[发明专利]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

说明书

本发明涉及用于关闭聚合物电解质膜燃料电池堆叠的方法，以及包括实施这样的方法的燃料电池堆叠的系统。该系统包括形成燃料电池堆叠的电化学电池的堆叠以及气体回路，该燃料电池堆叠包括聚合物离子交换膜，所述气体回路包括：用于供应燃料气体的回路(11)，其将燃料气体储备区连接至燃料电池堆叠的阳极；以及用于供应氧化剂气体的回路(12b)，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，其特征在于，该系统进一步包括能够使得在燃料电池堆叠的阳极处存在的氢气消失的装置。

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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：

(i)切断燃料气体和氧化剂气体的供应；

(ii)继续进行电流的抽取，直到氧化剂气体被消耗；以及

(iii)将富氮气的气体注入到氧化剂气体供应系统中，

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。

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。

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：

-支撑催化剂的碳的阳极处的腐蚀；

-在阴极处的铂的分解；

-催化剂活性的不可逆的下降；以及

-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。

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。