燃料電池利用燃料與氧生成水的化學反應以產生電能。為此，燃料電池作為核心部件包括所謂的膜電極組件(MEA表示membrane electrode assembly)，該膜電極組件是導引離子、尤其導引質子的膜與分別布置在膜兩側的電極(陽極和陰極)的復合件。為此，氣體擴散層(GDL)在膜電極組件的兩側布置在電極的背離膜的側面上。通常，燃料電池通過多個堆疊布置的膜電極組件構成，它們的電功率疊加。在燃料電池運行時，燃料、尤其氫H₂或含有氫的氣體混合物被供給到陽極，在陽極中H₂開始被電化學地氧化成H⁺并輸出電子。通過電解質或膜(其使反應空間氣密地相互分離并且相互電絕緣)實現從陽極室至陰極室的質子H⁺的(de)(de)(de)(與水(shui)相關的(de)(de)(de)或無水(shui)的(de)(de)(de))運輸(shu)。在陽極(ji)上所提供(gong)(gong)的(de)(de)(de)電(dian)子通(tong)過(guo)陰(yin)極(ji)的(de)(de)(de)電(dian)路導入。氧(yang)或含有氧(yang)的(de)(de)(de)氣體混合(he)物被供(gong)(gong)給(gei)陰(yin)極(ji)。當氧(yang)吸(xi)附(fu)在陰(yin)極(ji)上之后其在接(jie)收電(dian)子和質子的(de)(de)(de)情況下隨后反應成水(shui)。

燃料電(dian)池組由多個堆疊布置的(de)(de)膜(mo)電(dian)極(ji)(ji)組件構成。在兩個膜(mo)電(dian)極(ji)(ji)組件之(zhi)間分別布置雙極(ji)(ji)板，雙極(ji)(ji)板確保(bao)向(xiang)單體(ti)電(dian)池供給運行介質，即反應物和冷卻劑(ji)。此(ci)(ci)外(wai)(wai)，雙極(ji)(ji)板用于(yu)在膜(mo)電(dian)極(ji)(ji)組件之(zhi)間的(de)(de)導電(dian)接觸。此(ci)(ci)外(wai)(wai)，雙極(ji)(ji)板保(bao)證陽極(ji)(ji)室和陰極(ji)(ji)室之(zhi)間的(de)(de)密封的(de)(de)分離。

在(zai)(zai)斷開燃(ran)(ran)料電(dian)池之后，根據停留(liu)時間向陽極(ji)室內擴散氧(yang)氣、例如(ru)以空(kong)氣的形式。在(zai)(zai)重(zhong)新啟(qi)動燃(ran)(ran)料電(dian)池時，陽極(ji)室被供給氫并(bing)且陰極(ji)室被供給氧(yang)化劑、例如(ru)空(kong)氣。

在(zai)US 2003/0134164 A1中公開(kai)(kai)了一(yi)種斷開(kai)(kai)方法。在(zai)斷開(kai)(kai)燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)時，結束向陽(yang)極(ji)室通道(dao)內(nei)的(de)氫(qing)氣供給并且(qie)導入空氣。氧化劑(ji)用(yong)于(yu)(yu)將留下的(de)氫(qing)從(cong)陽(yang)極(ji)室沖洗(xi)出(chu)，使得燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)不再產生電(dian)(dian)能。此外，導入陽(yang)極(ji)室內(nei)的(de)氧化劑(ji)清除(chu)所(suo)有(you)在(zai)陽(yang)極(ji)室內(nei)保(bao)留的(de)積水(shui)，用(yong)于(yu)(yu)避免在(zai)斷開(kai)(kai)狀態下水(shui)凍結。此外，氧化劑(ji)可(ke)以用(yong)于(yu)(yu)沖洗(xi)雙(shuang)極(ji)板的(de)陰極(ji)流動通道(dao)，從(cong)而也去除(chu)這(zhe)些區域內(nei)的(de)濕氣。

在(zai)DE 10 2005 039 872 B4中還建議一種在(zai)斷開燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)時沖(chong)(chong)洗(xi)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)另外的(de)(de)方法。為此，在(zai)斷開燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)時用(yong)氫(qing)(qing)氣(qi)(qi)(qi)短時間地沖(chong)(chong)洗(xi)陰(yin)極室，并且(qie)(qie)由此快速地降(jiang)低陽(yang)極/陰(yin)極-空(kong)轉(zhuan)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(開路(lu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)OCV)。接下來進行通(tong)過陽(yang)極和陰(yin)極流(liu)動通(tong)道的(de)(de)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)沖(chong)(chong)洗(xi)。氫(qing)(qing)氣(qi)(qi)(qi)沖(chong)(chong)洗(xi)的(de)(de)主要目的(de)(de)是降(jiang)低陽(yang)極/陰(yin)極-空(kong)轉(zhuan)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，并且(qie)(qie)由此避免(mian)氫(qing)(qing)氣(qi)(qi)(qi)/空(kong)氣(qi)(qi)(qi)前緣(yuan)，而同時用(yong)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)填(tian)充陰(yin)極。

在DE 10196359 T1中建(jian)議，陰極室(shi)和陽極室(shi)都用氫氣沖洗，以恢復燃料電池(chi)的(de)容(rong)量。

根據(ju)DE 10 2007 059 999 A1，燃料電(dian)(dian)池組(zu)的(de)斷(duan)(duan)開包括(kuo)在(zai)施加輔助負(fu)載的(de)情況下電(dian)(dian)池組(zu)與初級(ji)電(dian)(dian)氣(qi)設備(bei)的(de)分離。隨后中斷(duan)(duan)空氣(qi)向陰極(ji)(ji)側的(de)流(liu)入，同時氫(qing)氣(qi)在(zai)陽極(ji)(ji)側保持過壓。兩(liang)者均(jun)通(tong)過關閉相(xiang)應的(de)進氣(qi)閥和排(pai)氣(qi)閥實(shi)現。之后，電(dian)(dian)池組(zu)被短接，并(bing)且通(tong)過陽極(ji)(ji)側的(de)氫(qing)氣(qi)來(lai)實(shi)現在(zai)陰極(ji)(ji)側內消耗氧氣(qi)。但是，所(suo)需的(de)閥門是比(bi)較耗費且昂貴(gui)的(de)并(bing)且需要相(xiang)應較大的(de)結(jie)構空間。

不局限于(yu)確定(ding)的(de)(de)理論，燃料電(dian)(dian)池的(de)(de)功(gong)率(lv)減弱的(de)(de)主(zhu)要原因在(zai)于(yu)，在(zai)傳統(tong)的(de)(de)“空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)/空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)-啟(qi)動(dong)”的(de)(de)過程中在(zai)陽極(ji)側(ce)上(shang)存在(zai)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。在(zai)此，在(zai)陽極(ji)側(ce)形成氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)/空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)前緣，而陰極(ji)室被施加(jia)以(yi)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)/空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)前緣在(zai)陽極(ji)上(shang)的(de)(de)存在(zai)導致陰極(ji)的(de)(de)退化。關于(yu)退化的(de)(de)原因是(shi)在(zai)燃料電(dian)(dian)池的(de)(de)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)/空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)區域(yu)內陰極(ji)的(de)(de)半電(dian)(dian)池電(dian)(dian)勢(shi)的(de)(de)升(sheng)高(gao)，這由氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)/空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)區域(yu)外加(jia)的(de)(de)電(dian)(dian)壓造成。升(sheng)高(gao)的(de)(de)陰極(ji)電(dian)(dian)勢(shi)導致布置在(zai)陰極(ji)內的(de)(de)催化劑的(de)(de)碳載體材料的(de)(de)腐(fu)蝕。這種(zhong)腐(fu)蝕導致不可逆的(de)(de)損傷以(yi)及燃料電(dian)(dian)池的(de)(de)容量的(de)(de)降(jiang)低。

考(kao)慮到該損失而得以(yi)優化(hua)的(de)啟動方法設成，在激活氫(qing)氣(qi)(qi)供(gong)給(“氮(dan)氣(qi)(qi)/空氣(qi)(qi)-啟動”)之前，將燃料(liao)電池(chi)的(de)陽極室用尤(you)其惰(duo)性的(de)沖(chong)洗(xi)氣(qi)(qi)體(ti)、如氮(dan)氣(qi)(qi)進行沖(chong)洗(xi)。通(tong)過氮(dan)氣(qi)(qi)緩沖(chong)而防止了(le)在陽極側上形(xing)成氫(qing)氣(qi)(qi)/空氣(qi)(qi)前緣。雖(sui)然以(yi)這(zhe)種方式可以(yi)從陽極室中排(pai)出氧，但(dan)不是(shi)化(hua)學鍵合(he)的(de)氧，尤(you)其是(shi)催化(hua)電極材料(liao)的(de)氧化(hua)物形(xing)式的(de)氧。

此(ci)外(wai)，由JP A已(yi)知一種與陰極室(shi)相關的(de)(de)材料(liao)，其吸附氧(yang)并(bing)且(qie)由此(ci)化合。在(zai)此(ci)，缺(que)點是(shi)使用如下的(de)(de)相應(ying)的(de)(de)材料(liao)，該材料(liao)可以在(zai)車輛(liang)系統中自(zi)身相應(ying)松脫并(bing)且(qie)可以到達燃料(liao)電池的(de)(de)區域。另外(wai)的(de)(de)缺(que)點是(shi)，所吸附的(de)(de)氧(yang)必(bi)須被再次排(pai)出。為此(ci)，例如必(bi)須相應(ying)更換吸附單元或(huo)者設(she)有耗費(fei)的(de)(de)控制(zhi)裝(zhuang)置和相應(ying)的(de)(de)運行(xing)方法，用于在(zai)特定的(de)(de)運行(xing)狀(zhuang)態下排(pai)出氧(yang)。

此(ci)外示出(chu)的(de)(de)是(shi)，所有的(de)(de)用于阻止(zhi)(zhi)氫氣/空(kong)氣前緣(yuan)、尤(you)其氮氣/空(kong)氣啟動的(de)(de)所述方法雖然都導致燃料(liao)電池(chi)容量下降(jiang)的(de)(de)放(fang)緩，但是(shi)沒有完(wan)全(quan)阻止(zhi)(zhi)電極(ji)的(de)(de)退化(hua)，該退化(hua)通過(guo)增(zeng)大(da)催化(hua)材料(liao)的(de)(de)量被補償。然而(er)，催化(hua)材料(liao)在生(sheng)產燃料(liao)電池(chi)時(shi)是(shi)成本(ben)確定的(de)(de)要(yao)素(su)。

