專利名稱：用于活化燃料電池組的設備和方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及燃料電池組的活化。更具體地，本發(fā)明涉及用于活化燃料電池組的設備和方法，通過在關(guān)斷時采用真空潤濕工藝，顯著地減少活化所需要的時間和用于活化的
氫的量。
背景技術(shù)：
由于公眾對環(huán)境議題和CO2調(diào)節(jié)的關(guān)注和興趣日益增長，在世界范圍內(nèi)對開發(fā)環(huán)境友好的車輛的需求在增加。因此，環(huán)境友好且高效率的燃料電池車輛吸引了很多的公眾關(guān)注，其可以替代引起環(huán)境污染的內(nèi)燃機車輛。具體地，在燃料電池車輛中，在組裝燃料電池組即燃料電池車輛的核心部件之后，·進行組活化工序以(I)確保存在三相電極反應區(qū)，(2)從聚合物電解質(zhì)膜或電極中去除雜質(zhì)，并且(3)提高聚合物電解質(zhì)膜的離子導電率。通過確保這三個性質(zhì)，燃料電池組能夠顯示出正常的性能特性。具體地，在燃料電池組的初始運行過程中，其活性在電化學反應中降低，由此為了使正常的初始性能最大化，需要進行組活化工序。該組活化工序也被稱為預調(diào)節(jié)或制動(brake-in)，且其目的是活化不可以參與反應的催化劑并且通過使電解質(zhì)膜和電極中所含的電解質(zhì)充分水合來確保氫粒子通道。圖I示出使用包括高電流密度放電和關(guān)斷放電的脈沖工藝的常規(guī)的組活化方法/工藝的例子。如圖I所示，常規(guī)的組活化方法配置成重復進行脈沖工序幾到幾十次，所述脈沖工序利用高電流密度放電和關(guān)斷狀態(tài)下的脈沖放電。然而，該常規(guī)的組活化方法例如對于220電池的子模塊需要約I. 5至2小時的處理時間。更詳細地，根據(jù)常規(guī)的組活化方法，將高電流密度(I. 2或I. 4A/cm2)放電3分鐘，并且在關(guān)斷狀態(tài)下將脈沖放電工序進行5分鐘。這兩個工序在活化工序完成之前總共重復進行約11次。然而，在通過脈沖放電的活化工序中使用的氫的量隨處理時間的增加而增加。也就是，在關(guān)斷狀態(tài)中使用脈沖放電的常規(guī)活化方法可改變?nèi)剂想姵亟M中的水流，從而增加活化率。然而，例如對于200電池的子模塊，活化所需要的時間為約105分鐘，并且活化所需要的氫的量為約2. 9kg。結(jié)果，該方法需要長的處理時間和大量的氫，以致有效。上述在該背景技術(shù)部分公開的信息僅用于增強對本發(fā)明背景的理解，因此其可能含有不構(gòu)成在該國本領域普通技術(shù)人員已經(jīng)知曉的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供經(jīng)真空潤濕工藝活化燃料電池組的設備和方法，其相比于現(xiàn)有的活化工藝可以有效提高離子導電率，從而顯著地減少用于活化的氫的量和完成活化所需要的時間。一方面，本發(fā)明提供用于活化燃料電池組的系統(tǒng)和方法。具體地，該系統(tǒng)和方法包括高濕度開路電壓操作，其對燃料電池組進行增濕并且在開路電壓運行燃料電池組；和真空潤濕操作，其通過在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛來使聚合物電解質(zhì)膜的表面濕潤。更具體地，高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作交替和重復進行預定時期或預定數(shù)量的重復。在一個示例性實施方式中，真空潤濕操作還可以切斷氫和空氣的供應，并且施加電流以消耗燃料電池組中的殘余氣體，從而在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛。此外，高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作可以以固定的間隔重復進行，所述固定的間隔可以是，例如，對于高濕度開路電壓操作2至5分鐘并且對于真空潤濕操作2至5分鐘的預定時間。而且，在一些實施方式中，在高濕度開路電壓操作中可 以在100%或更高的相對濕度進行增濕工序。在另外的實施方式中，該方法還可以包括在重復進行高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作之后進行的密封存儲操作。另一方面，本發(fā)明提供用于活化燃料電池組的設備，該設備包括活化主體，包括用于向燃料電池組供應氫的氫供應裝置、用于向燃料電池組供應空氣的空氣供應裝置、用于對燃料電池組進行增濕的增濕器；和控制器，用于控制活化主體，其中控制器控制活化主體交替和重復進行高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作。在一個示例性實施方式中，活化主體可以包括與燃料電池組連接以使氫和空氣流入到燃料電池組中的測試歧管。具體地，測試歧管可以與用于將燃料電池組安裝至活化主體的組對接單元連接。而且，在一些實施方式中，該設備還可以包括用于傳送待活化的燃料電池組的組傳送單元。下面討論本發(fā)明的其它方面和實施方式。


現(xiàn)在將參考本發(fā)明的某些示例性實施方式來詳細地描述本發(fā)明的上述和其它特征，其在所附附圖中說明，下文給出的這些實施方式僅僅用于示例說明，因此不是對本發(fā)明的限制，其中圖I是示出活化燃料電池組的常規(guī)方法的流程圖；圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的活化燃料電池組的方法的流程圖；圖3是示出在根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的活化燃料電池組的方法中通過密封存儲提高活性的圖，其中示出根據(jù)密封存儲時間的推移電流密度與電壓之間的關(guān)系；圖4是示出在根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的活化燃料電池組的方法中通過密封存儲提高活性的圖，其中示出根據(jù)密封存儲時間的推移開路電壓與電阻之間的關(guān)系；且圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的用于活化燃料電池組的設備的構(gòu)造的示意圖。在附圖中提到的附圖標記包括對以下元件的參考，其在下面進一步討論100 :活化主體110:測試歧管200 :組對接單元300 :組傳送單元
400 :燃料電池組應當理解到，所附的附圖并非必然是按比例的，其說明了本發(fā)明基本原理的各種優(yōu)選特征的一定程度上簡化的代表。本文公開的本發(fā)明的具體設計特征，包括，例如，具體大小、方向、位置和形狀將部分取決于具體的既定用途和使用環(huán)境。在附圖中，附圖標記在附圖的幾張圖中通篇指代本發(fā)明的相同或等同部件。
具體實施例方式下面將詳細地參照本發(fā)明的各個實施方式，其實施例圖示在所附附圖中，并在下文加以描述。盡管將結(jié)合示例性實施方式描述本發(fā)明，但應當理解，本說明書無意于將本發(fā)明局限于這些示例性實施方式。相反，本發(fā)明不僅要涵蓋這些示例性實施方式，還要涵蓋由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替代形式、修改、等效形式和其它實施方式。·
應理解，本文使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它類似術(shù)語包括通常的機動車，例如，包括多功能運動車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商務車的客車，包括各種船只和船舶的水運工具，飛行器等等，并且包括混合動力車、電動車、插入式混合電動車、氫動力車和其它代用燃料車(例如，來源于石油以外的資源的燃料)。如本文所提到的，混合動力車是具有兩種或多種動力源的車輛，例如，具有汽油動力和電動力的車輛。本發(fā)明提供用于活化燃料電池組的設備、系統(tǒng)和方法，其通過重復進行將液滴引入到燃料電池組中的增濕操作和通過消耗燃料電池組中的殘余氣體產(chǎn)生真空氣氛的真空潤濕操作，在短時間內(nèi)用極少量的氫實現(xiàn)燃料電池組的活化。下面將參照附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的示例說明的實施方式的用于活化燃料電池組的設備。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的示例說明的示例性實施方式的用于活化燃料電池組的設備的構(gòu)造的示意圖。本發(fā)明的設備將通過自動組裝設備制造的燃料電池組活化，并包括用于在其中進行活化的活化主體100、用于傳送制造的燃料電池組400的組傳送單元300、和用于將通過組傳送單元300所傳送的燃料電池組400安裝至活化主體100的組對接單元200。組對接單元200與活化主體100電連接使得燃料電池組400可以運行，并且與設置在活化主體100中的測試歧管110連接使得活化主體100中的氫和空氣可以相應地流入到燃料電池組400中。而且，活化主體100配置成為活化燃料電池組提供恒定的條件，其中交替地和重復進行隨后將描述的高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作。為此，活化主體100可以包括氫供應裝置、空氣供應裝置、增濕器、和用于控制這些裝置的控制器。適宜地，包括在根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于活化燃料電池組的設備中的活化主體100可以包括用于在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛的配置系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個實施方式中，活化主體100可以包括用于將引入到燃料電池組中的氫、空氣、和液滴的供應切斷的流束切斷裝置，從而產(chǎn)生真空。因此，在根據(jù)本發(fā)明的示例說明的實施方式的用于活化燃料電池組的設備中，在通過流束切斷裝置將引入到燃料電池組中的氫、空氣等的供應切斷時，向燃料電池組施加預定的負載使得燃料電池組中的殘余氣體被消耗，從而在燃料電池組中產(chǎn)生真空。