CN109994759B - 一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法 - Google Patents

一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109994759B
CN109994759B CN201910233648.6A CN201910233648A CN109994759B CN 109994759 B CN109994759 B CN 109994759B CN 201910233648 A CN201910233648 A CN 201910233648A CN 109994759 B CN109994759 B CN 109994759B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
hydrogen
air
conveying channel
power resistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910233648.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109994759A (zh
Inventor
向德成
欧科军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong Hydrogen Technology Co ltd
Original Assignee
Guangdong Hydrogen Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong Hydrogen Technology Co ltd filed Critical Guangdong Hydrogen Technology Co ltd
Priority to CN201910233648.6A priority Critical patent/CN109994759B/zh
Publication of CN109994759A publication Critical patent/CN109994759A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109994759B publication Critical patent/CN109994759B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)

Abstract

本发明公开一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法，燃料电池系统包括发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池内设有催化剂；功率电阻模块，包括功率电阻、第一控制开关和功率电阻驱动电路；主控模块，包括主控电路；所述功率电阻模块与负载电路并联，所述第一控制开关的一端与燃料电池的正极连接，所述第一控制开关另一端与功率电阻连接，所述功率电阻的另一端与燃料电池的负极连接，所述功率电阻驱动电路并联于功率电阻的两端，所述功率电阻驱动电路与主控电路连接。所述方法包括以下步骤：1）降低燃料电池电压；2）净化反应电堆；3）降温。本发明能有效减少催化剂被氧化速率，提高燃料电池的发电性能，延长燃料电池的使用寿命。

Description

一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法
技术领域
本发明涉及发电设备技术领域，特别涉及一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法。
背景技术
氢，是一种21世纪最理想的能源之一，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的主要是CO2和SO2，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢燃烧后唯一的产物是水，是非常环保的能源。
随着技术的发展，氢气在产业中的应用越来越广泛，例如合成氨工业和石油精制加氢工业等等，除此之外，氢气还可用于发电，随着时代进步，涌现出一批燃料电池，该燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能，如图1所示，在燃料电池4的负极：2H2→4H++4e-，H2分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜42进入正极，电子经外部负载进入正极，在燃料电池4的正极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O，而一般而言，这一反应过程中是需要在质子交换膜42中的催化剂催化下提高反应速率。而在高电压的情况下，燃料电池4中质子交换膜42中的催化剂金属铂会与氧气发生氧化反应：Pt+O2→PtOx，生成铂的氧化物而失去催化剂金属铂的活性，导致燃料电池4的发电性能下降，降低燃料电池4的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对上述现有技术中的不足，提供一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法，其能有效减少催化剂被氧化速率，从而提高燃料电池的发电性能，延长燃料电池的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种燃料电池系统，包括
