[发明专利]操作燃料电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及操作燃料电池的方法，特别是切断燃料电池的方法。通过本发明的方法，燃料电池可以更好的方式储存，确定的低化学势被施加到两个电极上。

背景技术

现在，几乎惟一使用磺酸改性的聚合物作为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中的质子传导性膜。此处，主要使用全氟聚合物。来自DuPont de Nemours，Willmington，USA的Nafion^TM是这种情况著名的实例。为了传导质子，在所述膜中需要相对高的水含量，其通常为每个磺酸基团总共4-20个水分子。需要的水含量，以及与酸性水和反应气体氢和氧相关的聚合物的稳定性，将所述PEM燃料电池堆的工作温度限制到80-100℃。在不降低燃料电池性能的情况下，不可能实现更高的操作温度。对于给定的压力水平，在高于水露点的温度下，所述膜完全干燥，并且所述燃料电池不再提供电能，因为所述膜的电阻增加到如此高的值以致于不再存在可测量的电流。

基于上述技术的膜电极组件例如描述于US 5,464,700中。

然而，由于体系特异性的原因，希望在所述燃料电池中的操作温度大于100℃。在高的操作温度下，包含于所述膜电极组件(MEA)中并基于贵金属的催化剂的活性显著提高。

特别当使用来自烃的所谓的重整产物时，该重整器气体包含相当大量的一氧化碳，所述一氧化碳通常必须通过精细的气体处理或气体净化工艺除去。所述催化剂对CO杂质的耐受度在高的操作温度下增加。

此外，在操作燃料电池的过程中产生热。然而，将这些体系冷却到小于80℃可能是非常复杂的。取决于功率输出，可以明显不太复杂地建造所述冷却装置。这意谓着在大于100℃的温度下操作的燃料电池系统中的废热可以被显著更好地利用，并且因此该燃料电池系统的效率可以增加。

通常，为实现这些温度，使用具有新的导电机制的膜。为此目的的一种方法是使用在不用水的情况下显示出离子电导性的膜。在这个方向最初有希望的开发描述在文献WO96/13872中。

其它的高温燃料电池公开在JP-A-2001-196082和DE 10235360中，其中明确检验了电极膜组件的密封系统。

如上提及的膜电极组件通常与平面型双极板连接，所述双极板包括被磨铣到所述板中的用于气体流的通道。因为所述膜电极组件的一部分具有比之前描述的衬垫更大的厚度，在所述膜电极组件衬垫和所述双极板之间插入通常由PTFE制成的衬垫。

现在已经发现不连续运行的或被频繁开关的燃料电池分别显示出降低的使用寿命和性能。观察到的性能损失仅部分是可逆的，即，在随后操作中仅部分可逆地被补偿，因此使用寿命进一步降低。

发明内容

本发明的目尤其是，防止这些性能损失和阻止使用寿命的降低。

该目的以及其它的没有明确提及的目的通过权利要求1的方法得以实现。

因此，本发明的目的是提供操作燃料电池的方法，所述燃料电池包括：

(i)质子传导性聚合物电解质膜或聚合物电解质基质，

(ii)至少一个催化剂层，其布置在所述质子传导性聚合物电解质膜或聚合物电解质基质两侧上，

(iii)至少一个导电的气体扩散层，其布置在所述催化剂层的两个背离面上，

(iv)至少一个双极板，其布置在所述气体扩散层的两个背离面上，

所述方法包括以下步骤：

a)借助于在所述双极板中存在的气体导管将含氢气体通过所述气体扩散层供应到在阳极侧上的催化剂层，

b)借助于在所述双极板中存在的气体导管将含氧和氮的气体混合物通过所述气体扩散层供应到在阴极侧上的催化剂层，

c)在所述阳极侧上的催化剂层处产生质子，

d)使所产生的质子扩散通过所述质子传导性聚合物电解质膜或聚合物电解质基质，

e)使所述质子与从所述阴极侧供应的含氧气体反应，

f)通过在所述阳极侧上和在所述阴极侧上的双极板输出所形成的电压，

其特征在于，为切断所述燃料电池，将所述含氧和氮的气体混合物的供应中断，并且在所述阴极处存在的氧通过与存在的质子反应而反应至耗尽，并且在所述燃料电池阴极侧的残余氧含量被降低到5体积％及更少，优选3体积％及更少，特别是1体积％及更少的浓度。

质子传导性聚合物电解质膜及基质

适于本发明目的的聚合物电解质膜及聚合物电解质基质本身分别是已知的。

通常，为该目的，使用包含酸的膜，其中所述酸可以与聚合物共价结合。此外，平的材料可以用酸掺杂以形成适当的膜。