通过使用电极反转来恢复燃料电池性能的方法技术

本发明专利技术提供一种用于恢复燃料电池性能的方法，其通过电极反转而使电极特性再生，以便部分恢复退化的聚合物电解质燃料电池的性能。该方法包括通过向退化的燃料电池堆的阳极供应空气并向其阴极供应氢来反转电极，以及通过向所反转的电极施加电流来执行脉冲操作。

【技术实现步骤摘要】

本公开内容涉及通过使用电极反转恢复燃料电池性能的方法，更具体地，涉及通过电极反转使电极特性再生以部分恢复退化的聚合物电解质燃料电池性能的燃料电池性能恢复方法。
技术介绍
通常，燃料电池堆包括聚合物电解质膜。膜电极组件(MEA)由空气电极(阴极)和燃料电极(阳极)组成，空气电极(阴极)和燃料电极(阳极)作为催化剂层涂布在电解质膜的两个表面，以使氢和氧可相互反应。在空气电极和燃料电极所在的外部，气体扩散层(GDL)和垫片相继堆叠。隔板连接到气体扩散层的外侧，在气体扩散层中形成用于供应燃料和排出反应所生成的水的流场，从而形成电池单元。因此，在燃料电池堆的燃料电极中进行氢氧化反应(HOR)，以生成氢离子(质子)和电子。此时产生的氢离子和电子，分别通过电解质膜和隔板移动到空气电极。在空气电极中，通过电化学反应生成水，电化学反应中的质子和电子移自燃料电极。涉及空气中的氧，并且同时，由电子的流动产生电能。构成燃料电池堆内部电极的阳极和阴极包括碳和铂，且众所周知的是，燃料电池堆的性能在工作一段时间后由于碳、铂以及膜的退化而劣化。在燃料电池的工作期间，铂催化剂经历由大小相应于数个纳米颗粒的阴极的铂表面上形成的氧化膜(Pt-氧化物、Pt-OH、Pt-O和PtO2)由于数个纳米颗粒的聚集或铂自身的溶解而导致的电化学表面积(ECSA)的减小。铂催化剂中断反应性氧在铂表面上的吸附，降低阴极中氧还原反应(ORR)的速率，从而导致整个电池性能的下降。此外，包括在燃料中的数ppm的一氧化碳(CO)化学吸附于铂上，并降低HOR的效率。另外，众所周知的是，驱动高功率车辆时所产生的局部温度增加使膜的孔结构收缩，或使离聚物磺酸基(SO3-)端基重排，从而导致离子传导性降低。然而，通常，由于铂和碳的退化导致的性能劣化被认为是不可逆的退化，且尚没有广泛研究用于恢复性能的方法。燃料电池电解质膜退化的代表性实例包括由于阳极中钌(Ru)的分解导致的催化剂碳间隙的减少。阴极中铂的溶解使ECSA减小，且阴极中排水特性的劣化引起溢流(flooding)。电解质膜的分解减小厚度和针孔形成。同时，在抑制碳腐蚀的各种技术中，已经开发出阻断空气被引入到阴极侧的方法。然而，该方法未能作为根本的途径完全阻断空气向阴极侧的引入。通过暂时阻断空气经其被供应到阴极侧的路线，获得抑制碳腐蚀的效果。负责将氢离子从阳极转移到阴极的电解质膜在燃料电池堆的耐久性能方面是重要的。需要用于确定退化(其导致燃料电池堆性能的劣化及其使用寿命的减少)并恢复电解质膜特性的方法作为应对性能退化的措施，以保证耐久性能。作为相关技术中恢复燃料电池性能的方法，韩国专利申请公开第2007-95684号提出用于活化包括发电单元的被动式燃料电池系统的方法，该燃料电池系统具有分别在两侧设有阳极和阴极(暴露于大气)的膜。该方法包括通过将水循环到阳极中而使膜水合，以及通过施加电压到阳极和阴极，同时分别向阳极和阴极供应含氢燃料和空气，使发电单元人工发电和工作。日本专利申请公开第2008-235093号提出用于恢复燃料电池特性的方法。该方法包括通过使用惰性气体作为运载气体，向燃料电池中氧化剂电极或燃料电极供应相对湿度为80％或更大的高度湿化的气体，以及通过洗涤燃料电池中的催化剂层而去除杂质。日本专利第5154846号公开了用于恢复燃料电池系统性能的方法。该方法包括执行净化方法，其净化燃料电池的阳极气体流场和阴极气体流场中的至少一个，其中净化时间基于暂停发电时燃料电池的温度而设定。WO2001/22517提出通过将pH小于7的酸性溶液注入到阴极和阳极中来恢复燃料电池的电池特性的方法。然而，相关技术中的这些用于恢复燃料电池性能的方法使用储存氢以创建氢氛的技术原理，或使用相关技术中已知的停止向阴极供应空气并引起阴极氢生成的技术，因此存在低恢复效率的问题。
