專利名稱：車輛燃料電池的激活方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激活車輛燃料電池以確保最大性能的方法，該方法改善聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的性能，減少氫的使用，且在制造后具有穩(wěn)定的性能。
背景技術(shù)：
通常，燃料電池包括在其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電極，傳遞由電化學(xué)產(chǎn)生的氫離子的電解質(zhì)膜，及支撐電極和電解質(zhì)膜的分隔裝置。
近來，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池已經(jīng)廣泛用作車輛燃料電池。與其它類型的燃料電池相比，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池具有優(yōu)異的效率，高電流密度，高輸出密度，和較短的啟動(dòng)時(shí)間。此外，由于采用固體電解質(zhì)，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中不需要腐蝕和電解質(zhì)控制。而且，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池是對(duì)環(huán)境友好的電源，其中只有純水作為廢氣排放。因此，目前在全世界范圍的汽車工業(yè)中都在進(jìn)行著聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的研究。
聚合物電解質(zhì)膜燃料電池通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水和熱。提供的氫通過催化劑的作用在陽極中分解成氫離子和電子。分解出的氫離子通過電解質(zhì)膜被傳遞到陰極，并且與提供的氧及通過外部導(dǎo)線傳遞的電子相結(jié)合從而產(chǎn)生水，因此產(chǎn)生電能。
在這種情況下，理想電位大約為1.3V，并可以表示為下列化學(xué)反應(yīng)方程式陽極H2→2H++2e
陰極1/2O2+2H++2e→H2O實(shí)際上，車輛燃料電池需要高于上述電位的電位。為了獲得更高的電位，必須疊加單個(gè)單元電池直到達(dá)到期望電位。疊加的單元電池稱為電池組(stack)。
燃料電池電極由結(jié)合諸如nafion(全氟磺酸樹脂)的氫離子載體和諸如鉑的催化劑而制成。在燃料電池制成后，如果當(dāng)燃料電池初始驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，則燃料電池變得活性較小。
這是因?yàn)榉磻?yīng)物通道被堵塞，導(dǎo)致反應(yīng)物不能接觸催化劑，諸如nafion的氫離子載體，其形成催化劑周圍的三相，在初始驅(qū)動(dòng)階段不易于水合，且無法確保氫離子和電子的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
由于這些原因，需要激活過程，從而在燃料電池用膜電極組件和分隔裝置組裝完成后保證該燃料電池的性能最大化。
激活過程的目的是激活無活性的催化劑，并充分水合包括在電解質(zhì)膜中的電解質(zhì)及電子，從而確保氫離子通過。
執(zhí)行該激活過程，使得燃料電池能夠達(dá)到其組裝后的最大性能。根據(jù)行駛條件的不同，這可能需要幾小時(shí)或幾天。當(dāng)該激活過程沒有正確執(zhí)行時(shí)，燃料電池的驅(qū)動(dòng)將會(huì)達(dá)不到其最大性能。
燃料電池制造商有他們自己的激活燃料電池的方法。在一種典型激活方法中，燃料電池在一個(gè)特定電壓下被驅(qū)動(dòng)一段很長的時(shí)間。
在用于激活燃料電池的現(xiàn)有方法中，燃料電池處于低電壓很長時(shí)間，使得即使在其電池組性能不再被改善的部分，也可以激活燃料電池。
由于燃料電池達(dá)到其最大性能需要較長時(shí)間，且在電池組被完全制成后完整地制成燃料電池還需要較長時(shí)間，因此傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)在于時(shí)間效率的低下。此外，當(dāng)燃料電池驅(qū)動(dòng)時(shí)，氫和空氣過量消耗，從而使價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力降低。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)存問題，本發(fā)明提供一種用于確保燃料電池的最優(yōu)性能的激活車輛燃料電池的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種激活車輛燃料電池的方法，包括將燃料電池置于激活裝置中，從而被激活；改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)；向燃料電池提供反應(yīng)氣體，并維持無負(fù)載狀態(tài)；維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速；將燃料電池的狀態(tài)改變成無負(fù)載狀態(tài)，并向燃料電池再次提供反應(yīng)氣體；分別將當(dāng)燃料電池工作在無負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)和當(dāng)燃料電池工作在負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)與參考值比較。
在本發(fā)明的上述方面中，改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)可以包括在增濕器溫度和冷卻水溫度升高到70℃的條件下向燃料電池提供水蒸氣。
此外，改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)可以包括在由增濕器提供的水蒸氣相對(duì)濕度為100％的條件下向燃料電池提供水蒸氣。
此外，維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速可以包括在流速為301/min～401/min的條件下向燃料電池提供水蒸氣/氣體。
此外，維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速可以包括在氫氣的使用速率處于1.2至1.4范圍內(nèi)的條件下向燃料電池提供氫氣。
此外，維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速可以包括在電壓與處于0.1V至0.4V范圍內(nèi)的低電壓相應(yīng)的條件下向燃料電池提供電壓。
此外，維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速可以包括使以脈沖形式提供的流速最大，以確保反應(yīng)氣體通道。


參考附圖，通過其實(shí)施例詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，在附圖中圖1為一個(gè)流程圖，表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的激活車輛燃料電池的方法；圖2為一個(gè)流程圖，表示圖1方法中改變?cè)鰸駹顟B(tài)和冷卻水狀態(tài)的操作；
圖3為一個(gè)流程圖，表示圖1方法中維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速的操作；圖4為激活裝置的結(jié)構(gòu)圖，該激活裝置包括在圖1方法中采用的燃料電池；而圖5為表示通過根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的激活車輛燃料電池的方法所獲得結(jié)果的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的激活車輛燃料電池的方法。
參考圖1，該方法包括將燃料電池置于激活裝置中，從而被激活(操作ST100)；改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)(操作ST200)；向燃料電池提供反應(yīng)氣體，并維持無負(fù)載狀態(tài)(操作ST300)；維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速(操作ST400)；將燃料電池的狀態(tài)改變成無負(fù)載狀態(tài)，并向燃料電池再次提供反應(yīng)氣體(操作ST500)；和分別將當(dāng)燃料電池工作在無負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)和當(dāng)燃料電池工作在負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)與參考值比較(操作ST600)。
參考圖2，改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)(操作ST200)包括在增濕器溫度和冷卻水溫度升高到70℃的條件下向燃料電池提供水蒸氣(操作ST220)。
此外，改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)(操作ST200)還包括在由增濕器提供的水蒸氣相對(duì)濕度為100％的條件下向燃料電池提供水蒸氣(操作ST240)。
參考圖3，維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速(操作ST400)包括在流速為301/min～401/min的條件下向燃料電池提供水蒸氣/氣體(操作ST420)。
維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速(操作ST400)還包括在氫氣的使用速率處于1.2至1.4范圍內(nèi)的條件下向燃料電池提供氫氣(操作ST440)。
維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速(操作ST400)包括在電壓與處于0.1V至0.4V范圍內(nèi)的低電壓相應(yīng)的條件下向燃料電池提供電壓(操作ST460)。
維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速(操作ST400)還包括以脈沖形式使流速最大，以確保反應(yīng)氣體通道(操作ST480)。
下面，參考附圖，說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的激活車輛燃料電池的方法。
參考圖1-4，將燃料電池2置于激活裝置中，從而被激活(操作ST100)。
改變向燃料電池2提供水蒸氣的增濕器3的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)(操作ST200)。在該情況中，在增濕器3的溫度和冷卻水的溫度升高到70℃的條件下，向燃料電池2提供水蒸氣。
在由增濕器3所提供的水蒸氣相對(duì)濕度為100％的條件下向燃料電池2提供水蒸氣。這是因?yàn)榘ㄔ谌剂想姵?中的電池內(nèi)側(cè)需要迅速地水合。
在相對(duì)濕度為100％的條件下，充注在冷卻水箱4中的冷卻水升高到70℃，而不是燃料電池2本身溫度升高，使燃料電池2被快速激活。
這是因?yàn)樵诎ㄔ谌剂想姵?中的催化劑層(圖中未表示)中的電解質(zhì)(圖中未表示)和電解質(zhì)膜(圖中未表示)可以充分水合的條件下，燃料電池2具有良好的性能。
當(dāng)向燃料電池2提供反應(yīng)氣體(氫氣/空氣)時(shí)，燃料電池2保持無負(fù)載狀態(tài)(操作ST300)，包括在燃料電池2內(nèi)的電池內(nèi)部氣體通道中的雜質(zhì)被去除，且電池保持平衡狀態(tài)。
在這種情況下，氫氣通過陽極流入，而空氣通過陰極流入。結(jié)果，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。
上述電化學(xué)反應(yīng)在燃料電池2中的催化劑層(圖中未表示)中發(fā)生。這里，產(chǎn)生氫并通過催化劑中的電解質(zhì)和電解質(zhì)膜傳遞。
具體地說，當(dāng)燃料電池2在制造后初始驅(qū)動(dòng)時(shí)，電解質(zhì)膜是干的。從而，首先催化劑層中的電解質(zhì)和電解質(zhì)膜水合。只有在電解質(zhì)和電解質(zhì)膜充分水合后，才能確保氫離子和反應(yīng)物到達(dá)催化劑層的通道。
然后，維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池2提供的水蒸氣/氣體的流速(操作ST400)。
在流速為301/min～401/min的條件下向燃料電池2提供水蒸氣/氣體(操作ST420)。流速增加的原因是降低從燃料氣體2排出的氣體的溫度，使得存儲(chǔ)在電池中的水量能夠增加，從而可以避免電池內(nèi)部干燥。
