本發(fā)明涉及一種活化燃料電池堆的方法，且更具體地，涉及一種通過使用燃料電池的相鄰的單元電池之間的電氣短路現(xiàn)象來快速降低電池堆電壓，并且去除殘留在電池堆中的氧，從而減少處理時(shí)間和氫的消耗量的活化燃料電池堆的方法。

背景技術(shù)：

一般地，在組裝并且制造燃料電池堆后，由于在初次運(yùn)行時(shí)燃料電池堆在電化學(xué)反應(yīng)中的活性低，因此要進(jìn)行被稱為電池堆活化的處理過程來最大程度地保證燃料電池堆正常的初始性能。被稱為預(yù)處理或磨合(break-in)的燃料電池的活化的目的是活化在反應(yīng)中不涉及的催化劑，并充分地氫化包含在電極中的電解質(zhì)膜和電解質(zhì)來確保氫離子通道。更具體地，在組裝燃料電池堆后，為了展示正常狀態(tài)的性能，以確保三相的電極反應(yīng)面積，從聚合物電解質(zhì)膜或電極中去除雜質(zhì)，并提高聚合物電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率為目的，而執(zhí)行電池堆的活化處理過程。

在如上所述的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的活化電池堆的方法中，要反復(fù)執(zhí)行在高電流密度放電狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)(shutdown state)下構(gòu)成的脈沖放電，并且基于220個(gè)單元電池子模塊的處理時(shí)間約為1.5至2小時(shí)。更具體地，通過反復(fù)實(shí)施3分鐘的高電流密度(例如，1.2或1.4A/cm²)放電的處理和在關(guān)斷狀態(tài)下的5分鐘的脈沖放電的處理，約11次來執(zhí)行根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的活化電池堆的方法。

然而，在根據(jù)使用上述脈沖放電的現(xiàn)有技術(shù)的活化過程中，增加了氫的用量和處理時(shí)間。換句話說，利用在關(guān)斷狀態(tài)下的脈沖放電的活化電池堆的現(xiàn)有的方法具有通過改變?nèi)剂想姵氐膬?nèi)部水的流動(dòng)(使活化速度增加的優(yōu)勢。然而，由于基于220個(gè)單元電池子模塊的活化所需的時(shí)間約為105分鐘，并且氫的用量約為2.9千克，因此，增加了處理時(shí)間，并且增加了氫的消耗量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種活化燃料電池堆的方法，更具體地，提供了一種通過利用燃料電池的相鄰的單元電池之間的電氣短路現(xiàn)象來快速降低電池堆電壓，并去除殘留在電池堆中的氧，從而減少處理時(shí)間和氫的消耗量的活化燃料電池堆的方法。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，一種活化燃料電池堆的方法可包括以下步驟：第一步驟，在燃料電池活化處理過程中開始活化處理之后，向形成燃料電池的電池堆供應(yīng)氧和氫，從而使電池堆處于開路電壓(OCV)狀態(tài)，之后，停止氧和氫的供應(yīng)；第二步驟，通過單元電池電壓感測端板使形成電池堆的多個(gè)單元電池中相鄰的單元電池電連接，并且使相鄰的單元電池短路，從而使單元電池電壓為0V；第三步驟，在第二步驟之后，再次向電池堆供應(yīng)氧和氫，并且執(zhí)行施加預(yù)定時(shí)間段的預(yù)定電流密度的預(yù)處理過程；第四步驟，經(jīng)開路電壓狀態(tài)，通過施加超過預(yù)定電流密度的電流密度持續(xù)超過預(yù)定時(shí)間的時(shí)間段，再次使電壓降低至0V，從而去除殘留在電池堆中的氧；以及，第五步驟，在去除殘留的氧之后，在經(jīng)過預(yù)定時(shí)間的休息期(silent period)(例如，關(guān)斷)之后，再次供應(yīng)氧和氫。

此外，在第三步驟中，可將預(yù)定電流密度設(shè)定成約0.6至1.0A/cm²，并且可將預(yù)定時(shí)間段設(shè)定成約10至60秒。在第四步驟中，可將超過預(yù)定電流密度的電流密度設(shè)定成約1.0至1.4A/cm²，并且可將超過預(yù)定時(shí)間的時(shí)間段設(shè)定成約30至180秒。在第五步驟中，可將再次供應(yīng)氧和氫的預(yù)定時(shí)間設(shè)定成約30至300秒。此外，在第二和第四步驟中，可將單元電池電壓短路為0V的時(shí)間設(shè)定成小于約5秒。通過使第四和第五步驟，電壓的降低的過程以及氧和氫的再次供應(yīng)的過程，重復(fù)11次，活化處理時(shí)間可為約75分鐘，并且氫的消耗量可減少至約為1.7千克。單元電池電壓感測端板可具有從中心向兩端形成的，使相鄰的單元電池彼此連接的連接部。

根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，一種活化燃料電池堆的方法可包括以下步驟：第一步驟，在燃料電池活化處理過程中開始活化處理之后，向形成燃料電池的電池堆供應(yīng)氧和氫以允許電池堆處于開路電壓(OCV)狀態(tài)，之后，停止氧和氫的供應(yīng)；第二步驟，通過在單元電池電壓感測端板中形成的連接部使形成電池堆的多個(gè)單元電池中的相鄰的單元電池電連接，并使相鄰的單元電池短路以允許單元電池電壓為0V；第三步驟，再次向電池堆供應(yīng)氧和氫，并且執(zhí)行施加約0.6至1.0A/cm²的電流密度約10至60秒的預(yù)處理過程；第四步驟，經(jīng)開路電壓狀態(tài)，通過施加約為1.0to 1.4A/cm²的電流密度約30至180秒，再次使電壓降低至約0V，從而去除殘留在電池堆中的氧；以及，第五步驟，在去除殘留的氧之后，在經(jīng)過約30至300秒的休息期之后，再次供應(yīng)氧和氫。具體地，可將單元電池電壓短路成0V的時(shí)間設(shè)定成小于約5秒。

附圖說明

從下面的結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述及其他目的、特征和優(yōu)勢使變得更加顯而易見。

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于活化燃料電池堆的方法的流程圖；以及

圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例和現(xiàn)有技術(shù)的活化燃料電池堆的方法的平均電壓和活化時(shí)間的曲線圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或者其他相似術(shù)語包括一般的機(jī)動(dòng)車輛，例如包括運(yùn)動(dòng)型多用途車(SUV)、公交車、卡車、各式商用車輛在內(nèi)的載客車輛，包括各種艇和船在內(nèi)的水運(yùn)工具，以及航空器等等，并且包括混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)車輛、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛、氫動(dòng)力車輛以及其他代用燃料車輛(例如，從石油以外的資源取得的燃料)。如本文所述，混合動(dòng)力車輛是同時(shí)具有兩種或多種動(dòng)力源的車輛，例如，同時(shí)汽油驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)的車輛。

盡管示例性實(shí)施例被描述成使用多個(gè)單元來執(zhí)行示例性處理，但應(yīng)當(dāng)理解的是，示例性處理也可通過一個(gè)或者多個(gè)模塊執(zhí)行。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，術(shù)語“控制器/控制單元”可指代包括存儲(chǔ)器和處理器的硬件設(shè)備。存儲(chǔ)器被配置成存儲(chǔ)模塊，并且處理器被具體地配置成執(zhí)行上述模塊從而執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)下文進(jìn)一步描述的處理過程。

本文所使用的專有名詞僅是為了說明特定實(shí)施例的目的，而非意在限制本發(fā)明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚表明，單數(shù)形式“一個(gè)”、“一種”和“該”意在也包括復(fù)數(shù)形式。還要理解的是，當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，詞語“包括”和/或“包含”指所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或添加。如本文所使用的，詞語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)列出項(xiàng)目的任何或全部的組合。

除非特別陳述或從上下文顯而易見，如本文所使用的，詞語“約”被理解為在本領(lǐng)域的正常公差范圍內(nèi)，例如在平均值的2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)。“約”可理解為在所陳述的值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％內(nèi)。除非從上下文另外明確，本文提供的所有數(shù)值均由詞語“約”修飾。

下面，參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的活化燃料電池堆的方法可包括：在燃料電池活化處理過程中，向燃料電池堆供應(yīng)氧和氫，然后，終止氧和氫的供應(yīng)(S10)；使電池堆的相鄰的單元電池之間電連接并短路(S20)；再次向電池堆供應(yīng)氧和氫，并施加電流(S30)；通過短路降低電壓來去除殘留在電池堆中的氧(S40)；和再次供應(yīng)氧和氫(S50)。

如圖1和圖2所示，在根據(jù)本發(fā)明的活化燃料電池堆的方法的開始處理過程(S10)中，在燃料電池活化過程中開始活化處理之后，可向形成燃料電池的電池堆供應(yīng)氧和氫，因此允許電池堆處于開路電壓(OCV)狀態(tài)。

此外，當(dāng)電池堆變?yōu)殚_路電壓狀態(tài)時(shí)，可通過終止氧和氫的供應(yīng)來準(zhǔn)備短路。具體地，可通過使用單元電池電壓感測端板，使形成電池堆的多個(gè)單元電池中的相鄰的單元電池之間電連接(例如，電連接的相鄰的單元電池)，并且使彼此連接的相鄰的單元電池之間短路，以使單元電池電壓降至接近于0V(S20)。連接單元電池的單元電池電壓感測端板可具有從中心向兩端形成的，使相鄰的單元電池彼此連接的連接部(未示出)。

在預(yù)處理過程中(S30)中，在使單元電池電壓降至接近于0V之后(S20)，可通過再次向電池堆供應(yīng)氧和氫，并施加預(yù)定的時(shí)間段的預(yù)定的電流密度來執(zhí)行預(yù)處理過程。具體地，可將預(yù)定的電流密度設(shè)定為約0.6至1.0A/cm²以檢測有缺陷的電池，并且確認(rèn)在低電流密度和高電流密度下的電壓穩(wěn)定性，預(yù)定的時(shí)間段可被設(shè)定為約10至60秒以確認(rèn)在一段時(shí)間期間的電壓穩(wěn)定性。具體地，可將預(yù)定電流設(shè)定為約360A，并且可將預(yù)定時(shí)間段設(shè)定為約30秒。

在去除殘留在電池堆中的氧的步驟(S40)中，在執(zhí)行預(yù)處理過程之后，經(jīng)開路電壓狀態(tài)，通過施加超過預(yù)定時(shí)間(例如約10至60秒)的時(shí)間段的超過預(yù)定電流密度(例如，約0.6至1.0A/cm²)的電流密度，通過短路可使電壓再次降至約0V，從而去除殘留在電池堆中的氧。具體地，可將超過預(yù)定電流密度的電流密度設(shè)定為約1.0至1.4A/cm²，以便可通過以高電流脈沖運(yùn)行使催化劑周圍的全氟磺酸(Nafion)膨脹(swelling)，并引起電極結(jié)構(gòu)的變化，使閉孔(closed pore)變?yōu)殚_孔(open pore)，從而獲得物質(zhì)轉(zhuǎn)移阻力(mass transfer resistance)減小的效果，并且超過預(yù)定時(shí)間的時(shí)間段可被設(shè)定為約30至180秒以獲得充分的物質(zhì)轉(zhuǎn)移阻力減少的效果。具體地，超過約360A的預(yù)定電流的電流可設(shè)定為約432A，并且超過約30秒預(yù)定時(shí)間的時(shí)間段可設(shè)定為約120秒。

此外，為了通過快速降低電壓，通過快速去除殘留在電池堆中的氧，使Pt-Ox還原并且使鉑/粘合劑界面優(yōu)化，單元電池電壓短路至0V的短路保持時(shí)間以氫化學(xué)計(jì)量比1.5為參考可設(shè)定為小于約5秒(例如，可使電壓降低時(shí)間設(shè)定成不超過約5秒)，并且，只要在活化時(shí)使用的氫化學(xué)計(jì)量比的量不變，就使單元電池電壓短路至0V的短路保持時(shí)間保持為小于約5秒。另一方面，作為替代外部短路的方法，通過施加負(fù)載來強(qiáng)制性地快速降低電壓時(shí)，可施加約為20A的電流。具體地，電流施加可與活化面積(cm²)成比例地增加。

在氧和氫的再次供應(yīng)步驟中(S50)，在去除殘留的氧之后，在經(jīng)歷預(yù)定時(shí)間段的休息期(例如，關(guān)斷)之后，可再次供應(yīng)氧和氫來活化電池堆。具體地，可將預(yù)定時(shí)間段設(shè)定為約30至300秒，從而在休息期過程中通過從表面上去除在制造電極的過程中混入的雜質(zhì)或已形成的表面氧化物，以及殘留的有機(jī)溶劑(IPA醇，丙醇等)來獲得充分的提高催化劑活性的效果。具體地，預(yù)定時(shí)間可以設(shè)置成約為180秒。休息期是關(guān)斷狀態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明，在休息期后，通過短路再次降低電壓來去除在電池堆中殘留的氧，并且可再次供應(yīng)氧和氫，至少重復(fù)11次，從而使燃料電池堆滿足參考性能，因此，能夠加速活化過程。具體地，由于在制造單元電池的電極分隔板的過程中形成的鉑催化劑表面上的氧化物的還原速度因陰極過電壓下降(over-voltage degradation)而增加，并且通過Pt-Ox還原和鉑/粘合劑界面優(yōu)化可完全去除殘留在陰極上的氧，因此活化速度增加。

換句話說，根據(jù)本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過減少消耗時(shí)間和中間過程的重復(fù)次數(shù)，可使活化過程的時(shí)間顯著減少，使活化處理時(shí)間減少至約為75分鐘，并且通過使氫的消耗量(例如，氫的消耗量可基于活化過程時(shí)間和重復(fù)次數(shù)而發(fā)生變化)減少至約為1.7千克，來提高燃料電池的可銷售性。

因此，活化燃料電池堆的方法可包括：在燃料電池活化過程中開始活化過程之后，向形成燃料電池的電池堆供應(yīng)氧和氫，以允許該電池堆處于開路電壓(OCV)狀態(tài)，并且終止氧和氫的供應(yīng)(S10)；通過單元電池電壓感測端板使形成電池堆的多個(gè)單元電池中的相鄰的單元電池電連接，并且使相鄰單元電池短路來使單元電池電壓降至0V(S20)；向電池堆再次供應(yīng)氧和氫，并且執(zhí)行施加預(yù)定時(shí)間的預(yù)定電流的預(yù)處理過程(S30)；經(jīng)開路電壓狀態(tài)，通過施加超過預(yù)定時(shí)間的時(shí)間段的超過預(yù)定電流的電流，再次使使電壓降至0V，從而去除殘留在電池堆中的氧(S40)，并且在去除殘留的氧后，在經(jīng)過預(yù)定的時(shí)間段的休息期之后，再次供應(yīng)氧和氫(S50)。

在通過使燃料電池的相鄰的單元電池短路的方法使處于開路電壓狀態(tài)的單元電池電壓降至約0V之后，可重復(fù)進(jìn)行活化，并且在活化過程中，通過使用短路來快速地降低電壓，可去除殘留在電池堆中的氧，從而可加速活化過程，因此，能夠減少固定(fixing)所需要的時(shí)間，并且減少用于活化的氫的用量。

在上文中，盡管已經(jīng)參考示例性實(shí)施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明不限于此，而是在不違背所附權(quán)利要求所主張的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可由本發(fā)明所屬領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員做出各種修改和改變。