CN108075154A - 一种氢空质子交换膜燃料电池无增湿条件启动及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢空质子交换膜燃料电池无增湿条件启动及运行方法，在燃料电池干气进气的条件下，采用燃料与氧化剂逆流进气方式，设定燃料电池电流加载方式，加载时间，进气的流量，将燃料电池处于低电流密度运行一段时间，燃料电池运行时阴极侧生成的水使得质子交换膜阴极侧处于润湿状态，同时部分液态水在膜两侧水浓度梯度的作用下由阴极侧反扩散至阳极侧，使得膜阳极侧也处于润湿状态，避免了膜在干气状态下的脱水问题，待低电流密度运行稳定后，视为燃料电池启动完成，逐步将电流密度加载至工作电流密度，保持燃料电池的稳定运行。

Description

一种氢空质子交换膜燃料电池无增湿条件启动及运行方法

技术领域

本发明涉及氢空质子交换膜燃料电池技术领域，更具体的涉及一种可实现的无增湿条件燃料电池启动及运行方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将储存在燃料(如，氢气)和氧化剂(如，氧气)的化学能，通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有效率高、环境友好、响应速度快、功率范围广、发电单元模块化等特点，适宜用作可移动动力电源，电动汽车等。

PEMFC中核心部件为膜电极(MEA)，MEA中膜的作用是传导质子、阻隔阴阳极气体。由于膜传导质子需要水的参与，一般采用对反应气预增湿方法，保证膜处于良好的水合状态。目前，传统的PEMFC增湿技术按与电池堆的集成紧密程度可分为外增湿与内增湿两类：外增湿是将增湿子系统与电池分开，另外配置一个增湿系统，在反应气体进入电池之前进行增湿，外增湿方法有很多，喷淋增湿、渗透膜增湿、焓轮增湿、鼓泡增湿等，外增湿系统一般占燃料电池系统重量、体积比例较大，系统复杂，辅机功耗高等缺；内增湿是将增湿子系统与电池集成为一体，无需外加增湿装置，在反应气体进入电池之后进行增湿，这种方法虽然可以减少燃料电池增湿系统所占的体积和重量，但增湿系统和电池集成在一起，会对电池有一定影响，存在电池性能下降、衰减过快等隐患。

由于燃料电池传统增湿系统存在的一些问题，以干气进气，实现燃料电池启动及稳定运行是燃料电池研发人员一直追求的目标。专利CN101286569A提出了在电池长时间放置后的启动方法，启动时保持阴极气体供应的计量比为1，且燃料电池处于低电压：负0.1V至正0.3V一段时间：30s-60min，该方法认为阴极气体计量比等于1的情况下，电流消耗与与气体消耗能达到平衡，无尾气排出，电池反应过程中产生的水分不流失，使得燃料电池膜逐渐润湿。该方法虽然能在启动的短时间内保证燃料电池膜得到润湿，但是电池阴极气体在长时间计量比等于1的条件下运行，随着气体的消耗，气体内含有的杂质气体会慢慢积累在电池腔内，导致电池性能下降；电池低电压处于负0.1V会导致电池反极，加速电池的衰减。

发明内容

为了弥补现有源增湿技术及无增湿技术启动及运行的一些问题，本发明提供一种燃料电池的无增湿条件启动及运行的操作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

在燃料电池干气进气的条件下，采用燃料与氧化剂逆流进气方式，设定燃料电池电流加载方式，加载时间，进气的流量，将燃料电池处于低电流密度运行一段时间，燃料电池运行时阴极侧生成的水使得燃料电池质子交换膜阴极侧处于润湿状态，同时部分液态水在膜两侧水浓度梯度的作用下由阴极侧反扩散至阳极侧，使得膜阳极侧处于润湿状态，避免了膜在干气状态下的脱水问题，待低电流密度运行稳定后，视为燃料电池启动完成，逐步将电流密度加载至工作电流密度，保证燃料电池的启动及稳定运行。

燃料电池无增湿条件启动及运行方法的操作步骤为：

1.燃料电池的进气方式采用逆流方式进气；

2.按照燃料电池当前输出电流密度i给定燃料电池的反应气流量，氢气计量比为：1-1.2，空气计量比为1.2-2.0。合适的进气气量保证燃料电池稳定运行过程生成的水不被气体尾排带走，保持质子交换膜处于润湿状态；

3.启动时，首先，以电流密度为I进行燃料电池的能量输出，直至电压不在向下波动后，按预先设定提高燃料电池的输出电流密度至I+I₀，再等到电压不在向下波动后，再次按预先设定提高燃料电池的输出电流密度至I+I₀+I₁，再等到电压不在向下波动后，重复提高输出电流密度和电压不在向下波动的过程n次，此时输出电流密度为I+I₀+I₁……+I_n；n为大于等于2的整数；I为5-50mA.cm^-2，I₀、I₁……和I_n为5-50mA.cm^-2；I+I₀+I₁……+I_n为150-300mA.cm^-2；该启动过程燃料电池的输出电压不在向下波动，同时还应保证燃料电池中的所有单电池的电压高于0.5V，否则应继续等待，直至燃料电池中的所有单电池的电压均高于0.5V，然后再进行后续操作；燃料电池运行时生成的水使质子交换膜处于润湿状态，电池电压达到稳态，视为燃料电池启动完成。

5.燃料电池启动完成后，逐步将电流密度加载至工作电流密度(500-1500mA.cm^-2)，加载完成后，保持燃料电池在工作电流密度稳定运行。

6.电池运行过程中的操作温度：40℃～80℃，由燃料电池循环冷却系统控制。

附图说明

图1为燃料电池系统的示意性构成及流程图；

图2实施例启动方法与恒电流密度启动方法对比。

其中，1-燃料电池、2-负载、3-循环冷缺系统、4-空气质量流量控制器、5-氢气质量流量控制器、6-氢气出口、7-空气出口、8-燃料电池系统。

具体的实施方式

下面结合附图对本发明的方法的具体实施方式作进一步的说明。

实施例1：

燃料电池系统8包括燃料电池1，负载2，循环冷缺系统3。

(1)燃料电池1为十节单池组成，其运行时，氢气和空气的进气方式为逆流进气，空气由空气质量流量控制器4通入燃料电池1，空气计量比设定为1.5，空气尾排由空气出口7排出，氢气由氢气质量流量控制器5通入燃料电池1，氢气计量比设定为1.1，氢气尾排由氢气出口6排出。

(2)燃料电池由电流密度0以恒定电流密度为50mA.cm^-2为梯度阶跃式进行加载，每一电流密度运行时间为2min，直至加载至电流密度200mA.cm^-2。

(3)电池运行时生成的水使质子交换膜处于润湿状态，电池电压达到稳态，视为燃料电池启动完成，然后，逐步将电流密度由200mA.cm^-2加载至工作电流密度1000mA.cm^-2，保持燃料电池在电流密度1000mA.cm^-2下稳定运行。

(4)电池运行过程中的操作温度60℃，由燃料电池循环冷却系统3控制。

Claims (8)

1.一种氢空质子交换膜燃料电池无增湿条件启动及运行方法，其特征在于：燃料电池由1节以上电路并连的单电池构成，燃料电池的进气方式采用逆流方式进气；

启动时，首先，以电流密度I进行燃料电池的能量输出，直至电压不在向下波动后，按预先设定提高燃料电池的输出电流密度至I+I₀，再等到电压不在向下波动后，再次按预先设定提高燃料电池的输出电流密度至I+I₀+I₁，再等到电压不在向下波动后，重复提高输出电流密度和电压不在向下波动的过程n次，此时输出电流密度为I+I₀+I₁……+I_n；n为大于等于2的整数；I为5-50mA·cm^-2，I₀、I₁……和I_n为5-50mA·cm^-2；I+I₀+I₁……+I_n为150-300mA·cm^-2；此时阴极侧生成的水使得燃料电池质子交换膜阴极侧处于润湿状态，同时部分液态水在膜两侧水浓度梯度的作用下由阴极侧反扩散至阳极侧，避免了膜在干气状态下的脱水问题；

电池电压达到稳态，视为燃料电池启动完成；然后，提高燃料电池的输出电流密度至设定的工作电流密度，保持燃料电池在工作电流密度稳定运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：工作电流密度为500-1500mA·cm^-2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：逆流方式进气就指燃料气和氧化剂于每节单电池的阳极侧和阴极侧的气体流动方向相反。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：提高燃料电池的输出电流密度的同时增加进气流量，控制电池运行温度处于40℃～80℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的质子交换膜厚度≤25um。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的进气气量由质量流量控制器控制，按照当前燃料电池设定输出电流密度i给定燃料电池的反应气流量，氢气计量比为：1-1.2，空气计量比为1.5-2.0。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述等到电压不在向下波动是指燃料电池的输出电压不在向下波动，此时还应保证燃料电池中的所有单电池的电压高于0.5V，否则应继续等待，直至燃料电池中的所有单电池的电压均高于0.5V，然后再进行后续操作。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电池运行过程中的操作温度：40℃～80℃，由燃料电池循环冷却系统控制。