DE102012222816A1

DE102012222816A1 - Voraktivierungsverfahren für einen brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102012222816A1
Application number: DE102012222816.0A
Authority: DE
Inventors: Hyun Suk Choo; Jae Hyuk Lee; Hwan Soo Shin; Sung Keun Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-02-13
Also published as: CN103579646B; KR101326484B1; CN103579646A; JP6207832B2; JP2014036015A; US20140045086A1

Abstract

Es wird ein Voraktivierungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel beschrieben, das die Menge an verwendeten Wasserstoff und die benötigte Verarbeitungszeit während des normalen Aktivierungsprozesses für den Brennstoffzellenstapel verringern kann. Die Offenbarung stellt zum Teil ein Voraktivierungsverfahren bereit, umfassend: Einspritzen von Wassertropfen enthaltendem, befeuchtetem Wasserstoff in einen Kathoden-Einlassverteiler eines in einem Montageprozess montierten Brennstoffzellenstapels, so dass der Wassertropfen enthaltende Wasserstoff zu einer Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird; und Abdichten und Lagern des resultierenden Brennstoffzellenstapels für einen Zeitraum, um den Brennstoffzellenstapel vorzuaktivieren.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Voraktivierungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel. Sie betrifft insbesondere ein Voraktivierungsverfahren, das die Menge an verwendeten Wasserstoff und die Verarbeitungszeit in einem regelmäßigen Aktivierungsprozess des Brennstoffzellenstapels verringern kann.
(b) Stand der Technik
Es besteht ein dringender Bedarf für die Entwicklung von umweltfreundlichen Fahrzeugen aufgrund eines gesteigerten Interesses an den Auswirkungen der Umweltverschmutzung und den resultierenden strengen internationalen Vorschriften auf Kohlendioxidemissionen, und somit haben umweltfreundliche Brennstoffzellenfahrzeuge, die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ersetzen können, viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Derzeit stellt eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell – PEMFC) mit hoher Leistungsdichte die am besten untersuchte Brennstoffzelle für eine Verwendung als Hauptenergiequelle für das Brennstoffzellenfahrzeug dar. Der Aufbau des Brennstoffzellenstapels ist wie folgt. Eine Membran-Elektroden-Anordnung (Membrane Electrode Assembly – MEA), eine Hauptkomponente, ist in der Mitte von jeder Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Die MEA weist eine feste Polymer-Elektrolyt-Membran, durch die Wasserstoffionen transportiert werden, und Katalysatorschichten einschließlich einer Kathode und einer Anode auf, die auf beiden Seiten der Elektrolyt-Membran aufgetragen sind, so dass Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. Darüber hinaus sind eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer – GDL), eine Dichtung, usw. nacheinander an der Außenseite der Elektrolyt-Membran gestapelt, d. h., an der Außenseite, wo die Kathode und die Anode angeordnet sind. Ein Separator (ebenfalls als bipolare Platte bezeichnet) einschließlich Strömungsfelder, durch welche Reaktionsgase (Wasserstoff als ein Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als ein Oxidationsmittel) zugeführt werden und Kühlmittel durchströmt, ist an der Außenseite der GDL angeordnet. Eine Mehrzahl von Elementarzellen sind typischerweise gestapelt und eine Endplatte zum Aufnehmen der Elementarzellen ist an jede der äußersten Seiten angebracht, so dass die Elementarzellen zwischen den Endplatten angeordnet und befestigt sind, wodurch ein Brennstoffzellenstapel aufgebaut wird.
Während des Betriebs von jeder Elementarzelle wird eine niedrige Spannung beibehalten und, um die Spannung zu erhöhen, werden mehrere zehn bis mehrere hundert Elementarzellen in der Form eines Stapels angeordnet und als eine Energieerzeugungsanlage verwendet. Um zu ermöglichen, dass der montierte Brennstoffzellenstapel eine normale Leistung aufweist, wird ein Stapel-Aktivierungsprozess für den Zweck zum Sicherstellen eines dreiphasigen Elektrodenreaktionsbereichs, Entfernen von Verunreinigungen von der Polymer-Elektrolyt-Membran oder Elektrode und Verbessern der Ionenleitfähigkeit der Polymer-Elektrolyt-Membran durchgeführt. Insbesondere wird während der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels nach der Montage seine Aktivität in einer elektrochemischen Reaktion verringert, und somit ist es erforderlich, den Stapelaktivierungsprozess durchzuführen, um die normale anfängliche Leistung zu gewährleisten. Dieser Stapelaktivierungsprozess wird auch ein ren” (”pre-conditioning”) oder ”Einlaufen” (”break-in”) genannt, und sein Zweck ist es, einen Wasserstoffionenkanal durch vollständiges Hydratisieren eines in der Elektrolyt-Membran oder Elektrode enthaltenen Elektrolyten sicherzustellen.
