DE102013207692A1 - System und verfahren zur wiederherstellung der leistung einer brennstoffzelle - Google Patents

System und verfahren zur wiederherstellung der leistung einer brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung eines leistungsgeminderten Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels durch Elektrodenumkehr. In Einzelnen werden Oxidfilme, die sich auf der Platinoberfläche einer Katode gebildet haben, durch einen Elektrodenumkehrprozess entfernt, bei dem eine Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Katode durch Zufuhr von Luft anstelle von Wasserstoff zur Anode und Zufuhr eines Brennstoffs anstelle von Luft zur Katode entsteht, wodurch die Leistung eines leistungsgeminderten Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels rasch wieder hergestellt wird.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels mit verschlechterter Leistung mittels Elektrodenumkehr.
  • (b) Hintergrundtechnik
  • Ein Brennstoffzellenstapel ist ein Typ eines Generatorgeräts, das elektrischen Strom als Hauptenergiequelle eines Brennstoffzellenfahrzeugs erzeugt und das aus einigen zehnfach bis zu einigen hundertfach gestapelten Zelleneinheiten aufgebaut ist. Die Konfiguration einer Zelleneinheit des Brennstoffzellenstapels wird anhand von 5 beschrieben. Eine Membranelektrolyt-Baugruppe (MEA) ist im Zentrum der Einheitszelle positioniert.
  • Die Membranelektrolyt-Baugruppe enthält eine Polymer-Elektrolytmembran 10 (die Wasserstoffionen (Protonen) transportieren kann), eine Katode 12 und eine Anode 14. Die Katode und die Anode sind so an beiden Seiten der Elektrolytmembran 10 angelagert, dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren. Dabei enthalten sowohl die Anode als auch die Katode eine Elektrodenschicht (Pt/C), bei der Kohlenstoff als Träger von Platin (Pt) dient.
  • Obwohl dies in 5 nicht dargestellt ist, ist eine Gasdiffusionsschicht (GDL) auf der Außenseite sowohl der Katode 12 als auch der Anode 14 angelagert, eine Trennschicht, in der Strömungsfelder ausgebildet sind, um Brennstoff zuzuführen und das durch die Reaktion erzeugte Wasser abzuführen, ist an der Außenseite der Gasdiffusionsschicht angelagert und eine Endplatte zum Haltern und Fixieren einer Mehrzahl Zelleneinheiten ist mit der Seite am äußersten Ende der Brennstoffzelle verbunden.
  • Demzufolge findet an der Anode des Brennstoffzellenstapels eine Oxidationsreaktion des Wasserstoffs statt, bei der Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen erzeugt werden, die über die Polymer-Elektrolytmembran und die Trennschicht zur Katode transportiert werden. An der Katode reagieren die Wasserstoffionen und Elektronen von der Anode mit der sauerstoffhaltigen Luft, so dass Wasser erzeugt wird. Gleichzeitig wird durch den Elektronenfluss elektrische Energie erzeugt.
  • Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels erleiden die Polymer-Elektrolytmembran, die die Membranelektrodenbaugruppe bildet, sowie die Katode und die Anode, d. h. die Elektrodenschichten (Pt/C), die zu beiden Seiten der Polymer-Elektrolytmembran angelagert sind, eine Zustandsverschlechterung, als deren Resultat die Leistung des Brennstoffzellenstapels nach einer bestimmten Betriebszeit abnimmt.
  • Es ist insbesondere bekannt, dass sich aufgrund der Zustandsverschlechterung Oxidfilme (d. h. Pt-Oxide wie Pt-OH, Pt-O, Pt-O2, etc.) auf der Platinoberfläche der Katode bilden, die eine Partikelgröße von einigen Nanometern haben, die Adsorption von Sauerstoff (O2) auf der Platinoberfläche erschweren, so dass sie die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) an der Katode verringern und somit die Leistung des Brennstoffzellenstapels mindern. Außerdem wird Kohlenstoffmonoxid (CO), das in der Größenordnung von einigen ppm im Brennstoff (Wasserstoff) enthalten ist, chemisch von Platin absorbiert, so dass der Wirkungsgrad der Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) abnimmt. Ferner ist bekannt, dass ein lokaler Temperaturanstieg des Brennstoffzellenstapels, der im Hoch leistungsbetrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs auftritt, eine Schrumpfung der Porenstruktur der Elektrolytmembran verursacht oder SO3 – Endgruppen umbaut, so dass die Ionenleitfähigkeit gesenkt wird.
  • Allerdings gilt die Leistungsverschlechterung aufgrund der Strukturänderungen der Membranelektrodenbaugruppe, d. h. der Platinoxidfilme, des CO im Brennstoff, der Verkleinerung der Poren der Elektrolytmembran usw. meistens als irreversibel, weshalb ein Verfahren zur Wiederherstellung des Ausgangszustands der Membranelektrodenbaugruppe benötigt wird.
  • Ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung eines leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapels sieht die Zufuhr von Wasserstoff zu einer Katode des leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapels vor und die Lagerung des Brennstoffzellenstapels über einen vorgegebenen Zeitraum. Ein auf der Oberfläche eines Platinkatalysators der Katode gebildetes Oxid wird dann reduziert und entfernt, während der Brennstoffzellenstapel über den vorgegebenen Zeitraum gelagert wird. Diese Schritte werden dann einige Male wiederholt, um das Oxid auf der Oberfläche des Platinkatalysators der Katode zu reduzieren.
  • Wenn wie in 5 dargestellt Wasserstoff mit 70°C länger als eine Stunde der Katode 12 des leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapel zugeführt wird und der Brennstoffzellenstapel mindestens einen Tag lang gelagert und dies dreimal wiederholt wird, so dass die auf der Oberfläche des Platinkatalysators der Katode 12 gebildeten Oxidfilme (PtOH, PtO usw.) entfernt werden und sich gleichzeitig mobile Platinionen (Ptx+, x = 2,4), die während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels freigesetzt werden, mit Elektronen verbinden und als hochaktives Platin (Pt) freigesetzt werden, mit Elektronen verbinden und als hochaktives Platin (Pt) wieder abgeschieden werden, um die katalytischen Eigenschaften der Katode wieder hierzustellen, kann die Leistung des Brennstoffzellenstapels um ca. 30 bis 40% wieder erhöht werden.
  • Ferner diffundiert der eine Stunde lang der Katode 12 zugeführte Wasserstoff zurück zur Anode 14 (durch den gestrichelten Pfeil in 5 angegeben) mit der Konsequenz, dass in beiden Elektroden eine Wasserstoffatmosphäre entsteht, die die Katalysatoroxide der Katode reduziert.
  • Allerdings hat das oben beschriebene Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung der Brennstoffzelle Nachteile, weil es zu lange dauert, um die Leistung wiederherzustellen und die zur Katode zu liefernde Wasserstoffmenge zu groß ist. Deshalb ist es aufgrund der Probleme mit dem System sehr schwierig, die Leistung effektiv wiederherzustellen, ohne den Brennstoffzellenstapel aus dem Brennstoffzellenfahrzeug auszubauen.
  • Die obigen Ausführungen dieses Hintergrund-Abschnitts dienen nur dem besseren Verständnis des Hintergrunds der Erfindung und können deshalb Informationen enthalten, die nicht Bestandteil des hierzulande dem Durchschnittsfachmann bereits bekannten Standes der Technik bilden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels bereit, mit denen Oxidfilme auf der Platinoberfläche einer Katode durch einen Elektrodenumkehrprozess wirksam entfernt werden können, indem eine Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Katode durch Zufuhr von Luft anstelle von Wasserstoff (als Brennstoff) zur Anode und Zufuhr von Brennstoff (Wasserstoff) zur Katode anstelle von Luft geschaffen wird, wodurch die Leistung eines leistungsgeminderten Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels rasch wiederhergestellt wird.
  • Bei einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels bereit. Insbesondere wird ein Elektrodenumkehrprozess zur Schaffung einer Potentialdifferenz zwischen einer Anode und einer Katode durch Zufuhr von Luft anstelle von Wasserstoff (als Brennstoff) zur Anode des Brennstoffzellenstapels und Zufuhr von Brennstoff (Wasserstoff) zur Katode anstelle von Luft angewendet. Dann wird der Anode und der Katode ein Kühlmittel so zugeführt, dass Tröpfchen im Brennstoffzellenstapel zurückgehalten werden. Der Brennstoffzellenstapel wird dann eine vorgegebene Zeit abgeschaltet.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel können der Elektrodenumkehrprozess und der Prozess der Kühlmittelzufuhr zur selben Zeit (gleichzeitig) ausgeführt werden.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können die der Anode zugeführte Luft und der Brennstoff (Wasserstoff) so lang der Katode zugeführt werden, bis eine Potentialdifferenz von 1,0 V zwischen der Anode und der Katode erreicht ist.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden der Elektrodenumkehrprozess und der Prozess der Kühlmittelzufuhr gleichzeitig 10 Minuten lang ausgeführt und anschließend der Brennstoffzellenstapel 10 Minuten lang abgeschaltet.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden der Elektrodenumkehrprozess und der Prozess der Kühlmittelzufuhr, die gleichzeitig 10 Minuten lang ausgeführt werden, und dann der Abschaltprozess des Brennstoffzellenstapels für die Dauer von 10 Minuten öfter als dreimal wiederholt
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können beim Elektrodenumkehrprozess ein zur Oxidation des Platinkatalysators (Pt) in der Katode angelegtes Überpotential und ein zur Reduktion des Platinoxids angelegtes Überpotential als treibende Kraft für eine elektrochemische Reaktion dienen, um die Reduktionsrate des Platinoxids auf der Oberfläche der Katode zu erhöhen.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann beim Elektrodenumkehrprozess in der Anode ein hohes Potential erzeugt werden, um die in der Anode verbliebenen Kohlenstoffmonoxidverunreinigungen zu desorbieren.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden beim Abschaltprozess des Brennstoffzellenstapels der Brennstoff (Wasserstoff) und die Luft zur Anode bzw. Katode gekreuzt werden, um ein Vakuum zu erzeugen, was zum Anschwellen führt, wobei sich die in der Anode und der Katode zurückgehaltenen Tröpfchen durch die feinen Poren einer Elektrolytmembran aufeinander zu bewegen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele, die in den beiliegenden Zeichnungen nur beispielhaft dargestellt sind, nachstehend ausführlich beschrieben und schränken somit die vorliegende Erfindung nicht ein; es zeigen:
  • 1 ein Konzeptdiagramm eines Verfahrens zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Strom-Spannungskurve (IV) einer Katode und einer Anode bei einem Elektrodenumkehrprozess gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 3 und 4 Graphen der Testergebnisse eines Verfahrens zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 ein Konzeptdiagramm eines herkömmlichen Verfahrens zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels.
  • Die in den Zeichnungen enthaltenen Bezugszeichen beziehen sich auf die nachstehenden Elemente, die später erörtert werden:
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Elektrolytmembran
    12
    Katode
    14
    Anode
  • Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht unbedingt maßstäblich sind, da sie eine etwas vereinfachte Darstellung der verschiedenen bevorzugten Merkmale zeigen, die für die Grundlagen der Erfindung beispielhaft sind. Die hierin offenbarten spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung die z. B. bestimmte Abmessungen, Ausrichtungen, Orte und Formen umfassen, werden zum Teil durch die besondere vorgesehene Anwendung und die Umgebungsbedingungen am Einsatzort bestimmt.
  • In den Figuren kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung in allen verschiedenen Figuren der Zeichnung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es versteht sich, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugtechnisch” oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und nachstehend beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränken soll. Die Erfindung soll im Gegenteil nicht nur die Ausführungsbeispiele, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsbeispiele abdecken, die von Geist und Gültigkeitsbereich der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, erfasst werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf die Wiederherstellung der Leistung eines leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapels durch eine Elektrodenumkehrtechnik gerichtet, bei der eine Potentialdifferenz zwischen einer Anode und einer Katode erzeugt wird, indem Luft anstelle von Wasserstoff (als Brennstoff) zur Anode und ein Brennstoff (Wasserstoff) anstelle von Luft zur Katode geliefert wird.
  • Zu diesem Zweck ist ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass wie im Konzeptdiagramm von 1 dargestellt, ein Elektrodenumkehrprozess zur Schaffung einer Potentialdifferenz von ca. 1,0 V zwischen zwei Elektroden ausgeführt wird, indem etwa 10 Minuten lang gesättigte Luft mit 70°C zu einer Anode 14 und gleichzeitig gesättigte Wasserstoff zu einer Katode 12 geliefert werden.
  • Vorzugsweise ist das Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenumkehrprozess, der etwa 10 Minuten lang zusammen mit einem Kühlmittelzufuhrprozess, der später beschrieben wird, sowie ein Abschaltprozess für den Brennstoffzellenstapel, der etwa 10 Minuten lang ausgeführt wird, dreimal kontinuierlich wiederholt werden.
  • Der Grund, warum der Prozess zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mindestens drei Mal wiederholt wird, ist, dass wie in 4 dargestellt die durchschnittliche Spannung der Zellen erheblich ansteigt, wenn der Prozess einmal ausgeführt wird, während der Spannungsanstieg mit zunehmender Anzahl der Wiederholungen eher geringer wird; die Wiederherstellung der Leistung wird unbedeutend, wenn der Prozess öfter als drei Mal wiederholt wird. Deshalb wird die Anzahl der Wiederholungen zur Wiederherstellung der Leistung des Brennstoffzellenstapels bevorzugt auf drei Mal begrenzt.
  • Durch den oben beschriebenen Elektrodenumkehrprozess der vorliegenden Erfindung beträgt das Potential an der Katode nahezu 0 V und das an der Anode 1,0 V im Vergleich zur Standard-Wasserstoffelektrode (SHE), so dass eine Potentialdifferenz von ca. 1,0 V erzeugt wird.
  • Wie in 2 dargestellt beginnt die Reduktion eines Oxids (Pt-OH) auf der Oberfläche eines Platinkatalysators in der Katode einer leistungsgeminderten Membranelektrodenbaugruppe bei 1,0 V und ist unter 0,6 V größtenteils abgeschlossen.
  • Wenn sich also das Potential der Katode durch den oben beschriebenen Elektrodenumkehrprozess 0 V nähert, beträgt das für die Reduktion des Platinoxids der Katode angelegte Überpotential 0,9 V oder mehr und dabei wirkt das für die Reduktion des Oxids der Katode angelegte Überpotential (auch als Aktivierungspolarisierung bezeichnet) als treibende Kraft η für eine elektrochemische Reaktion auf Basis der Tafel-Gleichung, so dass sich als Effekt die Erhöhung der Reduktionsrate des Platinoxids auf der Oberfläche der Katode ergibt.
  • Ferner ist bekannt, dass während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels eine sehr kleine Menge an Kohlenstoffmonoxid-(CO)-Verunreinigungen, die im zugeführten Wasserstoff enthalten ist, chemisch von der Platinoberfläche der Anode adsorbiert wird, so dass der Wirkungsgrad der Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) sinkt. Da das Potential der Anode unter normalen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels nahe dem der Standard-Wasserstoffelektrode (SHE) liegt, ist es nicht einfach, das auf der Platinoberfläche der Anode adsorbierte CO unter normalen Betriebsbedingungen zu entfernen, aber CO kann desorbiert werden, wenn das Potential der Anode über einen bestimmten Schwellenwert erhöht wird.
  • Wenn also der Elektrodenumkehrprozess zum Schaffen einer Potentialdifferenz von ca. 1,0 V zwischen zwei Elektroden ausgeführt wird, indem gesättigte Luft mit 70°C zur Anode 14 und gleichzeitig gesättigter Wasserstoff zur Katode 12 geliefert wird, wird ein hohes Potential (1,0 V im Vergleich zur Standard-Wasserstoffelektrode) an der Anode 14 erzeugt, wodurch CO resorbiert wird, was als oxidatives CO-Stripping bezeichnet wird. Dabei wird -OH wegen des Potentials der Anode auf der Platinoberfläche der Anode adsorbiert, weshalb die Dauer der Elektrodenumkehr optimiert werden muss.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird gleichzeitig während des oben beschriebenen Elektrodenumkehrprozesses ein Prozess der Zufuhr von Kühlmittel mit ca. 30°C zur Anode und zur Katode so ausgeführt, dass kondensierte Tröpfchen im Brennstoffzellenstapel zurückgehalten werden.
  • Wenn wie in 1 genauer dargestellt ist, der Elektrodenumkehrprozess zum Schaffen einer Potentialdifferenz von ca. 1,0 V zwischen zwei Elektrodendurch Zufuhr gesättigter Luft mit 70°C zur Anode 14 ausgeführt wird und zur selben Zeit gesättigter Wasserstoff zur Katode 12 etwa 10 Minuten geliefert wird, erfolgt gleichzeitig ein Prozess zur Zufuhr von Kühlmittel mit ca. 30°C zur Anode 14 und zur Katode 12. Anschließend wird während des Elektrodenumkehrprozesses ein Abschaltprozess für den Brennstoffzellenstapel etwa 10 Minuten lang ausgeführt, nachdem das Kühlmittel 10 Minuten lang zur Anode und zur Katode geliefert worden ist.
  • Demzufolge werden der zur Katode gelieferte Wasserstoff und die zur Anode gelieferte Luft umgeschaltet und während des Elektrodenumkehrprozesses verbraucht, so dass ein Vakuum in der Membranelektrodenbaugruppe mit einer Polymer-Elektrolytmembran durch den Verbrauch von Wasserstoff und Sauerstoff, die während des Abschaltprozesses gekreuzt werden, entsteht.
  • Aufgrund des entstandenen Vakuums bewegen sich die in der Anode 14 zurückgehaltenen Tröpfchen durch die feinen Poren der Elektrolytmembran 10 zur Katode 12, und die in der Katode 12 zurückgehaltenen Tröpfchen bewegen sich durch die feinen Poren der Elektrolytmembran 10 zur Anode 14, was als Schwellen bezeichnet wird (siehe gestrichelter Pfeil in 1). Aufgrund dieses Anschwellens erfolgt in der Elektrolytmembran eine Wasseraufnahme und gleichzeitig passieren den Tröpfchen die feinen Poren der Elektrolytmembran. Als Ergebnis können die geschrumpften Poren der Elektrolytmembran erweitert und SO3 – Funktionsgruppen in der Innenfläche der Poren umgebaut werden, so dass die Ionenleitfähigkeit der Elektrolytmembran verbessert wird.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen und Testbeispielen ausführlicher beschrieben.
  • Beispiele 1 bis 3
  • In Beispiel 1 wurden ein Prozess zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem ein Prozess zur Zufuhr gesättigter Luft mit 70°C zu einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, ein Prozess zur Zufuhr von gesättigtem Wasserstoff zu einer Katode und ein Prozess zur Zufuhr von Kühlmittel mit ca. 30°C zur Anode und zur Katode gleichzeitig 10 Minuten lang ausgeführt und dann ein Abschaltprozess für den Brennstoffzellenstapel 10 Minuten lang einmal ausführt.
  • In den Beispielen 2 und 3 wurde der oben beschriebene Prozess zur Wiederherstellung der Leistung zwei bzw. drei Mal wiederholt.
  • Testbeispiel 1
  • Die Messung von Strom/Spannung erfolgte nach dem Leistungs-Wiederherstellungsprozess der Beispiele 1 bis 3, um die Leistung eines neuen Brennstoffzellenstapels mit der eines leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapels vor der Wiederherstellung zu vergleichen, und die Ergebnisse sind in 3 dargestellt.
  • Wie aus 3 ersichtlich ist, wurde in den Beispielen 1 bis 3, in denen der Leistungs-Wiederherstellungsprozess für den Brennstoffzellenstapel auf Basis des Elektrodenumkehrprozesses der vorliegenden Erfindung ein bis drei Mal durchgeführt wurde, erheblich verbessert im Vergleich zu Strom/Spannung des leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapels vor der Wiederherstellung. Insbesondere in Beispiel 3, bei dem der Leistungs-Wiederherstellungsprozess für den Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung dreimal durchgeführt wurde, ist festzustellen, dass die Strom/Spannung-Leistung des Brennstoffzellenstapels der eines neuen Brennstoffzellenstapels nahe kommt und erheblich verbessert wurde.
  • Testbeispiel 2
  • Die Verteilung der Zellenspannung wurde nach dem Leistungs-Wiederherstellungsprozess der Beispiele 1 bis 3 mit 0,6 A/cm2 gemessen und mit der Verteilung der Zellenspannung des leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapels vor der Wiederherstellung verglichen; die Ergebnisse sind in 4 dargestellt.
  • Wie aus 4 ersichtlich ist, stieg die durchschnittliche Spannung in jedem Brennstoffzellenstapel nach dem Leistungs-Wiederherstellungsprozess der Beispiele 1 bis 3 im Vergleich zum leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapel vor der Wiederherstellung, und insbesondere wurde die durchschnittliche Spannung in Beispiel 3 um ca. 26 mV erhöht, was eine Wiederherstellung von 39,3% erbrachte, im Vergleich zum leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapel vor der Wiederherstellung.
  • Die vorliegende Erfindung stellt die folgenden vorteilhaften Wirkungen bereit. Erstens ist es durch Anwenden der Elektrodenumkehrtechnik für einen leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapel möglich, Oxidfilme, die sich auf der Platinoberfläche der Katode gebildet haben, wirksam zu entfernen. Da zweitens im Elektrodenumkehrprozess der vorliegenden Erfindung ein hohes Potential an die Anode gelegt wird, ist es möglich, in der Anode verbliebene CO-Verunreinigungen zu desorbieren. Da drittens während des Elektrodenumkehrprozesses der vorliegenden Erfindung das Kühlmittel zugeführt und dann der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet wird, wird ein Vakuum in der Anode und der Katode erzeugt, das Anschwellen bewirkt, wobei sich Tröpfchen, die in der Anode und der Katode zurückgehalten werden, durch die feinen Poren einer Elektrolytmembran aufeinander zu bewegen und so die Ionenleitfähigkeit der Elektrolytmembran verbessert wird.
  • Durch die Entfernung der Oxidfilme von der Platinoberfläche der Katode, die Entfernung der CO-Verunreinigungen von der Anode und die Verbesserung der Ionenleitfähigkeit der Elektrolytmembran kann die Leistung des leistungsgeminderten Brennstoffzellenstapels rasch wiederhergestellt werden, so dass die zur Leistungswiederherstellung des Brennstoffzellenstapels erforderliche Zeit erheblich verkürzt und die zur Leistungswiederherstellung des Brennstoffzellenstapels verwendete Wasserstoffmenge erheblich verringert werden können.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen ausführlich beschrieben worden. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass Änderungen dieser Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Gültigkeitsbereich in den angefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren aufweist: Schaffen einer Potentialdifferenz zwischen einer Anode und einer Katode, indem Luft anstelle von Wasserstoff zur Anode des Brennstoffzellenstapels und Brennstoff anstelle von Luft zur Katode geliefert werden; Zufuhr eines Kühlmittels zur Anode und zur Katode, so dass Tröpfchen im Brennstoffzellenstapel zurückgehalten werden; und Abschalten des Brennstoffzellenstapels über eine vorgegebene Zeit.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Potentialdifferenz erzeugt und das Kühlmittel zur selben Zeit zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Luft zur Anode und der Brennstoff (Wasserstoff) zur Katode geliefert werden, bis eine Potentialdifferenz von 1,0 V zwischen der Anode und der Katode hergestellt worden ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Potentialdifferenz erzeugt und das Kühlmittel gleichzeitig 10 Minuten zugeführt und dann der Brennstoffzellenstapel 10 Minuten lang abgeschaltet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen einer Potentialdifferenz, das Zuführen des Kühlmittels und das Abschalten des Brennstoffzellenstapels mindestens dreimal wiederholt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Erzeugens einer Potentialdifferenz ein Überpotential für die Oxidation des Platin-(Pt)Katalysators in der Katode und ein Überpotential für die Reduktion des Platinoxids als treibende Kraft für eine elektrochemische Reaktion zur Erhöhung der Reduktionsrate des Platinoxids auf der Oberfläche der Katode angelegt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Erzeugen der Potentialdifferenz eine Potentialdifferenz über einem vorgegeben Schwellenwert in der Anode erzeugt wird, um die in der Anode verbliebenen Kohlenstoffmonoxidverunreinigungen zu desorbieren.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet wird, der Brennstoff und die Luft zur Anode bzw. Katode gekreuzt werden, um ein Vakuum zu erzeugen, das ein Anschwellen hervorruft, wobei sich die in der Anode und der Katode zurückgehaltenen Tröpfchen durch die feinen Poren einer Elektrolytmembran aufeinander zu bewegen.
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