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(guò)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(wú)需轉(zhuǎn)化機(jī)械能。該技術(shù)很有前景，尤其是對(duì)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(gè)主要包括被聚合物膜分開(kāi)的陽(yáng)極和陰極，從而離子能夠穿過(guò)聚合物膜從陽(yáng)極到達(dá)陰極。
[0003]因此，供應(yīng)有燃料(例如，氫氣)的陽(yáng)極是發(fā)生氧化半反應(yīng)的地點(diǎn)。同時(shí)，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(gè)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(lái)填充陽(yáng)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(shí)，有必要提供特定的停用程序，例如在專利申請(qǐng)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(chǔ)備區(qū)連接至燃料電池堆疊的陽(yáng)極，該氧化劑氣體供應(yīng)回路連接至氧化劑氣體儲(chǔ)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(shí)，仍存在于燃料電池堆疊的陽(yáng)極處的氫氣被完全消除了。
[0011]在陽(yáng)極處存在的氫氣確保電化學(xué)勢(shì)保持在0V。因此，在氫氣被消除后，該電化學(xué)勢(shì)上升?，F(xiàn)在，如果電化學(xué)勢(shì)超過(guò)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(shí)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(guò)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(yáng)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(gè)電池的情況下的陽(yáng)極與陰極之間的電勢(shì)倒置。
[0017]這樣的反應(yīng)是起反作用的，因?yàn)槠鋾?huì)降低燃料電池堆疊的性能，并從而抵消根據(jù)本發(fā)明的方法的所有益處。在陽(yáng)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(shí)，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(shí)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(gè)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(yáng)極處仍存在的氫氣中的90%。
[0019]在本發(fā)明的一個(gè)有益實(shí)施方案中，消除氫氣的步驟包括吹動(dòng)步驟，該吹動(dòng)步驟包括在陰極注入正壓的氮?dú)猓匀〈鷼錃狻?br>[0020]在本發(fā)明的一個(gè)有益實(shí)施方案中，消除氫氣的步驟是通過(guò)借助安裝在燃料電池堆疊的端口間的阻抗來(lái)消耗氫氣而進(jìn)行的。
[0021 ] 在本發(fā)明的一個(gè)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(guò)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(gè)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(lái)消耗在應(yīng)用了上述裝置中的另一個(gè)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(shí)在其他電池中遺留氫氣。為了對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)救，在一個(gè)有益實(shí)施方案中，使用三通閥以在下述兩個(gè)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(gè)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(guò)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(shì)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(dòng)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(yáng)極處存在的氧化劑氣體。特別地，當(dāng)堆疊是通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的停用方法而停用時(shí)，氧化劑氣體在整個(gè)堆疊中(包括陽(yáng)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(duì)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(dòng)方法也可以獨(dú)立于本發(fā)明來(lái)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(chǔ)備區(qū)連接至燃料電池堆疊的陽(yáng)極；以及
[0028]-氧化劑氣體供應(yīng)回路，其將氧化劑氣體儲(chǔ)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(yáng)極處存在的氫氣的裝置。
[0030]在一個(gè)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(gè)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(gè)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(shuō)明】
[0033]說(shuō)明書(shū)的剩余部分將通過(guò)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(shí)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(chǔ)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(guò)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(qǐng)的主題實(shí)際上還涉及燃料電池堆疊的陽(yáng)極回路。
[0037]陽(yáng)極回路的描述:
[0038]該配置包括陽(yáng)極側(cè)燃料氣體供應(yīng)回路11。如所示出的，純氫氣比儲(chǔ)備區(qū)11T通過(guò)穿過(guò)截止閥110、然后穿過(guò)調(diào)壓閥117、然后穿