[發(fā)明專利]燃料電池系統(tǒng)以及用于關(guān)停燃料電池堆棧的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201580057489.9
• 申請(qǐng)日: 2015-09-30
• 公開（公告）號(hào): CN107078325B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: C.盧卡斯;N.埃馬申科;D.格倫戴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 奧迪股份公司
• 主分類號(hào): H01M8/0662
• 分類號(hào): H01M8/0662;H01M8/04119;H01M8/04082;H01M8/04223;H01M8/04228;H01M8/04111;H01M8/04746
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 郭帆揚(yáng);李強(qiáng)

本發(fā)明涉及一種帶有燃料電池堆棧(10)的燃料電磁系統(tǒng)(100)，其具有陽(yáng)極室(11)和陰極室(12)；帶有用于將陽(yáng)極運(yùn)行氣輸送到陽(yáng)極室(11)中的陽(yáng)極供給路徑(21)和將陽(yáng)極廢氣從陽(yáng)極室(11)中排出的陽(yáng)極廢氣路徑(22)的陽(yáng)極供給部(20)；和帶有用于將陰極運(yùn)行氣輸送到陰極室(12)中的陰極供給路徑(3)和用于將陰廢氣從陰極室(12)中排出的陰極廢氣路徑(32)且?guī)в杏糜谠陉帢O室(12)中產(chǎn)生負(fù)壓產(chǎn)生器件(40)的陰極供給部(30)；設(shè)置成，負(fù)壓產(chǎn)生器件(40)構(gòu)造成噴射器，其在壓力進(jìn)入側(cè)與布置在陰極供給路徑(31)中的壓縮機(jī)(33)流體引導(dǎo)地相連接并在吸氣側(cè)與燃料電池堆棧(10)的陰極室(12)流體引導(dǎo)地相連接。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種帶有燃料電池堆棧的燃料電池系統(tǒng)以及用于關(guān)停燃料電池堆棧的方法。

燃料電池使用利用氧氣使燃料轉(zhuǎn)化成水的化學(xué)轉(zhuǎn)化來(lái)用于產(chǎn)生電能。為此，燃料電池作為核心部件含有所謂的薄膜電極單元(MEA代表(薄膜電極組件)(membraneelectrode assembly))，其是由離子傳導(dǎo)的(大多質(zhì)子傳導(dǎo)的)薄膜和相應(yīng)地在兩側(cè)布置在薄膜處的電極(陽(yáng)極和陰極)構(gòu)成的組合體。此外，氣體擴(kuò)散層(GDL)可在薄膜電極單元的兩側(cè)布置在電極的背對(duì)薄膜的側(cè)處。一般，燃料電池由多個(gè)以堆棧(stack)布置的MEA形成，其電氣功率疊加。在各個(gè)薄膜電極單元之間通常布置有雙極板(也稱為流場(chǎng)板)，其確保單電池以工作介質(zhì)、即反應(yīng)物的供應(yīng)且通常還用于冷卻。此外，雙極板用于與薄膜電極單元的導(dǎo)電接觸。

在聚合物電解質(zhì)薄膜(PEM)-燃料電池的運(yùn)行中，燃料、尤其氫氣H₂或含氫氣的氣體混合物經(jīng)由雙極板的在陽(yáng)極側(cè)打開的流場(chǎng)被輸送給陽(yáng)極，在這里發(fā)生在給出電子的情況下H₂到H⁺的電化學(xué)氧化。經(jīng)由電解質(zhì)或薄膜(其使反應(yīng)室氣密地彼此分隔并且電氣隔離)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子H⁺從陽(yáng)極室到陰極室中的(水合地或無(wú)水的)運(yùn)送。在陽(yáng)極處提供的電子經(jīng)由電氣管路被引導(dǎo)給陰極。陰極經(jīng)由雙極板的在陰極側(cè)打開的流場(chǎng)被輸送以氧氣或含氧氣的氣體混合物(例如空氣)，使得發(fā)生O₂在接受電子下變成O^2-的反應(yīng)。同時(shí)氧氣陽(yáng)離子與經(jīng)由薄膜運(yùn)送的質(zhì)子在形成水的情況下在陰極室中發(fā)生反應(yīng)。

為了向燃料電池堆棧供應(yīng)以其運(yùn)行介質(zhì)、即反應(yīng)物，該燃料電池堆棧一方面具有陽(yáng)極供給部且另一方面具有陰極供給部。陽(yáng)極供給部包括用于將陽(yáng)極運(yùn)行氣輸送到陽(yáng)極室中的陽(yáng)極供給路徑和用于將陽(yáng)極廢氣從陽(yáng)極室中排出的陽(yáng)極廢氣路徑。相同地，陰極供給部具有用于將陰極運(yùn)行氣輸送到陰極室中的陰極供給路徑和用于將陰極廢氣從燃料電池堆棧的陰極室中排出的陰極廢氣路徑。

為了關(guān)停燃料電池堆棧，已知的是，將存在于陰極室中的空氣移除。這一方面用于阻止催化物質(zhì)的氧化物和由此其有效性的減少。另一方面應(yīng)在稍后系統(tǒng)的重啟動(dòng)的情況中阻止所謂的空氣-空氣-啟動(dòng)，在其中空氣不僅存在于陽(yáng)極側(cè)上而且還存在于陰極側(cè)上并且其同樣導(dǎo)致催化劑的降解。一種已知的用于將空氣從陰極室中移除的策略設(shè)置成，在空氣輸送接通之后將其經(jīng)由掃氣管路利用燃料、尤其氫氣涌沒，其一方面排擠空氣且另一方面與仍存在的剩余的氧氣相反應(yīng)并且由此將其化學(xué)結(jié)合。為了該轉(zhuǎn)換，須將氫氣與氧氣共同帶到陰極的催化材料處。缺點(diǎn)是，氫氣與氧氣的反應(yīng)在陰極室中部分?jǐn)U散受控地且由此相對(duì)較慢的流出。此外，氧氣的轉(zhuǎn)換需要化學(xué)計(jì)量的氫氣且由此提高了氫氣的總消耗。

為了補(bǔ)償催化材料(大多是鉑)的降解，已知的是，提高鉑濃度。然而這是成本密集的。

背景技術(shù)

文件DE 10 2012 023 799 A1說(shuō)明了一種用于關(guān)停燃料電池系統(tǒng)的方法，在其中在停止來(lái)自燃料電池的電氣功率消耗之后，在陽(yáng)極和/或陰極側(cè)提供負(fù)壓，以便于使燃料電池干燥，并且緊接著利用燃料裝填陽(yáng)極和/或陰極，以便于在停止運(yùn)行狀態(tài)期間避免氧氣的侵入。為了在陰極側(cè)上產(chǎn)生負(fù)壓，使用制動(dòng)力放大器的負(fù)壓泵，其在吸入側(cè)與負(fù)壓管路處于連接，負(fù)壓管路使陰極廢氣管路與陽(yáng)極廢氣管路相互連接。