本公開內(nèi)容涉及用于加速燃料電池堆(燃料電池組，fuel cell stack)的活化的方法。更具體地，本公開內(nèi)容涉及可以減少燃料電池堆的活化時間和使用的氫氣的量的用于加速燃料電池堆的活化的方法。

背景技術(shù)：

燃料電池堆具有其中堆疊幾十至幾百個單元電池的結(jié)構(gòu)。每個單元電池包括使氫陽離子(質(zhì)子)移動的聚合物電解質(zhì)膜。將空氣電極(陰極(正極，cathode))和燃料電極(陽極(負極，anode))施加至電解質(zhì)膜的兩個表面作為催化劑層，使得氫氣可以與氧氣反應(yīng)。氣體擴散層堆疊在空氣電極和燃料電極的外側(cè)。雙極板堆疊在氣體擴散層的外側(cè)以供應(yīng)燃料并通過流體通道(流動通道，flow channel)排放水。

在燃料電池堆裝配之后的初始運行過程中，在電化學反應(yīng)中降低了燃料電池堆的活性。因此，必須進行堆活化處理以便使初始性能最大化。

這種堆活化處理也稱為“預(yù)處理(pre-conditioning)”或“磨合(break-in)”，其使沒有反應(yīng)的催化劑活化并且通過充分水合包含在電解質(zhì)膜和電極中的電解質(zhì)來確保氫離子通道。

為了使燃料電池堆在裝配后顯示正常性能，進行堆活化處理以確保三相電極反應(yīng)區(qū)域，從聚合物電解質(zhì)膜或電極中去除雜質(zhì)，并改善聚合物電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)電性。

例如，在用于堆活化的傳統(tǒng)方法中，將高電流密度(1.2或1.4A/cm²)放電規(guī)定量時間(分鐘)的過程和其中在停機狀態(tài)下進行脈沖放電規(guī)定量時間的過程重復(fù)幾十次。然而，通過脈沖放電的活化處理具有的問題在于，其中使用的氫氣的量以及處理時間增加。

為了解決這種問題，已經(jīng)提出了使用真空濕潤(vacuum wetting)的用于活化燃料電池堆的方法。在使用真空濕潤用于活化燃料電池堆的方法中，將高電流密度放電的過程和其中在燃料電池堆中在停機狀態(tài)下產(chǎn)生真空的真空濕潤過程可替換地重復(fù)多次至幾十次。

與僅使用現(xiàn)有的恒定電流或電位進行的活化方法相比，以上方法可以減少活化所需的時間和使用的氫氣的量，但是由于用于堆活化的活化設(shè)備(包括電子負載)的局限性，在必須使用活化設(shè)備過程中的時間量相對較長。

因此，在將來燃料電池堆的生產(chǎn)增長時，由于活化設(shè)備的局限性，堆活化可以延遲燃料電池堆的生產(chǎn)時間。因此，對于可以加速燃料電池堆的活化時間并且同時減少用于活化的氫氣的量以便為燃料電池車輛的大規(guī)模生產(chǎn)準備的活化處理，存在需要。

在該背景技術(shù)部分中公開的上述信息僅為了增強對本發(fā)明背景技術(shù)的理解，并且因此它可能包含并不形成在本國對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已經(jīng)已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開內(nèi)容已經(jīng)致力于解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的上述問題。

在一個方面中，本公開內(nèi)容提供了用于加速燃料電池堆的活化的方法，該方法通過加速包括高電流密度放電過程和停機過程的真空脈沖活化 處理，可以進一步減少燃料電池堆的活化時間，從而減少用于活化的氫氣的量。

根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例性實施方式，提供了用于加速燃料電池堆的活化的方法，其中使將高電流(強電流，high current)施加至燃料電池堆規(guī)定量時間的過程和將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面規(guī)定量時間的停機保持過程(停工維修過程，shutdown maintenance process)重復(fù)多次。

將高電流施加至燃料電池堆的過程和將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機保持過程在堆活化的初始階段中可以進行較短的時間段，并且然后在堆活化的隨后階段中通過逐漸增加時間進行較長的時間段。

將高電流施加至燃料電池堆的過程和將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機保持過程在堆活化的初始階段中可以進行3至5秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過逐漸增加時間進行65至75秒。

所述停機保持過程可以包括：在燃料電池堆的停機狀態(tài)下切斷至空氣電極的氧氣供應(yīng)并且同時將氫氣供應(yīng)至燃料電極的過程，其中在燃料電極中將氫氣離解成氫陽離子和電子的反應(yīng)過程(H₂→2H⁺+2e^-)，以及其中將解離的氫離子通過電解質(zhì)膜傳輸至空氣電極并同時與通過外部導(dǎo)線(external conducting wire)傳輸至空氣電極的電子鍵合以在空氣電極中產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)過程(2H⁺+2e^-→H₂)。

可以將氫氣通過停機保持過程泵送至空氣電極使得形成氫還原氣氛，并且可以在將規(guī)定的負載持續(xù)地(恒定地，constantly)施加至燃料電池堆時通過氫還原氣氛從包含在空氣電極中的鉑表面去除氧化物。

在停機保持過程中，可以使用其中以比閾值壓力更高的壓力供應(yīng)氫氣的氫氣加壓方法以便去除殘留在空氣電極中的氧氣。

應(yīng)理解的是，如在本文中使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其他類似術(shù)語包括廣義的機動車輛，如包括運動型多用途車輛(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛的載客車輛(passenger automobile)；包括各種艇和船的水運工具；航空器等，并且包括混合動力車輛(hybrid vehicle)、電動車輛、插入式混合動力電動車輛(plug-in hybrid electric vehicle)、氫動力車輛和其他可替代燃料車輛(例如，源自除了石油之外的資源的燃料)。如在本文中提及的，混合動力車輛是具有兩種或更多種動力源的車輛，例如，汽油動力和電動力車輛。

在下文中討論本發(fā)明的上述和其它特征。

附圖說明

現(xiàn)在將參照在附圖中示出的本公開內(nèi)容的一些示例性實施方式詳細地描述本公開內(nèi)容的上述和其他特征，在下文中僅通過說明的方式給出了附圖，因此并不限制本公開內(nèi)容。

圖1是比較根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思實施方式的用于加速燃料電池堆的活化的方法以及傳統(tǒng)活化方法中的活化期間電池平均電壓的圖。

圖2是比較根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思實施方式的用于加速燃料電池堆的活化的方法以及傳統(tǒng)活化方法中停機電壓的圖。

圖3和4是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思實施方式的用于加速燃料電池堆的活化的方法和傳統(tǒng)活化方法中活化時間和氫氣還原效果的圖。

應(yīng)當理解的是，附圖不必按比例，呈現(xiàn)了說明本發(fā)明的基本原理的各種特征的某種程度的簡化表示。將通過特定的預(yù)期應(yīng)用和使用環(huán)境來部分確定如本文所公開的本公開內(nèi)容的具體設(shè)計特征，包括例如具體尺寸、取向、位置和形狀。

在圖中，參考數(shù)字是指貫穿附圖的幾幅圖的本公開內(nèi)容的相同或等效部件(部分)。

具體實施方式

在下文中，現(xiàn)在將詳細地提及本發(fā)明構(gòu)思的各種實施方式，在附圖中示出了并且在下面描述了本發(fā)明構(gòu)思的實例。盡管將結(jié)合示例性實施方式描述本發(fā)明，然而將理解的是，本說明書并不旨在將本發(fā)明限于那些示例性實施方式。相反，本發(fā)明旨在不僅涵蓋示例性實施方式，而且涵蓋可以包括在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替換、修改、等價物和其他實施方式。

本公開內(nèi)容目的在于在將燃料電池堆安裝至預(yù)定的活化設(shè)備之后，重復(fù)將高電流施加至燃料電池堆的過程以及使燃料電池堆停機的過程，并在停機區(qū)域(停機部分，shutdown section)中引入將氫氣泵送至燃料電池堆的空氣電極反應(yīng)面的過程以便迅速活化燃料電池堆。

即，本公開內(nèi)容可以通過將高電流施加至燃料電池堆規(guī)定量時間，并且然后通過將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機區(qū)域引入過程(停機部分引入過程，shutdown section introduction process)重復(fù)多次規(guī)定量時間，快速活化燃料電池堆。

通過根據(jù)燃料電池堆的活性(％)分開地施加高電流保持時間和停機保持時間可以進一步縮短活化所需的總時間并進一步減少使用的氫氣的量。

重復(fù)將高電流施加至堆的過程以及在燃料電池堆的停機狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機過程。在這種情況下，在堆活化的初始階段進行高電流施加和停機過程較短的時間(約3至5秒)，并且然后在堆 活化的隨后階段中通過逐漸增加時間進行較長的時間(約65至75秒，優(yōu)選70秒)。

更詳細地，在堆活化的初始階段中，即，在其中燃料電池堆具有低活性％的階段中，使用其中將高電流施加時間和用于將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機保持時間保持較短時間段的方法(快速脈沖方法(rapid pulse method))，以便增加燃料電池堆中的催化劑層的活化。相反，在堆活化的隨后階段，即，在其中燃料電池堆具有高活性％的階段中，使用其中將高電流施加時間和停機保持時間保持較長時間段的方法，以便改善燃料電池堆中電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)性。

當高電流施加時間和停機保持時間保持較短時間段時，由于對燃料電池堆的快速電位注入脈沖(rapid potential injection pulse)，在燃料電池堆中恢復(fù)了催化劑的活化(去除表面雜質(zhì)或減少氧化物)。

當將高電流施加時間和停機保持時間保持較長時間段時，由于通過電解質(zhì)膜上的磺酸基的重排順利地形成了離子通道(ion path)，所以可以有效地濕潤電解質(zhì)膜。

將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面包括：在燃料電池堆的停機狀態(tài)下切斷至空氣電極的氧氣供應(yīng)并且同時將氫氣供應(yīng)至燃料電極的過程，其中在燃料電極中將氫氣解離成氫陽離子和電子的反應(yīng)過程(H₂→2H⁺+2e^-)，以及其中將解離的氫離子通過電解質(zhì)膜傳輸至空氣電極并同時再次與通過外部導(dǎo)線傳輸至空氣電極的電子鍵合以在空氣電極中產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)過程(2H⁺+2e^-→H₂)。

通過迅速去除殘留在空氣電極中的氧氣，電池電位可以達到0V(SHE：氫氧化/還原標準電位)，使得在用于將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機保持時間過程中，不會由于氧氣殘留在空氣電極中使氫氣與氧氣在空氣電極反應(yīng)通道中混合。因此在空氣電極中使其中從氫電極擴散的氫氣與殘留 的氧氣混合的混合電位區(qū)域(mixed potential section)最小化。因此，通過由氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的氧自由基，使電解質(zhì)膜和粘結(jié)劑之間的解離(分解，分開，dissociation)最小化。

當去除殘留在空氣電極中的氧氣時，可以在其中當在其中從空氣電極反應(yīng)面完全去除氧氣的狀態(tài)中持續(xù)地施加規(guī)定的負載(例如，0.1A/cm²)時通過將氫氣泵送至空氣電極形成氫還原氣氛的狀態(tài)中，從空氣電極的鉑催化劑的表面容易地去除氧化物。

為了迅速去除殘留在空氣電極中的氧氣，需要在停機之前在其中不施加反向電壓的范圍內(nèi)施加高電流(約0.2A/cm²)。通過施加高電流，電池電位迅速下降至0V，從而去除氧氣。

當在其中從空氣電極去除氧氣并且將規(guī)定的負載(例如，0.1A/cm²)持續(xù)地施加至燃料電池堆的狀態(tài)下通過將氫氣泵送至空氣電極形成還原氣氛時，可以通過氫還原氣氛增加包含在空氣電極中的鉑催化劑表面上的氧化物還原的反應(yīng)速率(動力學速率)，從而加速空氣電極催化劑的活化。

當在將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機保持過程中將氫氣供應(yīng)至燃料電極時，可以通過在比典型的氫氣供應(yīng)壓力更高的壓力下的加壓方法供應(yīng)氫氣。因此，可以在空氣電極中產(chǎn)生更多的氫氣并使氫氣(氫)容易擴散通過電解質(zhì)膜，從而使空氣電極催化劑在停機過程期間活化。

更詳細地，當通過加壓方法將更多的氫氣供應(yīng)至燃料電極時，可以通過在燃料電極中將氫氣解離成氫陽離子和電子，并且然后在空氣電極中使氫陽離子和電子再次鍵合，進一步增加產(chǎn)生氫氣的量。因此，可以通過其中在空氣電極中產(chǎn)生更多氫氣的氫還原氣氛，進一步增加包含在空氣電極中的鉑表面上的氧化物還原的反應(yīng)速率(動力學速率)，從而進一步加速空氣電極催化劑的活化。

此外，通過以上加壓方法加壓的氫氣在停機過程期間容易擴散通過電解質(zhì)膜，并且擴散的氫氣連同在空氣電極中產(chǎn)生的氫氣有效地形成空氣電極的還原氣氛。

當在停機保持過程之后持續(xù)地施加規(guī)定的負載(例如，0.1A/cm²)時，在其中將空氣供應(yīng)至空氣電極的條件下形成每個電池約0.9V的電壓，該電壓低于每個電池約1V的開路電壓。當在燃料電池活化處理中保持該開路電壓相對較長時間段時，空氣電極的鉑和碳的表面被氧化，從而進一步降低活性。然而，可以通過避免該開路電壓使燃料電池的活性的劣化最小化。

以下將描述根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例，但是本公開內(nèi)容不限于以下實施例。

[實施例1]

重復(fù)將高電流施加至堆的過程、以及在堆的停機狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機保持過程。在這種情況下，在堆活化的初始階段，分別進行高電流施加和停機保持過程約3秒和5秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過逐漸增加時間各自進行約70秒。

當持續(xù)施加0.1A/cm²或更低的電流(負載)同時使氫氣加壓并供應(yīng)氫氣以便完全去除在停機區(qū)域(停機部分，shutdown section)中殘留在空氣電極中的一部分氧氣時，通過將氫氣泵送至空氣電極形成還原氣氛。因此，容易從空氣電極的鉑催化劑的表面去除氧化物。

根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例1的總活化時間是35分鐘。

[實施例2]

根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例2，重復(fù)將高電流施加至堆的過程、以及在堆的停機狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機保持過程。在這種情況下，在堆活化的初始階段中，進行高電流施加過程約3秒，并且然后在隨后的堆活化階段中通過逐漸增加時間進行高電流施加過程約70秒。在堆活化的初始階段中進行停機保持過程約70秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過逐漸減少時間，進行約5秒。進行活化35分鐘。

[實施例3]

根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例3，重復(fù)將高電流施加至堆的過程、以及在堆的停機狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機保持過程。在這種情況下，在堆活化的初始階段中進行高電流施加過程約70秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過逐漸減少時間進行高電流施加過程約3秒。在堆活化的初始階段中進行停機保持過程約5秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過逐漸增加時間進行停機保持過程約70秒。進行活化35分鐘。

[實施例4]

根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例4，重復(fù)將高電流施加至燃料電池堆的過程、以及在堆的停機狀態(tài)中將氫氣泵送至空氣電極反應(yīng)面的停機保持過程。在堆活化的初始階段中進行高電流施加過程約70秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過逐漸減少時間進行高電流施加過程約3秒。此外，在堆活化的初始階段中進行停機保持過程約70秒，并且然后在堆活化的隨后階段中通過逐漸減少時間進行停機保持過程約5秒。進行活化35分鐘。

[比較例]

根據(jù)相關(guān)技術(shù)的比較例，高電流施加和停機保持(沒有泵送氫氣)時間分別是55秒和70秒。類似地進行活化處理1至18個周期，并且進行活化50分鐘和80分鐘。

[表1]

在進行根據(jù)各個實施例和比較例的活化處理之后，測量活化之后的平均電壓。在上表1中示出了結(jié)果。

如在表1中看出的，作為在比較例中進行活化總共50分鐘的結(jié)果，堆活化之后的平均電壓是0.620V。在本公開內(nèi)容的實施例1中，堆活化35分鐘之后的平均電壓是0.619V。

即，可以看出，當最初減少并且然后逐漸增加高電流施加和停機時間時，在本公開內(nèi)容的實施例1中實現(xiàn)了更高的活化效率。

因此，如在圖1至圖3中示出的，在根據(jù)本公開內(nèi)容的用于加速燃料電池堆的活化的方法中，與相關(guān)技術(shù)相比在停機期間的電池電壓下降速率更快。因此，活化處理可以在35分鐘內(nèi)進行，這與比較例的活化時間(50分鐘或80分鐘)相比顯著減少了時間。

此外，如在圖4中示出的，由于顯著減少了堆活化時間，所以與相關(guān)技術(shù)相比，可以顯著減少消耗的氫氣的量。

通過以上示例性實施方式，本公開內(nèi)容提供了以下效果。

1)與相關(guān)技術(shù)相比，在停機過程期間電池電壓下降速率可以更快，因此，通過重復(fù)將高電流施加至燃料電池堆的過程以及使燃料電池堆停機的過程并且引入在停機過程期間將氫氣泵送至堆的空氣電極反應(yīng)面的過程，與相關(guān)技術(shù)相比可以顯著地減少活化時間。

2)此外，因為顯著減少了堆活化時間，所以可以顯著減少消耗的氫氣的量。

3)另外，即使在必須使用活化設(shè)備期間的時間量相對較長，由于顯著減少了堆活化時間，所以可以增加燃料電池堆的生產(chǎn)。

已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實施方式詳細描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不背離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以對這些實施方式進行改變，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等價物限定。