用于关闭包含燃料电池堆叠的系统的方法以及包括燃料电池堆叠的系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池堆叠，尤其但不排他地涉及，电解质采取聚合物膜的形式的燃料电池堆叠(即，PEFC(聚合物电解质燃料电池)或PEMFC(质子交换膜燃料电池))。
【背景技术】
[0002]已知的是，燃料电池堆叠能够通过根据燃料气体和氧化剂气体的电化学氧化还原反应而直接产生电力，而无需转化机械能。该技术很有前景，尤其是对于汽车应用。概括而言，燃料电池堆叠包括单元元件的串联组合，所述单元元件每个主要包括被聚合物膜分开的阳极和阴极，从而离子能够穿过聚合物膜从阳极到达阴极。
[0003]因此，供应有燃料(例如，氢气)的阳极是发生氧化半反应的地点。同时，供应有氧化剂(例如，纯氧气或包含在空气中的氧气)的阴极是发生还原半反应的地点。为了可以实现这两个半反应，有必要以催化剂(即，能够提高反应速率但自身不被消耗的化合物)来填充阳极和阴极。在所使用的各种催化剂中，已经观察到，使用铂(单独使用或以合金形式使用)获得了最好的性能。
[0004]为了防止燃料电池堆叠、尤其是催化剂的任何退化，在堆叠的使用寿命中经历的多次停用/启用时，有必要提供特定的停用程序，例如在专利申请EP 2 494 642中所描述的。
[0005]然而，已经观察到，燃料电池堆叠的性能在几次停用/启用循环之后就下降了。因此，本发明的目标是提供能够在不干扰燃料电池堆叠的工作而且不产生额外退化的情况下维持燃料电池堆叠的性能的方法。
【发明内容】
[0006]从而，本发明提出一种用于停用聚合物电解质膜燃料电池堆叠的方法，该燃料电池堆叠被安装在包括燃料气体供应回路和氧化剂气体供应回路的系统中，该燃料气体供应回路将燃料气体储备区连接至燃料电池堆叠的阳极，该氧化剂气体供应回路连接至氧化剂气体储备区或大气空气，该燃料气体为氢气，所述方法包括下列步骤:
[0007](i)切断燃料气体和氧化剂气体的供应；
[0008](?)继续进行电流的抽取，直到氧化剂气体被消耗；以及
[0009](iii)将富氮气的气体注入到氧化剂气体供应系统中，
[0010]该方法的特征在于，在停用程序结束时，仍存在于燃料电池堆叠的阳极处的氢气被完全消除了。
[0011]在阳极处存在的氢气确保电化学势保持在0V。因此，在氢气被消除后，该电化学势上升。现在，如果电化学势超过特定的预设阈值，在堆叠工作期间发生的二次反应时被燃料电池堆叠的催化剂吸收的化学物质被释放。这种去吸附清洁了催化剂，增加了其活性面积。因此，催化剂的性能提高，从而使得燃料电池堆叠的性能能够提高。
[0012]应当注意，该氢气的消除必须仅在燃料电池堆叠已经完全关闭之后进行。特别地，在停用过程期间的氢气的部分不存在或完全不存在导致下列反应:
[0013]-支撑催化剂的碳的阳极处的腐蚀；
[0014]-在阴极处的铂的分解；
[0015]-催化剂活性的不可逆的下降；以及
[0016]-在燃料电池堆叠包括多个电池的情况下的阳极与阴极之间的电势倒置。
[0017]这样的反应是起反作用的，因为其会降低燃料电池堆叠的性能，并从而抵消根据本发明的方法的所有益处。在阳极与阴极之间的残留电压变得非常低、例如低于或等于0.06伏特时，认为堆叠关闭了。消除氢气的最终步骤可以在每次堆叠停用时进行，或者比其更不经常地进行。
[0018]在本发明的一个有益实施方案中，消除氢气的步骤包括机械抽吸步骤。该抽吸例如是利用真空栗实现的。例如，在诸如下面参考了附图而进行描述的配置中，使真空栗工作两分钟能够提取在关闭后在阳极处仍存在的氢气中的90%。
[0019]在本发明的一个有益实施方案中，消除氢气的步骤包括吹动步骤，该吹动步骤包括在阴极注入正压的氮气，以取代氢气。
[0020]在本发明的一个有益实施方案中，消除氢气的步骤是通过借助安装在燃料电池堆叠的端口间的阻抗来消耗氢气而进行的。
[0021 ] 在本发明的一个有益实施方案中，消除氢气的步骤包括电化学栗送步骤，该电化学栗送步骤实施安装在堆叠外的电化学膜。这样的电化学膜的工作原理与形成燃料电池堆叠的堆叠的电池相同，从而，这样的电化学膜能够通过与在堆叠工作期间发生的电化学反应相似的电化学反应而消耗氢气。
[0022]应当注意，这些消除氢气的各种装置可以单独使用，也可以彼此组合使用。从而，在一个有益实施方案中，使用了安装在燃料电池堆叠的端口间的阻抗来消耗在应用了上述装置中的另一个之后剩余的氢气残留。
[0023]应当注意，真空栗的使用例如在某些电池中导致氢气的局部缺乏，而同时在其他电池中遗留氢气。为了对此进行补救，在一个有益实施方案中，使用三通阀以在下述两个步骤间交替:在堆叠中产生真空的步骤以及混匀在堆叠中仍存在的气体的步骤；从而，确保了每个真空步骤能够有效地从所有电池中消除氢气。
[0024]在已经消除了氢气之后，观察到，环境空气通过自然渗透而穿透到堆叠中。空气的这种逐渐进入能够维持导致上述性能恢复的电势偏差。应当注意，如果堆叠是完全严格密封的，则有必要强制进行渗透，以便保证最小量的空气进入堆叠。
[0025]另外，本发明还涉及用于启动聚合物电解质膜燃料电池堆叠的方法，其包括初始化步骤，该初始化步骤在注入燃料气体之前抽吸在阳极处存在的氧化剂气体。特别地，当堆叠是通过根据本发明的停用方法而停用时，氧化剂气体在整个堆叠中(包括阳极处)取代氢气。因此，在注入氢气以启用工作循环之前，有必要消除氧化剂气体，以便避免氧化剂气体和氢气在给定的电极上共存，否则，将产生对堆叠耐久性产生不利影响的面内电压。应当注意，该启动方法也可以独立于本发明来实施。
[0026]本发明还涉及包含燃料电池堆叠的系统，所述系统包括气体回路以及形成燃料电池堆叠的电化学电池的堆叠，该燃料电池堆叠包括聚合物离子交换膜，所述回路包括:
[0027]-燃料气体供应回路，其将燃料气体储备区连接至燃料电池堆叠的阳极；以及
[0028]-氧化剂气体供应回路，其将氧化剂气体储备区或大气空气连接至燃料电池堆叠的阴极；
[0029]其特征在于，该系统进一步包括能够完全消除在燃料电池堆叠的阳极处存在的氢气的装置。
[0030]在一个有益实施方案中，能够完全消除氢气的装置包括安装在燃料气体供应回路中的真空栗。
[0031 ] 在一个有益实施方案中，能够完全消除氢气的装置包括与燃料电池堆叠并联安装的阻抗。
[0032]在一个有益实施方案中，能够完全消除氢气的装置包括安装在燃料气体供应回路中的真空栗。
【附图说明】
[0033]说明书的剩余部分将通过所附附图使得本发明的所有方面能够被清楚地理解，在附图中:
[0034]-图1是供应有氢气和空气的根据本发明的燃料电池堆叠的示意图；以及
[0035]-图2显示了实施了本发明的燃料电池在时间上的性能。
【具体实施方式】
[0036]图1显示了电解质采取聚合物膜的形式的燃料电池堆叠lb( S卩，PEFC(聚合物电解质燃料电池)堆叠或PEMFC(质子交换膜燃料电池)堆叠)。燃料电池堆叠lb供应有两种气体，即燃料气体(车辆存储的或车辆上产生的氢气)和氧化剂气体(空气或纯氧气)，所述气体供应电化学电池的电极。电负载14通过电线10连接至燃料电池堆叠lb。图1显示了阴极回路的元件以便更好地理解本发明，尽管本申请的主题实际上还涉及燃料电池堆叠的阳极回路。
[0037]阳极回路的描述:
[0038]该配置包括阳极侧燃料气体供应回路11。如所示出的，纯氢气比储备区11T通过穿过截止阀110、然后穿过调压阀117、然后穿