用于關(guān)閉包含燃料電池堆疊的系統(tǒng)的方法以及包括燃料電池堆疊的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池堆疊，尤其但不排他地涉及，電解質(zhì)采取聚合物膜的形式的燃料電池堆疊(即，PEFC(聚合物電解質(zhì)燃料電池)或PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池))。
【背景技術(shù)】
[0002]已知的是，燃料電池堆疊能夠通過根據(jù)燃料氣體和氧化劑氣體的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)而直接產(chǎn)生電力，而無需轉(zhuǎn)化機(jī)械能。該技術(shù)很有前景，尤其是對于汽車應(yīng)用。概括而言，燃料電池堆疊包括單元元件的串聯(lián)組合，所述單元元件每個主要包括被聚合物膜分開的陽極和陰極，從而離子能夠穿過聚合物膜從陽極到達(dá)陰極。
[0003]因此，供應(yīng)有燃料(例如，氫氣)的陽極是發(fā)生氧化半反應(yīng)的地點(diǎn)。同時，供應(yīng)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(yīng)的地點(diǎn)。為了可以實(shí)現(xiàn)這兩個半反應(yīng)，有必要以催化劑(即，能夠提高反應(yīng)速率但自身不被消耗的化合物)來填充陽極和陰極。在所使用的各種催化劑中，已經(jīng)觀察到，使用鉑(單獨(dú)使用或以合金形式使用)獲得了最好的性能。
[0004]為了防止燃料電池堆疊、尤其是催化劑的任何退化，在堆疊的使用壽命中經(jīng)歷的多次停用/啟用時，有必要提供特定的停用程序，例如在專利申請EP 2 494 642中所描述的。
[0005]然而，已經(jīng)觀察到，燃料電池堆疊的性能在幾次停用/啟用循環(huán)之后就下降了。因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供能夠在不干擾燃料電池堆疊的工作而且不產(chǎn)生額外退化的情況下維持燃料電池堆疊的性能的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]從而，本發(fā)明提出一種用于停用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池堆疊的方法，該燃料電池堆疊被安裝在包括燃料氣體供應(yīng)回路和氧化劑氣體供應(yīng)回路的系統(tǒng)中，該燃料氣體供應(yīng)回路將燃料氣體儲備區(qū)連接至燃料電池堆疊的陽極，該氧化劑氣體供應(yīng)回路連接至氧化劑氣體儲備區(qū)或大氣空氣，該燃料氣體為氫氣，所述方法包括下列步驟:
[0007](i)切斷燃料氣體和氧化劑氣體的供應(yīng)；
[0008](?)繼續(xù)進(jìn)行電流的抽取，直到氧化劑氣體被消耗；以及
[0009](iii)將富氮?dú)獾臍怏w注入到氧化劑氣體供應(yīng)系統(tǒng)中，
[0010]該方法的特征在于，在停用程序結(jié)束時，仍存在于燃料電池堆疊的陽極處的氫氣被完全消除了。
[0011]在陽極處存在的氫氣確保電化學(xué)勢保持在0V。因此，在氫氣被消除后，該電化學(xué)勢上升。現(xiàn)在，如果電化學(xué)勢超過特定的預(yù)設(shè)閾值，在堆疊工作期間發(fā)生的二次反應(yīng)時被燃料電池堆疊的催化劑吸收的化學(xué)物質(zhì)被釋放。這種去吸附清潔了催化劑，增加了其活性面積。因此，催化劑的性能提高，從而使得燃料電池堆疊的性能能夠提高。
[0012]應(yīng)當(dāng)注意，該氫氣的消除必須僅在燃料電池堆疊已經(jīng)完全關(guān)閉之后進(jìn)行。特別地，在停用過程期間的氫氣的部分不存在或完全不存在導(dǎo)致下列反應(yīng):
[0013]-支撐催化劑的碳的陽極處的腐蝕；
[0014]-在陰極處的鉑的分解；
[0015]-催化劑活性的不可逆的下降；以及
[0016]-在燃料電池堆疊包括多個電池的情況下的陽極與陰極之間的電勢倒置。
[0017]這樣的反應(yīng)是起反作用的，因?yàn)槠鋾档腿剂想姵囟询B的性能，并從而抵消根據(jù)本發(fā)明的方法的所有益處。在陽極與陰極之間的殘留電壓變得非常低、例如低于或等于0.06伏特時，認(rèn)為堆疊關(guān)閉了。消除氫氣的最終步驟可以在每次堆疊停用時進(jìn)行，或者比其更不經(jīng)常地進(jìn)行。
[0018]在本發(fā)明的一個有益實(shí)施方案中，消除氫氣的步驟包括機(jī)械抽吸步驟。該抽吸例如是利用真空栗實(shí)現(xiàn)的。例如，在諸如下面參考了附圖而進(jìn)行描述的配置中，使真空栗工作兩分鐘能夠提取在關(guān)閉后在陽極處仍存在的氫氣中的90%。
[0019]在本發(fā)明的一個有益實(shí)施方案中，消除氫氣的步驟包括吹動步驟，該吹動步驟包括在陰極注入正壓的氮?dú)?，以取代氫氣?br>[0020]在本發(fā)明的一個有益實(shí)施方案中，消除氫氣的步驟是通過借助安裝在燃料電池堆疊的端口間的阻抗來消耗氫氣而進(jìn)行的。
[0021 ] 在本發(fā)明的一個有益實(shí)施方案中，消除氫氣的步驟包括電化學(xué)栗送步驟，該電化學(xué)栗送步驟實(shí)施安裝在堆疊外的電化學(xué)膜。這樣的電化學(xué)膜的工作原理與形成燃料電池堆疊的堆疊的電池相同，從而，這樣的電化學(xué)膜能夠通過與在堆疊工作期間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)相似的電化學(xué)反應(yīng)而消耗氫氣。
[0022]應(yīng)當(dāng)注意，這些消除氫氣的各種裝置可以單獨(dú)使用，也可以彼此組合使用。從而，在一個有益實(shí)施方案中，使用了安裝在燃料電池堆疊的端口間的阻抗來消耗在應(yīng)用了上述裝置中的另一個之后剩余的氫氣殘留。
[0023]應(yīng)當(dāng)注意，真空栗的使用例如在某些電池中導(dǎo)致氫氣的局部缺乏，而同時在其他電池中遺留氫氣。為了對此進(jìn)行補(bǔ)救，在一個有益實(shí)施方案中，使用三通閥以在下述兩個步驟間交替:在堆疊中產(chǎn)生真空的步驟以及混勻在堆疊中仍存在的氣體的步驟；從而，確保了每個真空步驟能夠有效地從所有電池中消除氫氣。
[0024]在已經(jīng)消除了氫氣之后，觀察到，環(huán)境空氣通過自然滲透而穿透到堆疊中?？諝獾倪@種逐漸進(jìn)入能夠維持導(dǎo)致上述性能恢復(fù)的電勢偏差。應(yīng)當(dāng)注意，如果堆疊是完全嚴(yán)格密封的，則有必要強(qiáng)制進(jìn)行滲透，以便保證最小量的空氣進(jìn)入堆疊。
[0025]另外，本發(fā)明還涉及用于啟動聚合物電解質(zhì)膜燃料電池堆疊的方法，其包括初始化步驟，該初始化步驟在注入燃料氣體之前抽吸在陽極處存在的氧化劑氣體。特別地，當(dāng)堆疊是通過根據(jù)本發(fā)明的停用方法而停用時，氧化劑氣體在整個堆疊中(包括陽極處)取代氫氣。因此，在注入氫氣以啟用工作循環(huán)之前，有必要消除氧化劑氣體，以便避免氧化劑氣體和氫氣在給定的電極上共存，否則，將產(chǎn)生對堆疊耐久性產(chǎn)生不利影響的面內(nèi)電壓。應(yīng)當(dāng)注意，該啟動方法也可以獨(dú)立于本發(fā)明來實(shí)施。
[0026]本發(fā)明還涉及包含燃料電池堆疊的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括氣體回路以及形成燃料電池堆疊的電化學(xué)電池的堆疊，該燃料電池堆疊包括聚合物離子交換膜，所述回路包括:
[0027]-燃料氣體供應(yīng)回路，其將燃料氣體儲備區(qū)連接至燃料電池堆疊的陽極；以及
[0028]-氧化劑氣體供應(yīng)回路，其將氧化劑氣體儲備區(qū)或大氣空氣連接至燃料電池堆疊的陰極；
[0029]其特征在于，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括能夠完全消除在燃料電池堆疊的陽極處存在的氫氣的裝置。
[0030]在一個有益實(shí)施方案中，能夠完全消除氫氣的裝置包括安裝在燃料氣體供應(yīng)回路中的真空栗。
[0031 ] 在一個有益實(shí)施方案中，能夠完全消除氫氣的裝置包括與燃料電池堆疊并聯(lián)安裝的阻抗。
[0032]在一個有益實(shí)施方案中，能夠完全消除氫氣的裝置包括安裝在燃料氣體供應(yīng)回路中的真空栗。
【附圖說明】
[0033]說明書的剩余部分將通過所附附圖使得本發(fā)明的所有方面能夠被清楚地理解，在附圖中:
[0034]-圖1是供應(yīng)有氫氣和空氣的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆疊的示意圖；以及
[0035]-圖2顯示了實(shí)施了本發(fā)明的燃料電池在時間上的性能。
【具體實(shí)施方式】
[0036]圖1顯示了電解質(zhì)采取聚合物膜的形式的燃料電池堆疊lb( S卩，PEFC(聚合物電解質(zhì)燃料電池)堆疊或PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池)堆疊)。燃料電池堆疊lb供應(yīng)有兩種氣體，即燃料氣體(車輛存儲的或車輛上產(chǎn)生的氫氣)和氧化劑氣體(空氣或純氧氣)，所述氣體供應(yīng)電化學(xué)電池的電極。電負(fù)載14通過電線10連接至燃料電池堆疊lb。圖1顯示了陰極回路的元件以便更好地理解本發(fā)明，盡管本申請的主題實(shí)際上還涉及燃料電池堆疊的陽極回路。
[0037]陽極回路的描述:
[0038]該配置包括陽極側(cè)燃料氣體供應(yīng)回路11。如所示出的，純氫氣比儲備區(qū)11T通過穿過截止閥110、然后穿過調(diào)壓閥117、然后穿