本發明(ming)所要解決的技術問題是，克服上述(shu)(shu)方(fang)(fang)法的缺點并且提(ti)供(gong)一種用(yong)于(yu)運行燃料電(dian)(dian)(dian)池系統(tong)(tong)的方(fang)(fang)法，該方(fang)(fang)法在重啟燃料電(dian)(dian)(dian)池時至(zhi)少減少所述(shu)(shu)退化并且可以(yi)降(jiang)低(di)燃料電(dian)(dian)(dian)池系統(tong)(tong)內所需的催化劑的量。

所述技術(shu)問題通過(guo)具有(you)獨立權利要(yao)求的(de)技術(shu)特征的(de)用于啟動燃料電(dian)池(chi)(chi)的(de)方法和相(xiang)應的(de)燃料電(dian)池(chi)(chi)系統解決(jue)。

由此，本(ben)發(fa)明涉及一種用于啟動(dong)燃料(liao)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法，其中，所(suo)述燃料(liao)電(dian)池(chi)包(bao)括(kuo)(kuo)導電(dian)的(de)(de)(de)(de)雙極(ji)(ji)板(ban)。在所(suo)述雙極(ji)(ji)板(ban)之間(jian)分別布置有陰極(ji)(ji)、膜和陽極(ji)(ji)，所(suo)述陰極(ji)(ji)包(bao)括(kuo)(kuo)導引流(liu)體的(de)(de)(de)(de)陰極(ji)(ji)室(shi)，所(suo)述陽極(ji)(ji)包(bao)括(kuo)(kuo)導引流(liu)體的(de)(de)(de)(de)陽極(ji)(ji)室(shi)。按(an)照本(ben)發(fa)明規定，所(suo)述方(fang)法至(zhi)少包(bao)括(kuo)(kuo)以下步驟并(bing)且(qie)優選(xuan)以規定的(de)(de)(de)(de)順序(xu)：

1.用流體沖(chong)洗(xi)陽(yang)極室以排除(chu)燃料，

2.借(jie)助施加(jia)(jia)電流(liu)(liu)和(he)/或電壓(ya)而(er)將電能外加(jia)(jia)在燃料(liao)電池(chi)(包括由陰極/膜/陽(yang)極構成的單(dan)元)上，其中(zhong)，將所述陽(yang)極室用(yong)流(liu)(liu)體加(jia)(jia)載(zai)或者保持用(yong)流(liu)(liu)體加(jia)(jia)載(zai)，

3.斷開電能，和

4.將燃料引入所述陽極室中。

本(ben)發(fa)明(ming)的優點尤其在(zai)于，膜(mo)電極組(zu)件(jian)的容(rong)量在(zai)重啟(qi)(qi)燃(ran)料(liao)(liao)電池系(xi)統時(shi)被(bei)保持(chi)。由(you)于啟(qi)(qi)動而造成的催(cui)化材(cai)(cai)料(liao)(liao)的退化和/或(huo)碳材(cai)(cai)料(liao)(liao)的退化被(bei)明(ming)顯降低或(huo)者甚(shen)至可(ke)以完(wan)全避免。這有(you)利地使得可(ke)以減(jian)少(shao)在(zai)燃(ran)料(liao)(liao)電池的電極區(qu)域(yu)內的催(cui)化劑(ji)的量，這進一步實現了在(zai)制造燃(ran)料(liao)(liao)電池系(xi)統時(shi)節約(yue)成本(ben)。

原因尤其(qi)在于(yu)(yu)，通過按照(zhao)本(ben)發明的(de)(de)(de)方法，不僅氣態(tai)部分(fen)的(de)(de)(de)氧(yang)從陽(yang)極(ji)室(shi)內被清除(chu)，就(jiu)像例如在用流體(ti)沖洗陽(yang)極(ji)室(shi)時(shi)那樣的(de)(de)(de)情形(xing)，而(er)且還從陽(yang)極(ji)室(shi)或(huo)(huo)陽(yang)極(ji)中(zhong)排除(chu)了化(hua)(hua)(hua)(hua)合部分(fen)的(de)(de)(de)氧(yang)。如果氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)合地存在于(yu)(yu)陽(yang)極(ji)中(zhong)或(huo)(huo)陽(yang)極(ji)表面上(shang)，則通常(chang)涉及催化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物或(huo)(huo)氫(qing)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物。氧(yang)的(de)(de)(de)存在，例如通過在關掉(diao)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)時(shi)用空氣沖洗陽(yang)極(ji)室(shi)所造成(cheng)的(de)(de)(de)氧(yang)的(de)(de)(de)存在導(dao)致形(xing)成(cheng)金屬(shu)(shu)(shu)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物和金屬(shu)(shu)(shu)氫(qing)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物、尤其(qi)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鉑(bo)，該(gai)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鉑(bo)對于(yu)(yu)待催化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)反應是活(huo)性較低的(de)(de)(de)或(huo)(huo)完全無活(huo)性的(de)(de)(de)。按照(zhao)本(ben)發明的(de)(de)(de)方法、尤其(qi)所述方法的(de)(de)(de)第二步(bu)驟導(dao)致氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物和/或(huo)(huo)氫(qing)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物被電(dian)化(hua)(hua)(hua)(hua)學地分(fen)解，即，催化(hua)(hua)(hua)(hua)性的(de)(de)(de)金屬(shu)(shu)(shu)被還原，并且由此以(yi)單質形(xing)式的(de)(de)(de)催化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(零氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)態(tai))可重新被用于(yu)(yu)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)反應。燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)容量被獲(huo)得或(huo)(huo)再生。

在所述方法的第一步驟中用流體對陽極室的沖洗優選通過對陽極室或陽極流動通道加載流動氣體而實現。所述流體尤其涉及惰性氣體、例如N₂。在備選的實施方式中，可以在惰性氣體中添加少量的氫，用于實現對處于陽極室內的氣態氧的可控式化學還原。供給的沖洗流體通過雙極板的分布區域到達活性區域的流動通道內并且在那里通過雙極板的第二分布區域被再次導出。在流動通過流動通道并且由此也流動通過燃料電池的陽極室時，位于陽極室內的氣體、如氧氣被排擠。用流體對陽極室的沖洗隨后以有利的方式導致，氣態的氧(O₂)被(bei)從陽(yang)(yang)極空氣清除(chu)。在(zai)此，在(zai)本發明的(de)(de)框架下，“陽(yang)(yang)極室(shi)(shi)”的(de)(de)定義(yi)應理解為處于(yu)膜和雙極板(ban)的(de)(de)陽(yang)(yang)極側(ce)之間(jian)的(de)(de)空間(jian)。該空間(jian)不僅包(bao)(bao)括雙極板(ban)的(de)(de)陽(yang)(yang)極流動(dong)區域、即陽(yang)(yang)極流動(dong)通道，也包(bao)(bao)括必要時(shi)在(zai)陽(yang)(yang)極側(ce)布置的(de)(de)氣體擴(kuo)散層。相應地也適用于(yu)“陰(yin)極室(shi)(shi)”的(de)(de)定義(yi)。

相對地，在所述本發明的(de)(de)第二(er)步驟(zou)中(zhong)借助施加電流和/或電壓而將電能外(wai)加在膜電極組(zu)件上則導致以(yi)(yi)氧化(hua)(hua)物(wu)(wu)和氫氧化(hua)(hua)物(wu)(wu)形(xing)式化(hua)(hua)合的(de)(de)氧的(de)(de)電化(hua)(hua)學分解。為(wei)了更好的(de)(de)理解，例如以(yi)(yi)鉑(bo)作為(wei)催(cui)化(hua)(hua)材(cai)料在化(hua)(hua)學方程(cheng)式1和2中(zhong)示出氧化(hua)(hua)還原總反應(ying)，

平衡(heng)(heng)向單質鉑(bo)那(nei)側(ce)的偏(pian)移優選通過在(zai)燃料電(dian)(dian)池內(具體(ti)在(zai)燃料電(dian)(dian)池組內)感應出(chu)電(dian)(dian)流(liu)(liu)流(liu)(liu)動(dong)實現。由(you)所(suo)述(shu)電(dian)(dian)流(liu)(liu)流(liu)(liu)動(dong)而運動(dong)的自由(you)電(dian)(dian)子導致(zhi)在(zai)化學方程(cheng)式1和2中示(shi)出(chu)的鉑(bo)的還原，使得反應平衡(heng)(heng)偏(pian)移向單質鉑(bo)那(nei)側(ce)。

在此，術語(yu)“電(dian)(dian)(dian)能(neng)”應作為這樣的現象(xiang)的上位概念來考慮，所述現象(xiang)歸因于靜止(zhi)的或(huo)運(yun)動的電(dian)(dian)(dian)荷(he)。由此，電(dian)(dian)(dian)能(neng)在此應理解(jie)為電(dian)(dian)(dian)壓，即電(dian)(dian)(dian)勢差(cha)和/或(huo)電(dian)(dian)(dian)流流動。

隨后在(zai)(zai)所述(shu)方法的(de)第三步驟中斷(duan)開(kai)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)，也就(jiu)是中斷(duan)施(shi)加(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)流或施(shi)加(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。在(zai)(zai)最簡單的(de)情況下，通過(guo)斷(duan)開(kai)電(dian)(dian)(dian)(dian)流或電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)實現(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)的(de)斷(duan)開(kai)。這可以(yi)正如在(zai)(zai)第二步驟中的(de)外加(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)那樣突然實現(xian)或者(zhe)以(yi)前述(shu)遞減的(de)(在(zai)(zai)外加(jia)時是遞增的(de))曲線走向實現(xian)。

接下來在第四步驟中通(tong)(tong)(tong)過將燃料(liao)(liao)、尤其氫引入燃料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)陽(yang)極(ji)室內進行燃料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)自(zi)身(shen)啟動。這以已知的(de)方(fang)式通(tong)(tong)(tong)過用相應(ying)的(de)燃料(liao)(liao)充滿陽(yang)極(ji)室通(tong)(tong)(tong)道來實(shi)現。應(ying)理(li)解的(de)是，最晚在該時間點上向(xiang)燃料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)陰極(ji)室充入氧化劑、尤其空氣。通(tong)(tong)(tong)過在膜(mo)的(de)一側存(cun)在燃料(liao)(liao)并且(qie)在膜(mo)的(de)另一側存(cun)在氧化劑而(er)產生電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化學電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢(shi)，該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化學電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢(shi)可以作為(wei)在膜(mo)上的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)降被測(ce)量。所產生的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)可以被獲取并且(qie)作為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能在外部被使用，例如用于驅動電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)氣消耗(hao)件或(huo)者用于對電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。

為了(le)將存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)氣態的(de)(de)氧從陽(yang)極室去除或(huo)者有(you)利其去除，優選地，在(zai)(zai)第一步驟中(zhong)的(de)(de)用(yong)流體(ti)沖洗(xi)陽(yang)極室甚至(zhi)在(zai)(zai)第二(er)步驟中(zhong)外(wai)加(jia)電(dian)能的(de)(de)過(guo)程中(zhong)還持續進(jin)行，可選地甚至(zhi)短時(shi)間(jian)地超出第二(er)步驟繼續進(jin)行。在(zai)(zai)該實(shi)施(shi)方(fang)式中(zhong)，步驟1和(he)2時(shi)間(jian)上相重(zhong)疊。備選地，在(zai)(zai)第二(er)步驟之后可以(yi)在(zai)(zai)附加(jia)的(de)(de)方(fang)法步驟中(zhong)用(yong)流體(ti)重(zhong)新沖洗(xi)陽(yang)極室。

在本發明的(de)(de)(de)優選設計方案(an)中規(gui)定，用于沖洗陽極室的(de)(de)(de)流體是氮(dan)氣。這是特別有利的(de)(de)(de)，因為氮(dan)氣不是燃料電池反應(ying)的(de)(de)(de)反應(ying)參與者并且還相對于陽極室內部的(de)(de)(de)材(cai)料是惰(duo)性的(de)(de)(de)。

在(zai)備選或附加的(de)(de)設計方案中(zhong)，陽極(ji)循(xun)環、即(ji)屬于(yu)(yu)(yu)陽極(ji)的(de)(de)用(yong)于(yu)(yu)(yu)運(yun)行(xing)氣(qi)(qi)體的(de)(de)半電(dian)池循(xun)環具有催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)，該(gai)催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)被(bei)(bei)添(tian)(tian)加到用(yong)于(yu)(yu)(yu)分子氧的(de)(de)還(huan)原劑(ji)中(zhong)，用(yong)于(yu)(yu)(yu)支持氣(qi)(qi)態(tai)氧的(de)(de)化(hua)學分解。由此，陽極(ji)的(de)(de)上游(you)出現陽極(ji)循(xun)環中(zhong)的(de)(de)氧的(de)(de)貧乏(fa)，這還(huan)導致該(gai)區(qu)域中(zhong)的(de)(de)惰(duo)性(xing)氣(qi)(qi)體的(de)(de)富(fu)集(ji)。為此優選的(de)(de)是(shi)，可(ke)以(yi)(yi)將燃(ran)料、尤其(qi)氫用(yong)于(yu)(yu)(yu)該(gai)目的(de)(de)，該(gai)燃(ran)料在(zai)沖洗過程后被(bei)(bei)添(tian)(tian)加到惰(duo)性(xing)氣(qi)(qi)體中(zhong)。這之(zhi)所以(yi)(yi)是(shi)優選的(de)(de)，是(shi)因為該(gai)燃(ran)料(氫)本來也被(bei)(bei)用(yong)于(yu)(yu)(yu)燃(ran)料電(dian)池的(de)(de)運(yun)行(xing)。

在(zai)(zai)本發(fa)明(ming)的(de)(de)(de)另(ling)外的(de)(de)(de)優選設計方案中規定，所產生的(de)(de)(de)電(dian)能的(de)(de)(de)強度(du)通(tong)過施(shi)加(jia)(jia)(jia)的(de)(de)(de)電(dian)壓的(de)(de)(de)強度(du)、也(ye)(ye)就是在(zai)(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池上的(de)(de)(de)電(dian)壓降和/或(huo)施(shi)加(jia)(jia)(jia)的(de)(de)(de)電(dian)流(liu)的(de)(de)(de)強度(du)、也(ye)(ye)就是電(dian)流(liu)強度(du)進(jin)行控制。在(zai)(zai)此(ci)特別有利的(de)(de)(de)是，施(shi)加(jia)(jia)(jia)的(de)(de)(de)電(dian)壓和/或(huo)施(shi)加(jia)(jia)(jia)的(de)(de)(de)電(dian)流(liu)通(tong)過測量值被調制，該測量值直接(jie)或(huo)間接(jie)地提供了(le)關于所存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)氧化鉑的(de)(de)(de)出(chu)現電(dian)化學反應的(de)(de)(de)信息。如(ru)果在(zai)(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池上例(li)如(ru)施(shi)加(jia)(jia)(jia)恒定的(de)(de)(de)電(dian)流(liu)，則(ze)可以得知關于所獲得的(de)(de)(de)電(dian)壓隨化學還(huan)原(yuan)進(jin)程的(de)(de)(de)時(shi)間變化曲線。

優選(xuan)地，通過施加外部電壓和/或電流借助(zhu)雙向(xiang)的DC/DC轉換器設(she)置電能。

電(dian)(dian)(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)(dian)(dian)流(liu)的施加優(you)選通過導電(dian)(dian)(dian)的雙極(ji)板實現。在此，燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)組優(you)選串聯。因為雙極(ji)板在已有(you)的燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)中(zhong)原則上相互電(dian)(dian)(dian)連接，所以不會(hui)產生附加的連接耗費。在有(you)利(li)的方式中(zhong)，使(shi)用蓄電(dian)(dian)(dian)池(chi)作為電(dian)(dian)(dian)流(liu)或(huo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)源。在此，尤(you)其使(shi)用傳統的用于在燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)運(yun)行(xing)中(zhong)存(cun)儲(chu)電(dian)(dian)(dian)流(liu)的蓄電(dian)(dian)(dian)池(chi)。

