燃料电池管理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池管理方法，该燃料电池管理方法用于防止在长期贮存燃料电池堆时发生性能下降。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种发电系统，用于将烃基物质例如甲醇、乙醇、天然气等等所含的氢和氧的化学反应能量直接转换成电能。
[0003]燃料电池根据电解质的类型可分为磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池等。这些燃料电池的基本原理是彼此相同的，但在燃料的类型、工作温度、催化剂、电解质等方面，它们是彼此不同的。
[0004]相比于其他燃料电池,聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC:polymer electrolytemembrane fuel cell)具有非常高的输出性能、低的工作温度、快速启动和响应特性、以及广泛的应用范围。
[0005]在燃料电池系统中，实质上发电的燃料电池堆具有单元电池的叠层结构，每个单元电池包括膜电极组件(MEA:membrane-electrode assembly)和设置有气体通道的分隔件(separator)。该膜电极组件配置为使得阳极电极和阴极电极其间隔着聚合物电解质彼此附着。即，该膜电极组件具有一个聚合物电解质膜、两个电极、催化剂层、和气体扩散层的叠层结构。
[0006]当氢供应到阳极时，其通过电化学氧化反应被氧化成氢离子和电子。该氢离子通过聚合物电解质膜转移到阴极，而电子通过外电路转移到阴极。转移到阴极的氢离子与供应到阴极的氧一起引起电化学还原反应而生成热量和水，并且通过电子的移动生成电能。
[0007]在聚合物电解质膜燃料电池堆运行一段设定的时间后，其性能由于钼-碳(Pt-C)电极和构成膜电极组件(MEA)的聚合物电解质膜的劣化(degradat1n)而性能下降。邻近高电压阴极的钼粒子通过氧化而洗脱(elute)或消失，或由支承钼的碳的腐蚀而分离，从而降低了电化学表面积(ECSA electrochemical surface area)。而且,包括在燃料中的一氧化碳(几ppm (parts per mill1n))被化学吸附于钼催化剂上,从而降低了氢氧化反应(H0R:hydrogen oxidat1n react1n)的速率。另外，发生于高功率车辆的运行期间的局部温度上升使膜孔缩小或重新排列S03 —末端基团，因此降低了离子导电率。
[0008]另外，已知燃料电池堆的性能的下降发生在其长期贮存过程期间以及在大功率车辆运行时发生的MEA劣化期间。换而言之，在燃料电池堆存储很长一段时间的情况下，当充入阳极和阴极的空气(空气/空气(阳极/阴极))被留置很长一段时间时，每个阳极和阴极的电压都会变为大约1.0V0在这种情况下，根据以下化学式，在约1.0V的高电压下，氧化膜形成在暴露于氧和液滴的钼表面上，防止活性氧在燃料电池运行期间被吸附在钼的表面上，从而降低了还原反应速率。
[0009][化学式]
[0010]Pt+H20_〉Pt_0H+H+e
[0011]燃料电池堆在其存储期间发生的性能下降大多通过由可逆劣化引起的钼还原过程恢复到其原来的性能。然而，当车辆运行在燃料电池堆的存储期间形成的氧化物残存于钼表面的状态下时，加速了不可逆劣化，例如，钼从氧化物洗脱，从而降低了燃料电池车辆的燃料电池堆的耐久性。
[0012]应当理解的是，前面描述仅仅是为帮助理解本发明而提供的，并不意味着本发明落入本领域技术人员已经公知的相关技术范围内。
【发明内容】
[0013]本发明已设计为解决上述问题，并且本发明的一方面提供一种燃料电池管理方法，该燃料电池管理方法可以减小燃料电池堆性能的下降率和其在长期存储期间发生的燃料电池堆的劣化率。
[0014]根据本发明的示例性实施例，燃料电池管理方法包括:由控制器利用供应到阴极的空气和供应到阳极的氢来除去残留在燃料电池堆中的液滴。通过停止氢和空气的供应，并且使得燃料电池堆中的氢和氧发生化学反应来除去残余的氢和氧，从而除去残留在燃料电池堆中的氢和氧。在除去残余的氢和氧后，在燃料电池堆的阴极中生成氢。利用所生成的氢追加除去残余的氧，所生成的氢吸附于阳极和阴极上形成的催化剂层的表面上。该催化剂层使空气和氢的化学反应加速。
[0015]在除去液滴的步骤中，可通过向阴极供应干燥空气而除去液滴，其中该干燥空气通过对堆负载施加电流所生成的热量而被加温。
[0016]在燃料电池堆的阴极中生成氢的步骤中，可通过施加静电流(static electriccurrent)到与燃料电池堆连接的堆负载(stack load)而生成氢。
[0017]在燃料电池堆的阴极中生成氢的步骤中，可通过直接向阴极吹扫(purging)氢而生成氢。
[0018]在催化剂层的表面上吸附所生成的氢的步骤中，所生成的氢可被化学吸附在催化剂层的表面上。
[0019]燃料电池管理方法还可包括在吸附氢的步骤之后密封阳极和阴极。
【附图说明】
[0020]本发明的上述和其他目的、特征及优点可结合附图从下面的详细描述中得到更清楚的理解。
[0021]图1是示出本发明的一实施例的燃料电池系统的框图。
[0022]图2是示出本发明的一实施例的燃料电池管理方法的流程图。
[0023]图3是根据各种燃料电池的管理方法比较燃料电池堆性能的下降率的表格。
[0024]图4是示出图3的各种燃料电池管理方法的相对于基准的燃料电池堆的劣化程度的图表。
【具体实施方式】
[0025]在不脱离本发明的精神和显著特征的前提下，本发明可以以许多不同的形式来体现。因此，本发明的实施例的公开仅用于说明的目的而不应当解释为限制本发明。
[0026]相应地，应认为任何和所有修改、变化或等效布置均在本发明的范围之内，并且本发明的具体范围将由所附的权利要求予以披露。
[0027]术语“第一和/或第二”等用于区分特定构件与其他构件，但是这些构件的配置不应解释为受术语的限制。
[0028]应当理解的是，当一元件被称为“结合”或“连接”到另一元件时，其可以直接结合或连接到另一元件或其间可存在中间元件。与此相反，应当理解的是，当一元件被称为“直接结合”或“直接连接”到另一元件时，不存在中间元件。
[0029]本文所使用的术语是仅为描述特定实施例的目的而非意在限制。如在本文中所使用的，单数形式“一(a)”，“一个(an)”和“该(the) ”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。进一步应当理解的是，术语“包含”，“包括”，“具有”等，当使用在本说明书中时，指定存在所陈述特征、整数(integer)、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合。
[0030]除另有定义外，包括本文所使用的技术和科学术语在内的所有术语具有与由本发明所属领域内普通技术人员通常理解的相同含义。还应理解的是，术语，例如在常用辞典中定义的那些术语，应该被解释为具有与它们在相关技术和本发明上下文中的含义相一致的含义，而不应以理想化或过于形式的意义来解释，除非在本文有明确地定义。
[0031]在下文中，将参照附图对本发明的示例性实施例进行详细的说明。贯穿附图，用相同的附图标记来表示相同或相似的组件。
[0032]图1是示出本发明的一实施例的燃料电池系统的框图。参照图1，燃料电池系统100包括:氢罐110、供氢阀112、氢再循环鼓风机114、氢吹扫阀116、聚水器(watertrap) 118、燃料电池堆120、阳极122、阴极124、鼓风机130、加湿器140、堆负载(stackload) 150、开关装置 155、直流 / 直流转换器(DC/DC converter) 160、电池(battery) 170、以及控制器160。
[0033]氢罐110中的高压氢通过高压和低压调节器(未示出)被压缩和解压，随后被供应到燃料电池堆120的阳极122。氢再循环鼓风机114使残留在燃料电池堆120的阳极122中的未反应氢再循环到阳极122。
[0034]鼓风机130吸入外部干燥空气，然后将其供应到燃料电池系统100中。所供应的干燥空气流过加湿器140，然后被供应到燃料电池堆120的阴极124。
[0035]燃料电池堆120的阳极122在其输出端处设置有用于吹扫氢的氢吹扫阀116。氢吹扫阀116排出蓄积在该阳极122中的氮、水等，聚水器118收集燃料电池堆120生成的水，然后排出所收集的水。
[0036]燃料电池堆120包括多个单元电池(unit cell)。每个单元电池包括膜电极组件(MEA)和隔着MEA彼此靠近地配置的分隔件。每个分隔件由导电板制成，并设置有用于使氢和空气循环的流道。MEA在其一侧上设置有作为氧化电极的阳极122，并在其另一侧上设置有作为还原电极的阴极124。
[0037]堆负载150是电阻负载，其并联连接到燃料电池堆120的输出端，且根据响应于从控制器180施加的控制信号而执行的开关装置155的开-关切换(ON-OFF-SWITCHING)，由燃料电池堆120或电池170提供的动力来运行。堆负载150可以用于在燃料电池堆的关断(S/D)过程中耗尽残留在阴极124中的氧并除去燃料电池堆的电压。
[0038]直流/直流转换器160并联连接到燃料电池堆120的输出端。该直流/直流转换器160对从燃料电池堆120输出的电力进行直流/直流转换，然后将直流/直流转换后的电力供应到电池170作为充电电力，并且对从该电池输出的电力进行直流/直流转换，然后将直流/直流转换后的电力供应到堆负载150和电负载(未示出)。此外，直流/直流转换器160对在再生制动期间从驱动电动机(未示出)生成的再生制动能量进行直流/直流转换，随后将该直流/直流转换后的再生制动能量供应到电池170作为充电电力。
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