CN108110285A - 一种用于碱性阴离子交换膜燃料电池水管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于碱性阴离子交换膜燃料电池水管理方法，其主要特点如下：通过调整燃料电池运行中气体腔室中的压力或升高电池的操作温度，改善燃料电池内部液态水的汽化条件，进而有利于燃料电池内部生成水的排出，提升电池的输出性能。采用这种水管理方法，相同条件下电池性能得到明显改善。

Description

一种用于碱性阴离子交换膜燃料电池水管理方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体地说是一种碱性阴离子交换膜燃料电池水管理方法。
背景技术
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有效率高，噪声低，无污染等优点，受到各国政府和企业的广泛青睐。近年来，低温聚合物电解质燃料电池发展迅速，尤其是质子交换膜燃料电池已经逐步迈向商业化。而作为聚合物电解质燃料电池的另一个重要代表——碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)，由于其兼具传统碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池的优点，同时克服了质子交换膜燃料电池对贵金属催化剂的依赖，解决了传统碱性燃料电池漏液和碳酸盐化的问题，近十多年来成为燃料电池领域一个新的研究热点。以氢气为燃料，AAEMFC的电极反应如下所示：
阳极：2H2+4OH-→4H2O
阴极：O2+2H2O→4OH-
从电极反应可以看出，在AAEMFC中水在电池阳极作为产物生成，又在阴极作为反应物参与阴极反应，因此在电池内部水的供给和排出严重影响着电极反应的进行，进而影响到电池的输出性能。当阳极生成的水无法顺利排出或者阴极反应的水无法及时供给，就会造成阳极“水淹”或阴极“干涸”，使得电池性能恶化。另一方面，进气增湿带入的气态水进入多孔电极后，由于孔效应改变了水蒸气的饱和蒸汽压，使得气态水液化，进而堵塞多孔电极内部的孔道，影响到孔道内的气体传递，加剧了电极内部的传质极化，最终影响到电池的输出性能。因此，AAEMFC的水管理问题严重影响着电池性能的输出。
在近年来公开的报道文献中，许多学者也从实验和模拟的角度对AAEMFC水管理问题进行了阐述。Han zhang等人在文章J.Phys.Chem.C,2012,116,7650-7657和文章J.Phys.Chem.C,2013,117,16791-16801中报道了通过改变碱性阴离子交换膜(AAEM)中亲疏水性物质的比例，进而调节AAEM的亲疏水性，改善电池中水在阴阳之间的传递，最终在电极内部建立良好的水平衡，进而使得电池性能得到提升。Kuijiao等人在文章Int.J.Hydrogen Energy,2012,37,18389-18402和文章Int.J.Hydrogen Energy,2014,39,5981-5995中报道了通过采用建模计算的方法对电池阳极以及全电池的水管理问题进行了分析，发现在阳极电池的负载电流以及电池的操作温度对电极内部的水分布具有重要影响，而且电池内部液态水的迅速排出有利于电池性能的提升。因此目前的文献报道中对AAEMFC水管理问题的阐述较多，但相关具体改善措施的较少。尤其是电池操作条件层面，对电池内水管理的调控更少。
本专利从电池的操作条件入手，通过改变电池操作过程中的温度或压力，进而改变水的气化条件，促进电池内部的液态水向气态水转化排出，改善电池内部的水平衡，最终提升电池的输出性能。
发明内容
本发明提供了一种碱性阴离子交换膜燃料电池水管理的方法。本发明的目的在于通过改善电池内部液态水的排出，优化电池内部水平衡，提升碱性阴离子交换膜燃料电池的输出性能。
为实现本发明上述目的，采用如下技术方案，其具体操作步骤如下：a.在电池的操作过程中，通过降低进气腔室内部的压力或提升电池的操作温度，改善液态水的气化条件，使电池内部液态水向气态水转化；
b.在设定的条件下保持一定时间，使得电池内部的液态水充分排出；
c.气态水排除后，恢复电池的操作温度或压力。
步骤(a)中所述的燃料电池运行过程包括恒电流运行，恒电压运行，恒功率运行以及电流线性扫描过程。
步骤(a)中所述的降低进气腔室内压力的方法有：增加尾排气体流量，降低进气流量；
步骤(a)中所述的降低气体腔室内压力的幅度为0.05-0.2MPa。
步骤(a)中所述的升高电池操作温度的方法有：增大加热电阻，增大加热电流。
步骤(a)中所述的升高电池操作温度的幅度为5-20℃。
步骤(a)中所述的降低气体腔室内压力和升高电池操作温度可同时进行。
步骤(b)中所述的电池在低压或高温条件先保持的时间为1-100min。
步骤(b)中燃料电池内部液态水气化排出的方式为气体冲刷或夹带。
步骤(c)中燃料电池回复操作压力的方法为：增大进气流量，关闭尾排出气。
本发明所涉及的水管理方法相比不采用水管理，具有以下优势：
通过采用本发明所涉及的水管理方法，改善电池内部液态水的排出，提升了电池恒流运行条件下输出性能，提高了电池的峰值输出功率，延长了电池恒流运行时间。
附图说明
图1为实施例1采用降低进气腔室压力排水方法电池在恒流100mA cm-2条件下电压的变化图。
图2为实施例2采用提高电池操作温度排水方法电池输出峰值功率对比图。
图3为实施例3采用降低进气腔室压力排水方法电池在恒流100mA cm-2条件下水管理操作和无水管理操作情况下电压-时间图。
具体实施方式
结合如下的实施例，对本发明作进一步说明，但实施例是说明性的，而非限定性的，不能以下述的实施例来限定本发明的保护范围。实施例1
选取组内自制的膜电极，其采用自制的AEH9620膜为碱性膜，ionomer为自制QTMA-30树脂，催化剂为商业化的Pt/C，催化剂担载量0.5mgPtcm-2，扩散层为含5％PTFE带微孔层的碳纸，电极有效面积为5cm2。
电池的操作条件如下：
阳极进气压力0.2MPa，氢气流量100毫升每分钟，增湿温度50℃；阴极进气压力0.2MPa，氧气流量200毫升每分钟，增湿温度50℃，电池运行温度50℃。
电池负载电流为100mAcm-2，在电池运行到15分钟时，调节气体尾排阀开度，将电池气体腔室内的压力由0.2MPa降至0(表压)，并维持5分钟，待电池内部液态水排除后，关闭尾排阀，使电池的操作压力恢复正常，在上述变化过程中，电池电压从0.6V升高至0.74V，其性能变化如图1所示。
实施例2
选取组内自制的膜电极，其采用自制的AEH9620膜为碱性膜，ionomer为自制QTEA-58树脂，催化剂为商业化的Pt/C，催化剂担载量0.1mgPtcm-2扩散层为含5％PTFE带微孔层的碳纸，电极有效面积为5cm2。
电池的操作条件如下：
阳极进气压力0.2MPa，氢气流量100毫升每分钟，增湿温度50℃；阴极进气压力0.2MPa，氧气流量200毫升每分钟，增湿温度50℃，电池运行温度50℃。
测试50℃条件下的极化曲线后，将电池操作温度升高至60℃，并在此温度条件下维持10分钟，待电池内部液态水排出后，测试电池的极化曲线，电池的峰值输出功率由150mWcm-2提升至200mWcm-2，其性能对比如图2所示。
实施例3
选取组内自制的膜电极，其采用自制的AEH9620膜为碱性膜，ionomer为自制QTMA-30树脂，催化剂为商业化的Pt/C，催化剂担载量0.5mgPtcm-2，扩散层为含5％PTFE带微孔层的碳纸，电极有效面积为5cm2。
电池的操作条件如下：
阳极进气压力0.2MPa，氢气流量100毫升每分钟，增湿温度50℃；阴极进气压力0.2MPa，氧气流量200毫升每分钟，增湿温度50℃，电池运行温度50℃。
采用实施例1中的减压水管理操作，并将其应用于电池在100mAcm-2条件下的稳定性测试中，比较了电池在有无水管理操作条件下的运行时间，无水管理条件下，电池运行时间不到400小时，而在水管理条件下电池稳定性运行时间接近600小时，其电压-时间变化如图3(a)和(b)所示。

Claims (9)

1.一种用于碱性阴离子交换膜燃料电池水管理的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在燃料电池运行过程中，进气腔室内的压力为P、电池的操作温度T，降低进气腔室内的压力至P-P0和/或者升高电池的操作温度至T+T0；
(2)低压和/或高温条件下保持1min以上，使得燃料电池内部的液态水汽化排除；
(3)气态水排出后，恢复电池操作压力至P和/或温度至T。
2.按照权利要求1所述的水管理方法，其特征在于，步骤(1)中所述的燃料电池运行过程包括恒电流运行，恒电压运行，恒功率运行或电流线性扫描过程。
3.按照权利要求1所述的水管理方法，其特征在于，步骤(1)中所述的降低进气腔室内压力的方法有：增加尾排气体流量和/或降低进气流量。
4.按照权利要求1所述的水管理方法，其特征在于，步骤(1)中进气腔室内的压力P为0-0.5MPa，所述的降低气体腔室内压力的幅度P0为0.05-0.2MPa；电池的操作温度T为20-99℃，所述的升高电池操作温度的幅度T0为5-20℃。
5.按照权利要求1所述的水管理方法，其特征在于，步骤(1)中所述的升高电池操作温度的方法有：增大加热电阻和/或增大加热电流。
6.按照权利要求1所述的水管理方法，其特征在于，步骤(2)中所述的电池在低压或/和高温条件先保持的时间为1-100min。
7.按照权利要求1所述的水管理方法，其特征在于，步骤(2)中燃料电池内部液态水汽化排出的方式为气体冲刷或夹带。
8.按照权利要求1所述的水管理方法，其特征在于，步骤(3)中燃料电池回复操作压力的方法为：增大进气流量和/或关闭尾排出气后再开启。
9.按照权利要求1所述的水管理方法，其特征在于，步骤(3)中燃料电池回复操作温度的方法为：降低加热电阻和/或减小加热电流。
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