从重组站54通过燃料电池堆且回到燃料重组站54的整个流动路径。仍然参照图4，含氧气体进料子系统48包括将含氧气体提供至燃料电池堆42的含氧气体源60。通常，含氧气体包括分子氧(例如空气)。含氧气体进入燃料电池堆中并接触燃料电池阴极且特别地接触燃料电池的阴极催化剂层。在一些变型中，含氧气体进料子系统48包括阴极回路62，在该阴极回路62中水通过加湿器64从燃料电池阴极的阴极排放装置63被传送至输入的干燥阴极含氧进料气体(例如空气)。在该背景下，阴极回路62包括从加湿器64通过燃料电池堆且回到加湿器64的整个流动路径。仍然参照图4，燃料电池系统40包括与燃料气体进料子系统46和/或含氧气体进料子系统48连通的阴离子清除子系统66和/或68。在一些变型中，燃料电池系统40包括阴离子清除子系统66和/或68中的一者或两者。阴离子清除子系统66和68将硫酸盐和可选地其他污染物从阳极或阴极再循环回路中去除。阴离子清除子系统66被定位在阳极排放装置53与重组站54之间的阳极再循环回路52中。类似地，阴离子清除子系统68被定位在阴极排放装置63与加湿器64之间的阴极回路62中。加湿器64将形成在燃料电池的潮湿输出阴极气体上的水传送至干燥的输入含氧气体，从而加湿所述气体。因此，加湿器提供用于阴离子污染物的路径以从阴极出口传送回燃料电池堆的阴极入口。在一种改进中，阴离子清除子系统66被定位在阴极出口与加湿器64之间，从而减少被传送回含氧气体的阴离子污染物的量。在一种改进中，阴离子清除子系统66和68各自独立地分别去除燃料气体和含氧气体中的至少80重量百分比的阴离子污染物。在另一种改进中，阴离子清除子系统66和68各自独立地分别去除燃料气体和含氧气体中的至少90重量百分比的阴离子污染物。在又一种改进中，阴离子清除子系统66和68各自独立地分别去除燃料气体和含氧气体中的80至100重量百分比的阴离子污染物。在再一种改进中，阴离子清除子系统66和68各自独立地分别去除燃料气体和含氧气体中的90至98重量百分比的阴离子污染物。针对这些重量百分比，重量百分比为流到清除子系统中的气体的重量。在一种变型中，阴离子清除子系统66和68包括氢氧化物(OH-)形式的阴离子交换树脂或离聚物(常见官能团：季铵)。应该认识到的是，在使用之前，可对树脂进行洗涤以去除任何污染。此外，在服务期间树脂可以再生或被代替。表2和表6提供了所测量的在平衡状态下测试阴离子交换树脂(其为氢氧化物形式的A26)的阴离子去除百分比。表2.表3.可以看出，当溶液中存在过度竞争的阴离子时，阴离子交换树脂对硫酸盐具有高选择性。此外，可以看出，在三天中在不同的温度条件下阴离子去除能力没有显著差异。尽管上文描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。而是，在说明书中使用的词语是描述性而非限制性的词语，且应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可以对各种实现实施例的特征进行组合以形成本发明的其他实施例。当前第1页1 2 3