在氫氣的使用速率處于1.2至1.4范圍內(nèi)的條件下向燃料電池2提供氫氣(操作ST440)。
如果通過不同地改變氫使用速率向燃料電池2提供氫氣，則電池可以保持水合狀態(tài)，且隨著殘留氣體通過排出孔(圖中未表示)排出的水量可以減到最小。
在電壓與處于0.1V至0.4V范圍內(nèi)的低電壓相應(yīng)的條件下向燃料電池提供電壓(操作ST460)。
通過這樣做，可以促進(jìn)催化劑層中的電解質(zhì)和電解質(zhì)膜的水合。
使以脈沖形式提供的流速最大，以確保反應(yīng)氣體通道(操作ST480)。結(jié)果，可以確保部分阻塞的反應(yīng)氣體通道。
然后，燃料電池2的狀態(tài)變成無負(fù)載狀態(tài)，且反應(yīng)氣體再次向燃料電池2提供(操作ST500)。在該狀態(tài)中，切斷提供給燃料電池2的電壓，僅最少的反應(yīng)氣體向燃料電池2提供。操作ST300和ST400重復(fù)大約兩個(gè)小時(shí)。
當(dāng)燃料電池2重復(fù)地從無負(fù)載狀態(tài)至負(fù)載狀態(tài)改變其狀態(tài)時(shí)，燃料電池2可以被迅速激活。
分別將當(dāng)燃料電池工作在無負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)和當(dāng)燃料電池工作在負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)(電流-電壓)與參考值比較(操作ST600)。如果比較結(jié)果表明數(shù)據(jù)處于2mV/電池(2mV/cell)的范圍內(nèi)時(shí)，2mV/電池與適于完全激活的參考值一致，則確信燃料電池2完成其激活，并關(guān)閉激活裝置。
圖5為表示通過根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的激活車輛燃料電池的方法所獲得結(jié)果的曲線圖。參考圖5，將燃料電池2置于激活裝置中，從而被激活。結(jié)果，當(dāng)激活過去兩個(gè)小時(shí)，對(duì)包括在燃料電池2中的電池測(cè)量出的電流密度穩(wěn)定在1600mA/cm2，從而實(shí)現(xiàn)激活。
根據(jù)一種激活車輛燃料電池的方法，燃料電池可以激活到最佳狀態(tài)。
此外，燃料電池可以快速激活，從而在制成電池組時(shí)，提高每小時(shí)的輸出。而且，降低了氫使用量，從而降低每個(gè)電池組的生產(chǎn)成本。
盡管已經(jīng)結(jié)合其實(shí)施例特別地表示和說明了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，可以對(duì)形式和細(xì)節(jié)作各種修改而不偏離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神與范圍。
權(quán)利要求
1.一種激活車輛燃料電池的方法，包括將燃料電池置于激活裝置中，從而被激活；改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)；向燃料電池提供反應(yīng)氣體，并維持無負(fù)載狀態(tài)；維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速；將燃料電池的狀態(tài)改變成無負(fù)載狀態(tài)，并向燃料電池再次提供反應(yīng)氣體；以及分別將當(dāng)燃料電池工作在無負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)和當(dāng)燃料電池工作在負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)與參考值比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)包括在增濕器溫度和冷卻水溫度升高到70℃的條件下向燃料電池提供水蒸氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)包括在由增濕器提供的水蒸氣相對(duì)濕度為100％的條件下向燃料電池提供水蒸氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速包括在流速為30l/min～40l/min的條件下向燃料電池提供水蒸氣/氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速包括在氫氣的使用速率處于1.2至1.4范圍內(nèi)的條件下向燃料電池提供氫氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速包括在電壓與處于0.1V至0.4V范圍內(nèi)的低電壓相應(yīng)的條件下向燃料電池提供電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速包括使以脈沖形式提供的流速最大，以確保反應(yīng)氣體通道。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激活車輛燃料電池以確保最大性能的方法，其改善聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的性能，減少氫的使用，且在制造后具有穩(wěn)定的性能。該方法包括將燃料電池置于激活裝置中，從而被激活；改變向燃料電池提供水蒸氣的增濕器的增濕狀態(tài)和冷卻水的狀態(tài)；向燃料電池提供反應(yīng)氣體，并維持無負(fù)載狀態(tài)；維持負(fù)載狀態(tài)而改變向燃料電池提供的水蒸氣/氣體的流速；將燃料電池的狀態(tài)改變成無負(fù)載狀態(tài)，并向燃料電池再次提供反應(yīng)氣體；分別將當(dāng)燃料電池工作在無負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)和當(dāng)燃料電池工作在負(fù)載狀態(tài)下時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)與參考值比較。
文檔編號(hào)B60L11/18GK1979932SQ20061010176
公開日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者高載準(zhǔn), 申煥秀, 金永敏, 金世勛 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社