发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路供电；所述燃料电池包括多个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道和空气输送通道，氢气输送通道与空气输送通道之间设有质子交换膜，所述质子交换膜中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；
功率电阻模块，用于降低燃料电池内的电压以减少催化剂被氧化的速率，所述功率电阻模块包括功率电阻、第一控制开关和功率电阻驱动电路；
主控模块，用于控制发电模块和功率电阻模块的工作，包括主控电路；
所述负载电路的一端与燃料电池的正极连接，所述负载电路的另一端与燃料电池的负极连接，所述功率电阻模块与负载电路并联，所述第一控制开关的一端与燃料电池的正极连接，所述第一控制开关的另一端与功率电阻连接，所述功率电阻的另一端与燃料电池的负极连接，所述功率电阻驱动电路并联于功率电阻的两端，所述功率电阻驱动电路与主控电路连接。
作为一种优选方案，所述燃料电池系统还包括用于为燃料电池提供瞬间大电流以活化燃料电池内催化剂的催化剂活化模块，所述催化剂活化模块包括IGBT和IGBT驱动控制保护电，所述IGBT与负载电路并联，所述IGBT的集电极分别与燃料电池的正极连接，所述IGBT的发射极分别与燃料电池的负极连接，所述IGBT的门极与IGBE驱动控制保护电路连接，所述IGBE驱动控制保护电路与主控电路连接。
作为一种优选方案，所述负载电路包括负载和第二控制开关，所述第二控制开关的一端与燃料电池的正极连接，所述第二控制开关的另一端与负载的一端连接，所述负载的另一端与燃料电池的负极连接。
作为一种优选方案，所述发电模块还包括正极板和负极板，在氢气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阳极片；在空气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阴极片；所述正极板与反应电堆中的膜阴极片电性连接，所述负极板与反应电堆中的膜阳极片电性连接。
作为一种优选方案，所述发电模块还包括氢气输气管道和排气管道，所述氢气输气管道与氢气输送通道连通，所述排气管道与外界空气连通，所述空气输送通道上开设有多个空气进气口，所述氢气自氢气输气管道进入氢气输送通道，在质子交换膜中的催化剂催化下，氢气生成氢质子和负电子，所述氢质子通过质子交换膜到达空气输送通道，所述负电子经负载电路或IGBT后到达空气输送通道，空气自空气进气口进入空气输送通道，氢质子、负电子和空气中的氧气反应生成水蒸汽，水蒸汽和余下未反应的氢气自排气管道中排出。
作为一种优选方案，所述发电模块还包括输气电磁阀，所述输气电磁阀安装于氢气输气管道上以控制氢气输气管道的通断。
作为一种优选方案，所述发电模块还包括排气电磁阀，所述排气电磁阀安装于排气管道上以控制排气管道的通断。
作为一种优选方案，所述发电模块还包括空气过滤网，所述空气过滤网设于燃料电池的一侧。
作为一种优选方案，所述发电模块还包括送气风扇，所述送气风扇设于燃料电池的另一侧，所述送气风扇将空气经空气过滤网后自空气进气口送入空气输送通道，并带走反应电堆反应产生的部分热量。
一种减少燃料电池内催化剂被氧化的方法，基于如上所述的燃料电池系统，方法包括以下步骤：
1）降低燃料电池电压：打开第二控制开关，所述燃料电池与负载断开，同时闭合第一控制开关，燃料电池与功率电阻连接，在功率电阻驱动电路的控制下使燃料电池内的电压降低于电压阈值；
2）净化反应电堆：输气电磁阀打开使氢气经输气管道进入燃料电池的氢气输送通道，同时排气电磁阀打开使燃料电池的氢气输送通道内气体经排气管道排出，以达到净化反应电堆的目的；
3）降温：送气风扇继续运行，直到反应电堆的温度下降至25℃或环境温度。
本发明的有益效果是：通过功率电阻和功率电阻驱动电路的配合，能使燃料电池系统在关机时迅速使燃料电池的电压拉低，以减少燃料电池内质子交换膜中的催化剂被氧化的速率，从而提高燃料电池的发电性能，延长燃料电池的使用寿命；送气风扇的设置一方面能将空气自空气进入口送入空气输送通道，另一方面又能带走燃料电池内发生的电化学反应所产生的热量，起到降温的功效，从而使燃料电池运行更稳定，有效延长燃料电池的使用寿命；通过净化反应堆步骤能有效减少氢气输送通道内杂气含量，确保氢气输送通道内的氢气纯度高，有助于提高燃料电池的发电性能。
附图说明
图1为燃料电池内发生的电化学反应示意图；
图2为本发明之实施例1与负载电路的连接示意图；
图3为本发明之发电模块的结构示意图；
图4为本发明之减少燃料电池内催化剂被氧化的方法流程图；
图5为本发明之实施例2与负载电路的连接示意图；
图6为本发明之催化剂氧化反应率与电压之间的关系图；
图7为本发明之实施例2中燃料电池系统开启方法流程图；
图8为本发明之催化剂活化期间燃料电池内的电流变化图。
图中：1-发电模块，2-功率电阻模块，3-主控模块，4-燃料电池，41-空气输送通道，42-质子交换膜，43-氢气输送通道，44-空气进气口，5-功率电阻，6-第一控制开关，7-功率电阻驱动电路，8-主控电路，9-负载电路，10-第二控制开关，11-负载，12-氢气输气管道，13-空气过滤网，14-排气管道，15-输气电磁阀，16-排气电磁阀，17-送气风扇，18-催化剂活化模块，19-IGBT，20-IGBT驱动控制保护电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
实施例1
结合图1至图3对实施例1进行说明。
一种燃料电池系统，包括
发电模块1，包括燃料电池4，所述燃料电池4用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路9供电；所述燃料电池4包括66个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道43和空气输送通道41，氢气输送通道43与空气输送通道41之间设有质子交换膜42，所述质子交换膜42中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；
功率电阻模块2，用于降低燃料电池4内的电压以减少催化剂被氧化的速率，所述功率电阻模块2包括功率电阻5、第一控制开关6和功率电阻驱动电路7；
主控模块3，用于控制发电模块1和功率电阻模块2的工作，包括主控电路8；
所述负载电路9的一端与燃料电池4的正极连接，所述负载电路9的另一端与燃料电池4的负极连接，所述功率电阻模块2与负载电路9并联，所述第一控制开关6的一端与燃料电池4的正极连接，所述第一控制开关6的另一端与功率电阻5连接，所述功率电阻5的另一端与燃料电池4的负极连接，所述功率电阻驱动电路7并联于功率电阻5的两端，所述功率电阻驱动电路7与主控电路8连接。
作为一种优选方案，所述负载电路9包括负载11和第二控制开关10，所述第二控制开关10的一端与燃料电池4的正极连接，所述第二控制开关10的另一端与负载11的一端连接，所述负载11的另一端与燃料电池4的负极连接。所述负载11不限定为一个，可以为多个，当负载11为多个时，多个负载11之间串联，所述负载11为直流负载11。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括正极板和负极板，在氢气输送通道43的一侧，质子交换膜42电性连接有膜阳极片；在空气输送通道41的一侧，质子交换膜42电性连接有膜阴极片；所述正极板与反应电堆中的膜阴极片电性连接，所述负极板与反应电堆中的膜阳极片电性连接。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括氢气输气管道12和排气管道14，所述氢气输气管道12与氢气输送通道43连通，所述排气管道14与外界空气连通，所述空气输送通道41上开设有多个空气进气口44，所述氢气自氢气输气管道12进入氢气输送通道43，在质子交换膜42中的催化剂催化下，氢气生成氢质子和负电子，所述氢质子通过质子交换膜42到达空气输送通道41，所述负电子经负载电路9或IGBT19后到达空气输送通道41，空气自空气进气口44进入空气输送通道41，氢质子、负电子和空气中的氧气反应生成水蒸汽，水蒸汽及余下未反应的氢气自排气管道14中排出。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括输气电磁阀15，所述输气电磁阀15安装于氢气输气管道12上以控制氢气输气管道12的通断。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括排气电磁阀16，所述排气电磁阀16安装于排气管道14上以控制排气管道14的通断。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括空气过滤网13，所述空气过滤网13设于燃料电池4的一侧。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括送气风扇17，所述送气风扇17设于燃料电池4的另一侧，所述送气风扇17将空气经经空气过滤网13后自空气进气口44送入空气输送通道41，并带走反应电堆反应产生的部分热量。
如图4所示，一种减少燃料电池4内催化剂被氧化的方法，基于如上所述的燃料电池系统，方法包括以下步骤：
1）降低燃料电池4电压：打开第二控制开关10，所述燃料电池4与负载11断开，同时闭合第一控制开关6，燃料电池4与功率电阻5连接，在功率电阻驱动电路7的控制下使燃料电池4内的电压降低于电压阈值；
所述电压阈值为49.5V。
2）净化反应电堆：输气电磁阀15打开使氢气经输气管道进入燃料电池4的氢气输送通道43，同时排气电磁阀14打开使燃料电池4的氢气输送通道43内气体经排气管道14排出，以达到净化反应电堆的目的；
一般而言，净化反应电堆的时间为1-5s，净化反应电堆的优选时间为3s。
净化反应电堆的作用：由于燃料电池4对氢气的纯度要求极高，本燃料电池4内氢气纯度需达到99.99%，而燃料电池4停止运行之前净化反应堆，能有效减少氢气输送通道43内杂气含量，确保氢气输送通道43内的氢气纯度高，有助于提高燃料电池4的发电性能。
3）降温：送气风扇17继续运行，直到反应电堆的温度下降至25℃或环境温度。
实施例2
结合图1、图3和图5对实施例2进行说明。
一种燃料电池系统，包括
发电模块1，包括燃料电池4，所述燃料电池4用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路9供电；所述燃料电池4包括66个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道43和空气输送通道41，氢气输送通道43与空气输送通道41之间设有质子交换膜42，所述质子交换膜42中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；
功率电阻模块2，用于降低燃料电池4内的电压以减少催化剂被氧化的速率，所述功率电阻模块2包括功率电阻5、第一控制开关6和功率电阻驱动电路7；
催化剂活化模块18，用于为燃料电池4的质子交换膜42提供瞬间大电流以活化质子交换膜42内的催化剂，所述催化剂活化模块18包括IGBT19和IGBT驱动控制保护电路20；
主控模块3，用于控制发电模块1和功率电阻模块2的工作，包括主控电路8；
所述负载电路9的一端与燃料电池4的正极连接，所述负载电路9的另一端与燃料电池4的负极连接，所述功率电阻模块2与负载电路9并联，所述第一控制开关6的一端与燃料电池4的正极连接，所述第一控制开关6的另一端与功率电阻5连接，所述功率电阻5的另一端与燃料电池4的负极连接，所述功率电阻驱动电路7并联于功率电阻5的两端，所述功率电阻驱动电路7与主控电路8连接，所述IGBT19与负载电路9并联，所述IGBT19的集电极与燃料电池4的正极连接，所述IGBT19的发射极与燃料电池4的负极连接，所述IGBT19的门极与IGBT驱动控制保护电路20连接，所述IGBT驱动控制保护电路20均与主控电路8连接。
其中，IGBT19 (Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
作为一种优选方案，所述负载电路9包括负载11和第二控制开关10，所述第二控制开关10的一端与燃料电池4的正极连接，所述第二控制开关10的另一端与负载11的一端连接，所述负载11的另一端与燃料电池4的负极连接。所述负载11不限定为一个，可以为多个，当负载11为多个时，多个负载11之间串联，所述负载11为直流负载11。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括正极板和负极板，在氢气输送通道43的一侧，质子交换膜42电性连接有膜阳极片；在空气输送通道41的一侧，质子交换膜42电性连接有膜阴极片；所述正极板与反应电堆中的膜阴极片电性连接，所述负极板与反应电堆中的膜阳极片电性连接。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括氢气输气管道12和排气管道14，所述氢气输气管道12与氢气输送通道43连通，所述排气管道14与外界空气连通，所述空气输送通道41上开设有多个空气进气口44，所述氢气自氢气输气管道12进入氢气输送通道43，在质子交换膜42中的催化剂催化下，氢气生成氢质子和负电子，所述氢质子通过质子交换膜42到达空气输送通道41，所述负电子经负载电路9或IGBT19后到达空气输送通道41，空气自空气进气口44进入空气输送通道41，氢质子、负电子和空气中的氧气反应生成水蒸汽，水蒸汽及余下未反应的氢气自排气管道14中排出。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括输气电磁阀15，所述输气电磁阀15安装于氢气输气管道12上以控制氢气输气管道12的通断。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括排气电磁阀16，所述排气电磁阀16安装于排气管道14上以控制排气管道14的通断。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括空气过滤网13，所述空气过滤网13设于燃料电池4的一侧。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括送气风扇17，所述送气风扇17设于燃料电池4的另一侧，所述送气风扇17将空气经经空气过滤网13后自空气进气口44送入空气输送通道41，并带走反应电堆反应产生的部分热量。
如图4所示，一种减少燃料电池4内催化剂被氧化的方法，基于如上所述的燃料电池系统，方法包括以下步骤：
1）降低燃料电池4电压：打开第二控制开关10，所述燃料电池4与负载11断开，同时闭合第一控制开关6，燃料电池4与功率电阻5连接，在功率电阻驱动电路7的控制下使燃料电池4内的电压降低于电压阈值；
所述电压阈值为49.5V。
2）净化反应电堆：输气电磁阀15打开使氢气经输气管道进入燃料电池4的氢气输送通道43，，同时排气电磁阀14打开使燃料电池4的氢气输送通道43内气体经排气管道14排出，以达到净化反应电堆的目的；
一般而言，净化反应电堆的时间为1-5s，净化反应电堆的优选时间为3s。
净化反应电堆的作用：由于燃料电池4对氢气的纯度要求极高，本燃料电池4内氢气纯度需达到99.99%，而燃料电池4停止运行之前净化反应堆，能有效减少氢气输送通道43内杂气含量，确保氢气输送通道43内的氢气纯度高，有助于提高燃料电池4的发电性能。
3）降温：送气风扇17继续运行，直到反应电堆的温度下降至25℃或环境温度。
减少燃料电池4内催化剂被氧化的原理：如图6所示为催化剂氧化反应率与电压之间的关系图，从图6中可知，当电压值为0.6-0.7V时，催化剂金属铂中的氧化物保持在较少的稳定数值，而由于本实施例中燃料电池4内的反应电堆为66个，为使关机时燃料电池4内每个反应电堆的电压在0.75V以下，让燃料电池4与功率电阻5连接，利用功率电阻5让燃料电池4的电压降低至49.5V，便能有效减少燃料电池4内催化剂被氧化的情况，提高燃料电池4的发电性能，延长燃料电池4的使用寿命。
为进一步提高燃料电池4的发电性能，延长燃料电池4的使用寿命，燃料电池系统会使用如图7所示的开启流程，包括以下步骤：
1）向反应电堆输入空气：启动发电模块1，启动送气风扇17使空气经空气进气口44进入燃料电池4的空气输送通道41。
2）净化反应电堆：启动发电模块1，输气电磁阀15打开使氢气经氢气输气管道12进入燃料电池4的氢气输送通道43，同时排气电磁阀16打开使燃料电池4的氢气输送通道43内气体经排气管道14排出，以达到净化反应电堆的目的；
一般而言，净化反应电堆的时间为1-5s，净化反应电堆的优选时间为3s。
净化反应电堆的作用：由于燃料电池4对氢气的纯度要求极高，本燃料电池4内氢气纯度需达到99.99%，而燃料电池4刚刚开机时，氢气输送通道43内可能会有其他杂质气体存在，在进行反应之前净化反应堆，能保证氢气输送通道43内的氢气纯度达到99.99%，有助于提高燃料电池4的发电性能。
3）润湿质子交换膜42：第二控制开关10闭合，燃料电池4与负载11连接，在主控模块3的控制下使燃料电池4内反应电堆发生反应产生小电流经负载11流向燃料电池4中质子交换膜42，使质子交换膜42内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜42。
该步骤中润湿质子交换膜42的时间为10-50s，而润湿质子交换膜42的优选时间为30s，小电流的电流值为10-15A。润湿质子交换膜42能有助于提高燃料电池4的发电性能。
4）催化剂活化：IGBT驱动控制保护电路20控制使IGBT19的集电极和发射极连通使燃料电池4内的质子交换膜42瞬间获得大电流，促使质子交换膜42内的催化剂活化；
在润湿质子交换膜42期间间隔进行催化剂活化1-15次，优选为3-5次，催化剂活化过程中大电流的最大电流值大于600A，每次催化剂活化时间为100-160ms，每次催化剂活化的间隔时间为2-8s，每次催化剂活化的间隔时间优选为3s，在催化剂活化期间，所述燃料电池系统处于开机状态，而排气电磁阀16均处于闭合的状态（即在催化剂活化期间不会排出氢气和水蒸汽），而送气风扇17处于正常运转状态，若在催化剂活化期间遇上需要关闭燃料电池系统的，也需等催化剂活化完成后再关闭燃料电池系统。
5）为负载11供电：在主控模块3的控制下使燃料电池4内反应电堆发生反应产生的电流逐步增大直至负载11电流达到负载11电流阈值为止，之后，燃料电池4持续运行为负载11供电。
作为一种优选方案，在步骤2）、步骤3）及步骤5）期间，根据实质需求不定时打开排气电磁阀16。实现方式为在氢气输送通道43中装设压力传感器，当氢气输送通道43内的压力值大于压力阈值时，打开排气电磁阀16，将生成的水蒸汽和余下未反应的氢气经排气管道14排出。
为再进一步提高燃料电池4的发电性能，延长燃料电池4的使用寿命，在燃料电池4持续运行为负载11供电期间，燃料电池系统会根据电压衰减情况/功率输出累积情况间隔进行催化剂活化1-10次，优选是催化剂活化1-3次；当电压衰减值大于电压衰减阈值时间隔进行催化剂活化；当功率输出累积值不低于功率输出累积阈值时间隔进行催化剂活化。
催化剂活化原理：在本实施例中使用的催化剂金属铂，所述金属铂涂抹于质子交换膜42中的某一层中，由于空气输送通道41是与空气连通，也就是质子交换膜42中的金属铂能与空气中的氧气发生氧化反应生成铂氧化物，导致催化剂的活性降低，而在催化剂活化过程中，IGBT驱动控制保护电路20控制使IGBT19的集电极和发射极连通，燃料电池4瞬间短路，此时燃料电池4内的电流会产生如图8所示的变化，在IGBT19的集电极和发射极连通之后燃料电池4内的电流瞬间增长，在20-40ms之间增长成大于600A的大电流。利用这一大电流在催化剂活化过程中对质子交换膜42中的催化剂层作用，发生的电化学反应式，具体如下：
膜阴极中发生的电化学反应式：
膜阳极中发生的电化学反应式：
由上述化学式可知，在催化剂活化过程中，大电流对质子交换膜42中的催化剂层作用，使质子交换膜42中催化剂层内的铂氧化物被重新还原成金属铂，如此便提高了催化剂层的活性。
以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于：包括
发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路供电；所述燃料电池包括多个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道和空气输送通道，氢气输送通道与空气输送通道之间设有质子交换膜，所述质子交换膜中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；
功率电阻模块，用于降低燃料电池内的电压以减少催化剂被氧化的速率，所述功率电阻模块包括功率电阻、第一控制开关和功率电阻驱动电路；
主控模块，用于控制发电模块和功率电阻模块的工作，包括主控电路；
所述负载电路的一端与燃料电池的正极连接，所述负载电路的另一端与燃料电池的负极连接，所述功率电阻模块与负载电路并联，所述第一控制开关的一端与燃料电池的正极连接，所述第一控制开关的另一端与功率电阻连接，所述功率电阻的另一端与燃料电池的负极连接，所述功率电阻驱动电路并联于功率电阻的两端，所述功率电阻驱动电路与主控电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：还包括用于为燃料电池提供瞬间大电流以活化燃料电池内催化剂的催化剂活化模块，所述催化剂活化模块包括IGBT和IGBT驱动控制保护电，所述IGBT与负载电路并联，所述IGBT的集电极分别与燃料电池的正极连接，所述IGBT的发射极分别与燃料电池的负极连接，所述IGBT的门极与IGBE驱动控制保护电路连接，所述IGBE驱动控制保护电路与主控电路连接。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述负载电路包括负载和第二控制开关，所述第二控制开关的一端与燃料电池的正极连接，所述第二控制开关的另一端与负载的一端连接，所述负载的另一端与燃料电池的负极连接。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括正极板和负极板，在氢气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阳极片；在空气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阴极片；所述正极板与反应电堆中的膜阴极片电性连接，所述负极板与反应电堆中的膜阳极片电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括氢气输气管道和排气管道，所述氢气输气管道与氢气输送通道连通，所述排气管道与外界空气连通，所述空气输送通道上开设有多个空气进气口，所述氢气自氢气输气管道进入氢气输送通道，在质子交换膜中的催化剂催化下，氢气生成氢质子和负电子，所述氢质子通过质子交换膜到达空气输送通道，所述负电子经负载电路或IGBT后到达空气输送通道，空气自空气进气口进入空气输送通道，氢质子、负电子和空气中的氧气反应生成水蒸汽，水蒸汽及余下未反应的氢气自排气管道中排出。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括输气电磁阀，所述输气电磁阀安装于氢气输气管道上以控制氢气输气管道的通断。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括排气电磁阀，所述排气电磁阀安装于排气管道上以控制排气管道的通断。
8.根据权利要求6所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括空气过滤网，所述空气过滤网设于燃料电池的一侧。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括送气风扇，所述送气风扇设于燃料电池的另一侧，所述送气风扇将空气经空气过滤网后自空气进气口送入空气输送通道，并带走反应电堆反应产生的部分热量。
10.一种减少燃料电池内催化剂被氧化的方法，其特征在于：基于如权利要求1-9任一项所述的燃料电池系统，方法包括以下步骤：
1）降低燃料电池电压：打开第二控制开关，所述燃料电池与负载断开，同时闭合第一控制开关，燃料电池与功率电阻连接，在功率电阻驱动电路的控制下使燃料电池内的电压降低至电压阈值；
2）净化反应电堆：输气电磁阀打开使氢气经输气管道进入燃料电池的氢气输送通道，同时排气电磁阀打开使燃料电池的氢气输送通道内气体经排气管道排出，以达到净化反应电堆的目的；
3）降温：送气风扇继续运行，直到反应电堆的温度下降至25℃或环境温度。
CN201910233648.6A 2019-03-26 2019-03-26 一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法 Active CN109994759B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910233648.6A CN109994759B (zh) 2019-03-26 2019-03-26 一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910233648.6A CN109994759B (zh) 2019-03-26 2019-03-26 一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109994759A CN109994759A (zh) 2019-07-09
CN109994759B true CN109994759B (zh) 2023-10-10

Family

ID=67131609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910233648.6A Active CN109994759B (zh) 2019-03-26 2019-03-26 一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109994759B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113479066B (zh) * 2021-08-17 2023-03-24 金华氢途科技有限公司 一种叉车用高集成度多功能高压配电箱

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101150194A (zh) * 2006-09-22 2008-03-26 比亚迪股份有限公司 一种燃料电池系统
CN108172873A (zh) * 2016-12-07 2018-06-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法
CN209496959U (zh) * 2019-03-26 2019-10-15 广东亚氢科技有限公司 一种减少催化剂被氧化的燃料电池系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101150194A (zh) * 2006-09-22 2008-03-26 比亚迪股份有限公司 一种燃料电池系统
CN108172873A (zh) * 2016-12-07 2018-06-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于恒压模式直流电子负载的燃料电池限压方法
CN209496959U (zh) * 2019-03-26 2019-10-15 广东亚氢科技有限公司 一种减少催化剂被氧化的燃料电池系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN109994759A (zh) 2019-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103259031B (zh) 一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法
CN215578650U (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
CN109950578B (zh) 一种冷启动系统及其控制方法
CN101675550A (zh) 燃料电池系统及其控制方法
US20070154742A1 (en) Starting up and shutting down a fuel cell
CN113506902A (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
CN101416339B (zh) 燃料电池系统及其控制方法
CN109994759B (zh) 一种燃料电池系统及减少燃料电池内催化剂被氧化的方法
JP4639584B2 (ja) 燃料電池システム
EP1284514B1 (en) Anode stream recirculation system for a fuel cell
KR20170085179A (ko) 고효율 고온 연료전지 시스템
CN209496959U (zh) 一种减少催化剂被氧化的燃料电池系统
JP2007141744A (ja) 燃料電池システム
CN209496956U (zh) 一种提高发电性能的燃料电池系统
CN212750936U (zh) 一种燃料电池系统
JP2005310429A (ja) 燃料電池システム
CN109994757B (zh) 一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法
CN209496958U (zh) 一种持续稳定功率输出的燃料电池系统
CN109994755B (zh) 一种燃料电池系统及提高燃料电池系统发电性能的方法
JP2023179893A (ja) 燃料電池システム
CN211670279U (zh) 一种具有空气净化功能的燃料电池系统
CN112164817A (zh) 一种固体氧化物燃料电池发电系统
KR20100062093A (ko) 왕복동 엔진의 과급기와 배기 가스를 이용한 연료전지 시스템
CN218498107U (zh) 一种固体氧化物燃料电池余热利用系统
CN110492136A (zh) 一种质子交换膜燃料电池吹扫装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant