CN101286569A - 一种燃料电池启动时增湿的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池启动时增湿的方法，当燃料电池启动时：向燃料电池的阳极提供计量比大于1的燃料；在50％以上的时间里，向燃料电池的阴极提供计量比等于1的空气；将燃料电池的电极连续或间断地置于低电压一段时间；所述的置于低电压，是指将燃料电池中唯一的单电池或所有单电池或大部分单电池的电压置于负0.1V至正0.3V。本发明还提供了一种实现上述方法的燃料电池系统。与现有技术相比，本发明对于长期放置而变干的燃料电池，具有良好的增湿作用，能够实现较快速度的启动。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其是一种燃料电池启动时增湿的方法及系统
背景技术
燃料电池在长期放置以后，如果再次运行，其性能会下降，引起这个问题的原因有多个。
1，电池内部必须达到一定的温度，催化剂的活性才会达到较好的状态。而燃料电池启动时，肯定是从冷态开始的。
2，电解质膜中的水分在放置期间逐步蒸发，使得电解质膜的离子阻抗增大。
3，空气或燃料中的一些微量杂质气体(例如硫化氢、一氧化碳等)渗入燃料电池，附着在催化剂上，降低了其活性。
4，其它一些由学术界提出的尚未得到公论的原因。
实践证明，上述各个原因之中，第二项的不良影响最为显著。尤其是阴极开放式(俗称单路空气)燃料电池，由于阴极与外界大气相通，电解质膜中的水分很容易蒸发，放置一段时间后的性能下降非常显著。
美国专利6329089提出了一种从较低温度开始启动固体聚合物电解质燃料电池并达到常规运行温度的方法，包括向阴极提供氧化剂流、向阳极提供燃料流、在启动阶段中在至少一个电极的一部分区域实施反应物的饥饿。并在其说明书第二页的右上方指出，饥饿的状况存在于反应物计量比小于1时，也就是在任何给定的情况下，向燃料电池提供的反应物少于被燃料电池消耗的反应物。同时也顺便指出如果在饥饿期间，反应剂的供给速度保持恒定，反应剂的消耗速度将会下跌，直到最终与供给速度相等，计量比最终上升为1。在发明概要的第一节指出，该方法有助于加热或启动得到基本上不含催化剂毒素的反应剂流供给的燃料电池，可是也有助于消除反应剂流带来的催化剂毒素。另外，在其说明书第三页的左上方指出，在饥饿其间，水的产生量得到了减少，这有利于避免在0度以下结冰导致堵塞。
由此可见，该专利将计量比小于1作为其关键技术特征，尽管也会非目的性地出现计量比等于1的情况。文中虽然没有注明，但是可以直接推出，其燃料电池结构及控制系统的设计会使得在启动阶段的大部分时间中，计量比小于1。该方案的缺点是：侧重于解决温度问题及杂质问题，由于其反应物的供应不足量，计量比小于1，所以补充水分的效果不够理想。另外，随着温度逐步上升接近常规运行温度，产生的水分将以更快的速度蒸发，这种情况对于增湿是不利的。
发明内容
为了克服上述背景技术有助于加热及消除催化剂毒素，却对增湿没有显著贡献的缺陷，本发明提出了一种新的技术方案。
理论分析及实验表明，当计量比等于1时，燃料电池能够源源不断地得到反应物并生成水，从而产生相对于计量比小于1的情况更为良好的增湿效果。因此，控制系统应该在启动阶段的大部分时间中，使得计量比等于1。
一种燃料电池启动时增湿的方法，当燃料电池启动时：A，向燃料电池的阳极提供计量比大于1的燃料；B，在50％以上的时间里，向燃料电池的阴极提供计量比等于1的空气；C，将燃料电池的电极连续或间断地置于低电压一段时间；所述的置于低电压，是指将燃料电池中唯一的单电池或所有单电池或大部分单电池的电压置于负0.1V至正0.3V。
在置于低电压的情况下，电流消耗与穿过气体扩散层到达电解质膜表面的氧气的消耗自然达到平衡，不快也不慢，计量比等于1，根据空气的提供速度产生水分，使得电解质膜逐步湿润，燃料电池性能恢复。
提供计量比等于1的空气的方式可以是利用自然对流及扩散，不使用或关闭推动空气强制流动的风机或泵。这种方式适用于阴极开放式燃料电池或者阴极管路较为粗短的阴极封闭式燃料电池，空气的自然对流及扩散比较通畅，足以取得理想的效果。其优点是比较简单。
提供计量比等于1的空气的方式也可以是将推动空气强制流动向燃料电池的阴极提供氧化剂的风机或泵开启至小于其额定功率的15％。这种方式适用于阴极封闭式燃料电池，空气的自然对流及扩散并不通畅，不足以取得理想的效果。
置于低电压的时间，可以是手动控制的，或者是固定的预设值控制。手动控制的优点是系统简单；固定的预设值控制的优点是减少使用者的操作，系统的复杂度也不高。
另外，上述过程产生的热量，使得燃料电池温度有所升高，随着温度的上升，水分的蒸发速度也会上升，使得产生的水分有相当一部分得不到保留。所以，优化的方法是不能使得电池的温度太高。
置于低电压的时间，可以是自动适应的，当燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时结束。或者当燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时中断，消极等待或者开启散热装置，待其温度有所降低后再继续，循环若干次。这种方案的优点是有助于取得优化的增湿效果，其缺点是系统较为复杂。
所述的将燃料电池置于低电压的比较简易的方法是短路；或者也可以与电压源、恒压负载并联。
所述的将燃料电池置于低电压的时间，可以从30毫秒至60分钟，如果置于低电压是间断执行的，其周期可以从50毫秒至20分钟，占空比可以从1％到99％。
为了实施上述方法，需要下述装置。
一种燃料电池系统，包括燃料电池及外围电路，其特征在于：所述的系统可以在燃料电池启动时，A，向燃料电池的阳极提供计量比大于1的燃料；B，在50％以上的时间里，向燃料电池的阴极提供计量比等于1的空气；C，将燃料电池的电极连续或间断地置于低电压一段时间；所述的置于低电压，是指将燃料电池中唯一的单电池或所有单电池或大部分单电池的电压置于负0.1V至正0.3V。
将燃料电池置于低电压的装置可以是直接的手动开关或者是直接或间接受手动开关控制的开关。
将燃料电池置于低电压的装置可以是受外围电路中的控制器控制的自动开关；所述的控制器能够在系统启动时，驱动所述的自动开关，将燃料电池置于低电压一段时间后结束，转入正常运行状态。
所述的手动开关或自动开关可以是三位置开关，第一个位置是关机或者不接通负载，第二个位置是将燃料电池置于低电压，第三个位置是正常运行。
还可以包含驱动空气强制流动向燃料电池的阴极提供氧化剂的风机或泵，所述的外围电路能够在燃料电池被置于低电压时，停止运行所述的风机或泵。
还可以包含驱动空气强制流动向燃料电池的阴极提供氧化剂的风机或泵，所述的外围电路能够在燃料电池被置于低电压时，将所述的风机或泵开启至小于其额定功率的15％。
一种简易的控制方法是，所述的控制器，能够按照预先设定的时间结束置于低电压。
另一种控制方法时，还包含测量燃料电池温度的传感器，所述的温度传感器与所述的控制器连接，控制器能够使燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时结束置于低电压。或者使燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时中断置于低电压，消极等待或者开启散热装置，待其温度有所降低后再继续，循环若干次。
所述的外围电路的简易形式是，能够以短路的方式将燃料电池置于低电压；或者与电压源、恒压负载并联将燃料电池置于低电压。
所述的外围电路，将燃料电池置于低电压的时间可以是从30毫秒至60分钟，如果置于低电压是间断执行的，其周期可以从50毫秒至20分钟，占空比可以从1％到99％。
所述的燃料电池空气侧的气体扩散层可以选用较为致密的憎水材料，其面密度超过3mg每平方厘米。由于憎水，其反应生成的水无法以液态排出，由于致密，以气态排出的速度也较慢。同时，致密也有助于控制空气中的氧到达阴极的速度，避免反应过快，发热过快而造成损坏。
所述的燃料电池，优选情况下是阴极开放式燃料电池。对于阴极开放式燃料电池，这种技术方案的作用将更为显著。
所述的燃料电池系统可以应用于消费电子产品或轻型交通工具或玩具教具。
值得补充说明的是，在燃料电池刚被置于低电压的瞬间，由于阴极本来已经积蓄了较为充足的氧气，所以会输出较大的电流，对氧气的消耗快于外界空气通过扩散补充氧气的速度，所以出现短暂的计量比小于1的情况，但是很快会趋于平衡，计量比稳定为1。所述的短暂的计量比小于1的情况，并不是本发明的技术手段所在，对于达到本发明的技术效果并无必要性。如果采用恒流负载将燃料电池拉至低电压，完全可以避免出现计量比小于1的情况，理论分析及实验表明其技术效果是基本相同的，只是恒流负载的成本略高而已。
与现有技术相比，本发明对于长期放置而变干的燃料电池，具有良好的增湿作用，能够实现较快速度的启动。
附图说明
图1为应用本发明的方法得到的本发明的燃料电池系统的示意图。
图2为应用本发明的方法得到的本发明的燃料电池系统的另一示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。其中1-氢气源，2-燃料电池，3-单刀三位手动开关，4-负载，5-鼓风机，6-温度传感器，7-电子开关，8-电磁阀，9-控制器，10-稳压管
实施例1
如图1所示，这是一个最简单的实施例，用于微型的单片燃料电池的玩具小车，结构简单，不使用风机，正常运行及启动时均采用自然对流及扩散提供空气。燃料电池2的阴极扩散层是面密度为4～12mg(用于极其潮湿地区的产品为4mg，用于干燥地区的产品为12mg)的憎水材料。
氢气源1与燃料电池2之间有管路相连接。燃料电池2的阴极对空气开放，也就是阴极开放式燃料电池。手动开关3的左位置是开路的，中位置对燃料电池2构成短接回路，右位置将燃料电池2的正输出极引向负载4。负载4的另一端与燃料电池2的负输出极相连接。
氢气源1接上时，其中的氢气充分输给燃料电池2，计量比大于1。关机时，单刀三位手动开关3置于最左边的位置。
开机时，先将手动开关3置于中间的位置，通过短路增湿，电压为0V。空气中的氧气一旦扩散到阴极，立即被消耗掉，供给速度与消耗速度正好相等，计量比等于1。
经过一定时间以后(由使用者根据经验判断，在干燥地区或长期放置后，需要较长的时间，甚至达到60分钟，在潮湿地区或刚使用后，仅需要较短的时间，甚至是极为短促的30ms，开关从左位置直接到右位置时滑过中位置)，将手动开关3置于右边的位置，向负载4供电，正常工作。
在一次实验中，在干燥环境中放置了一天的上述产品，其燃料电池在0.6V时的输出电流从正常的500mA降低到了100mA，产品无法正常运行。但是将开关置于短路位置10分钟后，其燃料电池在0.6V时的输出电流回升到了490mA。
实施例2
如图2所示，氢气源1与电磁阀8的入口有管路连接，电磁阀8的出口与20片堆叠的燃料电池2的阳极有管路连接，鼓风机5的出口指向燃料电池2的开放式阴极，燃料电池2的正负输出极上并接有电子开关7与稳压管10的串联组以及负载4。控制器9对鼓风机5、电磁阀8及电子开关7有控制连接，对安装在电堆中的温度传感器6有监测连接。其中稳压管的稳压值约为4V，充当恒压负载的作用，分摊给每片单电池平均为0.2V。
系统启动时，控制器9打开电磁阀8使得氢气源1中的氢气充足地输送给燃料电池2，计量比大于1。同时控制器9将鼓风机5置于关闭状态，而将电子开关7置于接通状态，燃料电池2被置于每片0.2V的低电压，输出电流将通过自然对流及扩散到达阴极的氧气及时消耗掉，计量比等于1。
当温度传感器6反馈的燃料电池2的温度达到低于常规运行温度的预设值时，控制器9将电子开关7置于开路状态，开启鼓风机5，系统正常运行，向负载4提供电能。或者也可以控制鼓风机5以较强功率将燃料电池2快速降温，等到温度较低时，再次关闭鼓风机5，接通电子开关7。如此循环多次以后，再转入正常运行。
在多次实际试验中，由于周围环境温度0～40摄氏度的差异，以及燃料电池电堆的大小不同所导致的热容量不同等各种原因，在上述自动控制过程中，置于低电压的循环周期最长曾达到过20分钟，最短曾达到过50毫秒。占空比也曾经出现过1％～99％的较大变动范围。但是，对于一个在12V下本应该输出14A的，经长期放置跌到6A的燃料电池电堆，经过累计15分钟的上述操作，恢复到了13A的输出性能。
采用1.5A恒流负载代替稳压管10，重复上述试验，其结果基本相同。证明本发明的实现并不依赖于计量比小于1的状态。
实施例3
情况与例2基本相同，仍可参考图2。所不同的是，燃料电池2是阴极封闭式的，其散热方式是去离子水的自然热对流。在燃料电池2被置于低电压时，鼓风机5被开启至额定功率的10％，以提供适量的空气。
其试验结果与例2相似。
Claims (19)
1， 一种燃料电池启动时增湿的方法，当燃料电池启动时：
A，向燃料电池的阳极提供计量比大于1的燃料；
B，在50％以上的时间里，向燃料电池的阴极提供计量比等于1的空气；
C，将燃料电池的电极连续或间断地置于低电压一段时间；所述的置于低电压，是指将燃料电池中唯一的单电池或所有单电池或大部分单电池的电压置于负0.1V至正0.3V。
2， 如权利1所述的一种燃料电池启动时增湿的方法，其特征在于：提供计量比等于1的空气的方式是利用自然对流及扩散，不使用或关闭推动空气强制流动的风机或泵。
3， 如权利1所述的一种燃料电池启动时增湿的方法，其特征在于：提供计量比等于1的空气的方式是将推动空气强制流动向燃料电池的阴极提供氧化剂的风机或泵开启至小于其额定功率的15％。
4， 如权利1所述的一种燃料电池启动时增湿的方法，其特征在于：
置于低电压的时间，是手动控制的；
或者是固定的预设值控制。
5， 如权利1所述的一种燃料电池启动时增湿的方法，其特征在于：
置于低电压的时间，是自动适应的，当燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时结束；
或者当燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时中断，消极等待或者开启散热装置，待其温度有所降低后再继续，循环若干次。
6， 如权利1所述的一种燃料电池启动时增湿的方法，其特征在于：
所述的将燃料电池置于低电压的方法是短路；
或者与电压源、恒压负载并联。
7， 如权利1所述的一种燃料电池启动时增湿的方法，其特征在于：
所述的将燃料电池置于低电压的时间，从30毫秒至60分钟；
如果置于低电压是间断执行的，其周期从50毫秒至20分钟，占空比从1％到99％。
8， 一种燃料电池系统，包括燃料电池及外围电路，其特征在于：所述的系统可以在燃料电池启动时，A，向燃料电池的阳极提供计量比大于1的燃料；B，在50％以上的时间里，向燃料电池的阴极提供计量比等于1的空气；C，将燃料电池的电极连续或间断地置于低电压一段时间；所述的置于低电压，是指将燃料电池中唯一的单电池或所有单电池或大部分单电池的电压置于负0.1V至正0.3V。
9， 如权利8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：
将燃料电池置于低电压的装置是直接的手动开关；
或者是直接或间接受手动开关控制的开关。
10， 如权利8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：将燃料电池置于低电压的装置是受外围电路中的控制器控制的自动开关；所述的控制器能够在系统启动时，驱动所述的自动开关，将燃料电池置于低电压一段时间后结束，转入正常运行状态。
11， 如权利9或10所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的手动开关或自动开关是三位置开关，第一个位置是关机或者不接通负载，第二个位置是将燃料电池置于低电压，第三个位置是正常运行。
12， 如权利8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：还包含驱动空气强制流动向燃料电池的阴极提供氧化剂的风机或泵，所述的外围电路能够在燃料电池被置于低电压时，停止运行所述的风机或泵。
13， 如权利8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：还包含驱动空气强制流动向燃料电池的阴极提供氧化剂的风机或泵，所述的外围电路能够在燃料电池被置于低电压时，将所述的风机或泵开启至小于其额定功率的15％。
14， 如权利10所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的控制器，能够按照预先设定的时间结束置于低电压。
15， 如权利10所述的一种燃料电池系统，其特征在于：还包含测量燃料电池温度的传感器，所述的温度传感器与所述的控制器连接，控制器能够使燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时结束置于低电压；或者使燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时中断置于低电压，消极等待或者开启散热装置，待其温度有所降低后再继续，循环若干次。
16， 如权利8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的外围电路，能够以短路的方式将燃料电池置于低电压；或者与电压源、恒压负载并联将燃料电池置于低电压。
17， 如权利8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的外围电路，将燃料电池置于低电压的时间是从30毫秒至60分钟；如果置于低电压是间断执行的，其周期从50毫秒至20分钟，占空比从1％到99％。
18， 如权利8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的燃料电池空气侧的气体扩散层选用较为致密的憎水材料，其面密度超过3mg每平方厘米。
19， 如权利8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的燃料电池，是阴极开放式燃料电池。
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