CN101752578A - 一种提高质子交换膜燃料电池除水有效性的方法 - Google Patents

一种提高质子交换膜燃料电池除水有效性的方法 Download PDF

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俞红梅
徐丽双
邵志刚
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Abstract

本发明可提高质子交换膜燃料电池的除水有效性，以流道内气体的流速为参考，针对不同板型、堆型的电池进行吹扫除水，本发明适用于不论以何种方式进行除水的所有板型、堆型的电堆的除水效果考察。

Description

一种提高质子交换膜燃料电池除水有效性的方法
技术领域
本发明涉及提高质子交换膜燃料电池除水有效性，具体地说是通过流道内气体流速作为参数，以气体吹扫或真空排水等不同方式对不同板型、堆型的电池进行除水，考察电池的除水效果。
背景技术
在环境与能源备受人类关注的今天，质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、能快速启动、比功率高，以及无污染等优点，已越来越多地为众多研究机构和公司所重视，使质子交换膜燃料电池的关键材料及先进燃料电池系统取得了很大的进展，但仍存在很多亟待解决的问题。其中之一就是车用燃料电池的零度以下环境适应性问题。质子交换膜燃料电池有效的低温保存也是实现低温启动的前提条件，而控制电池的干湿程度对于燃料电池的低温储存即零度以下耐受性的研究是很重要的。为了能够提高电池在零度以下抗冻能力，即提高燃料电池对零度以下环境的适应能力，防止零度以下水结冰对质子交换摸燃料电池各部件造成的破坏，实现零度以下燃料电池的保存，以及燃料电池电动车从-20℃环境下30秒快速启动到额定功率的90％，控制电池中的水含量非常关键。在以前的文献及专利中多是对除水方法进行研究，比如，US20026358637提出了抽真空除水，US6777115和WO04025752涉及的加热除水，如US20046797421B2，WO20010148846A1，EP20041113516B1的烧氢除水，也有用惰性气体吹扫，反应气吹扫等方法。对如何提高除水有效性方面的研究较少，尤其是对各种板型、堆型均适用的方法更少。如何提高电池除水的有效性不仅对控制电池中的水含量非常重要，而且除水效果的好坏对电池性能及下一次快速启动都有直接的影响。因而，除水效果的好坏对避免零度以下燃料电池的性能损耗、延长电池寿命、降低排水能耗、便利下次快速启动从而推动了燃料电池的商业化进程至关重要。本发明正是在提高以不同方式对各种板型、堆型电池的除水有效性方面给予了说明。
发明内容
本发明是提高质子交换膜燃料电池除水的有效性。在对电池进行除水时，以流道内气体的流速为参考，以吹扫或真空排水等不同方式对不同板型、堆型的电池进行除水，考察电池的除水效果。本发明可有效提高电池除水的有效性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明选择流道内气体流速作为参考，当电池停止运行时，用气体吹扫电池氢氧两腔或真空排水等不同方式对不同板型、堆型的电池进行除水，考察电池的除水有效性。
以流道内气体流速作参考，即流速在大于一定值时电池内部的水能有效地除去；在除水过程中，监测电池电阻的上升速率，确定电池除水效果；
具体为：当电池停止运行时，于温度20-60℃的条件下，继续通入反应气对电池进行除水；使通入反应气于流道内的气体流速是电池运行时流速的1-5倍，除水时间为0.5-50分钟。
通入反应气流道内气体流速最好为电池在500电密运行时流速的1-5倍。
本发明的优点：
1、本发明可有效提高电池的除水效果。
2、本发明操作更简单方便。使用本发明提供的方法，只需控制流速和除水时间即能达到满意的效果。
3、本发明适用于各种方式除水的各种板型、堆型的电堆的除水效果考察。
附图说明
图1、a是流场示意图，b为流场流道示意图；
图2、是以不同气体流速对电极面积为275cm2的单电池进行除水，气体流速对电阻上升速率的影响；
图3、是以不同气体流速对电极面积为275cm2的8节电池堆进行除水，气体流速对电阻上升速率的影响；
图4、为以相同速率对不同堆型的电池进行除水时，电阻的变化情况；
图5、是膜面积为275cm2的单池和膜面积为4cm2的单池经过20次循环后性能变化曲线。
具体实施方式
所述提高燃料电池的除水有效性，具体步骤如下：
1)燃料电池停车后，继续通入反应气或真空排水对电池进行除水；
2)在除水过程中，通过控制器控制流道内气体流速、除水时间等除水参数；
3)流道内气体的流速最好是电池运行时流速的1-5倍，尽量使水分带出量与气体消耗比值保持最大；温度20-60℃
4)除水时间一般为0.5-50分钟；
图1、a是流场示意图，b为流场流道示意图；
流场的功能是引导反应气流动方向，确保反应气均匀分配到电极各处，经电极扩散层到达催化层参与电化学反应。流场的脊部分靠组装力与电极扩散层紧密接触，而沟部分即流道为反应气流的通道，引导反应气体的流动。
实施例1
图2是以不同气体流速对电极面积为275cm2的单电池进行除水，气体流速对电阻上升速率的影响；
具体实施办法如下：
1)燃料电池停车后，分别以0.44m/s、0.35m/s、0.26m/s、0.18m/s流速的气体对电池进行除水，同时通过交流阻抗仪监测电池电阻的变化；
2)除水时间为5-50分钟，控制系统切断气体通入，停止除水；
由图2可以看出，流道内气体的流速越大，电阻上升的速率越快，说明除水效果越好，并且流道内的气体流速在大于0.35m/s后除水效果非常明显。
实施例2
图3是以不同气体流速对电极面积为275cm2的短堆电池进行除水，气体流速对电阻上升速率的影响；
具体实施办法如下：
1)燃料电池停车后，分别以0.44m/s、0.35m/s、0.26m/s、0.18m/s流速的气体对电池进行除水，同时通过交流阻抗仪监测电池电阻的变化；
2)除水时间为5-50分钟，控制系统切断气体通入，停止除水；
由图3可以看出，对于短堆，同样是流道内气体的流速越大，电阻上升的速率越快，除水效果越好。
实施例3
图4是以0.44m/s相同气体流速分别对电极面积为4cm2单池和电极面积为275cm2的单节电池进行除水，同时通过交流阻抗仪监测电池电阻的变化；
具体实施办法如下：
1)燃料电池停车后，以0.44m/s流速的气体分别对电极面积为4cm2单电池和电极面积为275cm2的单电池进行除水；
2)同时通过交流阻抗仪检测电池电阻的变化；
3)除水时间为1-10min控制系统切断气体通入，停止除水；
由图4可以看出，流道内气体流量相同时，电阻的上升速率基本没有太大差异；
图5为膜面积为275cm2的单池和膜面积为4cm2的单池经0.44m/s流速的气体除水10分钟后经过20次冷冻-解冻循环后性能变化曲线。由图可以看出，经过20次循环后，无论是200mA/cm2电密、还是500mA/cm2电密下放电，电堆的性能都没有发生衰减。
以上实例说明，通过本发明可提高电池除水的有效性，而且本发明适用于以各种方式除水的各种板型堆型的燃料电池，推动了燃料电池的商业化进程。

Claims (2)

1.一种提高质子交换膜燃料通入反应气除水有效性的方法，其特征在于：
当电池停止运行时，于温度20-60℃的条件下，继续通入反应气对电池进行除水；使通入反应气于流道内的气体流速是电池运行时流速的1-5倍，除水时间为0.5-50分钟。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述通入反应气流道内气体流速为电池在500电密运行时流速的1-5倍。
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PB01 Publication
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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