Herkömmliche Verfahren für die Aktivierung des Brennstoffzellenstapels umfassen einen Impulsprozess, der ein Abgeben mit einer hohen Stromdichte und einen Abschaltzustand aufweist, der mehrmals bis zu einigen zehn Malen wiederholt wird, oder einen Prozess, der eine Leistungsabgabe mit einer hohen Stromdichte und einen Vakuumzustand aufweist, der wie in 1 gezeigt durchgeführt wird. Solch ein Impulsprozess benötigt typischerweise eine Verarbeitungszeit von ungefähr eineinhalb Stunden bis zwei Stunden für ein 220-Zellen-Submodul. Genauer gesagt werden typischerweise wiederholt ein Impulsprozess zum Abgeben einer hohen Stromdichte (von 1,2 oder 1,4 A/cm²) für 3 Minuten und ein Prozess, in dem eine Impulsabgabe in einem Abschaltzustand für 5 Minuten durchgeführt wird, ungefähr 11 Mal durchgeführt. Unglücklicherweise, wenn ein Brennstoffzellenstapel durch solch einen Impulsprozess aktiviert wird, erhöhen sich sowohl die Menge an verwendeten Wasserstoff als auch die Verarbeitungszeit, was sich als problematisch darstellt. Mit anderen Worten weist der bestehende Stapelaktivierungsprozess unter Verwendung der Impulsabgabe in dem Abschaltzustand insofern einen Vorteil auf, dass die Aktivierungsgeschwindigkeit erhöht wird, indem eine Änderung in der Wasserströmung verursacht wird, weist allerdings darin Nachteile auf, dass die für die Aktivierung benötigte Zeit erhöht wird und die Menge an verbrauchten Wasserstoff erheblich ansteigt.
Darüber hinaus wird in dem herkömmlichen Stapelaktivierungsprozess, in dem der Prozess zum Ausgeben einer hohen Stromdichte von 1,2 oder 1,4 A/cm² für 30 Sekunden und der Prozess zum Erzeugen eines Vakuumzustands oder Abschaltzustands für 2 bis 3 Minuten wie in 1 gezeigt mehrere Male wiederholt werden, auch eine Hochstromausgangleistung verwendet, und somit werden die Menge an verwendeten Wasserstoff und die benötigte Verarbeitungszeit erhöht. Folglich, da die Verarbeitungszeit ansteigt, kann der Stapelaktivierungsprozess ein Engpass werden, der die Produktion von Brennstoffzellenstapeln aufgrund der begrenzten Anzahl von Aktivierungsvorrichtungen, die während der Massenproduktion der Brennstoffzellenstapel verfügbar sind, verzögert. Demzufolge besteht ein Bedarf für Verfahren zum Erhöhen der Effizienz einer Brennstoffzellenstapelaktivierung.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren zum Verringern der Menge an verwendeten Wasserstoff während einer Brennstoffzellenstapelaktivierung sowie zum Verringern der für solch eine Aktivierung benötigten Verarbeitungszeit bereit.
In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Voraktivierungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel bereit, wobei das Verfahren aufweist: Einspritzen von Wassertropfen enthaltenden, befeuchteten Wasserstoff in einen Kathoden-Einlassverteiler eines in einem Montageprozess montierten Brennstoffzellenstapels, so dass der Wassertropfen enthaltende Wasserstoff zu einer Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird; und Abdichten und Lagern des resultierenden Brennstoffzellenstapels.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Wassertropfen enthaltende, befeuchtete Wasserstoff (z. B. befeuchteter Wasserstoff) in einen Anoden-Einlassverteiler des Brennstoffzellenstapels eingespritzt werden, so dass der Wassertropfen enthaltende Wasserstoff ebenfalls zu einer Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, und dann kann der resultierende Brennstoffzellenstapel abgedichtet und gelagert werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann, nachdem der Wassertropfen enthaltende Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, der Brennstoffzellenstapel abgedichtet und für einen Tag gelagert werden. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Brennstoffzellenstapel abgedichtet und bei Raumtemperatur gelagert werden.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Schritt zum Abdichten und Lagern des Brennstoffzellenstapels nach dem Schritt zum Einspritzen des Wasserstoffs vor einem Aktivierungsprozess für eine 100%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels durchgeführt werden, so dass der Schritt zum Abdichten und Lagern des Brennstoffzellenstapels als eine Vorbehandlung des Brennstoffzellenstapels durchgeführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Voraktivierungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel bereit, wobei das Verfahren aufweist: Einspritzen von Wassertropfen enthaltender, befeuchteter Luft und Wassertropfen enthaltenden, befeuchteten Wasserstoff in einen Anoden-Einlassverteiler und einen Kathoden-Einlassverteiler eines in einem Montageprozess montierten Brennstoffzellenstapels, so dass die Wassertropfen enthaltende Luft. und der Wassertropfen enthaltende Wasserstoff zu einer Anode und einer Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden; und Abdichten und Lagern des resultierenden Brennstoffzellenstapels.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Wassertropfen enthaltende Luft und der Wassertropfen enthaltende Wasserstoff zu der Anode und der Kathode zugeführt werden, und dann kann der resultierende Brennstoffzellenstapel abgedichtet und für 5 Tage gelagert werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Brennstoffzellenstapel abgedichtet und bei Raumtemperatur gelagert werden. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Schritt zum Abdichten und Aufbewahren des Brennstoffzellenstapels nach dem Schritt zum Einspritzen des Wasserstoffs vor einem Aktivierungsprozess für eine 100%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels durchgeführt werden, so dass der Schritt zum Abdichten und Lagern des Brennstoffzellenstapels als eine Vorbehandlung des Brennstoffzellenstapels durchgeführt werden kann.
Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele 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 Diagramm, das eine Spannungsverteilung in einem herkömmlichen Aktivierungsprozess darstellt;
2 zeigt ein Diagramm, das eine Spannungsverteilung in einem Voraktivierungsprozess gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 zeigt ein Diagramm, das eine Spannungsverteilung in einem Voraktivierungsprozess gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
4 und 5 zeigen Diagramme, die Spannungsverteilungen in einem Testbeispiel 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
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.
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 hierin vorgesehenen Bereiche sind derart zu verstehen, dass sie eine Abkürzung für alle Werte innerhalb des Bereichs darstellen. Zum Beispiel ist ein Bereich von 1 bis 50 derart zu verstehen, dass er jede Zahl, Kombination von Zahlen oder Unterbereiche der Gruppe, die aus 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 212, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 oder 50 besteht, sowie alle dazwischen liegenden Dezimalwerte zwischen den vorgenannten ganzen Zahlen, wie zum Beispiel 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8 und 1.9 umfasst. In Bezug auf Teilbereiche sind ”verschachtelte Teilbereiche”, die sich von einem Endpunkt des Bereichs erstrecken, ausdrücklich in Betracht gezogen. Zum Beispiel kann von einem beispielhaften Bereich von 1 bis 50 ein verschachtelter Unterbereich 1 bis 10, 1 bis 20, 1 bis 30 und 1 bis 40 in einer Richtung, oder 50 bis 40, 50 bis 30, 50 bis 20 und 50 bis 10 in der anderen Richtung aufweisen.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Ungefähr” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ungefähr verändert.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Verringern der Menge an verwendeten Wasserstoff und der benötigten Verarbeitungszeit während des Aktivierungsprozesses für einen Brennstoffzellenstapel bereit. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung einen Voraktivierungsprozess (z. B. eine Art von Vorbehandlung) bereit, der vor einem normalen Aktivierungsprozess für eine 100%-Aktivierung einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell – PEMFC) durchgeführt werden kann, der die Verarbeitungszeit und die Menge an verbrauchten Wasserstoff in dem normalen Aktivierungsprozess verringert.
Gemäß den hierin beschriebenen Techniken kann der gesamte Aktivierungsprozess des Brennstoffzellenstapels in den durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagenen Voraktivierungsprozess des Brennstoffzellenstapels und den nach dem Voraktivierungsprozess durchgeführten Aktivierungsprozess für die 100%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels aufgeteilt werden, und der nach dem Voraktivierungsprozess durchgeführte 100%-Aktivierungsprozess wird hierin als der normale Aktivierungsprozess bezeichnet.
Die hierin beschriebenen Techniken stellen ein neues und einfaches Verfahren in Hinblick auf den Aktivierungsmechanismus der Elektroden-Membran bereit. Insbesondere können die hierin beschriebenen Techniken es möglich machen, den Voraktivierungseffekt nur durch Einspritzen von Tröpfchen enthaltenden Wasserstoff (z. B. befeuchteten Wasserstoff) in eine Kathode des Brennstoffzellenstapels, Abdichten des resultierenden Brennstoffzellenstapels und dann Lagern des Brennstoffzellenstapels bei Raumtemperatur ohne Anlegen einer Hochleistungs-Last an den Brennstoffzellenstapel zu erhalten, wie dies in dem herkömmlichen Aktivierungsprozess durchgeführt wird. Das heißt, anstatt der Verwendung der herkömmlichen Hochleistungs-Last kann eine reduzierende Umgebung in der Kathode erzeugt werden, um Oxide auf der Oberfläche von Platin auf der Kathode in wirksamer Weise zu entfernen, und um gleichzeitig die Benetzungseigenschaften einer Elektrolyt-Membran zu verbessern, wodurch die Aktivierungswirkung der Elektrolyt-Membran erhalten wird. Als Folge davon, wenn der normale Aktivierungsprozess nach dem Voraktivierungsprozess der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, ist es möglich, die Verarbeitungszeit und die Menge an Wasserstoff, die für die 100%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels in dem normalen Aktivierungsprozess verbraucht wird, zu verringern, und somit kann der Voraktivierungsprozess der vorliegenden Erfindung die Effizienz der Massenproduktion von Brennstoffzellenstapeln maßgeblich verbessern.
Als nächstes wird der Voraktivierungsprozess der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben.
Herkömmlich wird eine gewünschte Ausgangsleistung durch einen Prozess zum mehrmaligen Anlegen einer Hochstromlast während der Aktivierung des Brennstoffzellenstapels erhalten. In der vorliegenden Erfindung kann es jedoch möglich sein, die Voraktivierungswirkung nur durch Einspritzen von Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel, Abdichten des resultierenden Brennstoffzellenstapels und dann Lagern des Brennstoffzellenstapels bei Raumtemperatur ohne Anlegen einer Hochstromlast an den Brennstoffzellenstapel zu erhalten.
Gemäß den hierin beschriebenen Techniken kann ein Tropfen enthaltender Hochtemperatur-Wasserstoff in eine Anode und eine Kathode eines in einem Montageprozess montierten Brennstoffzellenstapels eingespritzt werden und dann kann der resultierende Brennstoffzellenstapel abgedichtet werden. Zum Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel, in den Wasserstoff eingespritzt wird, durch Schließen der Einlass- und Auslassverteiler des Brennstoffzellenstapels vollständig abgedichtet werden, welcher dann bei Raumtemperatur für einen Tag gelagert werden kann. Die Tropfen können Wassertropfen sein und der Tropfen enthaltende Wasserstoff kann durch Befeuchten des Wasserstoffs erzeugt und dann zu der Anode beziehungsweise der Kathode durch den Einlassverteiler des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden. Als solches kann, wenn der Brennstoffzellenstapel abgedichtet und bei Raumtemperatur für einen Tag gelagert wird, in etwa eine 50%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels erhalten werden. Wenn darüber hinaus eine reduzierende Umgebung in der Kathode durch den zu der Kathode zugeführten Wasserstoff erzeugt wird, können auf der Oberfläche eines Pt-Katalysators auf der Kathode gebildete Oxide wie zum Beispiel PtOH, PtO, usw. verringert werden (gelöste Platinionen werden wieder ausgefällt und somit wird ein Vakuum in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt), was eine 50%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels ohne die Hochstromausgangsleistung ermöglichen kann.
Eine beispielhafte Spannungsverteilung über die Zeit während des Voraktivierungsprozesses wird in 2 gezeigt, die darstellt, dass, wenn der Tropfen enthaltende Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird [”versorgt mit Tropfen + Wasserstoff und für einen Tag gelagert + Vakuum-Aktivierung”], die anfängliche Aktivierung im Vergleich zu dem einfachen Vakuum-Aktivierungsprozess ansteigt (z. B. steigt die Spannung von 0,51 V auf 0,56 V bei 1,2 A/cm² an). Darüber hinaus können in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Wassertropfen enthaltende Luft und Wassertropfen enthaltender Wasserstoff zu der Anode und der Kathode des montierten Brennstoffzellenstapels zugeführt werden und der resultierende Brennstoffzellenstapel kann abgedichtet und dann bei Raumtemperatur für ungefähr 5 Tage gelagert werden. In anderen Worten kann die Tropfen enthaltende Luft zu der Anode durch einen Anoden-Einlassverteiler zugeführt werden und gleichzeitig kann der Tropfen enthaltende Wasserstoff zu der Kathode durch einen Kathoden-Einlassverteiler zugeführt werden, so dass die Luft und der Wasserstoff zu der Anode beziehungsweise der Kathode in dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden und dann der resultierende Brennstoffzellenstapel abgedichtet und gelagert werden kann. In diesem Fall kann die Tropfen enthaltende Luft aus Luft enthaltenden Wassertropfen sein, wie der Tropfen enthaltende Wasserstoff, und die Tropfen enthaltende Luft kann durch Befeuchten der Luft erzeugt werden, die zu der Anode durch den Einlassverteiler des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Als solches kann, wenn der Brennstoffzellenstapel abgedichtet und bei Raumtemperatur für 5 Tage gelagert wird, ungefähr eine 83%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels ohne Anlegen der Hochleistungslast erreicht werden.
3 stellt die Spannungsverteilung über die Zeit in dem Voraktivierungsprozess dar und zeigt, dass, wenn die ”Tropfen + Luft” und die ”Tropfen + Wasserstoff” zu der Anode beziehungsweise der Kathode zugeführt werden, [”versorgt mit Tropfen + Wasserstoff/Luft und für 5 Tage gelagert + Vakuum-Aktivierung”], die anfängliche Aktivierung weiter zunimmt (z. B. steigt die anfängliche Spannung von 0,51 V auf 0,56 V und 0,58 bei 1,2 A/cm² an), wenn mit dem Fall verglichen wird, wo ”Tropfen + Wasserstoff” wie in 2 dargestellt zugeführt und für einen Tag gelagert werden, oder dem Fall, in dem der einfache Vakuum-Aktivierungsprozess verwendet wird.
Wenn die Tropfen enthaltende Luft und der Tropfen enthaltende Wasserstoff zu der Anode und der Kathode zugeführt werden, werden Oxide von Ca, Pt, usw. verringert und die Tropfen dringen einfach in die Membran und das Bindemittel aufgrund des Vakuums ein, das in dem Brennstoffzellenstapel durch den Übergang von Wasserstoff und Sauerstoff während der Lagerung erzeugt wird, wodurch die Benetzungseigenschaften verbessert werden, was zu einer Beschleunigung des Aktivierungsprozesses führt.
Dementsprechend wird, wenn der Tropfen enthaltende Wasserstoff zu der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird oder wenn die Tropfen enthaltende Luft und der Tropfen enthaltende Wasserstoff zu der Anode beziehungsweise der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden, und der resultierende Brennstoffzellenstapel abgedichtet und bei Raumtemperatur gelagert wird, die Oxide (PtOH, PtO_x, usw.) auf der Oberfläche von Pt und Ca verringert werden [Oberflächen-Oxidationszustandsänderung, b(Tafel Konstante) (mV Dekade^–1) Verringerung], und somit kann die Voraktivierung erreicht werden. Darüber hinaus kann der ionische Widerstand ((Ωcm²) vor dem Voraktivierungsprozess durch die Hydratisierung der Membran und des Bindemittels aufgrund des in dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Vakuums verringert werden.
Bei einem Vergleich der Aktivierungswirkungen in verschiedenen Fällen durch Experimente wurde beobachtet, dass eine gewünschte Aktivierungswirkung erzielt werden konnte, wenn der Wasserstoff gemäß den hierin beschriebenen Techniken zu dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird.
In den Experimenten wurden die Tropfen enthaltende Luft, trockener Wasserstoff, Tropfen enthaltender Wasserstoff beziehungsweise Tropfen enthaltende Luft und Tropfen enthaltender Wasserstoff zu den Brennstoffzellen-Substapeln in Abhängigkeit von jedem Experiment zugeführt. 4 zeigt die Ergebnisse, wo die Tropfen enthaltende Luft zu der Anode und der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wurde, und 5 zeigt die Ergebnisse, wo der trockene Wasserstoff zu der Anode und der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wurde.
Beim Vergleichen der in 4 und 5 dargestellten Ergebnisse mit jenen von 2 und 3 wurde die Aktivierungswirkung nicht beobachtet, wenn die Tropfen enthaltende Luft zu der Anode und der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wurde, und die Aktivierungswirkung war relativ gering, wenn der trockene Wasserstoff zu der Anode und der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wurde. Im Gegensatz dazu, wenn der Tropfen enthaltende Wasserstoff zu der Kathode zugeführt wurde, und wenn die Tropfen enthaltende Luft und der Tropfen enthaltende Wasserstoff zu der Anode beziehungsweise der Kathode zugeführt wurden, wurde eine ausreichende Aktivierungswirkung erreicht und insbesondere wenn die Tropfen enthaltende Luft und der Tropfen enthaltende Wasserstoff zu der Anode beziehungsweise der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wurden und der resultierende Brennstoffzellenstapel abgedichtet und gelagert wurde, war die Aktivierungswirkung am größten.
Wie oberhalb beschrieben, kann es gemäß dem Voraktivierungsverfahren für den Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung möglich sein, die Verarbeitungszeit und die Menge an Wasserstoff, die in dem normalen Aktivierungsprozess für eine 100%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels verbraucht wird, durch Durchführen der Vorbehandlung (d. h., den Voraktivierungsprozess) zu verringern, in der der Tropfen enthaltende Wasserstoff zu der Anode und der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden kann und der resultierende Brennstoffzellenstapel vor dem normalen Aktivierungsprozess für den Brennstoffzellenstapel abgedichtet und bei Raumtemperatur gelagert werden kann.
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

Verfahren, aufweisend: Einspritzen von befeuchtetem Wasserstoff in einen Einlassverteiler eines montierten Brennstoffzellenstapels; Abdichten des Brennstoffzellenstapels; und Lagern des resultierenden Brennstoffzellenstapels für einen Zeitraum, um den Brennstoffzellenstapel vorzuaktivieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der befeuchtete Wasserstoff in einen Kathoden-Einlassverteiler oder einen Anoden-Einlassverteiler des Brennstoffzellenstapels eingespritzt wird, so dass der befeuchtete Wasserstoff zu der Kathode beziehungsweise der Anode zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zeitraum ein Tag ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel bei Raumtemperatur gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: Aktivieren des Brennstoffzellenstapels, um eine 100%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels zu erzielen.
Verfahren, aufweisend: Einspritzen von befeuchteter Luft und befeuchtetem Wasserstoff in einen Einlasseinlassverteiler eines montierten Brennstoffzellenstapels, so dass die befeuchtete Luft und der befeuchtete Wasserstoff zu einer Anode beziehungsweise einer Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden; Abdichten des Brennstoffzellenstapels; und Lagern des Brennstoffzellenstapels für einen Zeitraum, um den Brennstoffzellenstapel vorzuaktivieren.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Zeitraum ungefähr 5 Tage beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Brennstoffzellenstapel bei Raumtemperatur gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner aufweisend: Aktivieren des Brennstoffzellenstapels, um eine 100%-Aktivierung des Brennstoffzellenstapels zu erzielen.