用于燃料电池和燃料电池系统再生的方法技术方案

本发明专利技术题为“用于燃料电池和燃料电池系统再生的方法”。本发明专利技术涉及一种用于燃料电池再生的方法，所述燃料电池包括膜电极单元，其具有通过膜分离的阳极和阴极，以及包括一种电路，所述电路被设置为使得所述阳极和阴极导电连接，并且涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统被设置为用于实施这样一种方法。本发明专利技术规定，依据所测得的和/或所计算出的所述膜电极单元含有有害物质的污染程度(k)，给所述燃料电池附上氧化的半电池电位，其方式为使所述阳极暴露于含氧化剂的环境。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于燃料电池再生的方法，所述燃料电池包括膜电极单元，其具有通过膜分离的阳极或阴极，以及包括一种电路，所述电路被设置为使得所述阳极和阴极导电连接，并且涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统被设置为用于实施这样一种方法。
技术介绍
燃料电池利用燃料借助氧气向水的化学转化来制造电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极单元(membrane electrode assembly，称为MEA)作为核心组件，其是一种由离子导电的、尤其是质子导电的膜和各一个被布置在所述膜两侧的电极(阳极和阴极)构成的组合物。此外，气体扩散层(GDL)可在所述膜电极单元的两侧被布置在所述电极的背向所述膜的侧面上。通常，燃料电池是通过多个堆叠布置且电功率相互叠加的MEA构成。在燃料电池运行时，燃料、尤其是氢气H2或者含氢气的气体混合物被导入阳极，在此，在释放电子的情况下发生由H2向H+的电化学氧化。通过电介质或者使反应室气密地彼此分离并电绝缘的膜，质子H+实现了从阳极室向阴极室的(水合或脱水的)输送。在阳极上所提供的电子通过电气线路被导入阴极。氧气或者含氧气的气体混合物被导入所述阴极，从而在吸收电子的条件下，发生由O2向O2-的还原。同时，在阴极室内，这些氧负离子与通过所述膜所输送的质子在构成水的同时发生反应。通过由化学能量向电能的直接转化，燃料电池就相对于其他发电装置而言由于克服了卡诺系数而达到了更好的效率等级。具有聚合物电解质膜(PEM)的燃料电池的效率(Leistung)通常随着运行时间的增加而递减。其一个原因在于，在这种PEM燃料电池(PEMFC)中所使用的膜电极单元(MEA)在其功能上受到了特定的化学过程和/或物理过程的影响。这种影响通常也被称作为“降解”。这类过程例如是在MEA内所使用的阳极催化剂层例如通过例如源自燃料制造的CO1失活。其中，CO在所述催化剂层表面上的一个催化活性的位置上配位，并且使得该位置对于所期望的反应、也就是说燃料的催化转化不可用。随着CO配位的增加，阳极催化剂的催化活性逐渐递减，进而燃料电池的效率也逐渐地下降。根据有害气体，周围环境空气的背景水平(Grundbelastung)决定性地比临时峰值更小，就像例如由于行驶在前的汽车或者在隧道内所可能出现的那样。为了避免阴极中的降解，向阴极供电装置中置入过滤元件，所述过滤元件将阴极工作气体、尤其是空气中的有害物质过滤出来。但借此通常仅可去除颗粒、例如碳黑和其他。在阳极侧上，同样形成由于有害物质而污染催化剂。其原因可能例如是使用了重整剂、尤其是氢气来制造燃料。如果系统例如借助一种碳氢化合物来运行，那么在重整时就会在所述阳极内产生导致效率下降的沉积和杂质。最重要的沉积和杂质包括通过热力由于化学平衡而根据温度所产生的碳黑、随着燃料一同被导入的硫以及更多的碳氢化合物，这些碳氢化合物可能是在重整剂中并没有完全被分解。
技术实现思路
本专利技术的根本目的现在于，提出一种用于燃料电池再生的方法，该方法减少了所述燃料电池的工作效率的继续下降。尤其是要提供这样一种方法，其使得降解的阳极再生并且由此重建了所述燃料电池的工作效率。上述目的通过一种具有第一独立权利要求所述特征的方法得以实现。因此，本专利技术的第一个方面涉及一种用于燃料电池再生的方法，所述燃料电池包括一种具有阳极和阴极的膜电极单元。所述阳极和所述阴极通过膜分离。此外，所述燃料电池还包括一种电路，所述电路被设置为使得所述阳极和所述阴极导电地彼此连接。根据本专利技术，依据所测得的和/或所建模的含有有害物质的所述膜电极单元的污染程度，给所述燃料电池附上氧化的半电池电位，其方式为使所述阳极暴露于含氧化剂的环境。这种方法的特殊优点在于，根据需要、即在燃料电池含有有害物质的污染较高时来实施再生。此外，根据本专利技术的方法具有这样的优点，即：不需要任何额外的装置、例如过滤器、化学扩散以及诸如此类等等来实施再生。因此，根据本专利技术的方法的特点是灵活且可自动化的再生，这种再生只在需要的情况下进行。如果由于燃料电池含有有害物质的污染程度较高而必需再生，那么就通过所述氧化的半电池电位清除有害物质。通过在阳极区域内、尤其是在阳极室内含氧化剂的环境，达到所述氧化的半电池电位。如果接着所述燃料电池被施加反应剂并且阳极与阴极之间的电路被关闭，那么就导致通过所述膜构成不利的反应剂表面，从而可能导致所述燃料电池受损。因此，根据本专利技术，只有当再生的好处大于由于损坏带来的坏处时，上述方法才进行。因此，所述燃料电池含有害物质的污染，尤其是污染程度，就构成了根据本专利技术的方法的控制参数。在需要时、即在所述燃料电池含有的降低所述燃料电池工作效率的有害物质达到污染程度时，氧化剂就进入所述阳极的区域、尤其是阳极室内，这种氧化剂带来有害物质的清除。因为上述根据本专利技术的方法要求氧化剂带入到所述阳极上，就非常优选在开始时或者说在开始前、即在所述燃料电池进入运行前，实施根据本专利技术的方法。替选方案是，上述方法也可在设置所述燃料电池系统重启的保养过程中来实施。使用所述阳极上的氧化剂的各个启动都优选通过高压和燃料的高通过量来执行，从而上述损坏被最小化。在所述方法的一种优选的实施方式中规定，所述阳极包括阳极室，并且达到含氧化剂的环境，这是通过阴极气体被有源地导入所述阳极室内或者无源地进入该阳极室内这种方式实现的。这种实施方式的优点在于，所述阴极气体是一种用于燃料电池方法的氧化剂，因而被储存在每个燃料电池系统内。而且，所述阴极气体大多是指空气，其无害并大量存在并且具有氧化性的氧。所述阴极气体优选有源地进入所述阳极室，即通过阴极气体经过线路的置入而进入所述阳极室，或者无源地进入所述阳极室，即通过所述阴极气体由于所述膜由所述阴极侧向所述阳极侧的扩散而进入所述阳极室。通常会尝试避免在所述阳极侧上出现氧化剂、尤其是阴极气体。尤其是要避免构成氢气-空气-前面(Front)。为此，由现有技术已知不同的预防方法。所述预防方法例如涉及这样一种方法，其在所述燃料电池关闭时实施并且避免所述阴极气体出现在所述阴极侧上以及在待机时间期间可能扩散进入所述阳极室。对此的一种替选方案规定，在启动前，例如通过清洗所述阳极室或阴极室，确保在所述电路关闭时在所述燃料电池的阳极与阴极之间不出现任何电位差，但尤其是不出现任何氧化的半电池电位。如果所述燃料电池的运行预先包括了这样一种预防方法，那么，根据本专利技术的方法就优选通过在阳极室内通过中断所述预防方法来制造含氧化剂的环境的方式来实施。特别的优点在于，根据本专利技术的方法在这一实施方式中非常容易执行，例如通过在需要时禁止在所述燃料电池关闭和/或启动的情况下在所述预防方法的过程中所要实施的清洗方法的方式进行。回避预防方法仅仅在需要时、即在所述燃料电池含有害物质的污染程度升高的情况下发生，从而在所述燃料电池的常规运行中继续使用所述预防方法。上述方法优选以特定的时间间隔实施。其中，所述燃料电池含有害物质的污染程度被假定为与时间成比例，从而通过控制时间间隔来执行上述方法。在此要力求，将所述时间间隔选定为像所必要的那么短以及尽可能地长，以便让再生的优点超过所述含氧化剂的环境的缺点。因此，在所述方法的一种优选的设计中规定，依据所述燃料电池的运行持续时间(t)、所述燃料电池含有害本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池(10)再生的方法，所述燃料电池包括膜电极单元(14)，所述膜电极单元具有通过膜分离的阳极(34a)和阴极(34b)；以及包括电路(13)，所述电路设置为使得所述阳极(34a)和阴极(34b)导电连接，其特征在于，依据所测得的和/或所建模的含有有害物质的所述膜电极单元(14)的污染程度(k)，给所述燃料电池(10)附上氧化的半电池电位，其方式为使所述阳极(34a)暴露于含氧化剂的环境。

【技术特征摘要】
2015.05.07 DE 102015208541.41.一种用于燃料电池(10)再生的方法，所述燃料电池包括膜电极单元(14)，所述膜电极单元具有通过膜分离的阳极(34a)和阴极(34b)；以及包括电路(13)，所述电路设置为使得所述阳极(34a)和阴极(34b)导电连接，其特征在于，依据所测得的和/或所建模的含有有害物质的所述膜电极单元(14)的污染程度(k)，给所述燃料电池(10)附上氧化的半电池电位，其方式为使所述阳极(34a)暴露于含氧化剂的环境。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在启动(b)燃料电池(10)时执行所述方法。3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述阳极(34a)包括阳极室，并且达到含氧化剂的环境，其方式为将阴极气体有源地导入所述阳极室内或者无源地到达该阳极室内。4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料电池(10)的运行包括预防...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·R·基尔希霍夫，L·施密特，G·赫布纳，S·基尔施，
申请(专利权)人：大众汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE