用于保持燃料電池系統(tǒng)的性能的方法以及燃料電池氣體回路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池，具體而言，本發(fā)明并不排他地涉及具有聚合物膜形式的電解質(zhì)的類型的燃料電池(即，PEFC(聚合物電解質(zhì)燃料電池)類型)。
【背景技術(shù)】
[0002]已知的是，燃料電池使用燃料氣體和氧化劑氣體而通過電化學氧化還原反應直接產(chǎn)生電能，而不需機械能轉(zhuǎn)化步驟。該技術(shù)很有前景，尤其是對于電動車輛應用。概括而言，燃料電池包括單元元件的串聯(lián)組合，所述單元元件的每個主要包括通過聚合物膜分開的陽極和陰極，使離子從陽極穿過聚合物膜到達陰極。
[0003]因此，供應有燃料(例如，氫氣)的陽極是發(fā)生氧化半反應的地點。同時，供應有氧化劑(例如，純氧氣或包含在空氣中的氧氣)的陰極是發(fā)生還原半反應的地點。為了實現(xiàn)這兩種半反應，有必有用催化劑(即，能夠提高反應速率但自身不被消耗的化合物)來對陽極和陰極充電。
[0004]在所使用的各種催化劑中，已經(jīng)觀察到，使用鉑(單獨使用或作為合金使用)獲得了最好的性能。然而，由于鉑在存在氧氣時的逐漸氧化，使用鉑具有顯著的缺陷。從而，已經(jīng)觀察到，在陰極催化劑中使用的鉑的逐漸氧化導致了性能下降，該性能下降的表現(xiàn)是電壓下降，而這在燃料電池僅僅工作了幾十分鐘后。
[0005]美國專利US6 635 369提供了一種解決方案，其能夠使得陰極的氧氣處于規(guī)律的短缺狀態(tài)，從而減緩鉑的逐漸變劣，而這使得燃料電池的性能能夠在更長的時間上得到保持。
[0006]在該專利中，通過燃料電池在非常短的周期中短路(這導致了電流尖峰)來產(chǎn)生氧氣短缺。因此，陰極電化學勢突然下降，不再發(fā)生鉑的氧化，因為該反應需要存在氧氣以及高電化學勢。從而，在每次產(chǎn)生短路后，能夠觀察到性能的提高。
[0007]然而，這樣的解決方案有幾個主要的缺陷。特別地，僅有小容量燃料電池(例如，大約一千瓦的燃料電池)能夠?qū)崿F(xiàn)短路。如果使用更大容量的燃料電池(例如，大約50kW的燃料電池)，回路產(chǎn)生的電流的增加將更大，而具有損壞系統(tǒng)的風險。另外，已經(jīng)觀察到，短路不僅導致陰極的鉑的還原，而且導致陽極的腐蝕，從而產(chǎn)生損壞風險。最后，使用短路并不提供任何可控參數(shù)，因為，引起的電壓下降只取決于燃料電池及其在短路時的工作。
[0008]另一解決方案還設(shè)想的是，如同專利申請EP 2 494 642所提出的，有規(guī)律地將燃料電池置于消耗/重啟循環(huán)中，其包括通過氧氣的短缺來消耗燃料電池。確實，每次循環(huán)可以因此使得鉑還原，從而保持燃料電池的性能。然而，當連續(xù)使用燃料電池時，以及當電力的產(chǎn)生不能中斷時，不能應用該解決方案。
[0009]因此，本發(fā)明的目標是，提出能夠保持燃料電池的性能而不干擾其工作且不產(chǎn)生額外損壞的過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提出了一種用于保持聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的性能的過程，所述燃料電池安裝在包括燃料氣體供應回路和氧化劑氣體供應回路的系統(tǒng)中，所述燃料氣體供應回路將燃料氣體儲備區(qū)連接至燃料電池的陽極，所述氧化劑氣體供應回路將氧化劑氣體儲備區(qū)或大氣連接，所述過程包括下列步驟:
[0011]-用燃料氣體和氧化劑氣體供應燃料電池，
[0012]-當燃料電池達到產(chǎn)生電流的工作狀態(tài)時，中斷氧化劑氣體向燃料電池的陰極側(cè)的入口的供應，
[0013]-在給定時間后和/或在燃料電池的端口的電壓達到預定水平時，重啟氧化劑氣體的供應，
[0014]-在燃料電池工作的期間周期性重復前述的兩個步驟。
[0015]在本發(fā)明的一個有益實施方案中，氣體的供應在三秒時段的中斷后重啟。在另一實施方案中，氣體的供應在燃料電池的電池的平均電壓變?yōu)樾∮谖灏俸练鼤r重啟。
[0016]相對短的打開能夠在該暫時的供應不足期間限制電壓的下降。確實，盡管燃料電池瞬間不再供應有空氣，燃料電池的高度電容效應有助于將電壓保持在可接收的水平，而不需干擾電的產(chǎn)生。
[0017]在本發(fā)明的另一有益實施方案中，其中，步驟的重復頻率被設(shè)定為五分鐘。
[0018]關(guān)于中斷氧化劑氣體供應的中斷的步驟，幾種實施方案都是可能的:
[0019]-在第一實施方案中，該中斷包括:打開位于燃料電池的陰極的上游且將氧化劑氣體供應回路連接至外部空氣的閥，
[0020]-在第二實施方案中，該中斷包括:瞬間中斷位于氧化劑氣體供應回路中的空氣壓縮機的工作，以及
[0021]-在第三實施方案中，該中斷包括:關(guān)閉位于氧化劑氣體供應回路中的閥。
[0022]本發(fā)明還涉及聚合物離子交換膜燃料電池的氣體回路，其包括:
[0023]-燃料氣體供應回路(11)，其將燃料氣體儲備區(qū)連接至燃料電池的陽極，
[0024]-氧化劑氣體供應回路(12b)，其將氧化劑氣體儲備區(qū)或大氣連接至燃料電池的陰極，
[0025]其特征在于，所述回路額外包括安裝在氧化劑氣體供應回路(12b)中的構(gòu)件，其用于周期性地且瞬間地中斷氧氣向燃料電池的陰極的供應。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的各個實施方案，中斷構(gòu)件包括:
[0027]-電磁閥，所述電磁閥位于氧化劑氣體供應回路中的陰極的上游，并且將該回路連接至大氣，
[0028]-壓縮機，所述壓縮機位于大氣入口與陰極之間，
[0029]-閥，其位于氧化劑氣體供應回路中。
【附圖說明】
[0030]本說明書的剩余部分通過所附附圖使得能夠清楚地理解本發(fā)明的全部方面，在附圖中:
[0031]-圖1是供應有純氧氣的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的示意圖；
[0032]-圖2顯示了實施或不實施本發(fā)明的燃料電池在時間上的性能。
【具體實施方式】
[0033]圖1顯示了聚合物膜形式的具有電解質(zhì)的類型的燃料電池Ib ( S卩，PEFC (聚合物電解質(zhì)燃料電池)或PEM (質(zhì)子交換膜)類型)。燃料電池Ib供應有兩種氣體，即燃料(車輛存儲或車輛上產(chǎn)生的氫氣)和氧化劑(空氣或純氧氣)，所述氣體供應電化學電池的電極。電負載14通過電線10連接至燃料電池lb。圖1表示了陽極回路的元件以用于理解本發(fā)明，但是本申請的主題實際上還涉及燃料電池的陰極回路。
[0034]陽極回路的描述:
[0035]該組件包括陽極側(cè)的燃料氣體供應回路11。圖中顯示了純氫氣H2儲備區(qū)11T，其通過穿過截止閥110、然后穿過調(diào)壓閥117、然后穿過噴射器113并然后穿過燃料氣體供應通道IlA的結(jié)束于陽極的供應線路而連接至燃料電池Ib的陽極回路的入口。氫氣(燃料)供應回路11還包括用于回收沒有被燃料電池消耗的氫氣的回路11R，所述回路連接至燃料電池Ib的陽極回路的出口?；厥栈芈稩lR中安裝了水分離器114。噴射器113和再循環(huán)栗115使得未消耗的氫氣再循環(huán)，并且將其與來自儲備區(qū)的新的氫氣混合。
[0036]圖中還顯示了額外的燃料氣體積累室116，其位于燃料氣體供應回路11的管道系統(tǒng)中，在截止閥110與調(diào)壓閥117之間。在優(yōu)選的實施方案中，額外的積累室位于供應回路中壓力最大的點，以便減小其體積，或者以相同的體積存儲更大量的氫氣。應當注意，額外的燃料氣體積累室116可以位于燃料氣體供應回路中的任意點，也就是說，位于截止閥110與燃料電池Ib之間的任意點、甚至回收回路IlR中的任意點或者水分離器114與噴射器113之間的回路中的任意點。然而有益的是，將其放置在回路中在壓力較高的點，以便減小其體積。另外