CN107256976B - 一种质子交换膜燃料电池性能提高策略 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池性能提高策略 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其主旨在于提高质子交换膜燃料电池在带载运行过程中的输出性能。本发明为短时降低空气过量系数提升电堆性能，在电堆正常运行时，将空气计量比从正常状态短时降低为饥饿状态，再恢复至正常状态的一种优化方法。该方法通过调节质子交换膜燃料电池的活性面积和水含量，显著地增加了质子交换膜燃料电池的电压，有效地提升了输出性能，使质子交换膜燃料电池处于高性能输出状态，是一种简单、有效提高侄子交换膜燃料电池输出性能的方法。

Description

一种质子交换膜燃料电池性能提高策略
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及质子交换膜燃料电池性能提高策略。
背景技术
燃料电池技术是21世纪人类利用可再生能源的最主要的关键技术之一，由于其高效、洁净、功率范围广等优点，成为新能源的重要组成部分。其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)以其电池效率高、启动速度快、操作温度低、使用寿命长、易于移动、零污染等优点被广泛应用于便携式电源、小型社区发电及各种不间断电源，展现了多领域广阔的应用前景。
为了满足一定的输出功率和输出电压需求，通常将质子交换膜燃料电池单体按照一定的方式组合在一起构成燃料电池堆，并配置相应的辅助设备，形成燃料电池系统。质子交换膜燃料电池系统在运行过程中不可避免的要经历频繁启停、变载、怠速等工况，其工况的复杂程度决定其性能衰减的速度和使用寿命的长短。因此，在燃料电池带载运行过程中电池性能的衰减问题更加突出，不同的操作参数下电堆的动态响应性能差异较大。当PEMFC电堆所接负载发生变化时，电堆的输出性能也会被动的产生一个瞬态的波动，并且伴随着对气体过量系数、电堆温度、操作压力、相对湿度等相关参数产生影响，变化的参数又进一步影响着电堆的输出性能。
燃料电池反应需要维持一个最优的过氧比(空气计量比)和氢气利用率，当负载运行工况突变时，由于供气系统的时滞性，导致PEMFC电堆内部反应气体的流量不能随之快速响应。如果阴极氧气流量过低，会产生“氧饥饿”现象，此时电堆内部空气流量过低，电堆供氧不足，致使电堆输出电压急速衰减，使质子交换膜表面出现“局部热点”甚至燃烧，降低电堆使用寿命；如果氧气流量过高，即产生“氧饱和”现象，此时电堆内阴极的氧气远高于所需的氧气，电堆的输出功率没有明显的提高，但空气供应系统的功耗显著增大，从而使系统净输出功率降低。
当质子交换膜燃料电池系统在最优计量比下带载运行时，质子交换膜燃料电池的活性位部分逐渐被惰性气体替代，导致质子交换膜燃料电池活性面积减小，最终导致燃料电池输出性能下降；另外，质子交换膜燃料电池反应产生聚集的水使得膜中水含量增加，过高或者过低的水含量都会降低电导率，从而降低发电效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，旨在提高质子交换膜燃料电池在带载运行过程中的输出性能，显著增加质子交换膜燃料电池的电压，有效提升了输出性能，使质子交换膜燃料电池处于高性能输出状态。本发明通过短时降低空气计量比调节质子交换膜燃料电池的活性面积和水含量，有效提高质子交换膜燃料电池的输出性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，包括步骤：
S100，安装质子交换膜燃料电池电堆，连接通气管道，检查气密性；
S200，通过氮气吹扫质子交换膜燃料电池电堆的阴极和阳极；同时，对水箱进行预热，直至水箱温度达到60℃；
S300，向质子交换膜燃料电池电堆的阴极通入RH50％增湿的空气，向质子交换膜燃料电池电堆的阳极通入不加湿的氢气；同时，排出空气或氢气，使空气或氢气的压力维持在20-50KPa；
S400，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流至预置电流值；
S500，待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至预置空气计量比，并以预置时间持续；
S600，持续时间完毕，恢复空气计量比至2.5。
进一步的是，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流从0A加载至88A；待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，逐步降低空气计量比至2.1、1.8、1.5或1.2，持续10s后，恢复空气计量比至2.5；
随着短时降低的空气计量比，质子交换膜燃料电池电堆输出电压增加的越多，电堆输出性能提高明显。
进一步的是，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流从0A逐步加载至88A、110A、132A或154A；待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至1.5，持续10s后，恢复空气计量比数至2.5；
短时降低的空气计量比，随着辅助负载电流的增加，质子交换膜燃料电池电堆输出电压增加的越多，质子交换膜燃料电池电堆输出性能提高明显。
进一步的是，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流从0A加载至132A，待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至1.5，分别持续10s、20s或30s后，恢复空气计量比至2.5；
短时降低的空气计量比，随着短时降低时间的增加，电堆输出电压增加的越多，电堆输出性能提高明显。
进一步的是，空气和氢气的排出为脉冲排气方式。
进一步的是，所述脉冲排气方式的步骤包括先关闭排气电磁阀6s，再打开排气电磁阀3s；在此过程中，调节空气和氢气的压力为20-50KPa；保证通气压力，能够提高质子交换膜燃料电池电堆的使用寿命。
进一步的是，在所述加载电流过程中，电流加载步长不超过10A，从而保证所述质子交换膜燃料电池电堆的单电池电压高于0.5V；使质子交换膜燃料电池电堆电压下降缓慢下降，使单片电压不会瞬时降低到0.5V以下，从而使质子交换膜燃料电池电堆不会造成损伤。
进一步的是，维持所述水箱温度为60℃，从而控制所述质子交换膜燃料电池电堆的工作温度控制在60℃；保证质子交换膜燃料电池电堆处于最优工作环境。
采用本技术方案的有益效果：
本发明通过短时降低空气计量比，调节质子交换膜燃料电池的活性面积和水含量，有效提高质子交换膜燃料电池的输出性能；
本发明能够提高质子交换膜燃料电池在带载运行过程中的输出性能，显著增加质子交换膜燃料电池的电压，有效提升了输出性能，使质子交换膜燃料电池处于高性能输出状态。
本发明提供的操作简便快速；能够保护电堆，避免对电堆产生不可逆的损害；适用于多种功率级别的电堆，实用性很强。
附图说明
图1是一种质子交换膜燃料电池性能提高策略的流程示意图；
图2是本发明中实施例一的实验数据图；
图2-图6是本发明中实施例二的实验数据图；
图7是本发明中实施例三的实验数据图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。以下结合实施例由83片单体组成10kW的水冷型PEMFC电堆，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明实施例中，如图1所示，一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，包括步骤：
S100，安装质子交换膜燃料电池电堆，连接通气管道，检查气密性；
S200，通过氮气吹扫质子交换膜燃料电池电堆的阴极和阳极；同时，对水箱进行预热，直至水箱温度达到60℃；
S300，向质子交换膜燃料电池电堆的阴极通入RH50％增湿的空气，向质子交换膜燃料电池电堆的阳极通入不加湿的氢气；同时，排出空气或氢气，使空气或氢气的压力维持在20-50KPa；
S400，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流至预置电流值；
S500，待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至预置空气计量比，并以预置时间持续；
S600，持续时间完毕，恢复空气计量比至2.5。
在实施例一中，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流从0A加载至88A；待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，逐步降低空气计量比至2.1、1.8、1.5或1.2，持续10s后，恢复空气计量比至2.5；随着短时降低的空气计量比，质子交换膜燃料电池电堆输出电压增加的越多，电堆输出性能提高明显。
当辅助负载电流为88A，空气计量比降低至2.1、1.8、1.5或1.2四种不同程度时，质子交换膜燃料电池空气计量比降低前后电压变化情况，如图2所示；
由图2可以看出，短时降低空气计量比可以提高电堆输出电压，且当空气计量比分别短时降低至2.1、1.8、1.5或1.2时，电堆输出电压分别增加了0.3V、0.4V、0.6V和1V，即随着短时降低的空气计量比越低，电堆输出电压增加的越多，电堆输出性能提高明显。
在实施例二中，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流从0A逐步加载至88A、110A、132A或154A；待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至1.5，持续10s后，恢复空气计量比数至2.5；短时降低的空气计量比，随着辅助负载电流的增加，质子交换膜燃料电池电堆输出电压增加的越多，质子交换膜燃料电池电堆输出性能提高明显。
当辅助负载电流分别为88A、110A、132A或154A四通情况下，空气计量比均降低至1.5时，质子交换膜燃料电池空气计量比降低前后电压变化情况，如图3-6所示；
由图3-6可知，当短时降低的空气计量比一定，恒流辅助负载分别为88A、110A、132A或154A，电堆输出电压分别增加了0.2V、0.3V、0.6V和0.9V，即短时降低的空气计量比一定，随着恒流辅助负载的增加，电堆输出电压增加的越多，电堆输出性能提高明显。
在实施例三中，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流从0A加载至132A，待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至1.5，分别持续10s、20s或30s后，恢复空气计量比至2.5；短时降低的空气计量比，随着短时降低时间的增加，电堆输出电压增加的越多，电堆输出性能提高明显。
当辅助负载电流为132A，空气计量比短时降低至1.5，降低时间分别为10s、20s和30s时，质子交换膜燃料电池空气计量比降低前后电压变化情况，如图7所示；
由图7可知，当短时降低的空气计量比，短时降低空气计量比时间分别为10s、20s或30s电堆输出电压分别增加了0.3V、0.4V和0.5V，且维持时间分别为305s、335s和575s；即短时降低的空气过量系数，且辅助负载一定，随着短时降低时间的增加，电堆输出电压增加的越多，电堆输出性能提高明显。
由实施例一至实施例三可以看出，提高辅助负载电流值，短时降低空气计量，保证降低持续时间；能够有效提高质子交换膜燃料电池电压值，从而提高燃料电池性能，性能提高维持时间较长。
作为上述实施例的优化方案，空气和氢气的排出为脉冲排气方式。
所述脉冲排气方式的步骤包括先关闭排气电磁阀6s，再打开排气电磁阀3s；在此过程中，调节空气和氢气的压力为20-50KPa；保证通气压力，能够提高质子交换膜燃料电池电堆的使用寿命。
作为上述实施例的优化方案，在所述加载电流过程中，电流加载步长不超过10A，从而保证所述质子交换膜燃料电池电堆的单电池电压高于0.5V；使质子交换膜燃料电池电堆电压下降缓慢下降，使单片电压不会瞬时降低到0.5V以下，从而使质子交换膜燃料电池电堆不会造成损伤。
作为上述实施例的优化方案，维持所述水箱温度为60℃，从而控制所述质子交换膜燃料电池电堆的工作温度控制在60℃；保证质子交换膜燃料电池电堆处于最优工作环境。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其特征在于，包括以下步骤：
S100，安装质子交换膜燃料电池电堆，连接通气管道，检查气密性；
S200，通过氮气吹扫质子交换膜燃料电池电堆的阴极和阳极；同时，对水箱进行预热，直至水箱温度达到60℃；
S300，向质子交换膜燃料电池电堆的阴极通入RH50％增湿的空气，向质子交换膜燃料电池电堆的阳极通入不加湿的氢气；同时，排出空气或氢气，使空气或氢气的压力维持在20-50KPa；
S400，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流至预置电流值；
S500，待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至预置空气计量比，并以预置时间持续；
S600，持续时间完毕，恢复空气计量比至2.5。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其特征在于，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流从0A加载至88A；待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，首先逐步降低空气计量比至预置空气计量比2.1、1.8、1.5或1.2，然后再持续预置时间10s后，恢复空气计量比至2.5。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其特征在于，先由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流从0A逐步加载至88A、110A、132A或154A；然后待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至1.5；持续10s后，恢复空气计量比数至2.5。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其特征在于，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流从0A加载至132A，待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至1.5后，以预置时间10s、20s或30s持续后，恢复空气计量比至2.5。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其特征在于，空气和氢气的排出为脉冲排气方式。
6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其特征在于，所述脉冲排气方式的步骤包括先关闭排气电磁阀6s，再打开排气电磁阀3s。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其特征在于，在所述加载电流过程中，电流加载步长不超过10A，从而保证所述质子交换膜燃料电池电堆的单电池电压高于0.5V。
8.根据权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其特征在于，维持所述水箱温度为60℃，从而控制所述质子交换膜燃料电池电堆的工作温度控制在60℃。
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