DE102012222099A1 - Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
DE102012222099A1
DE102012222099A1 DE102012222099.2A DE102012222099A DE102012222099A1 DE 102012222099 A1 DE102012222099 A1 DE 102012222099A1 DE 102012222099 A DE102012222099 A DE 102012222099A DE 102012222099 A1 DE102012222099 A1 DE 102012222099A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
cathode
platinum
performance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102012222099.2A
Other languages
English (en)
Inventor
Hwan Soo Shin
Hyun Suk Choo
Jae Hyuk Lee
Sung Keun Lee
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hyundai Motor Co
Original Assignee
Hyundai Motor Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hyundai Motor Co filed Critical Hyundai Motor Co
Publication of DE102012222099A1 publication Critical patent/DE102012222099A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J38/00—Regeneration or reactivation of catalysts, in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04238—Depolarisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Wiederherstellen einer Brennstoffzelle beschrieben, das die katalytischen Eigenschaften einer Kathode in einen wiederverwendbaren Zustand durch Zuführen von Wasserstoff zu der Kathode eines verschlechterten Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer und Lagern des Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer wiederherstellen kann, so dass ein auf der Oberfläche von Platin (Pt) gebildetes Oxid entfernt wird und zur gleichen Zeit das Platin wieder ausgefällt wird.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle, das teilweise die Leistung einer verschlechterten Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle wiederherstellen kann.
  • (b) Stand der Technik
  • Ein typischer Brennstoffzellenstapel umfasst eine Membranelektrodenanordnung (Membrane Electrode Assembly – MEA), die eine Polymer-Elektrolyt-Membran, durch welche Wasserstoffionen transportiert werden, und eine Elektroden-/Katalysatorschicht einschließlich einer Kathode und einer Anode, die an beiden Seiten der Polymer-Elektrolyt-Membran angeordnet sind, umfasst, so dass Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. Außerdem sind eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer – GDL) und eine Dichtung der Reihe nach an der Außenseite der Elektrolyt-Membran gestapelt, d. h., an der Außenseite, wo die Kathode und die Anode angeordnet sind. Darüber hinaus ist ein Separator, der Strömungsfelder umfasst, durch welche Brennstoff zugeführt wird und durch die Reaktion erzeugtes Wasser abgeführt wird, an der Außenseite der GDL angeordnet, wodurch eine Elementarzelle gebildet wird.
  • Demzufolge findet eine Oxidationsreaktion an der Anode des Brennstoffzellenstapels statt, und somit wird der zu der Anode zugeführte Wasserstoff in Wasserstoffionen (Protonen, H+) und Elektronen (e– dissoziiert. Die Wasserstoffionen werden zu der Kathode durch die Elektrolyt-Membran und den Separator übertragen, und die Elektronen werden zu der Kathode durch die GDL und den Separator übertragen. An der Kathode findet eine elektrochemische Reaktion statt, in welcher die Wasserstoffionen und von der Anode übertragene Elektronen und Sauerstoff in der Luft beteiligt sind, um Wasser zu erzeugen und elektrische Energie aus dem Elektronenfluss zu erzeugen.
  • Die Anode und die Kathode des Brennstoffzellenstapels umfassen Kohlenstoff und Platin. Insbesondere kommt es zu einer Verschlechterung von Kohlenstoff und Platin nach einer gewissen Zeit eines Betriebs, die dafür bekannt ist, die Leistung des Brennstoffzellenstapels herabzusetzen. Der elektrochemische Oberflächenbereich (electrochemical surface area – ECSA) eines Platinkatalysators wird aufgrund der Aggregation von Nanopartikeln oder der Freisetzung von Platin während des Betriebs der Brennstoffzelle verringert, und somit wird die Sauerstoffreduktionsreaktions-(oxygen reduction reaction – ORR) Rate der Kathode verringert, wodurch eine Verringerung der gesamten Leistung der Brennstoffzelle verursacht wird. Jedoch wird die Verringerung der Leistung aufgrund der Verschlechterung von Platin typischerweise von Fachleuten auf dem Gebiet als eine irreversible Verschlechterung verstanden, und somit ist bisher kein Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung berichtet worden.
  • Die typische Verschlechterung der Brennstoffzellen-Elektrolyt-Membran wird nun unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Die Verschlechterung kann durch eine Verringerung der CO-Toleranz des Katalysators an der Anode aufgrund einer Ru-Zersetzung, einer Verringerung des elektrochemischen Oberflächenbereichs an der Kathode aufgrund des Wachstums und der Auflösung von Platin, Fluten an der Kathode aufgrund einer Verringerung der Sauerstoff diffusionsfähigkeit, Ausdünnen der Elektrolyt-Membran, Lochbildung, usw. verursacht werden. Obwohl es viele Techniken gibt, um eine Korrosion von Kohlenstoff zu verhindern, ist es unmöglich, die Strömung von Wasserstoff zu der Kathode vollständig zu blockieren. Jedoch ist es möglich, die Korrosion von Kohlenstoff durch vorübergehendes Blockieren der Leitung, durch welche Luft zu der Kathode zugeführt wird, zu verhindern.
  • Demzufolge ist die Elektrolyt-Membran, die für die Übertragung von Wasserstoffionen von der Anode zu der Kathode verantwortlich ist, für die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels sehr wichtig. Somit ist es von hoher Bedeutung, die Verschlechterung dieser Membran zu erkennen und darauf zu reagieren, die die Verringerung der Leistung und der Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels verursacht.
  • Die obige in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte Information dient nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle bereit, das die Katalysatoreigenschaften einer Kathode in einen wiederverwendbaren Zustand durch Zuführen von Wasserstoff zu der Kathode eines verschlechterten Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer und Lagern des Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer wiederherstellen kann, so dass ein auf der Oberfläche von Platin (Pt) gebildetes Oxid entfernt wird und gleichzeitig das Platin wieder ausgefällt wird.
  • In einer Ausgestaltung stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Zuführen von Wasserstoff zu einer Kathode eines verschlechterten Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer und Lagern des Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer; und Ermöglichen, dass ein auf der Oberfläche eines Platinkatalysators der Kathode gebildetes Oxid verringert und entfernt wird, während der Brennstoffzellenstapel für eine vorbestimmte Zeitdauer gelagert wird, wobei die obigen Schritte mindestens dreimal wiederholt werden, wodurch teilweise die Leistung des verschlechterten Brennstoffzellenstapels wiederhergestellt wird.
  • In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann Wasserstoff bei 70°C zu der Kathode des Brennstoffzellenstapels für mindestens 1 Stunde zugeführt werden und der Brennstoffzellenstapel kann für 2 bis 3 Tage gelagert werden.
  • Zusätzlich können sich Platinionen, von welchen das auf der Oberfläche des Platinkatalysators gebildete Oxid entfernt wird, und bewegliche Platinionen (Ptz+, X = 2,4), die während einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels freigesetzt werden, mit Elektronen verbinden und können als hochaktives Platin (Pt) wieder ausgefällt werden.
  • Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf deren bestimmte beispielhafte Ausführungsformen ausführlich beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche nachfolgend lediglich der Veranschaulichung dienen und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind, wobei:
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine herkömmliche Verschlechterung einer Brennstoffzelle darstellt;
  • 2 zeigt eine grafische Darstellung, die die Strom-Spannungs-Eigenschaften gemäß einem Prozess zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3 zeigt eine grafische Darstellung, die die Zellspannungsverteilung gemäß einem Prozess zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 4 zeigt eine grafische Darstellung, die die Verschlechterungsrate gemäß einem Prozess zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 5 zeigt eine grafische Darstellung, die den kontinuierlichen Betrieb unter einem konstanten Strom gemäß einem Prozess zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 6 und 7 zeigen grafische Darstellungen, die die Änderungen der Eigenschaften eines Platinkatalysators durch die Zufuhr von Wasserstoff in eine Kathode darstellen; und
  • 8 und 9 zeigen schematische Diagramme, die die Verringerung von Pt-/C-Oxiden, die während eines Betriebs auftreten, durch die Zufuhr von Wasserstoff in der Kathode darstellen.
  • Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt.
  • In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Die obigen und weiteren Merkmale der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
  • Nachfolgend wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche innerhalb dem Geist und dem Umfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf das Wiederherstellen einer verminderten Leistung einer Kathoden-Katalysatorschicht einer Brennstoffzelle gerichtet, die eine von verschiedenen Ursachen der Leistungsverschlechterung einer Brennstoffzelle darstellt.
  • Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Zuführen von Wasserstoff zu einer Kathode eines verschlechterten Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer und Lagern des Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer (1 oder mehrere Stunden); und Ermöglichen, dass ein auf der Oberfläche eines Platinkatalysators der Kathode gebildetes Oxid verringert und entfernt wird, während der Brennstoffzellenstapel für eine vorbestimmte Zeitdauer (z. B. 2–3 Tage) gelagert wird, wobei die obigen Schritte mehr als dreimal wiederholt, wodurch teilweise die Leistung des verschlechterten Brennstoffzellenstapels wiederhergestellt wird (z. B. um ungefähr 30 bis 40%).
  • Vorzugsweise kann gemäß der vorliegenden Erfindung Wasserstoff bei 70°C zu der Kathode des verschlechterten Brennstoffzellenstapels für zumindest 1 Stunde zugeführt werden und der Brennstoffzellenstapel kann für 2 bis 3 Tage gelagert werden. Als Ergebnis der obigen Prozesse kann ein auf der Oberfläche des Platinkatalysators der Kathode gebildetes Oxid im Verlauf der Lagerung von 2 bis 3 Tagen verringert und entfernt werden.
  • Das heißt, wenn Wasserstoff bei 70°C zu der Kathode des verschlechterten Brennstoffzellenstapels für zumindest 1 Stunde zugeführt wird und der Brennstoffzellenstapel für 2 bis 3 Tage gelagert wird, werden Oxide wie zum Beispiel PtOH, PtO, PtO2, usw., die auf der Oberfläche des Platinkatalysators der Kathode gebildet sind, verringert und entfernt, und gleichzeitig verbinden sich Platinkationen und bewegliche Platinionen (Ptz+, x = 2,4), die während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels freigesetzt werden, mit Elektronen (2e–), um Wasser zu erzeugen, und werden als hochaktives Platin wieder ausgefällt (Pt).
  • Platin im Nanomaßstab, das als ein Brennstoffzellenkatalysator verwendet wird, weist einen relativ großen spezifischen Oberflächenbereich auf und tendiert somit dazu, um in der Luft wie oxidiert zu werden, wie dies in der folgenden Platin-Oxidationsreaktion gezeigt ist, und um in einer Wasserstoffatmosphäre verringert zu werden, wie dies in der folgenden Platin-Reduktionsreaktion gezeigt ist. Platin-Oxidationsreaktion: Pt + O2- → PtO + 2e Platin-Reduktionsreaktion: PtO + 2H+ + 2e → Pt + H2O
  • Als solches werden die Oxidfilme, die auf der Oberfläche des Platinkatalysators gebildet sind, durch die Platin-Reduktionsreaktion der Kathoden-Katalysatorschicht in der Wasserstoffatmosphäre entfernt, und die metallische Kontaktfläche der Katalysatorschicht wird durch die Fläche erhöht, wo die Oxidfilme beseitigt werden. Infolgedessen wird die aktive Stelle des metallischen Katalysators mit einer hohen katalytischen Aktivität erhöht, um den aktiven Widerstand der Elektrode zu verringern und um die Ausgangsleistung pro Elementarzelle zu erhöhen.
  • Das Prinzip, dass die elektrochemischen Eigenschaften des Platinkatalysators durch die Zufuhr von Wasserstoff in der Kathode verändert werden, wird unter Bezugnahme auf 6 und 7 ausführlich beschrieben.
  • 6 zeigt eine grafische Potential-pH-Darstellung von Pt, die darstellt, dass das Pt-Metall bei einem Potential unterhalb von 0,7 bis 0,8 V thermodynamisch stabil ist und nicht korrodiert, doch wenn sich das Potential erhöht, werden Oxidfilme wie zum Beispiel PtOH, PtO, usw. auf der Oberfläche davon gebildet.
  • 7 zeigt eine zyklische Voltammetrie einer Pt- unterstützten Kohlenstoffelektrode (Pt/C) in einer 0,5 M Schwefelsäurelösung. Wenn ein Oxid auf der Platinoberfläche gebildet wird und das Potential nach unten abgetastet wird, wird der Reduktionsstrom bei 1,0 V beobachtet und die Reduktionsreaktion der Oberflächenoxide wird bei ungefähr 0,5 V beendet. Somit wird gemäß dem oberhalb beschriebenen Verfahren der vorliegenden Erfindung, wenn der Wasserstoff zu der Kathode zugeführt und gelagert wird, das Kathodenpotential auf das Standard-Wasserstoff-Elektroden-(Standard Hydrogen Electrode – SHE)Potential verringert, wodurch die Verringerung von Oxiden auf der Platinoberfläche ermöglicht wird. Außerdem wird erwartet, dass die elektrochemische Reduktionsreaktion in einer Wasserstoffatmosphäre ermöglicht wird.
  • Als nächstes wird das Prinzip, dass die Pt/C-Oxide, die während des Betriebs gebildet werden, durch die Zufuhr und Lagerung von Wasserstoff in der Kathode verringert werden, unter Bezugnahme auf 8 und 9 ausführlich beschrieben.
  • 8 zeigt einen Oxidationsmechanismus von Kohlenstoff in einer Wasserstoffatmosphäre in der Kathode des Brennstoffzellenstapels. Die Oxidation von Kohlenstoff beginnt von defekten Stellen aus, bildet Oxide wie zum Beispiel Alkohol oder Ether (C-OH), Carbonyl (C-OOH), usw. und führt letztendlich zum Verlust von Kohlenstoff, wodurch die Zerstörung der Kohlenstoffstruktur verursacht wird. Eine reversible Reaktion in der Kohlenstoff-Oxidationsreaktion umfasst einen Redoxreaktion zwischen C-OH und C=O (Chinon-Hydrchinon-Redox-Reaktion). Jedoch entwickelt sich von der Bildung einer Carboxylgruppe (COOH) eine irreversible Reaktion durch die Kohlenstoff-Ringöffnung, und somit ist die Rekonstruktion der Oberflächenstruktur unmöglich. Im Gegensatz dazu, wie in 9 gezeigt, sind die meisten Reaktionen reversible Oxidationsreaktionen (Reaktionen 1 bis 3 von 9), bis Pt von PtO freigesetzt wird, und wenn das oberhalb beschriebene Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, wird es erwartet, dass die katalytische Aktivität von Platin teilweise wiederhergestellt werden kann.
  • Als nächstes wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele ausführlich beschrieben.
  • Beispiele 1 bis 3
  • In Beispiel 1 wurde ein Prozess zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle einschließlich des Schritts zum Zuführen von Wasserstoff bei 70°C zu einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels mit 217 Zellen, die tatsächlich in ihrer Funktion gemindert waren und verworfen wurden, für wenigstens 1 Stunde und des Schritts zum Lagern des Brennstoffzellenstapels, wie er war, für 2 bis 3 Tage einmal wiederholt.
  • In Beispielen 2 und 3 wurde der oberhalb beschriebene Prozess zweimal beziehungsweise dreimal wiederholt.
  • Testbeispiel 1
  • Die Strom-Spannung wurde von den Brennstoffzellenstapeln in Beispielen 1 bis 3 gemessen, um die ursprüngliche Stapelleistung mit der verminderten Leistung zu vergleichen, und die Ergebnisse sind in 2 dargestellt. Wie aus 2 ersichtlich ist, verringerte sich die Strom-Spannung des verschlechterten Stapels um 13,6% im Vergleich zur ursprünglichen Leistung, aber verringerte sich um 11,3%, 10,0% beziehungsweise 9,0% nach dem Prozess zum Wiederherstellen der Leistung, woraus ersichtlich ist, dass die Strom-Spannungs-Erzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels teilweise wiederhergestellt wird.
  • Testbeispiel 2
  • Die Zellspannungsverteilung bei 0,8 A/cm2 wurde von den Brennstoffzellenstapeln in Beispielen 1 bis 3 gemessen und mit der Zellspanungsverteilung des verschlechterten Brennstoffzellenstapels verglichen, und die Ergebnisse sind in 3 gezeigt. Wie aus 3 ersichtlich ist, wurde die durchschnittliche Zellspannung der Brennstoffzellenstapel in Beispielen 1 bis 3 verglichen mit der des verschlechterten Brennstoffzellenstapels erhöht, und insbesondere wurde die durchschnittliche Zellspannung des Brennstoffzellenstapels in Beispiel 3 um ungefähr 41 mV erhöht.
  • Testbeispiel 3
  • Die Verschlechterungsraten wurden bei verschiedenen Zellspannungen von den Brennstoffzellenstapeln in Beispielen 1 bis 3 gemessen und die Ergebnisse sind in 4 gezeigt. Wie aus 4 ersichtlich ist, wurde die Verschlechterungsrate des Brennstoffzellenstapels allmählich verringert, als der Leistungswiederherstellungsprozess durchgeführt wurde, was bedeutet, dass die Haltbarkeit für die Stromerzeugung verbessert wird.
  • Testbeispiel 4
  • Der Leistungswiederherstellungsprozess wurde dreimal wie in Beispiel 3 durchgeführt und dann wurde der Brennstoffzellenstapel bei einem konstanten Strom von 0,8 A/cm2 betrieben, und die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. Wie aus 5 ersichtlich ist, wurde die wiederhergestellte Spannung von 0,58 V nach dem Betrieb unter dem konstanten Strom für 30 Minuten beibehalten, was nicht bedeutet, dass die Leistung zeitweise wiederhergestellt wird, sondern bedeutet, dass die Eigenschaften des Kathodenkatalysators verbessert werden.
  • Wie oben beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Effekte bereit.
  • Da Hochtemperatur-Wasserstoff zu der Kathode des verschlechterten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, was durch die irreversible Verschlechterung verursacht wird, und der Brennstoffzellenstapel für eine vorbestimmte Zeitdauer gelagert wird, verbinden sich die Platinkationen, von welchen die Oxide des Platinkatalysators der Kathode verringert und entfernt werden, und die beweglichen Platinionen, die während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels freigesetzt werden, mit Elektronen (2e–) und werden als hochaktives Platin (Pt) wieder ausgefällt, wodurch die Leistung des verschlechterten Brennstoffzellenstapels um ungefähr 30 bis 40% wiederhergestellt wird. Durch den obigen Prozess zum Wiederherstellen der Leistung des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den verschlechterten Brennstoffzellenstapel erneut zu verwenden und die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels zu verbessern.
  • Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben. Allerdings wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, wobei deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten festgelegt ist.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zuführen von Wasserstoff zu einer Kathode eines verschlechterten Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer; Lagern des Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer; und Verringern und Entfernen eines auf der Oberfläche eines Platinkatalysators der Kathode gebildeten Oxids durch Lagern des Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitdauer, wobei das Zuführen, Lagern und Verringern und Entfernen drei oder mehr Male wiederholt wird, wodurch teilweise die Leistung des verschlechterten Brennstoffzellenstapels wiederhergestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Wasserstoff bei 70°C zu der Kathode des Brennstoffzellenstapels für wenigstens 1 Stunde zugeführt wird und der Brennstoffzellenstapel für 2 bis 3 Tage gelagert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich Platinionen, von welchen das auf einer Oberfläche des Platinkatalysators gebildete Oxid entfernt wird, und bewegliche Platinionen (Ptz+, x = 2,4), die während einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels freigesetzt werden, mit Elektronen verbinden und als hochaktives Platin wieder ausgefällt werden.
DE102012222099.2A 2012-08-01 2012-12-03 Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle Withdrawn DE102012222099A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120084329A KR101405551B1 (ko) 2012-08-01 2012-08-01 연료전지 성능 회복 방법
KR10-2012-0084329 2012-08-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102012222099A1 true DE102012222099A1 (de) 2014-02-06

Family

ID=49944067

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102012222099.2A Withdrawn DE102012222099A1 (de) 2012-08-01 2012-12-03 Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20140038068A1 (de)
JP (1) JP6118084B2 (de)
KR (1) KR101405551B1 (de)
CN (1) CN103579645A (de)
DE (1) DE102012222099A1 (de)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101394686B1 (ko) 2012-12-18 2014-05-14 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 성능 회복 방법
JP2015079729A (ja) 2013-10-14 2015-04-23 現代自動車株式会社 燃料電池スタックの性能回復方法
KR101586569B1 (ko) * 2014-07-01 2016-01-22 현대제철 주식회사 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법
KR101684114B1 (ko) * 2015-05-15 2016-12-07 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 활성화 가속 방법
KR101637833B1 (ko) 2015-05-18 2016-07-07 현대자동차주식회사 연료전지 스택 성능 회복 방법 및 장치
CN111261899B (zh) * 2018-11-30 2021-04-13 中国科学院大连化学物理研究所 恢复高温质子交换膜燃料电池性能的方法和电池运行方法
KR20200138475A (ko) 2019-05-29 2020-12-10 현대자동차주식회사 연료전지 회복 제어 시스템 및 방법
KR20210070451A (ko) 2019-12-04 2021-06-15 현대자동차주식회사 연료전지의 제어시스템 및 제어방법
CN112751058B (zh) * 2021-01-05 2022-09-16 一汽解放汽车有限公司 一种性能恢复装置及其控制方法
CN115133080B (zh) * 2022-07-08 2023-12-26 中汽创智科技有限公司 一种燃料电池控制方法和装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4632501B2 (ja) * 2000-09-11 2011-02-16 大阪瓦斯株式会社 燃料電池の停止保管方法
CA2461303A1 (en) * 2003-03-19 2004-09-19 Ballard Power Systems Inc. Platinum alloy catalysts for electrochemical fuel cells
US20070237993A1 (en) * 2003-03-21 2007-10-11 Karin Carlsson Fuel cell reforming
JP2004300981A (ja) * 2003-03-31 2004-10-28 Toyota Motor Corp 触媒劣化判定装置
US20050136298A1 (en) * 2003-12-19 2005-06-23 Manikandan Ramani Methods of treating fuel cells and fuel cell systems
JP2006024546A (ja) * 2004-06-08 2006-01-26 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池の運転方法
US7419732B2 (en) * 2005-02-11 2008-09-02 Gore Enterprise Holdings, Inc. Method for reducing degradation in a fuel cell
JP2007273460A (ja) * 2006-03-10 2007-10-18 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池の活性化方法、および活性化された燃料電池用セルあるいは燃料電池用膜／電極接合体およびそれを備えたセルスタックもしくは燃料電池、および燃料電池用活性化装置
KR100795397B1 (ko) * 2006-04-21 2008-01-17 재단법인서울대학교산학협력재단 일산화탄소를 포함한 수소의 연료이용시 고분자 전해질연료전지의 연료공급시스템 및 그 방법
JP2008021558A (ja) 2006-07-13 2008-01-31 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池システムの性能回復方法、燃料電池システム及び性能回復用外部ユニット
JP5347253B2 (ja) * 2007-09-06 2013-11-20 日産自動車株式会社 燃料電池の起動方法、燃料電池の起動装置およびその起動装置を搭載した車両
CN101911356A (zh) * 2007-12-28 2010-12-08 Utc电力公司 启动时燃料电池阴极中的氢燃烧
US7981825B2 (en) * 2008-03-27 2011-07-19 Spansion Llc Fuel cell catalyst regeneration
KR20090119069A (ko) * 2008-05-15 2009-11-19 현대자동차주식회사 연료전지 가속 활성화 방법
US9368817B2 (en) * 2009-10-16 2016-06-14 GL Global Technology Operations LLC In-situ fuel cell stack reconditioning
KR101326484B1 (ko) * 2012-08-09 2013-11-08 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 부분 활성화 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20140038068A1 (en) 2014-02-06