在按照本發(fa)明的(de)方(fang)法的(de)另外優選的(de)設計方(fang)案中，外加(jia)的(de)電能由(you)0.5V至1.5V、尤其0.7至1.3V范圍內的(de)電壓實現(xian)，因為所實現(xian)的(de)電勢差使(shi)得在所述(shu)方(fang)程式(shi)中示(shi)出的(de)氧化還(huan)原反應向(xiang)有利(li)于單質鉑和(he)水那側偏移。

還有利的(de)是，以0.1至(zhi)120秒、尤其0.1至(zhi)45秒、優選0.1至(zhi)5秒范圍的(de)持續時間在(zai)膜電(dian)(dian)極(ji)組件(jian)上施加電(dian)(dian)能。在(zai)此顯示出，該時間段(duan)是足以還原至(zhi)少大部分的(de)氧化鉑(bo)并且(qie)穩定膜電(dian)(dian)極(ji)組件(jian)的(de)容量。

所外加的(de)電能的(de)強度和持(chi)續時間優(you)選(xuan)如此選(xuan)擇，使得在(zai)第二步驟結束時獲得預設份額的(de)催化金屬單質。例如，存在(zai)的(de)催化材料的(de)至(zhi)少50％的(de)重(zhong)量(liang)百(bai)分(fen)比(bi)、優(you)選(xuan)至(zhi)少70％的(de)重(zhong)量(liang)百(bai)分(fen)比(bi)是無(wu)氧的(de)。

適宜的是，通(tong)過外(wai)加電(dian)(dian)能所感應的電(dian)(dian)流(liu)反向于在(zai)燃料電(dian)(dian)池(chi)運行時的電(dian)(dian)流(liu)方向，如此以便還原在(zai)陽極上形成的氧化(hua)鉑(bo)和氫氧化(hua)鉑(bo)。

在按照本發明的(de)(de)方法的(de)(de)優選的(de)(de)設計方案中規定(ding)，燃料的(de)(de)引入在斷開電(dian)能之后以時間延(yan)遲的(de)(de)方式進(jin)行。本發明的(de)(de)該設計方案以有利的(de)(de)方式導致燃料電(dian)池系統(tong)的(de)(de)再生和穩定(ding)。

本發(fa)明的(de)(de)另外(wai)的(de)(de)方面(mian)涉及一(yi)種燃料電(dian)池(chi)(chi)系(xi)統(tong)，其包括燃料電(dian)池(chi)(chi)。所(suo)述(shu)(shu)(shu)燃料電(dian)池(chi)(chi)包括導電(dian)的(de)(de)雙(shuang)極(ji)板，在所(suo)述(shu)(shu)(shu)雙(shuang)極(ji)板之間分(fen)別(bie)布(bu)置有陰極(ji)、膜和陽極(ji)，所(suo)述(shu)(shu)(shu)陰極(ji)包括導引流體的(de)(de)陰極(ji)室，所(suo)述(shu)(shu)(shu)陽極(ji)包括導引流體的(de)(de)陽極(ji)室。所(suo)述(shu)(shu)(shu)燃料電(dian)池(chi)(chi)系(xi)統(tong)還包括電(dian)源和控制(zhi)單(dan)元(yuan)，所(suo)述(shu)(shu)(shu)控制(zhi)單(dan)元(yuan)設置用(yong)于(yu)執行按(an)照本發(fa)明的(de)(de)方法(fa)。

在按照本發明的(de)燃料電(dian)池系統的(de)特別有(you)利的(de)設計方(fang)案中(zhong)，控制單元設置(zhi)用于通過(guo)電(dian)流和/或電(dian)壓(ya)控制電(dian)流流動和/或電(dian)勢(shi)。

此外有利的(de)是(shi)，在燃料(liao)電(dian)池系統(tong)內設有傳感(gan)器，該(gai)傳感(gan)器可以根據(ju)參(can)數調(diao)整電(dian)流和/或(huo)(huo)(huo)電(dian)勢，該(gai)參(can)數對應于陽極內或(huo)(huo)(huo)陽極上的(de)氧(yang)化鉑的(de)含(han)(han)量(liang)或(huo)(huo)(huo)者在陽極室內的(de)氧(yang)的(de)含(han)(han)量(liang)。

在本申請中(zhong)所述(shu)的(de)本發明(ming)的(de)不(bu)同的(de)實施方式在個(ge)別情況下不(bu)能(neng)另外地(di)實施并且(qie)有(you)利地(di)可相互結合。

以下結合(he)附圖(tu)進(jin)一(yi)步闡述本(ben)發明。在(zai)附圖(tu)中：

圖1示出(chu)燃料電池的示意圖，

圖2示出燃料電池組的單體電池的剖(pou)面示意圖，

圖3a-f示出在(zai)優(you)選(xuan)實施例中按照本(ben)發明(ming)的方法的不同時間點上在(zai)陽(yang)極(ji)室內的氣(qi)體比例和陽(yang)極(ji)的狀態(tai)，和

圖(tu)4示出在優選(xuan)實施例(li)中按照(zhao)本發明的(de)方(fang)法(fa)的(de)電流/電壓-時間曲(qu)線(xian)圖(tu)。

圖(tu)1示(shi)(shi)出燃(ran)料電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(也(ye)稱(cheng)作燃(ran)料電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組)的簡化示(shi)(shi)意圖(tu)。燃(ran)料電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)100包括(kuo)第一(yi)端板(ban)(ban)(ban)6和第二(er)端板(ban)(ban)(ban)7。在端板(ban)(ban)(ban)6、7之(zhi)間安置有(you)多個相互堆疊(die)的堆疊(die)件(jian)，這(zhe)些堆疊(die)件(jian)包括(kuo)雙(shuang)極板(ban)(ban)(ban)5和膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)極單元10。雙(shuang)極板(ban)(ban)(ban)5與(yu)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)極單元10相互交替地(di)堆疊(die)。膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)極單元10分別包括(kuo)膜(mo)和接(jie)在所述膜(mo)的兩側上的電(dian)(dian)(dian)(dian)極，即陽(yang)極和陰極(未示(shi)(shi)出)。在雙(shuang)極板(ban)(ban)(ban)5和膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)極單元10之(zhi)間分別安置有(you)密封(feng)件(jian)8，該密封(feng)件(jian)氣密地(di)向(xiang)外密封(feng)陽(yang)極室(shi)(shi)和陰極室(shi)(shi)。在端板(ban)(ban)(ban)6和7之(zhi)間，燃(ran)料電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)100借助拉力(li)件(jian)9、例如拉桿(gan)或壓板(ban)(ban)(ban)被擠壓。

在(zai)(zai)圖1中僅能看到(dao)雙極(ji)板5和(he)膜電(dian)(dian)極(ji)單(dan)元10的(de)(de)(de)窄側。雙極(ji)板5和(he)膜電(dian)(dian)極(ji)單(dan)元10的(de)(de)(de)主表面彼此相互(hu)貼(tie)靠。在(zai)(zai)圖1的(de)(de)(de)示圖中局部沒有(you)依據(ju)尺寸比(bi)例。通(tong)常，由雙極(ji)板5和(he)膜電(dian)(dian)極(ji)單(dan)元10構成的(de)(de)(de)單(dan)體電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)厚度等(deng)于數個(ge)毫米，其中，膜電(dian)(dian)極(ji)單(dan)元10是最薄的(de)(de)(de)元件。此外，單(dan)體電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)數量通(tong)常比(bi)所示的(de)(de)(de)明顯更(geng)多。

PEM(質子交(jiao)換膜)燃料電(dian)池100的單體電(dian)池的剖面示(shi)意圖在圖2中示(shi)出。

燃料電池100包括作為核心部件的膜電極單元10，其具有聚合物電解質膜1以及分別連接在膜1的兩個平面側之一上的電極、即陽極2a和陰極2k。膜1是聚合物電解質膜，其優選可以導引陽離子、尤其質子(H⁺)。電極(ji)2a、2k包括催化材(cai)料(liao)、例(li)如(ru)鉑，該催化材(cai)料(liao)被攜帶在導(dao)電材(cai)料(liao)、例(li)如(ru)碳(tan)基材(cai)料(liao)上(shang)。

氣(qi)(qi)體(ti)擴散層3分別鄰(lin)接在電(dian)極(ji)(ji)2a、2k上，該氣(qi)(qi)體(ti)擴散層基本上實現了將供給的(de)運行氣(qi)(qi)體(ti)在電(dian)極(ji)(ji)2a、2k或(huo)膜1的(de)主表面上均勻分布(bu)。

在每個氣體擴散層3的外側上安置有雙極板5。雙極板5的作用是，將單體電池的各個膜電極單元10電氣地相互連接、對燃料電池組進行冷卻并且將運行氣體供給電極2a、2k。為了最后這一目的，雙極板5(也稱為流動區域板)具有流動區域4a、4k。流動區域4a、4k例如包括多個相互平行布置的流動通道，這些流動通道以溝槽或凹槽的形式加工到這些雙極板5中。通常，每個雙極板5在其一側上具有朝向陽極2a的陽極流動區域4a并且在雙極板的另一側上具有朝向陰極2k的陰極流動區域4k。在本發明中，兩個所示的雙極板5中的每一個分別僅顯示一個流動區域4a、4k，其中，所示的截面圖沿著相應的流動通道延伸。在燃料電池正常運行時，陽極流動區域4a被供給燃料、尤其氫氣(H₂)，同時陰極流動區域4k被供給含有氧氣(O₂)的運行介質、尤(you)其空氣。

在圖2中同樣示出在陽極2a和陰極2k上發生的反應。由此在陽極2a上將氫氣H₂催化氧化成質子H⁺，并釋放出電子e^-。所述質子遷移通過導引質子的膜1并且到達陰極2k。在那里，供給的氧O₂與質子發生反應轉變為水H₂O，其中，氧被(bei)還原并且由(you)此(ci)接(jie)受電子。陽極反應的電子通過外部(bu)的、在此(ci)未示出的電路被(bei)供給陰極。

結合圖(tu)3和(he)4在(zai)有(you)利的(de)(de)實施方式中闡(chan)述(shu)按照(zhao)本(ben)(ben)發(fa)明的(de)(de)用于啟動(dong)燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)方法(fa)的(de)(de)流(liu)程。在(zai)此，圖(tu)3示(shi)出在(zai)執行(xing)按照(zhao)本(ben)(ben)發(fa)明的(de)(de)方法(fa)時(shi)在(zai)不(bu)同的(de)(de)時(shi)間點上在(zai)陽極流(liu)動(dong)區域(yu)4a和(he)陽極2a的(de)(de)流(liu)動(dong)通道內的(de)(de)狀態示(shi)意(yi)圖(tu)。圖(tu)3未示(shi)出氣體擴散層3。圖(tu)4示(shi)出在(zai)執行(xing)所(suo)述(shu)方法(fa)時(shi)的(de)(de)燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)/電(dian)(dian)(dian)壓-時(shi)間曲(qu)線圖(tu)(U(t)/I(t))。在(zai)此示(shi)出在(zai)根據以(yi)(yi)(yi)分鐘(zhong)所(suo)示(shi)的(de)(de)時(shi)間(t)(橫(heng)坐(zuo)(zuo)標)中以(yi)(yi)(yi)伏(fu)特所(suo)示(shi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(U)20(左側縱坐(zuo)(zuo)標)和(he)以(yi)(yi)(yi)mA測量的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(I)21(右側縱坐(zuo)(zuo)標)的(de)(de)曲(qu)線圖(tu)。

在開始方法的時間點t₀上，陽極流動區域4a被完全填充氧O₂。催化材料由此部分以氧化鉑PtO_x的形式存在(圖3a)。在時間點t₀上，通過將沖洗流體、在此為N₂施加到陽極室中來啟動所述方法。在此形成氮/氧前緣并且氮在該階段將氧排擠出陽極流動區域4a(圖3b)。在圖4中以I示出的第一方法階段中，沖洗時間持續0.5至1.5分鐘、尤其1至1.25分鐘、在此為1.1至1.2分鐘。在該階段I結束時，在時間點t₁上，整個陽極流動區域4a被完全充滿氮，同時另外陽極4a部分以PtO_x的形式(shi)存在(圖3c)。

在接下來的第二方法階段II中，在持續18至120秒、尤其24至36秒的時間點t₁上，將電能外加在燃料電池、尤其是其雙極板上。這在所示的實施方式中以電流控制的方式進行。由外加的電流21產生電壓20，該電壓跟隨電流走向(參見圖4)。該跟隨可如下明確得知，即，電壓20相對于感應電流21明顯不是突然地上升，而是顯示出平緩上升。在所示的實施方式中，即便在外加電能時也不中斷氮的供給。在該階段II中，通過感應電流21和/或由此產生的電壓20電化學地還原氧化鉑。所觀察到的電壓跟隨歸因于氧化鉑的持續還原。在所述還原時產生的水通過未中斷的用氮沖洗被從陽極室內排出。在方法階段II結束時在時間點t₂上，陽極2a的(de)催化材料以鉑Pt的(de)形式存在(zai)。

第三方法階段III在時間點t₂上開始并且通過關掉電流供應來(lai)中斷電流21而引入。電流21驟然(ran)降(jiang)為(wei)0mA。電壓20再(zai)次跟隨電流走向(xiang)，使得測量的電壓20在(zai)第(di)三方法階段(duan)III中雖然(ran)下(xia)降(jiang)，但是沒有到達零點。在(zai)持(chi)續(xu)大約2至15秒、優選3至10秒、尤(you)其5至7秒的第(di)三方法階段(duan)III中，陽極室進(jin)一步持(chi)續(xu)地(di)用氮(dan)沖洗。為(wei)了在(zai)該階段(duan)中阻止由于(yu)氧的擴(kuo)散(san)而造成再(zai)次產(chan)生氧化鉑和氫氧化鉑，盡(jin)可能短地(di)規定持(chi)續(xu)時間。

在時間點t₃上(shang)(shang)開(kai)始(shi)供(gong)給(gei)燃(ran)(ran)料(liao)、在(zai)此為(wei)氫，并(bing)且(qie)由此開(kai)始(shi)第(di)四方法階段IV。在(zai)此形成氫/氮前緣并(bing)且(qie)氫將氮排擠出陽(yang)極(ji)室(shi)(圖3e)。導入(ru)的氫引發本來的燃(ran)(ran)料(liao)電(dian)(dian)(dian)池反應并(bing)且(qie)在(zai)膜上(shang)(shang)產生電(dian)(dian)(dian)勢差，因為(wei)陰極(ji)室(shi)同時被供(gong)給(gei)氧、尤其空氣。電(dian)(dian)(dian)化學電(dian)(dian)(dian)勢差以電(dian)(dian)(dian)壓20測量，無需施(shi)加電(dian)(dian)(dian)流21(圖4)。

在(zai)啟動過程(cheng)結束時(shi)并且在(zai)燃料(liao)電池運(yun)行中，整個陽極室被充滿氫(圖3f)。

附圖標記列表

1 膜

2 電極

2a 陽極

2k 陰極

3 氣體擴(kuo)散層GDL

4a 陽極流動區域(yu)

4k 陰(yin)極流動區域

5 雙極板BPP

6 第一(yi)端板

7 第(di)二端板(ban)

8 密封件(jian)

9 拉(la)力件

10 膜(mo)電極單元MEA

100 燃料電池

20 電壓

21 電流