CN110299548A - 一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法 - Google Patents

一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，排气工作过程中设有增湿处理程序，在废气排出前，对质子交换膜实施过增湿处理。本发明通过监测系统运行中电压，若干阀门的关闭，解决了在阳极闭口质子交换膜燃料电池阳极间歇式排气过程中膜电极反复失水、吸水的问题，排气过程中电压下降过快、而后恢复缓慢的问题。

Description

一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法。
背景技术
以氢氧为氧化还原反应气体的质子交换膜燃料电池是目前最有商业化应用前景的燃料电池。为了使阳极气体原料具有最大的利用率，往往采用阳极闭口的策略，这种利用方式氢气利用率可达99％以上。燃料电池在实际工作过程中，会逐步在阳极积累不凝结的杂质气体，其中主要成分是氮气及少量的一氧化碳。燃料电池长久工作以后，催化层的碳载体会有一定程度的腐蚀，并产生一氧化碳等杂质气体，也会逐渐富集在阳极。富集的杂质气体会稀释原料气体的浓度，导致燃料电池性能下降，因此一般采取阳极间歇式排气策略，定期将富集的杂质气体排出。
杂质气体的排出过程是脉冲式的，阳极氢气突然减压，随后伴随着膜的快速失水，燃料电池输出电压快速下降(大约下降30％-40％)。目前的杂质脉冲排气方式会引起膜的反复失水、脱水，极易对膜电极系统产生周期循环应力，从而降低膜电极寿命。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种通过在排气过程中设置增湿处理程序，在废气排出前，对质子交换膜实施过增湿处理，可以降低燃料电池中膜的失水过程中产生的周期循环应力，延长膜电极寿命的阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，具体地：
本发明提供一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，排气工作过程中设有增湿处理程序，在废气排出前，对质子交换膜实施过增湿处理。
进一步地，过增湿处理包括过增湿程度控制。
进一步地，过增湿程度控制包括水蒸汽流量控制和/或加湿时长控制。
进一步地，过增湿处理还包括废气排出时延控制。
进一步地，废气排出时延控制包括：当监测到质子交换膜含水量低于预设值时，打开水蒸汽供入通道，对质子交换膜实施过增湿处理，一定时间后再暂时关闭阳极气体的进气通道、再循环通道、排气通道，同时调整水蒸汽供入压力，控制保持阳极气体流动空间压力基本不变。
进一步地，进行闭口加湿一定时间后，打开排气通道，排气过程联合水蒸汽进气流量控制和排气排出流量控制，控制保持阳极气体流动空间压力基本不变。
进一步地，当监测到质子交换膜含水量达到或高于预设值时，关闭所述排气通道，打开所述进气通道和再循环通道，同时调整水蒸汽供入压力和/或供入流量，保持阳极气体流动空间压力基本不变。
进一步地，通过监测燃料电池输出电压监测质子交换膜含水量。
进一步地，当监测到所述燃料电池输出电压低于电池工作电压的85％，时打开蒸汽供入通道进行增湿处理。
进一步地，还包括对阳极气体流动空间压力监测的步骤，通过对进入阳极的水蒸汽压力的调节和/或排气通道的开启程度的调节，使排气过程中阳极侧压力保持不变。
进一步地，一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，具体包括以下步骤：
步骤1：监测燃料电池的输出电压，当输出电压小于预设值时，打开水蒸汽向阳极通入水蒸汽对质子交换膜实施过增湿处理；
步骤2：关闭阳极气源进气通路，以及阻断阳极气体再循环通道；
步骤3：增加水蒸汽供给压力，控制阳极气体流动空间压力基本不变；
步骤4：开通废气排出通路，排出废气；
步骤5：经过一延迟时间后，停止向外排气，开启水蒸汽进气通路和阳极气体再循环通路以及水蒸汽供给通路；
步骤6：继续监测燃料电池的输出电压，输出电压不小于预设值则继续监测，完成排气流程，输出电压小于预设值则重复步骤1-6。
本发明还提供一种燃料电池，燃料电池具有上述所述的阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法。
进一步地，燃料电池包括反应装置和增湿处理装置，反应装置包括电堆和氢气罐，增湿处理装置为水蒸汽发生器，电堆在废气排出前，水蒸汽发生器对质子交换膜提供水蒸汽实施过增湿处理。
进一步地，电堆的一端设置有空气进口和空气出口，另一端设置有氢气进气管道和废气排出管道；在氢气进气管道之间和废气排出管道之间设有阳极气体再循环管道。
进一步地，在氢气进气管道上设置有氢气供给阀门；在废气排出管道上设置有废气排出控制阀门；在氢气供给控制阀门和电堆之间连接有水蒸汽进气管道，水蒸汽进气管道另一端和所述水蒸汽发生器连接；在水蒸汽进气管道上设置有水蒸汽供给控制阀门；阳极气体循环管道一端连接在氢气供给阀门和电堆之间，另一端连接在废气排出控制阀门和电堆之间；在阳极气体再循环管道上设有阳极气体再循环控制阀门。
进一步地，上述的燃料电池或所述的阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法中涉及的燃料电池为以氢氧为氧化还原反应气体的质子交换膜燃料电池。
本发明通过在杂质排气工作过程中设置增湿处理程序，在实现废气自动排出的同时避免质子交换膜的过度失水，从而避免了在废气排出后电压恢复过慢的问题，一定程度减弱了排气过程中电压下降速度，避免了膜电极承受周期性失水-吸水产生的循环应力，提高了膜电极使用寿命。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的燃料电池一次杂质气体排出及电压恢复的流程图；
图2是本发明一实施例的燃料电池反应气体路径示意图；
图中：
1-电堆；2-空气进口；3-空气出口；4-水蒸汽发生器；41-水蒸汽进气管道；42-水蒸汽供给控制阀门；5-氢气罐；51-氢气进气管道；52-氢气供给控制阀门；6-阳极气体再循环管道；61-阳极气体再循环控制阀门；7-废气排出管道；71-废气排出控制阀门
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
本发明通过在杂质气体排气工作过程中设置增湿处理程序，在废气排出前，对质子交换膜实施过增湿处理，避免了质子交换膜在排气过程中的过度失水以及。为更好的解释本发明，以下实施例中所述的燃料电池均为以氢氧为氧化还原反应气体的质子交换膜燃料电池。
实施例1：
为更好的阐述本发明方案，本实施例提供一种燃料电池，具体为：
本实施例提供一种燃料电池，如图1，燃料电池包括反应装置和增湿处理装置，反应装置包括电堆1和氢气罐5，增湿处理装置为水蒸汽发生器4，电堆1在废气排出前，水蒸汽发生器4对质子交换膜提供水蒸汽过增湿处理。电堆1的一端设置有空气进口2和空气出口3，另一端设置有氢气进气管道51和废气排出管道7；在氢气进气管道51之间和废气排出管道7之间设有阳极气体再循环管道6，用于循环阳极气体。
为了便于控制气体的流入以及对气体流速的调节，在氢气进气管道51上设置一氢气供给控制阀门52；在废气排出管道7上设置一废气排出控制阀门71；在水蒸汽进气管道41上设置有水蒸汽供给控制阀门42，在阳极气体再循环管道6上设有阳极气体再循环控制阀门61，用以控制阳极气体的循环。
为节省材料，使结构更加紧凑，水蒸汽进气管道41的一端连接在氢气供给控制阀门52和电堆1之间，另一端和水蒸汽发生器4连接；阳极气体循环管道一端连接在氢气供给阀门和电堆1之间，另一端连接在废气排出控制阀门71和电堆1之间。优选的，阳极气体循环管道和水蒸汽进气管道41在氢气进气管道51上连接处为同一水平位置。
本实施例通过增加水蒸汽发生器，在废气排气前对燃料电池的膜进行过增湿处理，在保证废气排出的同时避免质子交换膜的过度失水，从而避免了在废气排出后电压恢复过慢的问题，延长了膜电极的使用寿命。
实施例2：
如图1-2，本实施例以实施例1提供的燃料电池为例，提供一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，在对杂质气体的排气工作过程中设有增湿处理程序，通过监测燃料电池输出电压监测质子交换膜含水量，在废气排出前，对质子交换膜实施过增湿处理。
为更好的实现增湿处理，过增湿处理还包括对进行废气排出时延控制。优选的，从废气开始排出算起进行如下一系列时延控制动作：
当监测到质子交换膜含水量低于预设值时，打开水蒸汽供入通道，对质子交换膜实施过增湿处理，这里所指的预设值需要根据不同燃料电池的实验得知，并不是一个定值，优选的，当监测到所述燃料电池输出电压低于电池工作电压的85％时打开蒸汽供入通道进行增湿处理。一定时间后再暂时关闭阳极气体的进气通道、再循环通道、排气通道，同时调整水蒸汽供入压力，控制保持阳极气体流动空间压力基本不变。对燃料电池的离子交换膜进行闭口加湿一定时间后，打开排气通道，排气过程联合水蒸汽进气流量控制和排气排出流量控制，控制保持阳极气体流动空间压力基本不变。为保证阳极气体流动空间压力基本不变，当监测到质子交换膜含水量达到或高于预设值时，关闭所述排气通道，打开所述进气通道和再循环通道，同时调整水蒸汽供入压力和/或供入流量。
优选的，在进行增湿处理过程中还包括对阳极气体流动空间压力监测的步骤，通过对进入阳极的水蒸汽压力的调节和/或排气通道的开启程度的调节，使排气过程中阳极侧压力保持不变。
对于上述排气方法实施例的各种优化措施，下面进一步给出优选的控制步骤，具体为：
步骤1：监测燃料电池的输出电压，当输出电压小于预设值时，打开水蒸汽向阳极通入水蒸汽对质子交换膜实施过增湿处理；
步骤2：关闭阳极气源进气通路，以及阻断阳极气体再循环通道；
步骤3：增加水蒸汽供给压力，控制阳极气体流动空间压力基本不变；
步骤4：开通废气排出通路，排出废气；
步骤5：经过一延迟时间后，停止向外排气，开启水蒸汽进气通路和阳极气体再循环通路以及水蒸汽供给通路；
步骤6：继续监测燃料电池的输出电压，输出电压不小于预设值则继续监测，完成排气流程，输出电压小于预设值则重复步骤1-6。
本实施例通过在杂质排气工作过程中设置增湿处理程序，在实现废气自动排出的同时避免质子交换膜的过度失水，避免了在废气排出后电压恢复过慢的问题，一定程度减弱了排气过程中电压下降速度，避免了膜电极承受周期性失水-吸水产生的循环应力，提高了膜电极使用寿命。
在上述判断逻辑中可进一步优化采用前述方法及系统结构中的各种优化手段。
综上，本发明在不增加系统复杂度的前提下有效缓解杂质气体排出过程中膜电极快速失水的问题，同时避免排气工作过程中阳极侧压力突降对膜电极可能造成的损害，延长了膜电极的使用寿命。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (16)

1.一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，排气工作过程中设有增湿处理程序，在废气排出前，对质子交换膜实施过增湿处理。
2.根据权利要求1所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，所述过增湿处理包括过增湿程度控制。
3.根据权利要求2所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，所述过增湿程度控制包括水蒸汽流量控制和/或加湿时长控制。
4.根据权利要求3所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，所述过增湿处理还包括废气排出时延控制。
5.根据权利要求4所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，所述废气排出时延控制包括：当监测到质子交换膜含水量低于预设值时，打开水蒸汽供入通道，对质子交换膜实施过增湿处理，一定时间后再暂时关闭阳极气体的进气通道、再循环通道、排气通道，同时调整水蒸汽供入压力，控制保持阳极气体流动空间压力基本不变。
6.根据权利要求5所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，进行闭口加湿一定时间后，打开排气通道，排气过程联合水蒸汽进气流量控制和排气排出流量控制，控制保持阳极气体流动空间压力基本不变。
7.根据权利要求6所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，当监测到质子交换膜含水量达到或高于预设值时，关闭所述排气通道，打开所述进气通道和再循环通道，同时调整水蒸汽供入压力和/或供入流量，保持阳极气体流动空间压力基本不变。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，通过监测燃料电池输出电压监测质子交换膜含水量。
9.根据权利要求8所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，当监测到所述燃料电池输出电压低于电池工作电压的85％时打开蒸汽供入通道进行增湿处理。
10.根据权利要求1所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，还包括对阳极气体流动空间压力监测的步骤，通过对进入阳极的水蒸汽压力的调节和/或排气通道的开启程度的调节，使排气过程中阳极侧压力保持不变。
11.根据权利要求1所述的一种阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：监测燃料电池的输出电压，当输出电压小于预设值时，打开水蒸汽向阳极通入水蒸汽对质子交换膜实施过增湿处理；
步骤2：关闭阳极气源进气通路，以及阻断阳极气体再循环通道；
步骤3：增加水蒸汽供给压力，控制阳极气体流动空间压力基本不变；
步骤4：开通废气排出通路，排出废气；
步骤5：经过一延迟时间后，停止向外排气，开启水蒸汽进气通路和阳极气体再循环通路以及水蒸汽供给通路；
步骤6：继续监测燃料电池的输出电压，输出电压不小于预设值则继续监测，完成排气流程，输出电压小于预设值则重复步骤1-6。
12.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池具有权利要求1-11任一项所述的阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法。
13.一种燃料电池，其特征在于，燃料电池包括反应装置和增湿处理装置，所述的反应装置包括电堆(1)和氢气罐(5)，所述的增湿处理装置为水蒸汽发生器(4)，电堆(1)在废气排出前，水蒸汽发生器(4)对质子交换膜提供水蒸汽实施过增湿处理。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述电堆(1)的一端设置有空气进口(2)和空气出口(3)，另一端设置有氢气进气管道(51)和废气排出管道(7)；在氢气进气管道(51)之间和废气排出管道(7)之间设有阳极气体再循环管道(6)。
15.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，在氢气进气管道(51)上设置有氢气供给阀门；在废气排出管道(7)上设置有废气排出控制阀门(71)；在氢气供给控制阀门(52)和电堆(1)之间连接有水蒸汽进气管道(41)，水蒸汽进气管道(41)另一端和所述水蒸汽发生器(4)连接；在水蒸汽进气管道(41)上设置有水蒸汽供给控制阀门(42)；阳极气体循环管道一端连接在氢气供给阀门和电堆(1)之间，另一端连接在废气排出控制阀门(71)和电堆(1)之间；在阳极气体再循环管道(6)上设有阳极气体再循环控制阀门(61)。
16.根据权利要求12-15任一项所述的燃料电池或权利要求1-11任一项所述的阳极闭口质子交换膜燃料电池的阳极间歇式排气方法，其特征在于，所述的燃料电池为以氢氧为氧化还原反应气体的质子交换膜燃料电池。
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