DE102015225507A1

DE102015225507A1 - Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102015225507A1
Application number: DE102015225507.7A
Authority: DE
Inventors: Dae Keun Chun; Hwan Soo Shin; Jae Hyuk Lee; Hyun Suk Choo; Sung Keun Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-11-17
Also published as: CN106159305B; CN106159305A; US10270111B2; KR101684114B1; KR20160134208A; US20160336612A1

Abstract

Ein Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels kann eine Aktivierungszeit des Brennstoffzellenstapels verkürzen und die Menge an Wasserstoff reduzieren, die verwendet wird. Das Verfahren enthält einen Prozess zum Anlegen eines hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel für eine festgesetzte Zeitdauer und einen Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen von Wasserstoff zu einer Luftelektroden-Reaktionsfläche für eine festgesetzte Zeitdauer.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels. Genauer betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels, das eine Aktivierungszeit des Brennstoffzellenstapels und die verwendete Wasserstoffmenge reduzieren kann.
HINTERGRUND
Ein Brennstoffzellenstapel weist eine Struktur auf, bei der mehrere zehn bis mehrere hundert Elementarzellen gestapelt sind. Jede Elementarzelle enthält eine Polymerelektrolytmembran, die ein Wasserstoff-Kation (Proton) bewegt. Eine Luftelektrode (Kathode) und eine Brennstoffelektrode (Anode) werden auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran als Katalysatorschichten derart angewandt, dass Wasserstoff mit Sauerstoff reagieren kann. Eine Gasdiffusionsschicht wird außerhalb der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode gestapelt. Eine Bipolarplatte wird außerhalb der Gasdiffusionsschicht gestapelt, um Brennstoff zuzuführen und Wasser durch einen Strömungskanal abzuführen.
Während eines anfänglichen Betriebs des Brennstoffzellenstapels, nachdem derselbe montiert wird, wird die Aktivität des Brennstoffzellenstapels in einer elektrochemischen Reaktion reduziert. Folglich ist es erforderlich, einen Stapelaktivierungsprozess durchzuführen, um die anfängliche Leistung zu maximieren.
Dieser Stapelaktivierungsprozess wird auch „Vorkonditionieren” oder „Einlaufen” genannt, der einen Katalysator aktiviert, der nicht reagiert, und einen Wasserstoffionenkanal durch ausreichendes Hydratisieren von Elektrolyten sicherstellt, die in der Elektrolytmembran und Elektroden enthalten sind.
Damit der Brennstoffzellenstapel eine normale Leistung aufweist, nachdem derselbe montiert wird, wird der Stapelaktivierungsprozess zum Sicherstellen eines dreiphasigen Elektrodenreaktionsbereiches, Entfernen von Verunreinigungen von der Polymerelektrolytmembran oder den Elektroden und Verbessern der Ionenleitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran durchgeführt.
Beispielsweise werden bei einem herkömmlichen Verfahren zur Stapelaktivierung ein Prozess zum Entladen einer hohen Stromdichte (1,2 oder 1,4 A/cm²) für eine festgesetzte Zeitdauer (Minuten) und ein Prozess, bei dem eine Impulsentladung in einem Abschaltzustand für eine festgesetzte Zeitdauer durchgeführt wird, einige zehn Mal wiederholt. Der Aktivierungsprozess durch die Impulsentladung weist jedoch darin ein Problem auf, dass die darin verwendete Wasserstoffmenge sowie die Durchlaufzeit zunehmen.
Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung von Vakuumbenetzung vorgeschlagen. Bei dem Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung von Vakuumbenetzung werden ein Prozess zum Entladen einer hohen Stromdichte und ein Vakuumbenetzungsprozess, bei dem ein Vakuum in dem Brennstoffzellenstapel in einem Abschaltzustand erzeugt wird, mehrere Male bis mehrere zehn Mal abwechselnd wiederholt.