技术实现思路
通过将空气注入到退化电池堆的阳极并向阴极供应氢来反转电极，然后向其施加高输出脉冲电流。结果，在部分恢复催化剂活性时，通过去除退化电池堆的阴极的铂(Pt)表面上所形成的氧化物，并且同时促进电极的铂表面上所吸附的离聚物磺酸根阴离子解吸附，电池的特性可以在短时间内恢复到非常高的水平。本公开内容提供通过在退化的电池堆中电极反转之后施加脉冲电流来将燃料电池的特性恢复到高到足以使燃料电池再循环的水平的方法。根据本公开内容的示例性实施方式，提供用于恢复燃料电池性能的方法。该方法包括通过向退化的燃料电池堆的阳极供应空气并向其阴极供应氧而使电极反转。通过将电流施加到反转的电极来执行脉冲操作。所供应的空气和氢可分别具有50％～100％的相对湿度。脉冲操作可执行为0.15A/cm2到0.8A/cm2范围内的高功率脉冲操作。这些步骤可重复两次到四次。根据本公开内容，通过向通常因不可逆退化而退化的燃料电池堆中的阳极和阴极分别供应空气和氢，并执行高功率脉冲操作，可在最佳操作条件下还原并去除阴极的铂催化剂表面上的氧化物。在电池堆的工作期间被洗提的铂阳离子和铂离子可与电子(2e-)结合以重新沉淀铂，退化的电池堆性能可重新恢复到30％至75％，且通过该方法，其恢复效率在短时间内得到显著提高。通过本公开内容的用于恢复燃料电池性能的方法，用于恢复性能的时间至少减少了约4倍或更多，因为该恢复操作时间相比于相关技术中的恢复操作时间显著减少。在恢复电池堆性能的过程中，退化的燃料电池堆可在恢复后再循环为用于发电的电池堆，最终，也可预期提高电池堆耐久性的效果。特别地，当将根据本公开内容的用于恢复燃料电池性能的方法应用于例如车辆用燃料电池时，预期其效用将大大提高。附图说明图1是示出根据相关技术通过直接向阴极循环和供应氢，然后将阴极密封储存预定时间，从而部分恢复阴极铂催化剂活性的操作的概念视图。图2是示出通过现有的空气制动方法，经燃料电池中阴极的氢生成反应而还原铂表面上的氧化物的操作的概念视图。图3是通过根据本公开内容的恢复方法，经阴极中的氢氧化反应而还原铂表面上的氧化物的操作的概念视图。图4是示出在恒电势条件下在发电用燃料电池的操作条件下，在阴极侧的铂催化剂表面上所发生的退化的机制的概念视图。图5是示出通过应用根据本公开内容的恢复方法，在车辆用燃料电池的动态脉冲电流的操作条件下，在阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于恢复燃料电池性能的方法，所述方法包括：通过向退化的燃料电池堆的阳极供应空气并向其阴极供应氢来使电极反转；以及通过向所反转的电极施加电流来执行脉冲操作。

【技术特征摘要】
2013.10.31 KR 10-2013-0131495;2014.01.06 KR 10-2011.一种用于恢复燃料电池性能的方法，所述方法包括：
通过向退化的燃料电池堆的阳极供应空气并向其阴极供应氢来使电
极反转；以及
通过向所反转的电极施加电流来执行脉冲操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中供应到所述阳极的空气具有
50％至100％的相对湿度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中向所述阳极供应氧而非空气。
4.根据权利要求1所述的方法，供应到所述阴极的空气具有50％至
100％的相对湿度。
5.根据权利要求1所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：秋炫硕，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR