[发明专利]燃料电池系统以及用于关停燃料电池堆栈的方法

说明书

本发明涉及一种带有燃料电池堆栈(10)的燃料电磁系统(100)，其具有阳极室(11)和阴极室(12)；带有用于将阳极运行气输送到阳极室(11)中的阳极供给路径(21)和将阳极废气从阳极室(11)中排出的阳极废气路径(22)的阳极供给部(20)；和带有用于将阴极运行气输送到阴极室(12)中的阴极供给路径(3)和用于将阴废气从阴极室(12)中排出的阴极废气路径(32)且带有用于在阴极室(12)中产生负压产生器件(40)的阴极供给部(30)；设置成，负压产生器件(40)构造成喷射器，其在压力进入侧与布置在阴极供给路径(31)中的压缩机(33)流体引导地相连接并在吸气侧与燃料电池堆栈(10)的阴极室(12)流体引导地相连接。

技术领域

本发明涉及一种带有燃料电池堆栈的燃料电池系统以及用于关停燃料电池堆栈的方法。

燃料电池使用利用氧气使燃料转化成水的化学转化来用于产生电能。为此，燃料电池作为核心部件含有所谓的薄膜电极单元(MEA代表(薄膜电极组件)(membraneelectrode assembly))，其是由离子传导的(大多质子传导的)薄膜和相应地在两侧布置在薄膜处的电极(阳极和阴极)构成的组合体。此外，气体扩散层(GDL)可在薄膜电极单元的两侧布置在电极的背对薄膜的侧处。一般，燃料电池由多个以堆栈(stack)布置的MEA形成，其电气功率叠加。在各个薄膜电极单元之间通常布置有双极板(也称为流场板)，其确保单电池以工作介质、即反应物的供应且通常还用于冷却。此外，双极板用于与薄膜电极单元的导电接触。

在聚合物电解质薄膜(PEM)-燃料电池的运行中，燃料、尤其氢气H₂或含氢气的气体混合物经由双极板的在阳极侧打开的流场被输送给阳极，在这里发生在给出电子的情况下H₂到H⁺的电化学氧化。经由电解质或薄膜(其使反应室气密地彼此分隔并且电气隔离)实现了质子H⁺从阳极室到阴极室中的(水合地或无水的)运送。在阳极处提供的电子经由电气管路被引导给阴极。阴极经由双极板的在阴极侧打开的流场被输送以氧气或含氧气的气体混合物(例如空气)，使得发生O₂在接受电子下变成O^2-的反应。同时氧气阳离子与经由薄膜运送的质子在形成水的情况下在阴极室中发生反应。

为了向燃料电池堆栈供应以其运行介质、即反应物，该燃料电池堆栈一方面具有阳极供给部且另一方面具有阴极供给部。阳极供给部包括用于将阳极运行气输送到阳极室中的阳极供给路径和用于将阳极废气从阳极室中排出的阳极废气路径。相同地，阴极供给部具有用于将阴极运行气输送到阴极室中的阴极供给路径和用于将阴极废气从燃料电池堆栈的阴极室中排出的阴极废气路径。

为了关停燃料电池堆栈，已知的是，将存在于阴极室中的空气移除。这一方面用于阻止催化物质的氧化物和由此其有效性的减少。另一方面应在稍后系统的重启动的情况中阻止所谓的空气-空气-启动，在其中空气不仅存在于阳极侧上而且还存在于阴极侧上并且其同样导致催化剂的降解。一种已知的用于将空气从阴极室中移除的策略设置成，在空气输送接通之后将其经由扫气管路利用燃料、尤其氢气涌没，其一方面排挤空气且另一方面与仍存在的剩余的氧气相反应并且由此将其化学结合。为了该转换，须将氢气与氧气共同带到阴极的催化材料处。缺点是，氢气与氧气的反应在阴极室中部分扩散受控地且由此相对较慢的流出。此外，氧气的转换需要化学计量的氢气且由此提高了氢气的总消耗。

为了补偿催化材料(大多是铂)的降解，已知的是，提高铂浓度。然而这是成本密集的。

背景技术

文件DE 10 2012 023 799 A1说明了一种用于关停燃料电池系统的方法，在其中在停止来自燃料电池的电气功率消耗之后，在阳极和/或阴极侧提供负压，以便于使燃料电池干燥，并且紧接着利用燃料装填阳极和/或阴极，以便于在停止运行状态期间避免氧气的侵入。为了在阴极侧上产生负压，使用制动力放大器的负压泵，其在吸入侧与负压管路处于连接，负压管路使阴极废气管路与阳极废气管路相互连接。