聚合物电解质燃料电池的初始激活方法.pdf

一种聚合物电解质燃料电池的初始激活方法，包括：加湿燃料电池组；执行用于施加小电流到加湿后的燃料电池组的小电流驱动操作；以及通过反复执行激活循环预定次数来执行激活操作。所述激活循环包括：用于驱动燃料电池组输出第一预定电压的第一驱动操作；在无负载开路电压状态下用于控制燃料电池组的第一暂停操作；用于驱动燃料电池组输出第二预定电压的第二驱动操作；以及在无负载开路电压状态下用于控制燃料电池组的第二暂停操作。

1.  一种聚合物电解质燃料电池的初始激活方法，包括：
加湿燃料电池组；
执行用于施加小电流到加湿后的燃料电池组的小电流驱动操作；以及
通过反复执行预定次数的激活循环来执行激活操作，其中所述激活循环包括：用于驱动燃料电池组输出第一预定电压的第一驱动操作，在无负载开路电压状态下用于控制燃料电池组的第一暂停操作，用于驱动燃料电池组输出第二预定电压的第二驱动操作，以及在无负载开路电压状态下用于控制燃料电池组的第二暂停操作。

2.  如权利要求1所述的方法，其中，直到燃料电池组的温度到达预定加湿温度时才执行加湿燃料电池组步骤。

3.  如权利要求2所述的方法，其中，所述预定加湿温度确定为53到57℃范围内的温度。

4.  如权利要求3所述的方法，其中，执行激活操作根据下表执行：

聚合物电解质燃料电池的初始激活方法
相关申请的交叉引用
本申请要求以2003年11月27日申请的韩国专利申请No.10-2003-0085160为优先权，其公开的内容在此结合作为参考。
技术领域
本发明涉及一种聚合物电解质燃料电池(PEFC)，尤其涉及一种在制造PEFC之后PEFC的初始激活方法。
背景技术
通常，燃料电池通过在供应到燃料电极的氢气和供应到空气电极的空气之间的电化学反应产生电。在氢气和空气之间的电化学反应由布置在空气电极和燃料电极之间的电解质膜产生，并且具有固体类型电解质膜的燃料电池通常称为聚合物电解质燃料电池(PEFC)(或固体聚合物电解质燃料电池)。
PEFC的电解质膜通常由杜邦公司的Nafion(注册商标)材料制成。
在本领域公知，电解质膜的正常操作条件优选是在正常环境温度和80℃之间，更优选地在55和65℃之间，并且燃料和氧化气体的温度优选类似于主体温度，更优选处在温度差10℃之内。另外，公知氢气(燃料气体)的供应量优选是其理论量的1.7到2.0倍，空气(氧化气体)的供应量优选是理论量的1.2到1.5倍。同时，PEFC是具有低电压和高电流特性的能量产生设备，在开路状态下单元电池的理论最大输出电压是1.23V。然而，车辆的电源必须使用多个单元电池，并且考虑到燃料电池的能量转换效率，优选电压范围0.4-0.9V的功率用于单元电池。
然而，在PEFC的正常操作范围内，燃料电池的输出主要由在燃料电池的电化学反应期间产生的电子和离子的平稳移动确定，而这与质子的通道有关。
因此，在制造燃料电池之后在正常操作燃料电池之前，需要对燃料电池的进行初始激活，即产生离子的足够通道，以便在短时间内恢复燃料电池的效率，即使燃料电池长时间没有运转。
在用于初始激活的传统方法中，根据负载变化曲线持续变化的负载以及根据向前的负载变化曲线和相反的负载变化曲线的负载循环交替地施加几次。
然而，在这种用于初始激活燃料电池的传统方法中，必须不止一天地持续执行操作，也存在制造质子通道的限制。
在本发明背景技术部分公开的信息仅仅用于帮助理解本发明的发明背景，并且其不应当被认为是对该信息形成了对本领域熟练技术人员来说已经公知的现有技术的确认或任何形式的暗示。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚合物电解质燃料电池的初始激活方法，其中用于激活的时间能够减少，不需要长时间的持续的运转，另外，由本发明初始激活的方法激活的燃料电池的整体效率得到很大提高。
根据本发明实施例的聚合物电解质燃料电池的初始激活的示范性方法包括：加湿燃料电池组；执行用于施加小电流到加湿后的燃料电池组的小电流驱动操作；并通过反复执行激活循环预定次数来执行激活操作。所述激活循环包括：用于驱动燃料电池组输出第一预定电压的第一驱动操作；在无负载开路电压状态下用于控制燃料电池组的第一暂停操作；用于驱动燃料电池组输出第二预定电压的第二驱动操作；以及在无负载开路电压状态下用于控制燃料电池组的第二暂停操作。
在本发明的进一步实施例中，直到燃料电池组的温度到达预定加湿温度时执行加湿燃料电池组。
依旧在本发明的进一步实施例中，所述预定加湿温度确定为53到57℃范围内的温度。
在本发明另一实施例中，根据燃料电池组输出确定所述预定次数。
在本发明的进一步实施例中，如果在前面的激活操作结束时燃料电池组的输出大于在当前激活操作结束时燃料电池组输出的95％，那么完成执行激活操作。
依旧在本发明的进一步实施例中，用于初始激活的方法进一步包括在加湿燃料电池组之前执行燃料电池测试操作，其中执行燃料电池组测试操作包括：测量聚合物电解质燃料电池的开路电压；以及确定该开路电压是否高于预定值。
附图说明
结合在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本发明的一实施例，并且与描述部分一起用于解释本发明的原理，其中：
图1是根据本发明实施例用于执行聚合物电解质燃料电池(PEFC)的初始激活方法地系统框图；
图2是示出根据本发明实施例初始激活方法的流程图；
图3是示出图2中激活操作的流程图；以及
图4是一曲线图，示出了根据本发明实施例的初始激活方法和传统初始激活方法的比较效率曲线。
具体实施方式
下面，本发明的优选实施例将参照附图进行描述。
图1示出根据本发明实施例用于执行聚合物电解质燃料电池(PEFC)的初始激活方法的系统。
状态信息收集部分110设置有用于监控燃料电池系统不同状态的多个传感器和检测部件，并且将多个表示诸如温度、压力和空气、氢气和冷却液的流量信息以及诸如湿度和燃料电池组的输出电压之类的其它信息的信号输出到控制单元120。监控系统130监控状态信息收集部分110和控制单元120的操作。
控制单元120根据从状态信息收集部分110输入的信息，控制诸如液体供应分系统、加湿分系统等之类的多个分系统140和电负载150，从而通过控制单元120的控制执行激活操作。
图2中示出了根据本发明实施例燃料电池的初始激活方法的流程图。
在将所制造的燃料电池安装到图1的系统中之后，开始加湿和冷却，并且在步骤S210执行初始加湿。
优选地，氢气流量是在电流密度为0.1A/cm2的反应中理论上所需的氢气流量的1.5倍，并且空气流量是在电流密度为0.1A/cm2的反应中理论上所需的空气流量的2.0倍。
决定燃料电池效率的离子移动根本上取决于膜电极组件MEA的特性。因为MEA通过高温加压工艺和干燥工艺制造，MEA的湿度含量很低。另外，MEA可能会包含在形成离子和电子通道的加工过程中进入MEA的化合物杂质(例如异丁烯酒精)。因此，用作氢离子通道的磺酸根(-SO3H)难于执行离子移动的作用。
因此，在步骤S210中由加湿过程以充分加湿状态供应的足够量的反应气体在燃料电池反应过程中通过将离子用氢离子替换而消除了所述离子，这些离子可通过小的结合力结合到MEA，例如钠离子，同时加大了从氢气电极到空气电极的离子通道。因此，离子移动的整体效率提高。
随后，检测在开路电压(OCV)状态中的燃料电池组的单元电池的平均输出电压，并随后在步骤S220确定单元电池的平均输出电压是否高于优选是0.8V/电池的预定电压。
预定电压是用于确定燃料电池组是否已经正确装配的参考值。因此，如果在步骤S220确定单元电池的平均输出电压不高于预定电压，那么确定燃料电池组的装配具有错误，并因此在步骤S230执行燃料电池组的重新检查。
如果在步骤S220确定单元电池的平均输出电压高于预定电压，那么在步骤S240确定燃料电池组的加湿温度是否处在预定温度范围内。优选地，预定温度范围是53-57℃的范围。燃料电池组的加湿温度更优选是55℃。
如果加湿温度处在预定温度范围内，在步骤S250在开路电压状态下通过供应氢气和空气执行小电流操作大约2分钟。在小电流操作过程中，供应的氢气流量优选是在电流密度0.1A/cm²的反应中理论上所需的氢气流量的1.5倍，并且供应的空气流量优选是在电流密度0.1A/cm²的反应中理论上所需的空气流量的2.0倍。
对于超出在步骤S210的加湿过程中的特定时间来说，加载操作仅仅使用一部分用于离子移动通道，并且会导致对燃料电池整体激活的不利影响。因此，执行所述小电流操作使得MEA再次具有初始状态，其中在所述小电流操作中燃料电池维持在开路电压状态大约2分钟。
小电流操作步骤(S250)能够根据下表1执行。
【表1】