KR101405551B1 (ko) 2014-06-10
KR20140017364A (ko) 2014-02-11
CN103579645A (zh) 2014-02-12
JP6118084B2 (ja) 2017-04-19
JP2014032947A (ja) 2014-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012222099A1 (de) Verfahren zum Wiederherstellen der Leistung einer Brennstoffzelle
DE112006001729B4 (de) Spannungswechselbeständige Brennstoffzelleneletrokatalysatorschicht, Brennstoffzelle umfassend dieselbe und Verwendung derselben
DE112005003300B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Reduzierung eines Spannungsverlusts, der durch eine Spannungswechselbelastung bewirkt wird, durch Verwendung einer wiederaufladbaren elektrischen Speichervorrichtung
DE102014209789A1 (de) Verfahren zum wiederherstellen der leistung einer brennstoffzelle unter verwendung einer elektrodenumkehrung
EP1266687A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Anodenkatalysators für PEM-Brennstoffzellen und damit hergestellter Anodenkatalysator
DE102013227217A1 (de) Leistungswiederherstellungsverfahren für einen brennstoffzellenstapel
DE102015225507A1 (de) Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels
DE102012219337A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanode
DE102012222816A1 (de) Voraktivierungsverfahren für einen brennstoffzellenstapel
DE102007056119A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum beschleunigten Aktivieren einer Brennstoffzelle
DE102011010113A1 (de) Verfahren und Prozesse zum Rückgewinnen von Verlust elektrischer Spannung eines PEM-Brennstoffzellenstapels
DE102012221595A1 (de) System und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102013208119A1 (de) Katalysator für eine brennstoffzelle, elektrode für eine brennstoffzelle, membranelektrodenbaugruppe für eine brennstoffzelle und brennstoffzellensystem, das mit diesen ausgerüstet ist
DE102011118236A1 (de) Verbesserte Brennstoffzellen-Lebensdauer durch auf Oxid getragene Edelmetalle in einer Membran
DE102018206378A1 (de) Elektrodenkatalysator für Brennstoffzellen und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102020110990A1 (de) Katalysator für Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren dafür
DE102016100400B4 (de) Verfahren zur Bildung käfigartiger ELEKTROKATALYSATOR-NANOPARTIKEL MIT HOHER STABILITÄT UND GASTRANSPORTEIGENSCHAFTEN
DE102013108068A1 (de) Oxidation von Kontaminanten einer Brennstoffzellenelektrode
DE102018002337A1 (de) Verfahren zum Verringern der Halogenion-Verunreinigung in Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
EP2886681A1 (de) Elektrochemische Elektrolysezelle für die Wasserelektrolyse sowie Verfahren zum Betreiben derselben
DE102017220812A1 (de) Membranelektrodenanordnung für brennstoffzellen und herstellungsverfahren derselben
DE102018132755A1 (de) System und verfahren zur mea-konditionierung in einer brennstoffzelle
DE102013207692A1 (de) System und verfahren zur wiederherstellung der leistung einer brennstoffzelle
DE102015222338A1 (de) Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle
DE102019104402B4 (de) Elektrochemischer Reaktor und Verfahren zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie in elektrische Energie

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee