[发明专利]用于断开燃料电池堆叠的方法以及燃料电池系统

说明书

本发明涉及一种用于断开燃料电池系统(100)的方法，该燃料电池系统(100)带有：‑燃料电池堆叠(10)，该燃料电池堆叠(10)具有阳极室(13)和阴极室(12)，以及‑阴极供给装置(20)，带有用于将含氧的阴极运行气体供应到阴极室(12)中的阴极供给路径(21)、布置在阴极供给路径(21)中的压缩机(23)以及用于将阴极废气从阴极室(12)导出的阴极废气路径(22)。方法包括步骤：(a)在在使在阴极室(12)中存在的阴极运行气体的含氧量变低的情况下阻止利用阴极运行气体穿流阴极室(12)的情况下将阴极室(12)保持在超压下；(b)通过阴极供给路径(31)和/或阴极废气路径(22)扩胀在阴极室(12)中存在的并且含氧量变低的阴极运行气体，并且(c)使阴极室(12)与周围环境分离。

技术领域

本发明涉及一种用于断开带有燃料电池堆叠的燃料电池系统的方法以及一种设立成用于执行该方法的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池使用燃料与氧气化学转化成水，以为了生成电能。为此燃料电池含有作为核心构件的所谓的膜片电极单元(MEA membrane electrode assembly膜片电极组件)，该膜片电极单元是由起传递离子作用的(在大多数情况下起传递质子作用的)膜片和分别在两侧布置在膜片处的电极(阳极和阴极)组成的结构。此外气体扩散层(GDL)能够在膜片电极单元两侧布置在电极的背离膜片的侧边处。在单个的膜片电极单元之间通常布置有双极板(也称为流场板)，该双极板保证利用运行介质(即反应物)供给单个电池并且通常也用于冷却。此外双极板负责与膜片电极单元的可导电的接触。通常燃料电池通过大量布置成堆叠(stack)的MEA形成，增加其电功率。

在聚合物电解质膜片(PEM)燃料电池的运行中燃料(尤其氢气H₂或含氢的气体混合物)通过双极板的阳极侧的开启的流场供应给阳极，其中从H₂到H⁺的电化学的氧化在释放电子的情况下发生。通过电解质或将反应室气密地彼此分离并且电绝缘的膜片，发生将质子H⁺从阳极室以结合水或不结合水的方式运输到阴极室中。在阳极处提供的电子通过电线路导入阴极。阴极通过双极板的阴极侧的开启的流场供应有氧气或含氧的气体混合物(例如空气)，从而从O₂到O^2-的还原在接收电子的情况下发生。同时在阴极室中氧气阴离子与通过膜片运输的质子在形成水的情况下反应。

为了利用燃料电池堆叠的运行介质即反应物供给该燃料电池堆叠，该燃料电池堆叠一方面具有阳极供给装置并且另一方面具有阴极供给装置。阳极供给装置包括用于将阳极运行气体供应到阳极室中的阳极供给路径以及用于将阳极废气从阳极室导出的阳极废气路径。同样阴极供给装置包括用于将阴极运行气体供应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叠的阴极室导出的阴极废气路径。

在断开燃料电池堆叠后发生空气中的氧(Luftsauerstoff)穿入到堆叠的阳极室中，该空气中的氧在系统的重新启动(所谓的空气-空气-启动)时由于出现的高的电势导致燃料电池由于电极的催化材料的碳腐蚀以及氧化物形成引起的显著的老化。为了阻止该效果，堆叠在停止运转时尽可能地在阴极室中没有氧气的情况下停止，从而在短暂的时间后由于扩散过程不仅在阳极侧上而且在阴极侧上出现由水、氮气和水蒸气组成的气体混合物，该气体混合物在堆叠重新启动时保护堆叠。在该状态中氧气扩散到堆叠中并且在消耗存在的氢的情况下与该氢催化地反应而去除。

用于将氧气从阴极室中移除的已知的策略设置成，在断开空气供应后通过吹扫线路利用燃料(尤其氢气)充满该阴极室，该燃料一方面挤出空气并且另一方面与还存在的剩余氧气反应并且因此化学地结合该剩余氧气。为了这种转化，氢气和氧气必须聚集在阴极的催化材料处。不利的是，氢气与氧气在阴极室中的反应以部分地扩散受控的方式并且因此相对慢地进行。此外氧气的转化需要化学计量的量的水并且因此提高了对于水的总消耗。