如上所述，包括在本發(fā)明的活化主體100中的控制器控制活化主體100交替地和重復進行高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作。為此，在高濕度開路電壓操作過程中，控制器控制活化主體100在運行氫供應裝置、空氣供應裝置、和增濕器時進行開路電壓操作。相反，在真空潤濕操作過程中，通過流束切斷裝置將引入到燃料電池組中的氫、空氣等的供應切斷，并向燃料電池組施加負載，從而實現(xiàn)燃料電池組的真空潤濕。通過控制器重復進行這些操作預定的次數(shù)，直到完成活化。下面將詳細描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式的使用上述設備的燃料電池組的活化方法。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的燃料電池組的活化方法從工藝中去除本質(zhì)上用于活化常規(guī)燃料電池組的高電流密度操作，并通過在非輸出狀態(tài)下使用真空提高聚合物電解質(zhì)膜的離子導電率。因此，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法，在比現(xiàn)有技術(shù)的方法更短的時期內(nèi)完成燃料電池組的活化，而同時使用極少或不使用氫。更詳細地，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法包括高濕度開路電壓操作和真空 潤濕操作。隨著這兩個操作被重復，實現(xiàn)燃料電池組的活化。進行高濕度開路電壓操作，以通過將液滴引入到燃料電池組中來實現(xiàn)活化，并且在高濕度開路電壓操作之后進行真空潤濕操作，以通過在真空氣氛下使燃料電池組濕潤來提高聚合物電解質(zhì)膜的離子導電率。 與包括在輸出狀態(tài)下進行的高電流輸出操作的常規(guī)的活化方法相反，根據(jù)本發(fā)明的上述活化燃料電池組的方法基本上在非輸出狀態(tài)下進行。也就是，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法的特征在于去除高電流輸出操作。同時，與使用高電流輸出操作的常規(guī)的活化方法相比，當僅使用真空而無高電流輸出操作時，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法沒有達到100%的活化，而是顯示出僅約90%的活化。為了解決該問題,在進行部分活化工序之后,進一步進行被稱為密封存儲操作的另外的活化工序，其中在所述部分活化工序中重復高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作。因此，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法中，可以連續(xù)進行部分活化工序和之后的密封存儲操作，以完成燃料電池組的活化，其中在所述部分活化工序中重復高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法的實施方式，其包括高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作。在圖2中示出的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法的示例說明的實施方式中，以固定的間隔重復進行上述的高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作以實現(xiàn)燃料電池組的活化。適宜地，在根據(jù)本發(fā)明的示例說明的實施方式的燃料電池組的活化方法中，可以基于進行每一操作的時間來確定重復進行每一操作的固定間隔。鑒于此，可以分別重復進行高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作2至5分鐘的預定時間。下面將更詳細地描述圖2中示出的實施方式的工序，其中進行每一操作。首先，如圖2所示，在本實施方式中，用于將液滴引入到燃料電池組中的高濕度開路電壓操作進行第一個3分鐘。進行高濕度開路電壓操作是為了確保在比現(xiàn)有技術(shù)更高的相對濕度實現(xiàn)充分的增濕。充分的增濕優(yōu)選與運行燃料電池組的條件相對應，在相對濕度為100%或更高。例如，在圖2的示例性實施方式中，在如下條件下進行高濕度操作增濕器的溫度設定在75V，且冷卻劑的溫度設定在30°C，其對應于約800%的相對濕度。因此，在根據(jù)本發(fā)明的高濕度開路電壓操作過程中，在開路電壓向燃料電池組供應氫和空氣，從而運行燃料電池組。接下來，在高濕度開路電壓操作之后，在真空氣氛下進行真空潤濕操作3分鐘，從而潤濕燃料電池組。通過切斷氫和空氣的供應并消耗燃料電池組中的殘余氣體以產(chǎn)生真空氣氛，在上述的高濕度開路電壓操作之后，進行該操作。為此，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法的真空潤濕操作過程中，將引入到燃料電池組中的氫和空氣的供應切斷，并向燃料電池組施加預定的負載，使得燃料電池組中的殘余氣體被消耗。通過真空潤濕操作，在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛，從而潤濕燃料電池組。因此，如圖2所示，在本發(fā)明的真空潤濕操作過程中，例如向燃料電池組施加5A的 電流，使得殘余在燃料電池組中的反應氣體被迅速地消耗，從而在縮短的時期中在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛。通過上述真空潤濕操作，聚合物電解質(zhì)膜很容易膨脹，并且聚合物電解質(zhì)膜的該膨脹改變膜的表面結(jié)構(gòu)，以使水有利地吸收在膜的孔中。適宜地，聚合物電解質(zhì)膜的膨脹改變適合于水運動的聚合物S03_的結(jié)構(gòu)以容易在膜的表面上被取向(oriented)。因此，提高了聚合物電解質(zhì)膜的水吸收能力，這接著提高了聚合物電解質(zhì)膜的離子導電率。也就是，液滴分散到聚合物電解質(zhì)膜的納米孔中，因此聚合物電解質(zhì)膜膨脹。同時，官能團(SO3-H+)增力口，其提高聚合物電解質(zhì)膜的水吸收能力，從而提高聚合物電解質(zhì)膜的離子導電率(S/cm)。如此，在聚合物電解質(zhì)膜中的水流限制于現(xiàn)有的組活化工序時，當以上述方式進行真空潤濕操作時，水延所有方向自由地分散在聚合物電解質(zhì)膜的孔中，其促進氫離子(質(zhì)子)的遷移，從而加速電解質(zhì)膜的活化。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的用于活化燃料電池組的系統(tǒng)和方法相比于現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)更短時期內(nèi)的活化。在圖2的實施方式中，3分鐘的高濕度開路電壓操作和3分鐘的真空潤濕操作重復九次以實現(xiàn)燃料電池組的活化。而且，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法中，在重復進行高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作以使燃料電池組活化之后，可以進行另外的活化工序以進一步活化燃料電池組。更詳細地，在活化工序，其中重復所述兩個操作之后，進行密封燃料電池組并長時期存儲密封的燃料電池組的密封存儲操作，以進一步活化燃料電池組。圖3和4示出通過密封存儲操作的性能的改變。圖3示出根據(jù)密封存儲時間的推移電流密度與電壓之間的關(guān)系。如圖3所示，可以看出，根據(jù)活化之后密封存儲時間的推移，通過燃料電池組的另外的活化，燃料電池組的電壓關(guān)于電流密度增加。而且，圖4示出根據(jù)密封存儲時間的推移開路電壓和電阻的變化。如圖4所示，可以看出，根據(jù)密封存儲時間的推移開路電壓增加，并且電阻降低，由此可以看出根據(jù)密封存儲時間的推移活性提高。在密封存儲操作中的另外的活化工序中，通過氫與氧之間的反應增加真空氣氛，使得水容易地分散到電解質(zhì)膜的次微孔(submicropore)中。結(jié)果,適合于水運動的聚合物SO3-的結(jié)構(gòu)被取向以促進氫離子的遷移，從而實現(xiàn)活化。因此，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法中，重復進行高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作，由此可以顯著地減少燃料電池組的活化所需要的時間和用于活化的氫的量。而且，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組的活化方法，為了進一步活化進一步進行密封存儲，由此可以在包括上述高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作的部分活化工序之后進一步提高燃料電池組的活性。有利地，用于活化燃料電池組的設備和方法從整個工序中去除用于向燃料電池組施加高輸出電流的工序，并且作為替代采用高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作，并顯著地減少重復的工序的數(shù)量，從而顯著地減少燃料電池組的活化所需要的時間和用于活化的氫的量。本發(fā)明已參考其實施方式進行了 詳細描述。然而，本領域技術(shù)人員能夠理解，可以在不偏離本發(fā)明的原理和精神的情況下對這些實施方式進行各種改變，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求及其等同方式限定。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組的活化方法，所述方法包括 高濕度開路電壓操作，對燃料電池組進行增濕并且在開路電壓運行燃料電池組；和 真空潤濕操作，通過在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛來使聚合物電解質(zhì)膜的表面濕潤， 其中交替和重復進行所述高濕度開路電壓操作和所述真空潤濕操作。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述真空潤濕操作包括切斷氫和空氣的供應，并且施加電流以消耗燃料電池組中的殘余氣體從而在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中以固定間隔重復進行所述高濕度開路電壓操作和所述真空潤濕操作。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中重復進行所述高濕度開路電壓操作2至5分鐘的預定時間。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中重復進行所述真空潤濕操作2至5分鐘的預定時間。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中在所述高濕度開路電壓操作中，在100%或更高的相對濕度進行所述增濕。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括在重復進行所述高濕度開路電壓操作和所述真空潤濕操作之后進行的密封存儲操作。
8.一種用于活化燃料電池組的設備，所述設備包括 包括用于向燃料電池組供應氫的氫供應裝置、用于向燃料電池組供應空氣的空氣供應裝置、用于對燃料電池組進行增濕的增濕器的活化主體；和 用于控制所述活化主體的控制器， 其中所述控制器控制所述活化主體交替和重復進行高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作。
9.如權(quán)利要求8所述的設備，其中所述活化主體包括與燃料電池組連接以使氫和空氣流入到燃料電池組中的測試歧管，所述測試歧管與用于將燃料電池組安裝至所述活化主體的組對接單元連接。
10.如權(quán)利要求9所述的設備，還包括用于傳送待活化的燃料電池組的組傳送單元。
11.一種用于活化燃料電池組的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 活化主體，在其中活化燃料電池；和 用于控制所述活化主體的控制器，所述控制器配置成交替和重復進行第一操作和第二操作，其中所述第一操作對燃料電池組進行增濕并且在開路電壓運行燃料電池組，并且所述第二操作通過在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛來使聚合物電解質(zhì)膜的表面濕潤。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述第二操作是真空潤濕操作，其進一步配置成切斷氫和空氣的供應，并施加電流以消耗燃料電池組中的殘余氣體從而在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述第一操作是高濕度開路電壓操作，其與所述真空潤濕操作一起以固定間隔重復進行。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中重復進行所述高濕度開路電壓操作2至5分鐘的預定時間。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中重復進行所述真空潤濕操作2至5分鐘的預定時間。
16.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中在所述第一操作中，在100%或更高的相對濕度進行所述增濕。
17.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括在重復進行所述高濕度開路電壓操作和所述真空潤濕操作之后進行的密封存儲操作。
18.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述活化主體還包括與燃料電池組連接以使氫和空氣流入到燃料電池組中的測試歧管，所述測試歧管與用于將燃料電池組安裝至所述活化主體的組對接單元連接。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括用于傳送待活化的燃料電池組的組傳送單元。
全文摘要
本發(fā)明公開用于活化燃料電池組的設備和方法，其通過在關(guān)斷操作中采用真空潤濕工序顯著地減少活化所需要的時間和用于活化的氫的量。具體地，高濕度開路電壓操作對燃料電池組進行增濕并在開路電壓下運行燃料電池組，并且真空潤濕操作通過在燃料電池組中產(chǎn)生真空氣氛來使聚合物電解質(zhì)膜的表面濕潤。交替和重復進行高濕度開路電壓操作和真空潤濕操作。
文檔編號H01M8/04GK102891330SQ201110461850
公開日2013年1月23日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者李在爀, 申煥秀, 李盛根, 秋炫碩 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社