活化燃料电池堆的方法与流程

本发明涉及一种活化燃料电池堆的方法，且更具体地，涉及一种通过使用燃料电池的相邻的单元电池之间的电气短路现象来快速降低电池堆电压，并且去除残留在电池堆中的氧，从而减少处理时间和氢的消耗量的活化燃料电池堆的方法。

背景技术：

一般地，在组装并且制造燃料电池堆后，由于在初次运行时燃料电池堆在电化学反应中的活性低，因此要进行被称为电池堆活化的处理过程来最大程度地保证燃料电池堆正常的初始性能。被称为预处理或磨合(break-in)的燃料电池的活化的目的是活化在反应中不涉及的催化剂，并充分地氢化包含在电极中的电解质膜和电解质来确保氢离子通道。更具体地，在组装燃料电池堆后，为了展示正常状态的性能，以确保三相的电极反应面积，从聚合物电解质膜或电极中去除杂质，并提高聚合物电解质膜的离子电导率为目的，而执行电池堆的活化处理过程。

在如上所述的根据现有技术的活化电池堆的方法中，要反复执行在高电流密度放电状态和关断状态(shutdown state)下构成的脉冲放电，并且基于220个单元电池子模块的处理时间约为1.5至2小时。更具体地，通过反复实施3分钟的高电流密度(例如，1.2或1.4A/cm²)放电的处理和在关断状态下的5分钟的脉冲放电的处理，约11次来执行根据现有技术的活化电池堆的方法。

然而，在根据使用上述脉冲放电的现有技术的活化过程中，增加了氢的用量和处理时间。换句话说，利用在关断状态下的脉冲放电的活化电池堆的现有的方法具有通过改变燃料电池的内部水的流动(使活化速度增加的优势。然而，由于基于220个单元电池子模块的活化所需的时间约为105分钟，并且氢的用量约为2.9千克，因此，增加了处理时间，并且增加了氢的消耗量。

技术实现要素：

本发明提供了一种活化燃料电池堆的方法，更具体地，提供了一种通过利用燃料电池的相邻的单元电池之间的电气短路现象来快速降低电池堆电压，并去除残留在电池堆中的氧，从而减少处理时间和氢的消耗量的活化燃料电池堆的方法。

根据本发明的示例性实施例，一种活化燃料电池堆的方法可包括以下步骤：第一步骤，在燃料电池活化处理过程中开始活化处理之后，向形成燃料电池的电池堆供应氧和氢，从而使电池堆处于开路电压(OCV)状态，之后，停止氧和氢的供应；第二步骤，通过单元电池电压感测端板使形成电池堆的多个单元电池中相邻的单元电池电连接，并且使相邻的单元电池短路，从而使单元电池电压为0V；第三步骤，在第二步骤之后，再次向电池堆供应氧和氢，并且执行施加预定时间段的预定电流密度的预处理过程；第四步骤，经开路电压状态，通过施加超过预定电流密度的电流密度持续超过预定时间的时间段，再次使电压降低至0V，从而去除残留在电池堆中的氧；以及，第五步骤，在去除残留的氧之后，在经过预定时间的休息期(silent period)(例如，关断)之后，再次供应氧和氢。

此外，在第三步骤中，可将预定电流密度设定成约0.6至1.0A/cm²，并且可将预定时间段设定成约10至60秒。在第四步骤中，可将超过预定电流密度的电流密度设定成约1.0至1.4A/cm²，并且可将超过预定时间的时间段设定成约30至180秒。在第五步骤中，可将再次供应氧和氢的预定时间设定成约30至300秒。此外，在第二和第四步骤中，可将单元电池电压短路为0V的时间设定成小于约5秒。通过使第四和第五步骤，电压的降低的过程以及氧和氢的再次供应的过程，重复11次，活化处理时间可为约75分钟，并且氢的消耗量可减少至约为1.7千克。单元电池电压感测端板可具有从中心向两端形成的，使相邻的单元电池彼此连接的连接部。

根据本发明的另一示例性实施例，一种活化燃料电池堆的方法可包括以下步骤：第一步骤，在燃料电池活化处理过程中开始活化处理之后，向形成燃料电池的电池堆供应氧和氢以允许电池堆处于开路电压(OCV)状态，之后，停止氧和氢的供应；第二步骤，通过在单元电池电压感测端板中形成的连接部使形成电池堆的多个单元电池中的相邻的单元电池电连接，并使相邻的单元电池短路以允许单元电池电压为0V；第三步骤，再次向电池堆供应氧和氢，并且执行施加约0.6至1.0A/cm²的电流密度约10至60秒的预处理过程；第四步骤，经开路电压状态，通过施加约为1.0to 1.4A/cm²的电流密度约30至180秒，再次使电压降低至约0V，从而去除残留在电池堆中的氧；以及，第五步骤，在去除残留的氧之后，在经过约30至300秒的休息期之后，再次供应氧和氢。具体地，可将单元电池电压短路成0V的时间设定成小于约5秒。

附图说明

从下面的结合附图的详细描述中，本发明的上述及其他目的、特征和优势使变得更加显而易见。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的用于活化燃料电池堆的方法的流程图；以及

图2是示出根据本发明的示例性实施例和现有技术的活化燃料电池堆的方法的平均电压和活化时间的曲线图。

具体实施方式

应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他相似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)、公交车、卡车、各式商用车辆在内的载客车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，以及航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其他代用燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。如本文所述，混合动力车辆是同时具有两种或多种动力源的车辆，例如，同时汽油驱动和电驱动的车辆。

尽管示例性实施例被描述成使用多个单元来执行示例性处理，但应当理解的是，示例性处理也可通过一个或者多个模块执行。此外，应当理解的是，术语“控制器/控制单元”可指代包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置成存储模块，并且处理器被具体地配置成执行上述模块从而执行一个或多个下文进一步描述的处理过程。

本文所使用的专有名词仅是为了说明特定实施例的目的，而非意在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚表明，单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也包括复数形式。还要理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”指所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何或全部的组合。

除非特别陈述或从上下文显而易见，如本文所使用的，词语“约”被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2倍标准偏差内。“约”可理解为在所陈述的值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文另外明确，本文提供的所有数值均由词语“约”修饰。

下面，参考附图详细地描述本发明的示例性实施例。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例的活化燃料电池堆的方法可包括：在燃料电池活化处理过程中，向燃料电池堆供应氧和氢，然后，终止氧和氢的供应(S10)；使电池堆的相邻的单元电池之间电连接并短路(S20)；再次向电池堆供应氧和氢，并施加电流(S30)；通过短路降低电压来去除残留在电池堆中的氧(S40)；和再次供应氧和氢(S50)。

如图1和图2所示，在根据本发明的活化燃料电池堆的方法的开始处理过程(S10)中，在燃料电池活化过程中开始活化处理之后，可向形成燃料电池的电池堆供应氧和氢，因此允许电池堆处于开路电压(OCV)状态。

此外，当电池堆变为开路电压状态时，可通过终止氧和氢的供应来准备短路。具体地，可通过使用单元电池电压感测端板，使形成电池堆的多个单元电池中的相邻的单元电池之间电连接(例如，电连接的相邻的单元电池)，并且使彼此连接的相邻的单元电池之间短路，以使单元电池电压降至接近于0V(S20)。连接单元电池的单元电池电压感测端板可具有从中心向两端形成的，使相邻的单元电池彼此连接的连接部(未示出)。

在预处理过程中(S30)中，在使单元电池电压降至接近于0V之后(S20)，可通过再次向电池堆供应氧和氢，并施加预定的时间段的预定的电流密度来执行预处理过程。具体地，可将预定的电流密度设定为约0.6至1.0A/cm²以检测有缺陷的电池，并且确认在低电流密度和高电流密度下的电压稳定性，预定的时间段可被设定为约10至60秒以确认在一段时间期间的电压稳定性。具体地，可将预定电流设定为约360A，并且可将预定时间段设定为约30秒。

在去除残留在电池堆中的氧的步骤(S40)中，在执行预处理过程之后，经开路电压状态，通过施加超过预定时间(例如约10至60秒)的时间段的超过预定电流密度(例如，约0.6至1.0A/cm²)的电流密度，通过短路可使电压再次降至约0V，从而去除残留在电池堆中的氧。具体地，可将超过预定电流密度的电流密度设定为约1.0至1.4A/cm²，以便可通过以高电流脉冲运行使催化剂周围的全氟磺酸(Nafion)膨胀(swelling)，并引起电极结构的变化，使闭孔(closed pore)变为开孔(open pore)，从而获得物质转移阻力(mass transfer resistance)减小的效果，并且超过预定时间的时间段可被设定为约30至180秒以获得充分的物质转移阻力减少的效果。具体地，超过约360A的预定电流的电流可设定为约432A，并且超过约30秒预定时间的时间段可设定为约120秒。

此外，为了通过快速降低电压，通过快速去除残留在电池堆中的氧，使Pt-Ox还原并且使铂/粘合剂界面优化，单元电池电压短路至0V的短路保持时间以氢化学计量比1.5为参考可设定为小于约5秒(例如，可使电压降低时间设定成不超过约5秒)，并且，只要在活化时使用的氢化学计量比的量不变，就使单元电池电压短路至0V的短路保持时间保持为小于约5秒。另一方面，作为替代外部短路的方法，通过施加负载来强制性地快速降低电压时，可施加约为20A的电流。具体地，电流施加可与活化面积(cm²)成比例地增加。

在氧和氢的再次供应步骤中(S50)，在去除残留的氧之后，在经历预定时间段的休息期(例如，关断)之后，可再次供应氧和氢来活化电池堆。具体地，可将预定时间段设定为约30至300秒，从而在休息期过程中通过从表面上去除在制造电极的过程中混入的杂质或已形成的表面氧化物，以及残留的有机溶剂(IPA醇，丙醇等)来获得充分的提高催化剂活性的效果。具体地，预定时间可以设置成约为180秒。休息期是关断状态。

根据本发明，在休息期后，通过短路再次降低电压来去除在电池堆中残留的氧，并且可再次供应氧和氢，至少重复11次，从而使燃料电池堆满足参考性能，因此，能够加速活化过程。具体地，由于在制造单元电池的电极分隔板的过程中形成的铂催化剂表面上的氧化物的还原速度因阴极过电压下降(over-voltage degradation)而增加，并且通过Pt-Ox还原和铂/粘合剂界面优化可完全去除残留在阴极上的氧，因此活化速度增加。

换句话说，根据本发明，与现有技术相比，通过减少消耗时间和中间过程的重复次数，可使活化过程的时间显著减少，使活化处理时间减少至约为75分钟，并且通过使氢的消耗量(例如，氢的消耗量可基于活化过程时间和重复次数而发生变化)减少至约为1.7千克，来提高燃料电池的可销售性。

因此，活化燃料电池堆的方法可包括：在燃料电池活化过程中开始活化过程之后，向形成燃料电池的电池堆供应氧和氢，以允许该电池堆处于开路电压(OCV)状态，并且终止氧和氢的供应(S10)；通过单元电池电压感测端板使形成电池堆的多个单元电池中的相邻的单元电池电连接，并且使相邻单元电池短路来使单元电池电压降至0V(S20)；向电池堆再次供应氧和氢，并且执行施加预定时间的预定电流的预处理过程(S30)；经开路电压状态，通过施加超过预定时间的时间段的超过预定电流的电流，再次使使电压降至0V，从而去除残留在电池堆中的氧(S40)，并且在去除残留的氧后，在经过预定的时间段的休息期之后，再次供应氧和氢(S50)。

在通过使燃料电池的相邻的单元电池短路的方法使处于开路电压状态的单元电池电压降至约0V之后，可重复进行活化，并且在活化过程中，通过使用短路来快速地降低电压，可去除残留在电池堆中的氧，从而可加速活化过程，因此，能够减少固定(fixing)所需要的时间，并且减少用于活化的氢的用量。

在上文中，尽管已经参考示例性实施例和附图对本发明进行了描述，但本发明不限于此，而是在不违背所附权利要求所主张的本发明的精神和范围的情况下，可由本发明所属领域内的技术人员做出各种修改和改变。