[發明專利]用于斷開燃料電池堆疊的方法以及燃料電池系統

有效

• 申請號: 201580064608.3
• 申請日: 2015-11-09
• 公開（公告）號: CN107004876B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: T.施瓦茨;J.米勒;M.K.霍托普
• 申請（專利權）人: 奧迪股份公司
• 主分類號: H01M8/04955
• 分類號: H01M8/04955;H01M8/04089;H01M8/04223;H01M8/0438;H01M8/0444;H01M8/04746;H01M8/04791;H01M8/04119;H01M8/04537
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 萬欣;鄧雪萌

本發明涉及一種用于斷開燃料電池系統(100)的方法，該燃料電池系統(100)帶有：?燃料電池堆疊(10)，該燃料電池堆疊(10)具有陽極室(13)和陰極室(12)，以及?陰極供給裝置(20)，帶有用于將含氧的陰極運行氣體供應到陰極室(12)中的陰極供給路徑(21)、布置在陰極供給路徑(21)中的壓縮機(23)以及用于將陰極廢氣從陰極室(12)導出的陰極廢氣路徑(22)。方法包括步驟：(a)在在使在陰極室(12)中存在的陰極運行氣體的含氧量變低的情況下阻止利用陰極運行氣體穿流陰極室(12)的情況下將陰極室(12)保持在超壓下；(b)通過陰極供給路徑(31)和/或陰極廢氣路徑(22)擴脹在陰極室(12)中存在的并且含氧量變低的陰極運行氣體，并且(c)使陰極室(12)與周圍環境分離。

技術領域

本發明涉及一種用于斷開帶有燃料電池堆疊的燃料電池系統的方法以及一種設立成用于執行該方法的燃料電池系統。

背景技術

燃料電池使用燃料與氧氣化學轉化成水，以為了生成電能。為此燃料電池含有作為核心構件的所謂的膜片電極單元(MEA membrane electrode assembly膜片電極組件)，該膜片電極單元是由起傳遞離子作用的(在大多數情況下起傳遞質子作用的)膜片和分別在兩側布置在膜片處的電極(陽極和陰極)組成的結構。此外氣體擴散層(GDL)能夠在膜片電極單元兩側布置在電極的背離膜片的側邊處。在單個的膜片電極單元之間通常布置有雙極板(也稱為流場板)，該雙極板保證利用運行介質(即反應物)供給單個電池并且通常也用于冷卻。此外雙極板負責與膜片電極單元的可導電的接觸。通常燃料電池通過大量布置成堆疊(stack)的MEA形成，增加其電功率。

在聚合物電解質膜片(PEM)燃料電池的運行中燃料(尤其氫氣H₂或含氫的氣體混合物)通過雙極板的陽極側的開啟的流場供應給陽極，其中從H₂到H⁺的電化學的氧化在釋放電子的情況下發生。通過電解質或將反應室氣密地彼此分離并且電絕緣的膜片，發生將質子H⁺從陽極室以結合水或不結合水的方式運輸到陰極室中。在陽極處提供的電子通過電線路導入陰極。陰極通過雙極板的陰極側的開啟的流場供應有氧氣或含氧的氣體混合物(例如空氣)，從而從O₂到O^2-的還原在接收電子的情況下發生。同時在陰極室中氧氣陰離子與通過膜片運輸的質子在形成水的情況下反應。

為了利用燃料電池堆疊的運行介質即反應物供給該燃料電池堆疊，該燃料電池堆疊一方面具有陽極供給裝置并且另一方面具有陰極供給裝置。陽極供給裝置包括用于將陽極運行氣體供應到陽極室中的陽極供給路徑以及用于將陽極廢氣從陽極室導出的陽極廢氣路徑。同樣陰極供給裝置包括用于將陰極運行氣體供應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疊的陰極室導出的陰極廢氣路徑。

在斷開燃料電池堆疊后發生空氣中的氧(Luftsauerstoff)穿入到堆疊的陽極室中，該空氣中的氧在系統的重新啟動(所謂的空氣-空氣-啟動)時由于出現的高的電勢導致燃料電池由于電極的催化材料的碳腐蝕以及氧化物形成引起的顯著的老化。為了阻止該效果，堆疊在停止運轉時盡可能地在陰極室中沒有氧氣的情況下停止，從而在短暫的時間后由于擴散過程不僅在陽極側上而且在陰極側上出現由水、氮氣和水蒸氣組成的氣體混合物，該氣體混合物在堆疊重新啟動時保護堆疊。在該狀態中氧氣擴散到堆疊中并且在消耗存在的氫的情況下與該氫催化地反應而去除。

用于將氧氣從陰極室中移除的已知的策略設置成，在斷開空氣供應后通過吹掃線路利用燃料(尤其氫氣)充滿該陰極室，該燃料一方面擠出空氣并且另一方面與還存在的剩余氧氣反應并且因此化學地結合該剩余氧氣。為了這種轉化，氫氣和氧氣必須聚集在陰極的催化材料處。不利的是，氫氣與氧氣在陰極室中的反應以部分地擴散受控的方式并且因此相對慢地進行。此外氧氣的轉化需要化學計量的量的水并且因此提高了對于水的總消耗。