Das obige Verfahren kann die zur Aktivierung erforderte Zeit und die verwendete Wasserstoffmenge im Vergleich zu einem Aktivierungsverfahren reduzieren, das unter Verwendung von nur einem bestehenden Konstantstrom oder elektrischen Potential durchgeführt wird, aber aufgrund von Beschränkungen der Aktivierungseinrichtung zur Stapelaktivierung (die eine elektronische Last enthält) ist die Zeitdauer, während welcher die Aktivierungseinrichtung zu verwenden ist, relativ lang.
Wenn die Produktion der Brennstoffzellenstapel künftig zunimmt, kann somit die Stapelaktivierung eine Produktionszeit der Brennstoffzellenstapel aufgrund der Beschränkungen der Aktivierungseinrichtung verzögern. Folglich besteht eine Notwendigkeit eines Aktivierungsprozesses, der die Aktivierungszeit des Brennstoffzellenstapels beschleunigen kann und gleichzeitig die zur Aktivierung verwendete Wasserstoffmenge reduzieren kann, um sich auf die Massenproduktion von Brennstoffzellenfahrzeugen vorzubereiten.
Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrund-Abschnitt offenbart sind, dienen nur zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der jemandem mit gewöhnlichen Fähigkeiten in der Technik hierzulande bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung erfolgte in einem Bestreben, die oben erwähnten Probleme zu lösen, die mit dem Stand der Technik assoziiert werden.
In einem Aspekt liefert die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels, das eine Aktivierungszeit des Brennstoffzellenstapels weiter reduzieren kann und folglich die für die Aktivierung verwendete Wasserstoffmenge reduzieren kann, durch Beschleunigen eines Vakuum-Impuls-Aktivierungsprozesses, der einen Prozess zum Entladen einer hohen Stromdichte und einen Abschaltprozess enthält.
Nach einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts ist ein Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels geliefert, bei dem ein Prozess zum Anlegen eines hohen Stroms an einen Brennstoffzellenstapel für eine festgesetzte Zeitdauer und ein Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen von Wasserstoff zu einer Luftelektroden-Reaktionsfläche für eine festgesetzte Zeitdauer mehrere Male wiederholt werden.
Der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel und der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche können für eine kürzere Zeitdauer in einer Anfangsstufe der Stapelaktivierung durchgeführt werden und dann für eine längere Zeitdauer durch graduelles Verlängern der Zeit in einer späteren Stufe der Stapelaktivierung durchgeführt werden.
Der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel und der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche können in einer Anfangsstufe der Stapelaktivierung für 3 bis 5 Sekunden durchgeführt werden und dann durch graduelles Verlängern der Zeit in einer späteren Stufe der Stapelaktivierung für 65 bis 75 Sekunden durchgeführt werden.
Der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess kann einen Prozess zum Abstellen der Zufuhr von Sauerstoff zu einer Luftelektrode und gleichzeitigen Zuführen von Wasserstoff zu einer Brennstoffelektrode in einem Abschaltzustand des Brennstoffzellenstapels, einen Reaktionsprozess (H₂ → 2H⁺ + 2e^–), bei dem Wasserstoff in Wasserstoff-Kationen und Elektronen in der Brennstoffelektrode dissoziiert wird, und einen Reaktionsprozess (2H⁺ + 2e^– → H₂) enthalten, bei dem die dissoziierten Wasserstoffionen zu der Luftelektrode durch eine Elektrolytmembran geleitet werden und zur gleichen Zeit mit den Elektronen verbunden werden, die zu der Luftelektrode durch einen externen leitenden Draht geleitet werden, um Wasserstoff in der Luftelektrode zu erzeugen.
Der Wasserstoff kann zu der Luftelektrode durch den Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess derart gepumpt werden, dass eine Wasserstoffreduktionsatmosphäre gebildet wird, und Oxide können von einer Oberfläche aus Platin, die in der Luftelektrode enthalten ist, durch die Wasserstoffreduktionsatmosphäre entfernt werden, wenn eine festgesetzte Last konstant an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird.
In dem Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess kann ein Wasserstoff-Druckbeaufschlagungsprozess, bei dem Wasserstoff mit einem höheren Druck als ein Schwellendruck zugeführt wird, verwendet werden, um Sauerstoff zu entfernen, der in einer Luftelektrode zurückbleibt.
Es ist klar, dass der Ausdruck „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein anderer ähnlicher Ausdruck, der hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen enthält, wie beispielsweise Personenkraftwagen, die Geländefahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Geschäftswagen enthalten, Wasserfahrzeuge, die eine Vielzahl von Booten und Schiffen enthalten, Luftfahrzeuge und Ähnliches, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und Fahrzeuge mit anderen alternativen Brennstoffen enthält (z. B. Brennstoffe, die aus anderen Rohstoffen als Erdöl gewonnen werden). Wie hierin bezeichnet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Leistungsquellen aufweist, wie beispielsweise sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Die oben erwähnten und andere Merkmale der Erfindung werden unten erörtert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben erwähnten und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden nun in Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben werden, die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind, die nachstehend nur zur Veranschaulichung dienen und die vorliegende Offenbarung folglich nicht beschränken.
1 ist ein Graph, der mittlere Zellenspannungen während einer Aktivierung bei einem Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels nach einer Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts und einem herkömmlichen Aktivierungsverfahren vergleicht.
2 ist ein Graph, der Abschaltspannungen bei dem Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels nach der Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts und dem herkömmlichen Aktivierungsverfahren vergleicht.
Die 3 und 4 sind Graphen, die eine Aktivierungszeit und einen Reduktionseffekt von Wasserstoff bei dem Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels nach der Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts und dem herkömmlichen Aktivierungsverfahren veranschaulichen.
Es sollte klar sein, dass die beiliegenden Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Merkmale aufzeigen, die für die grundlegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichend sind. Die spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der vorliegenden Offenbarung, die hierin offenbart sind und beispielsweise bestimmte Maße, Orientierungen, Plätze und Formen enthalten, werden zum Teil durch die bestimmte vorgesehene Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt werden.
In den Figuren beziehen sich die Bezugsnummern überall in den verschiedenen Figuren der Zeichnung auf gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird nun auf verschiedene Ausführungsformen des vorliegenden erfinderischen Konzepts detailliert Bezug genommen werden, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht und unten beschrieben sind. Zwar wird die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, aber es wird klar sein, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Im Gegenteil soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen decken, die innerhalb des Wesens und Bereiches der Erfindung enthalten sein können, die durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.
Die vorliegende Offenbarung ist nach dem Montieren eines Brennstoffzellenstapels an einer vorbestimmten Aktivierungseinrichtung auf das Wiederholen eines Prozesses zum Anlegen eines hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel und eines Prozesses zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels und das Einleiten eines Prozesses zum Pumpen von Wasserstoff zu einer Luftelektroden-Reaktionsfläche des Brennstoffzellenstapels in einem Abschaltabschnitt gerichtet, um den Brennstoffzellenstapel schnell zu aktivieren.
Das heißt, die vorliegende Offenbarung kann den Brennstoffzellenstapel durch Anlegen des hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel für eine festgesetzte Zeitdauer und dann durch Wiederholen des Abschaltabschnitt-Einleitungsprozesses zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche mehrere Male für eine festgesetzte Zeitdauer schnell aktivieren.
Durch separates Anwenden einer Zeit zur Aufrechterhaltung eines hohen Stroms und einer Abschaltungs-Aufrechterhaltungszeit gemäß der Aktivität (%) des Brennstoffzellenstapels ist es möglich, die zur Aktivierung erforderte Gesamtzeit weiter zu verkürzen und die verwendete Wasserstoffmenge weiter zu reduzieren.
Der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Stapel und ein Abschaltprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche in dem Abschaltzustand des Brennstoffzellenstapels werden wiederholt. In diesem Fall werden der Prozess zum Anlegen eines hohen Stroms und Abschaltprozess für eine kürzere Zeit (ca. 3 bis 5 Sekunden) in einer Anfangsstufe der Stapelaktivierung durchgeführt und dann für eine längere Zeit (ca. 65 bis 75 Sekunden, vorzugsweise 70 Sekunden) durch graduelles Verlängern der Zeit in einer späteren Stufe der Stapelaktivierung durchgeführt.
Genauer wird ein Verfahren (schnelles Impulsverfahren), bei dem eine Zeit zum Anlegen eines hohen Stroms und eine Abschaltungs-Aufrechterhaltungszeit zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche für eine kürzere Zeitdauer beibehalten werden, in einer Anfangsstufe der Stapelaktivierung, das heißt in der Stufe, in der der Brennstoffzellenstapel eine geringe Aktivität % aufweist, verwendet, um die Aktivierung einer Katalysatorschicht in dem Brennstoffzellenstapel zu erhöhen. Im Gegensatz wird ein Verfahren, bei dem die Zeit zum Anlegen eines hohen Stroms und die Abschaltungs-Aufrecherhaltungszeit für eine längere Zeitdauer beibehalten werden, in einer späteren Stufe der Stapelaktivierung, das heißt in der Stufe, in der der Brennstoffzellenstapel eine hohe Aktivität % aufweist, verwendet, um eine Ionenleitfähigkeit einer Elektrolytmembran in dem Brennstoffzellenstapel zu verbessern.
Wenn die Zeit zum Anlegen eines hohen Stroms und die Abschaltungs-Aufrechterhaltungszeit für eine kürzere Zeitdauer beibehalten werden, wird die Aktivierung eines Katalysators (Entfernen von Oberflächenverunreinigungen oder Reduzieren von Oxiden) in dem Brennstoffzellenstapel aufgrund eines schnellen Potentialeinspeisungs-Impulses für den Brennstoffzellenstapel wiederhergestellt.
Wenn die Zeit zum Anlegen eines hohen Stroms und die Abschaltungs-Aufrechterhaltungszeit für eine lange Zeitdauer beibehalten werden, ist es möglich, die Elektrolytmembran effektiv zu benetzen, da ein Ionenweg durch Umlagerung einer Sulfonsäuregruppe auf der Elektrolytmembran gleichmäßig gebildet wird.
Das Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche enthält einen Prozess zum Abstellen der Zufuhr von Sauerstoff zu einer Luftelektrode und gleichzeitigen Zuführen des Wasserstoffs zu einer Brennstoffelektrode in dem Abschaltzustand des Brennstoffzellenstapels, einen Reaktionsprozess (H₂ → 2H⁺ +2e^–), bei dem Wasserstoff in Wasserstoff-Kationen und Elektronen in der Brennstoffelektrode dissoziiert wird, und einen Reaktionsprozess (2H⁺ + 2e^– → H₂), bei dem die dissoziierten Wasserstoffionen zu der Luftelektrode durch eine Elektrolytmembran geleitet werden und gleichzeitig wieder mit den Elektronen verbunden werden, die zu der Luftelektrode durch einen externen leitenden Draht geleitet werden, um den Wasserstoff in der Luftelektrode zu erzeugen.
Das Zellenpotential kann 0 V (SHE: Wasserstoff-Oxidations-/Reduktions-Standardpotential) durch schnelles Entfernen des in der Luftelektrode zurückbleibenden Sauerstoffs derart, dass Wasserstoff nicht mit Sauerstoff in einem Luftelektroden-Reaktionskanal aufgrund des in der Luftelektrode zurückbleibenden Sauerstoffs vermischt wird, während der Abschaltungs-Aufrechterhaltungszeit zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche erreichen. Folglich wird in der Luftelektrode ein vermischter Potentialabschnitt, in dem der von der Wasserstoffelektrode diffundierte Wasserstoff mit dem zurückbleibenden Sauerstoff vermischt wird, minimiert. Daher wird eine Dissoziation zwischen der Elektrolytmembran und dem Bindemittel durch Sauerstoffradikale minimiert, die durch eine Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden.
Wenn der in der Luftelektrode zurückbleibende Sauerstoff entfernt wird, ist es möglich, Oxide von der Oberfläche eines Platinkatalysators der Luftelektrode in einem Zustand leicht zu entfernen, in dem eine Wasserstoffreduktionsatmosphäre durch Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektrode gebildet wird, wenn eine festgesetzte Last (z. B. 0,1 A/cm²) in einem Zustand konstant angelegt wird, in dem der Sauerstoff von der Luftelektroden-Reaktionsfläche vollständig entfernt ist.
Um den in der Luftelektrode zurückbleibenden Sauerstoff schnell zu entfernen, muss ein hoher Strom (ca. 0,2 A/cm²) vor einer Abschaltung in einem Bereich angelegt werden, in dem keine Sperrspannung angelegt wird. Das Zellenpotential wird durch Anlegen des hohen Stroms schnell auf 0 V gesenkt und folglich wird der Sauerstoff entfernt.
Wenn die Reduktionsatmosphäre durch Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektrode in dem Zustand gebildet wird, in dem der Sauerstoff von der Luftelektrode entfernt ist und die festgesetzt Last (z. B. 0,1 A/cm²) konstant an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, ist es möglich, eine Reaktionsrate (kinetische Rate) der Oxidreduktion auf der Oberfläche des Platinkatalysators, der in der Luftelektrode enthalten ist, durch die Wasserstoffreduktionsatmosphäre zu erhöhen und folglich die Aktivierung eines Luftelektroden-Katalysators zu beschleunigen.
Der Wasserstoff kann durch ein Druckbeaufschlagungsverfahren mit einem höheren Druck als der übliche Wasserstoffversorgungsdruck zugeführt werden, wenn der Wasserstoff der Brennstoffelektrode in einem Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche zugeführt wird. Folglich ist es möglich, mehr Wasserstoff in der Luftelektrode zu erzeugen und den Wasserstoff durch die Elektrolytmembran derart leicht zu diffundieren, dass der Luftelektroden-Katalysator während des Abschaltungsprozesses aktiviert wird.
Wenn mehr Wasserstoff zu der Brennstoffelektrode durch das Druckbeaufschlagungsverfahren zugeführt wird, ist es detaillierter möglich, die Menge an Wasserstoff weiter zu erhöhen, die durch Dissoziieren des Wasserstoffs in die Wasserstoff-Kationen und Elektronen in der Brennstoffelektrode und dann wieder Verbinden der Wasserstoff-Kationen und Elektronen in der Luftelektrode erzeugt wird. Folglich ist es möglich, die Reaktionsrate (kinetische Rate) der Oxidreduktion auf der Oberfläche aus Platin, die in der Luftelektrode enthalten ist, durch die Wasserstoffreduktionsatmosphäre weiter zu erhöhen, in der mehr Wasserstoff in der Luftelektrode erzeugt wird, und folglich die Aktivierung des Luftelektroden-Katalysators weiter zu beschleunigen.
Der durch das obige Druckbeaufschlagungsverfahren mit Druck beaufschlagte Wasserstoff wird zudem durch die Elektrolytmembran während des Abschaltprozesses leicht diffundiert und der diffundierte Wasserstoff bildet zusammen mit dem in der Luftelektrode erzeugten Wasserstoff effektiv die Reduktionsatmosphäre der Luftelektrode.
Wenn die festgesetzte Last (z. B. 0,1 A/cm²) nach dem Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess konstant angelegt wird, wird eine Spannung von ca. 0,9 V pro Zelle, die geringer als eine Leerlaufspannung von ca. 1 V pro Zelle ist, unter der Bedingung gebildet, bei der Luft zu der Luftelektrode zugeführt wird. Wenn die Leerlaufspannung für eine relativ lange Zeitdauer in dem Brennstoffzellen-Aktivierungsprozess aufrechterhalten wird, werden die Platin- und Kohlenstoffflächen der Luftelektrode oxidiert, wobei dadurch die Aktivität weiter reduziert wird. Es ist jedoch möglich, die Herabsetzung der Aktivität der Brennstoffzelle durch Vermeidung der Leerlaufspannung zu minimieren.
Beispiele nach der vorliegenden Offenbarung werden unten beschrieben werden, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
[Beispiel 1]
Der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Stapel und der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche in dem Abschaltzustand des Stapels werden wiederholt. In diesem Fall werden der Prozess zum Anlegen eines hohen Stroms und Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess für ungefähr 3 Sekunden bzw. 5 Sekunden in der Anfangsstufe der Stapelaktivierung durchgeführt und dann für ungefähr jeweils 70 Sekunden durch graduelles Verlängern der Zeit in der späteren Stufe der Stapelaktivierung durchgeführt.
Wenn der Strom (Last) von 0,1 A/cm² oder geringer konstant angelegt wird, während der Wasserstoff mit Druck beaufschlagt wird und zugeführt wird, um einen Anteil an Sauerstoff vollständig zu entfernen, der in der Luftelektrode in dem Abschaltabschnitt zurückbleibt, wird die Reduktionsatmosphäre durch Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektrode gebildet. Folglich werden die Oxide von der Oberfläche des Platinkatalysators der Luftelektrode leicht entfernt.
Die Gesamtaktivierungszeit nach dem Beispiel 1 der vorliegenden Offenbarung beträgt 35 Minuten.
[Beispiel 2]
Nach dem Beispiel 2 der vorliegenden Offenbarung werden der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Stapel und der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche in dem Abschaltzustand des Stapels wiederholt. In diesem Fall wird der Prozess zum Anlegen eines hohen Stroms für ungefähr 3 Sekunden in der Anfangsstufe der Stapelaktivierung durchgeführt und dann für ungefähr 70 Sekunden durch graduelles Verlängern der Zeit in der späteren Stufe der Stapelaktivierung durchgeführt. Der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess wird für ungefähr 70 Sekunden in der Anfangsstufe der Stapelaktivierung durchgeführt und dann für ungefähr 5 Sekunden durch graduelles Verkürzen der Zeit in der späteren Stufe der Stapelaktivierung durchgeführt. Die Aktivierung wird für 35 Minuten durchgeführt.
[Beispiel 3]
Nach dem Beispiel 3 der vorliegenden Offenbarung werden der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Stapel und der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche in dem Abschaltzustand des Stapels wiederholt. In diesem Fall wird der Prozess zum Anlegen eines hohen Stroms für ungefähr 70 Sekunden in der Anfangsstufe der Stapelaktivierung durchgeführt und dann für ungefähr 3 Sekunden durch graduelles Verkürzen der Zeit in der späteren Stufe der Stapelaktivierung durchgeführt. Der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess wird für ungefähr 5 Sekunden in der Anfangsstufe der Stapelaktivierung durchgeführt und dann für ungefähr 70 Sekunden durch graduelles Verlängern der Zeit in der späteren Stufe der Stapelaktivierung durchgeführt. Die Aktivierung wird für 35 Minuten durchgeführt.
[Beispiel 4]
Nach dem Beispiel 4 der vorliegenden Offenbarung werden der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel und der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche in dem Abschaltzustand des Stapels wiederholt. Der Prozess zum Anlegen eines hohen Stroms wird für ungefähr 70 Sekunden in der Anfangsstufe der Stapelaktivierung durchgeführt und dann für ungefähr 3 Sekunden durch graduelles Verkürzen der Zeit in der späteren Stufe der Stapelaktivierung durchgeführt. Zudem wird der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess für ungefähr 70 Sekunden in der Anfangsstufe der Stapelaktivierung durchgeführt und dann für ungefähr 5 Sekunden durch graduelles Verkürzen der Zeit in der späteren Stufe der Stapelaktivierung durchgeführt. Die Aktivierung wird für 35 Minuten durchgeführt.
[Vergleichsbeispiel]

Nach dem Vergleichsbeispiel der verwandten Technik betragen die Zeiten zum Anlegen eines hohen Stroms und der Abschaltungs-Aufrechterhaltung (kein Pumpen von Wasserstoff) 55 Sekunden bzw. 70 Sekunden. Der Aktivierungsprozess wird für 1 bis 18 Zyklen ähnlich durchgeführt und die Aktivierung wird für 50 Minuten und 80 Minuten durchgeführt. [Tabelle 1]

	Vergleichsbeispiel	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 4
Änderung der Zeit zum Anlegen eines hohen Stroms	55 Sekunden (gleich), 1. Zyklus → 18. Zyklus	3 Sekunden → 70 Sekunden	3 Sekunden → 70 Sekunden	70 Sekunden → 3 Sekunden	70 Sekunden → 3 Sekunden
Änderung der Abschaltungs-Aufrechterhaltungszeit	70 Sekunden (gleich), 1. Zyklus → 18. Zyklus	5 Sekunden → 70 Sekunden	70 Sekunden → 5 Sekunden	5 Sekunden → 70 Sekunden	70 Sekunden → 5 Sekunden
Gesamtaktivierungszeit	50 Minuten	35 Minuten	35 Minuten	35 Minuten	35 Minuten
Aktivität (%)	100%	100%	98%	98%	N/A

Nachdem die Aktivierungsprozesse nach jedem Beispiel und Vergleichsbeispiel durchgeführt werden, werden mittlere Spannungen nach der Aktivierung gemessen. Das Ergebnis wird in der obigen Tabelle 1 veranschaulicht.
Wie in Tabelle 1 ersichtlich ist, beträgt als ein Ergebnis der Aktivierung, die für insgesamt 50 Minuten bei dem Vergleichsbeispiel durchgeführt wird, eine mittlere Spannung nach der Stapelaktivierung 0,620 V. Eine mittlere Spannung nach der Stapelaktivierung für 35 Minuten beträgt 0,619 V bei dem Beispiel 1 der vorliegenden Offenbarung.
Das heißt, es kann erkannt werden, dass eine höhere Aktivierungseffizienz bei dem Beispiel 1 der vorliegenden Offenbarung erzielt wird, wenn die Zeit zum Anlegen eines hohen Stroms und die Abschaltzeit anfänglich verkürzt und dann graduell verlängert werden.
Daher ist bei dem Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels nach der vorliegenden Offenbarung eine Zellenspannungsabfallrate während des Abschaltens im Vergleich zu der verwandten Technik schneller, wie in den 1 bis 3 veranschaulicht. Folglich kann der Aktivierungsprozess innerhalb von 35 Minuten durchgeführt werden, was eine erhebliche Zeitverkürzung verglichen zu der Aktivierungszeit (50 Minuten oder 80 Minuten) des Vergleichsbeispiels ist.
Da die Stapelaktivierungszeit erheblich verkürzt wird, ist es zudem möglich, die Menge an Wasserstoff, die verbraucht wird, verglichen zu der verwandten Technik erheblich zu verringern, wie in 4 veranschaulicht.
Die vorliegende Offenbarung liefert die folgenden Effekte durch die obige beispielhafte Ausführungsform.

1) Die Zellenspannungsabfallrate während des Abschaltprozesses kann verglichen zu der verwandten Technik schneller sein und folglich kann die Aktivierungszeit verglichen zu der verwandten Technik erheblich verkürzt werden und zwar durch Wiederholen des Prozesses zum Anlegen des hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel und des Prozesses zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels und Einleiten des Prozesses zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche des Stapels während des Abschaltprozesses.
2) Da die Stapelaktivierungszeit erheblich verkürzt wird, ist es zudem möglich, die Menge an Wasserstoff, die verbraucht wird, erheblich zu verringern.
3) Da die Stapelaktivierungszeit erheblich verkürzt wird, selbst wenn die Zeitdauer, während welcher die Aktivierungseinrichtung zu verwenden ist, relativ lange ist, ist es des Weiteren möglich, die Produktion der Brennstoffzellenstapel zu erhöhen.

Die Erfindung wurde in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben. Es wird jedoch von jemandem mit Fähigkeiten in der Technik eingesehen werden, dass an diesen Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Wesen der Erfindung abzuweichen, deren Bereich in den beiliegenden Ansprüchen und Äquivalenten derselben definiert ist.

Claims

Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem ein Prozess zum Anlegen eines hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel für eine festgesetzte Zeitdauer und ein Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen von Wasserstoff zu einer Luftelektroden-Reaktionsfläche für eine festgesetzte Zeitdauer mehrere Male wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel und der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche für eine kürzere Zeitdauer in einer Anfangsstufe der Brennstoffzellenstapelaktivierung durchgeführt werden und dann für eine längere Zeitdauer durch graduelles Verlängern der Zeit in einer späteren Stufe der Brennstoffzellenstapelaktivierung durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel und der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden-Reaktionsfläche für 3 bis 5 Sekunden in einer Anfangsstufe der Brennstoffzellenstapelaktivierung durchgeführt werden und dann für 65 bis 75 Sekunden durch graduelles Verlängern der Zeit in einer späteren Stufe der Brennstoffzellenstapelaktivierung durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess Folgendes aufweist: einen Prozess zum Abstellen der Sauerstoffzufuhr zu einer Luftelektrode und Zuführen des Wasserstoffs zu einer Brennstoffelektrode in einem Abschaltzustand des Brennstoffzellenstapels; einen Reaktionsprozess (H₂ → 2H⁺ + 2e^–), bei dem der Wasserstoff in Wasserstoff-Kationen und Elektronen in der Brennstoffelektrode dissoziiert wird; und einen Reaktionsprozess (2H⁺ + 2e^– → H₂), bei dem die dissoziierten Wasserstoff-Kationen und Elektronen zu der Luftelektrode durch eine Elektrolytmembran geleitet werden und wieder mit den Elektronen verbunden werden, die zu der Luftelektrode durch einen externen leitenden Draht geleitet werden, um Wasserstoff in der Luftelektrode zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wasserstoff zu einer Luftelektrode durch den Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess gepumpt wird, um eine Wasserstoffreduktionsatmosphäre zu bilden, und Oxide von einer Oberfläche aus Platin, die in der Luftelektrode enthalten ist, durch die Wasserstoffreduktionsatmosphäre entfernt werden, wenn eine festgesetzte Last konstant an den Stapel angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess ein Wasserstoff-Druckbeaufschlagungsprozess, bei dem der Wasserstoff mit einem höheren Druck als einem Schwellendruck zugeführt wird, verwendet wird, um in einer Luftelektrode zurückbleibenden Sauerstoff durch Diffundieren des Wasserstoffs von einer Anode zu einer Kathoden-Seite durch eine Membran in dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess ein Abschnitt, in dem in einer Luftelektrode zurückbleibender Sauerstoff mit Wasserstoff vermischt wird, der von einer Wasserstoffelektrode diffundiert wird, entfernt wird, um eine Dissoziation einer Elektrolytmembran oder eines Bindemittels zu verhindern, die während der Brennstoffzellenstapelaktivierung auftreten kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Leerlaufspannung unter einer Bedingung, bei der Luft zu einer Luftelektrode zugeführt wird, um eine Oberflächenoxidation des Platins und Kohlenstoffs der Luftelektrode zu verhindern, durch konstantes Anlegen einer festgesetzten Last nach dem Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Wasserstoff zu der Luftelektrode durch den Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess gepumpt wird, um eine Wasserstoffreduktionsatmosphäre zu bilden, und Oxide von einer Oberfläche aus Platin, die in der Luftelektrode enthalten ist, durch die Wasserstoffreduktionsatmosphäre entfernt werden, wenn eine festgesetzte Last konstant an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die festgesetzte Last 0,1 A/cm² beträgt.