CN109786791A - 一种增强燃料电池运行稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强燃料电池运行稳定性的方法，属于燃料电池技术领域。使燃料电池在高低不同的电流下交替运行，与传统的恒电流运行方式相比，在电力输出能力不变的前提下，能够降低掺杂酸的流失，有效减缓电池性能衰减，显著延长燃料电池运行寿命。

Description

一种增强燃料电池运行稳定性的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种增强燃料电池运行稳定性的方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，它不受卡诺循环限制，具有较高的转化率，以其能量密度高、低污染等优点成为未来理想的动力能源。其中聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)工作温度低、启动快、比功率高，结构简单、可靠性高、真正实现“零排放”，是目前公认的便携式电源、新能源汽车、固定发电站等的首选发电能源。然而实际应用时却面临着燃料需要重整净化、水热管理困难、结构复杂和成本高昂等问题。
提高运行温度被认为是解决目前聚合物电解质膜燃料电池面临主要问题的理想途径。与传统的低温膜燃料电池(LT-PEMFC)相比，高温膜燃料电池(HT-PEMFC)运行温度是120～200 ℃，在这个温度区间，催化剂具有更高的活性和抗CO中毒能力，因此可以直接采用甲醇，乙醇，天然气等燃料重整制取的非纯氢气为燃料。这样不仅可以简化燃料重整反应器的构造和运行，还有可能进行电池堆和燃料重整反应器的系统一体化设计和开发。同时，高温膜燃料电池产生的余热具有较高的回收价值，便于系统整体效率的提高。此外，由于非水的质子传导机理，高温膜燃料电池不需要对反应气体进行任何加湿处理，从而消除了低温质子交换膜燃料电池系统中的复杂的水管理环节，从根本上简化了燃料电池系统的运行和管理。然而，高温膜燃料电池运行稳定性较差，在运行过程中性能下降较快，这是限制其商业化的一个关键因素。
目前，掺杂酸的高温聚合物电解质膜燃料电池以掺杂酸为电解质，主要作用是传导质子。在常规的恒电流运行过程中，HT-PEMFC性能衰减明显。经过研究发现，HT-PEMFC在恒电流运行过程中掺杂酸大量流失是导致其性能衰减的主要原因之一。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种增强燃料电池运行稳定性的方法。本发明采用在高低电流密度下交替运行的方法，相较于传统的恒电流运行模式，在电力输出能力不变的前提下，有效减缓了电池的性能衰减，显著延长了电池寿命。
技术方案：为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种增强燃料电池运行稳定性的方法，在保证燃料电池电力输送能力不变的前提下，使燃料电池在高低不同的电流下交替运行，有效减少掺杂酸流失。包括以下过程：步骤S1，调整负载，使单电池在较低的电流密度下放电；步骤S2，调整负载，使单电池在较高的电流密度下放电；步骤S3，以步骤S1和S2为一个循环重复运行。
优选的，所述单电池在低电流密度运行时的电流密度为0.05～0.5A·cm-2，持续放电时间为0.5～10分钟。
优选的，所述单电池在高电流密度运行时的电流密度为0.5～1A·cm-2，持续放电时间为 0.5～10分钟。
优选的，所述燃料电池为掺杂酸的高温聚合物电解质膜燃料电池。
优选的，所述掺杂酸为磷酸、硫酸、甲磺酸聚乙烯基磷酸、三氟烷基磺酸中的一种或两种以上的混合酸；所述膜为聚苯并咪唑及其衍生物、聚苯并咪唑-聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰亚胺-聚苯并咪唑、磺化聚醚醚酮-聚苯并咪唑复合膜中的任意一种。
有益效果：与现有的技术相比，本发明的优点包括：
本发明采用在高低电流密度下交替运行的方法，相较于传统的恒电流运行模式，在电力输出能力不变的前提下，降低掺杂酸的流失，有效减缓了电池的性能衰减，显著延长了电池寿命。
附图说明
图1为实施例1燃料电池运行前后放电性能曲线图；
图2为实施例2燃料电池运行前后放电性能曲线图；
图3为实施例3燃料电池运行前后放电性能曲线图；
其中，实线代表运行前燃料电池电压变化曲线，虚线代表运行后燃料电池电压变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应该包括权利要求的全部内容，不受限于以下实施例。
实施例1
(1)制备气体扩散电极
所制备气体扩散电极尺寸为2.3cm×2.3cm。气体扩散背层为Toray TGP-H-90碳纸。微孔层所用碳粉为VulcanXC-72R，所用粘接剂为聚四氟乙烯(PTFE)，碳粉和PTFE含量分别为85wt.％和15wt.％。催化层中所用催化剂为45.7wt.％Pt/C(Tanaka Kikinzoku KogyoCo.，Ltd.)， Pt载量为1.0mg·cm-2，催化层粘结剂为PTFE，在催化层中的百分含量为30wt.％。
(2)制备膜电极组装
电解质膜为磷酸掺杂的ABPBI膜，尺寸4cm×4cm，磷酸掺杂量为370wt.％。在膜电极热压模具中，将制备好的两片相同的气体扩散电极置于电解质膜两侧，再将该模具放入热压机中于140℃下热压5分钟，冷却至室温后取出，得到膜电极三合一组件。
(3)组装测试
将所得膜电极三合一组件与密封气垫在单电池中组装后进行测试，测试条件为：电池工作温度150℃，压力2N·mm-2，阳极进气为氢气，阴极进气为压缩空气，阳极气体流量为0.1 slpm，阴极气体流量为0.2slpm。单电池在0.2A·cm-2低电流密度下运行50s，紧接着在0.8A cm-2高电流密度下运行70s，使其平均运行电流为0.55A·cm-2不断重复以上步骤至500h停止。运行开始及结束后分别测量其极化曲线，电化学阻抗谱。放电性能曲线结果如图1所示。电池在0.55A·cm-2电流密度下，运行前后电压降低0.26V，膜电阻升高0.19Ω·cm2。
实施例2
单电池在0.2A·cm-2低电流密度下运行160s，紧接着在0.8A·cm-2高电流密度下运行224 s，使其平均运行电流为0.55A·cm-2，其余步骤与实施例1相同。放电性能曲线结果如图2所示。电池在0.55A·cm-2电流密度下，运行前后电压降低0.09V，膜电阻升高0.03Ω·cm2。
实施例3
单电池在0.55A·cm-2电流密度下运行500h，其余步骤与实施例1相同。放电性能曲线结果如图3所示。电池在0.55A·cm-2电流密度下，运行前后电压降低0.17V，膜电阻升高0.1 Ω·cm2。
从上述实施例1、实施例2和实施例3可以看出，在平均电流密度皆为0.55A·cm-2的条件下，低电流密度下运行时间最长的实施例2在500h后电压下降最小，膜电阻升高最小，说明其磷酸流失最少，性能衰减最小。因此，本发明采用在高低电流密度下交替运行的方法，相较于传统的恒电流放电模式，能够有效减缓电池的性能衰减，显著延长电池寿命。
需要说明的是，按照本发明所述各实施例，本领域技术人员完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利要求的全部范围，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化中替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种增强燃料电池运行稳定性的方法，其特征在于，在保证燃料电池电力输送能力不变的前提下，使燃料电池在高低不同的电流密度下交替运行，有效减少掺杂酸流失。
2.根据权利要求1所述的一种增强燃料电池运行稳定性的方法，其特征在于，包括以下过程：步骤S1，调整负载，使单电池在较低的电流密度下放电；步骤S2，调整负载，使单电池在较高的电流密度下放电；步骤S3，以步骤S1和S2为一个循环重复运行。
3.根据权利要求1或2所述的一种增强燃料电池运行稳定性的方法，其特征在于，所述单电池在低电流密度运行时的电流密度为0.05～0.5A·cm-2，持续放电时间为0.5～10分钟。
4.根据权利要求1或2所述的一种增强燃料电池运行稳定性的方法，其特征在于，所述单电池在高电流密度运行时的电流密度为0.5～1A·cm-2，持续放电时间为0.5～10分钟。
5.根据权利要求1或2所述的一种增强燃料电池运行稳定性的方法，其特征在于，所述燃料电池为掺杂酸的高温聚合物电解质膜燃料电池。
6.根据权利要求5所述的一种增强燃料电池运行稳定性的方法，其特征在于，所述掺杂酸为磷酸、硫酸、甲磺酸聚乙烯基磷酸、三氟烷基磺酸中的一种或两种以上的混合酸；所述膜为聚苯并咪唑及其衍生物、聚苯并咪唑-聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰亚胺-聚苯并咪唑、磺化聚醚醚酮-聚苯并咪唑复合膜中的任意一种。
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