在至少一個實施例中，本發(fā)明涉及用于恢復由于陰離子污染導致的燃料電池中的電壓損失的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：燃料電池在許多應用中被用作電源。特別地，提出了將燃料電池用于汽車中來代替內(nèi)燃發(fā)動機。通常使用的燃料電池設(shè)計使用固體聚合物電解質(zhì)(“SPE”)膜或質(zhì)子交換膜(“PEM”)來提供陽極與陰極之間的離子傳輸。在質(zhì)子交換膜型燃料電池中，氫作為燃料被供應至陽極并且氧作為氧化劑被供應至陰極。氧可以是純凈形式(O2)或空氣(O2和N2的混合物)。PEM燃料電池通常具有膜電極組件(“MEA”)，其中固體聚合物膜在一面上具有陽極催化劑且在相對面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層由多孔導電材料(例如編織石墨、石墨化片材或者碳紙)形成，以使燃料和氧化劑能夠分別分散在面對燃料供應電極和氧化劑供應電極的膜的表面上。每個電極具有負載在碳顆粒上的細碎催化劑顆粒(例如鉑顆粒)以促進氫在陽極處的氧化和氧在陰極處的還原。質(zhì)子從陽極通過離子導電聚合物膜流到陰極，在陰極處它們與氧結(jié)合形成水，水從電池中排出。MEA被夾在一對多孔氣體擴散層(“GDL”)之間，這一對多孔氣體擴散層進而被夾在一對無孔導電元件或板之間。所述板用作陽極和陰極的集流器，并且含有形成在其中的用于將燃料電池的氣態(tài)反應物分配到相應的陽極和陰極催化劑的表面上方的適當通道和開口。為了有效地產(chǎn)生電力，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須是薄的、化學穩(wěn)定的、可傳送質(zhì)子的、非導電的且不透氣的。在典型的應用中，燃料電池被設(shè)置在許多單獨的燃料電池堆陣列中，以便提供高電平的電力。盡管現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)效果相當好，但是已知由于全氟磺酸(PFSA)型PEM膜的化學降解可以釋放硫酸鹽。另外，來自空氣的SO2可以溶解在水中并變成亞硫酸鹽和硫酸鹽。已經(jīng)表明與電池電壓損失有強相關(guān)性的硫酸鹽在恢復循環(huán)期間被釋放到產(chǎn)物水中。在陽極/陰極回路中，那些硫酸鹽將與陰離子交換材料結(jié)合，從而將不再循環(huán)回到電池中以及引起快速電壓損失。當前，運行恢復過程是解決可逆的降解損失的問題的唯一有效方法。然而，在恢復循環(huán)期間，引起電極污染的硫酸鹽和其他陰離子可能沒有被完全從系統(tǒng)去除。因此，需要防止燃料電池電壓損失受到陰離子污染物的影響的改進的方法和系統(tǒng)。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明通過在至少一個實施例中提供一種包括用于去除陰離子污染物的部件的燃料電池系統(tǒng)解決了現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個問題。該燃料系統(tǒng)包括燃料電池堆、與燃料電池堆中的燃料電池陽極連通的燃料氣體進料子系統(tǒng)、與燃料電池堆中的燃料電池陰極連通的含氧氣體進料子系統(tǒng)，以及與燃料氣體進料子系統(tǒng)和/或含氧氣體進料子系統(tǒng)連通的陰離子清除子系統(tǒng)。燃料氣體進料子系統(tǒng)將燃料提供至燃料電池陽極，而含氧氣體進料子系統(tǒng)將含氧氣體提供至燃料電池陽極。燃料電池堆中的燃料電池通過膜降解釋放硫酸鹽，所述硫酸鹽可被釋放到陽極/陰極回路中并且可以再循環(huán)回到電池中從而引起進一步的電壓損失。有利地，陰離子清除子系統(tǒng)將硫酸鹽和其他污染物(例如氯化物)從陽極或陰極再循環(huán)回路中去除。在另一個實施例中，提供了一種去除陰離子污染物的燃料電池系統(tǒng)。該燃料系統(tǒng)包括燃料電池堆、與燃料電池堆中的燃料電池陽極連通的燃料氣體進料子系統(tǒng)、與燃料電池堆中的燃料電池陰極連通的含氧氣體進料子系統(tǒng)，與燃料氣體進料子系統(tǒng)流體連通的第一陰離子清除子系統(tǒng)，以及與含氧氣體進料子系統(tǒng)流體連通的第二陰離子清除子系統(tǒng)。燃料氣體進料子系統(tǒng)將燃料提供至燃料電池陽極。燃料氣體進料子系統(tǒng)還包括陽極回路，在該陽極回路中燃料氣體再循環(huán)并且在燃料重組站與新鮮燃料組合。類似地，含氧氣體進料子系統(tǒng)將含氧氣體提供至燃料電池陰極。含氧氣體進料子系統(tǒng)還包括陰極回路，在該陰極回路中水通過加濕器從出口被傳送至輸入的干燥陰極含氧進料氣體。第一陰離子清除子系統(tǒng)被定位在陽極排放裝置與燃料重組站之間，而第二陰離子清除子系統(tǒng)被定位在陰極排放裝置與燃料重組站之間。附圖說明圖1是將碳負載催化劑并入陽極和/或陰極催化劑層中的燃料電池的示意性橫截面圖；圖2是示出了可恢復電壓損失與燃料電池陰極排放物水中的硫酸鹽濃度的關(guān)系的曲線圖；圖3提供了電池電壓損失與BOP材料浸出指標的關(guān)系的曲線圖；以及圖4提供了提供去除的陰離子污染物的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。具體實施方式現(xiàn)在將詳細參照本發(fā)明目前優(yōu)選的組合物、實施例和方法，這些組合物、實施例和方法構(gòu)成發(fā)明人目前已知的實施本發(fā)明的最佳模式。附圖不必按比例繪制。然而，應該理解的是，所公開的實施例僅僅是可以以各種形式和可替代形式實現(xiàn)的本發(fā)明的示例。因此，本文所公開的具體細節(jié)不應被解釋為限制性的，而是僅僅作為用于本發(fā)明的任何方面的代表性基礎(chǔ)和/或作為用于教導本領(lǐng)域技術(shù)人員以多種形式采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。除了在示例中，或者另外明確說明之外，在本說明書中表示材料的數(shù)量或反應和/或使用的條件的所有數(shù)值量應該被理解為在描述本發(fā)明的最寬范圍時由詞語“大約”來修飾。通常優(yōu)選在所陳述的數(shù)值限制內(nèi)的實踐。另外，除非進行明確地相反陳述，否則百分比、“份數(shù)”和比值以重量計；結(jié)合本發(fā)明將一組或一類材料描述為對于給定目的是適當?shù)幕騼?yōu)選的意味著所述組或類的構(gòu)件的任何兩個或多個的混合物同樣是適當?shù)幕騼?yōu)選的；化學術(shù)語中組分的描述是指添加到說明書中指定的任何組合中的組分，但不排除混合后混合物的組分之間的化學相互作用；縮略詞或其他縮寫的第一定義應用于本文中相同縮寫的所有后續(xù)使用并且以變通的形式應用于最初定義的縮寫的正常語法變型；并且除非進行明確地相反陳述，否則性質(zhì)的測量值由先前或之后針對相同性質(zhì)所引用的相同技術(shù)來確定。還應該理解的是，本發(fā)明不限于以下描述的具體實施例和方法，因為具體的部件和/或條件當然可以改變。此外，本文所使用的術(shù)語僅用于描述本發(fā)明的特定實施例的目的，而并非意在以任何方式進行限制。術(shù)語“包括”與“包含”、“具有”、“含有”或“特征在于”是同義的。這些術(shù)語是包含性的或開放式的，并且不排除其他的、未敘述的要素或方法步驟。短語“由……組成”排除了未在權(quán)利要求中指定的任何要素、步驟或成分。當該短語出現(xiàn)在權(quán)利要求項的條款中，而不是立即跟在前序后時，其只限制在該條款中闡述的要素；而其他要素未被排除在作為整體的權(quán)利要求之外。短語“基本上由……組成”將權(quán)利要求的范圍限制到指定的材料或步驟，以及那些本質(zhì)上不影響所要求保護的主題的基本特征和新穎特征的材料或步驟。關(guān)于術(shù)語“包括”、“由……組成”和“基本上由……組成”，其中本文使用了這三個術(shù)語中的一個，目前所公開且要求保護的主題可包括其他兩個術(shù)語中的任一個的使用。還必須注意的是，如在說明書和所附權(quán)利要求書中所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”包括復數(shù)對象，除非上下文另外清楚地說明。例如，以單數(shù)提到一種部件意在包括多個部件?？s寫：“RT”是指室溫。在整個該申請中，在參考公開文獻的情況下，這些公開文獻的公開內(nèi)容全部被并入本申請中作為參考，以更充分地描述本發(fā)明所屬的
技術(shù)領(lǐng)域：
的狀況。圖1提供了可被并入其中去除了陰離子污染物的燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池的橫截面圖。PEM燃料電池10包括設(shè)置在陰極電催化劑層14與陽極電催化劑層16之間的聚合物離子傳導膜12。燃料電池10還包括導電流場板20、22，導電流場板20包括氣體通道24，導電流場板22包括氣體通道26。流場板20、22為雙極板(如圖所示)或單極板(即端板)。在一種改進中，流場板20、22由可選地涂覆有貴重金屬(例如金或鉑)的金屬板(例如不銹鋼)形成。在另一種改進中，流場板20、22由同樣可選地涂覆有貴重金屬的導電聚合物形成。氣體擴散層32和34也插入在流場板與催化劑層之間。在運行期間，氫作為燃料被供應至陽極催化劑層16并且氧作為氧化劑被供應至陰極催化劑層14，從而作為其中的電化學過程的結(jié)果產(chǎn)生電力。然而，燃料電池運行的一個并發(fā)問題是可以釋放硫酸鹽的聚合物離子傳導膜的降解。另外，來自空氣的SO2可以溶解在水中并變成亞硫酸鹽和硫酸鹽。例如，表1示出了在暴露于空氣中ppb水平的SO2之后第一時間處的燃料電池電壓(V1)和在稍后的時間處的燃料電池電壓(V2)。該表示出了來自環(huán)境空氣SO2對在0.2A/cm2下運行的電池的影響：表1.濃度[ppb]V1[mV]V2[mV]△V[mV]080078911507927731920079076525圖2提供了示出可恢復電壓損失與燃料電池陰極排放物水中的硫酸鹽濃度的關(guān)系的曲線圖。類似地，圖3提供了電池電壓損失與BOP材料浸出指標的關(guān)系的曲線圖。硫酸鹽對燃料電池性能的有害影響顯然是不可否認的。參照圖4，提供了去除陰離子污染物的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。燃料電池系統(tǒng)40包括燃料電池堆42，該燃料電池堆42包括一個或多個單個燃料電池44。在一種改進中，燃料電池44為圖1及其相關(guān)說明中描繪的通用設(shè)計。在一種改進中，燃料電池堆42包括5至400個燃料電池。燃料電池系統(tǒng)40還包括與燃料電池堆42中的燃料電池陽極連通的燃料氣體進料子系統(tǒng)46和在燃料電池堆42中與燃料電池陰極連通的含氧氣體進料子系統(tǒng)48。仍然參照圖4，燃料電池進料子系統(tǒng)46包括將含燃料氣體提供至燃料電池堆42并且特別地提供至燃料電池陽極的燃料源50。通常，燃料包括分子氫。燃料進入燃料電池堆中并接觸燃料電池陽極且特別地接觸燃料電池的陽極催化劑層。在一些變型中，燃料氣體進料子系統(tǒng)46包括陽極回路52，在該陽極回路52中燃料從陽極排放裝置53再循環(huán)并且在燃料重組站54與新鮮燃料組合。在該背景下，陽極回路52包括從重組站54通過燃料電池堆且回到燃料重組站54的整個流動路徑。仍然參照圖4，含氧氣體進料子系統(tǒng)48包括將含氧氣體提供至燃料電池堆42的含氧氣體源60。通常，含氧氣體包括分子氧(例如空氣)。含氧氣體進入燃料電池堆中并接觸燃料電池陰極且特別地接觸燃料電池的陰極催化劑層。在一些變型中，含氧氣體進料子系統(tǒng)48包括陰極回路62，在該陰極回路62中水通過加濕器64從燃料電池陰極的陰極排放裝置63被傳送至輸入的干燥陰極含氧進料氣體(例如空氣)。在該背景下，陰極回路62包括從加濕器64通過燃料電池堆且回到加濕器64的整個流動路徑。仍然參照圖4，燃料電池系統(tǒng)40包括與燃料氣體進料子系統(tǒng)46和/或含氧氣體進料子系統(tǒng)48連通的陰離子清除子系統(tǒng)66和/或68。在一些變型中，燃料電池系統(tǒng)40包括陰離子清除子系統(tǒng)66和/或68中的一者或兩者。陰離子清除子系統(tǒng)66和68將硫酸鹽和可選地其他污染物從陽極或陰極再循環(huán)回路中去除。陰離子清除子系統(tǒng)66被定位在陽極排放裝置53與重組站54之間的陽極再循環(huán)回路52中。類似地，陰離子清除子系統(tǒng)68被定位在陰極排放裝置63與加濕器64之間的陰極回路62中。加濕器64將形成在燃料電池的潮濕輸出陰極氣體上的水傳送至干燥的輸入含氧氣體，從而加濕所述氣體。因此，加濕器提供用于陰離子污染物的路徑以從陰極出口傳送回燃料電池堆的陰極入口。在一種改進中，陰離子清除子系統(tǒng)66被定位在陰極出口與加濕器64之間，從而減少被傳送回含氧氣體的陰離子污染物的量。在一種改進中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68各自獨立地分別去除燃料氣體和含氧氣體中的至少80重量百分比的陰離子污染物。在另一種改進中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68各自獨立地分別去除燃料氣體和含氧氣體中的至少90重量百分比的陰離子污染物。在又一種改進中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68各自獨立地分別去除燃料氣體和含氧氣體中的80至100重量百分比的陰離子污染物。在再一種改進中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68各自獨立地分別去除燃料氣體和含氧氣體中的90至98重量百分比的陰離子污染物。針對這些重量百分比，重量百分比為流到清除子系統(tǒng)中的氣體的重量。在一種變型中，陰離子清除子系統(tǒng)66和68包括氫氧化物(OH-)形式的陰離子交換樹脂或離聚物(常見官能團：季銨)。應該認識到的是，在使用之前，可對樹脂進行洗滌以去除任何污染。此外，在服務期間樹脂可以再生或被代替。表2和表6提供了所測量的在平衡狀態(tài)下測試陰離子交換樹脂(其為氫氧化物形式的A26)的陰離子去除百分比。表2.表3.可以看出，當溶液中存在過度競爭的陰離子時，陰離子交換樹脂對硫酸鹽具有高選擇性。此外，可以看出，在三天中在不同的溫度條件下陰離子去除能力沒有顯著差異。盡管上文描述了示例性實施例，但是并不意味著這些實施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。而是，在說明書中使用的詞語是描述性而非限制性的詞語，且應該理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種改變。另外，可以對各種實現(xiàn)實施例的特征進行組合以形成本發(fā)明的其他實施例。當前第1頁1 2 3