CN113809372A - 一种利用压差渗氧有效缓解质子交换膜燃料电池阳极中毒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用压差渗氧有效缓解质子交换膜燃料电池阳极中毒的方法。该方法通过对燃料电池阴极加背压，在阴阳极两侧产生压差，从而使阴极侧空气通过质子交换膜渗透到阳极，导致吸附在阳极催化剂上的硫化氢、一氧化碳等杂质被渗透到阳极的氧气氧化，从而缓解燃料电池阳极中毒。本发明采用的方法简单易行，可操作性强，对缓解燃料电池中毒具有可行性。
Description
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种利用压差渗氧有效缓解质子交换膜燃料电池阳极中毒的方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池（PEMFC）耐久性是制约氢能在交通领域大规模商业化应用的关键因素之一，燃料电池乘用车行驶5000h后，输出性能衰减应小于10%。目前，我国车用燃料电池氢气主要来自工业副产氢，其中含有的痕量杂质，如H2S、CO、NH3、CO2、甲醛、甲酸和轻烃组分等，对燃料电池耐久性有重要影响。
在氢气杂质中，H2S 对PEMFC的毒化具有积累性，较难恢复，已研究的缓解策略包括在阳极测通入纯氢或臭氧、阳极电氧化以及开发耐H2S中毒的阳极催化剂。其中，采用阳极侧通入纯氢的方法可一定程度上恢复PEMFC性能，但是恢复比例较低（~70%），且杂质气浓度越高恢复比例越小；采用阳极通入臭氧可部分恢复H2S毒化后的PEMFC性能 （能恢复85%-99%的电池性能），但臭氧的强氧化性对膜电极存在一定危害，可能导致催化剂层疏水性降低和导电聚合物降解；通过对阳极0-1.4 V进行电位扫描诱导电化学氧化，可完全恢复PEMFC性能。然而，该方法需在阴极通入氢气作参比电极，阳极通入氮气做工作电极，操作过于复杂，不适用于燃料电池在电动汽车、固定式电站等应用场景的实际应用。因此，开发一种简单易行且可操作性强的缓解PEMFC阳极毒化的方法对于提高燃料电池耐久性具有重要意义。
发明内容
本发明针对氢气中杂质对PEMFC阳极催化剂的毒化，提供一种利用压差渗氧有效缓解质子交换膜燃料电池阳极毒化的方法。该方法通过对质子交换膜燃料电池阴极设置背压，在阴阳极两侧产生压差，从而使阴极侧空气通过质子交换膜渗透到阳极，阳极侧在有氧气存在的条件下，吸附在阳极催化剂上的硫化氢、一氧化碳等杂质氧气被氧化，最大程度上恢复了燃料电池性能，从而有效缓解了燃料电池阳极中毒。本发明采用的方法简单易行，可操作性强，在燃料电池电堆上具有可行性。
更为具体的，本发明采用如下技术方案：一种利用压差渗氧有效缓解质子交换膜燃料电池阳极中毒的方法，包括以下步骤：
（1）燃料电池发生阳极毒化后，在阳极侧通入一定流量的高纯氢，阴极侧通入一定流量的氧化剂气体，将阴极和阳极背压均调整为0；
（2）在步骤（1）基础上，保持燃料电池阴阳极气流量不变，仅在阴极设置背压，使阴阳极两侧生一定的压差；
（3）在步骤（2）基础上，保持阴极气流量不变，将阳极侧流量设置为0，在步骤（2）所述的压差条件下维持一定时间；
（4）在步骤（3）操作完成后，仍保持阴极气流量不变，将燃料电池阳极侧通入一定流量的高纯氢气，将步骤（2）中设置的阴极侧背压降为0。
在本发明的优选的实施方式中，步骤（1）中，所述氧化剂气体为空气或者氧气中的一种或几种，阳极氢气流量为50-800 sccm；阴极氧化剂气体流量为50-800 sccm。
在本发明的优选的实施方式中，步骤（2）中，所述燃料电池阴极侧设置的背压为10-40 Kpa， 阴阳极两侧产生的压差范围为10-40 Kpa；
在本发明的优选的实施方式中，步骤（3）中，所述的阴阳极存在压差条件下维持的一定时间为0.5-2 h。
在本发明的优选的实施方式中，步骤（4）中，所述的高纯氢气流量为50-800 sccm。
本发明还保护所述的方法在有效缓解氢气中硫化氢、一氧化碳或其他可被氧化消除的杂质导致的质子交换膜燃料电池阳极毒化中的应用。
在本发明的优选的实施方式中，本发明还保护所述的方法在以燃料电池为动力的交通运输、固定式电站等场景的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1. 本发明的方法简单易行，无需对燃料电池供气、温度控制、背压、电子负载等设备进行改装，在以燃料电池为动力的交通运输、固定式电站等应用场景中具有可操作性，对缓解燃料电池阳极中毒具有可行性。
2. 在燃料电池发生阳极中毒后，采用本发明设计的缓解策略，其所恢复的燃料电池，性能恢复比例显著高于中毒后采用通入高纯氢方法恢复的性能。
3. 本发明设计的方法可适用于缓解因氢气中硫化氢、一氧化碳或其他可被氧化消除的杂质导致的燃料电池阳极中毒。
附图说明
下面结合附图做进一步的说明：
图1是本发明缓解燃料电池阳极中毒策略原理图；
图2是实施例1中通入5 ppm H2S中毒后、通入纯氢恢复后和采用本发明的缓解策略恢复后（压差40 kPa）的燃料电池极化曲线和功率密度曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非限于这些例子。
测试的单电池夹具活性面积为 5 cm2，由集流板、流场板、聚四氟乙烯密封垫 片、端板、紧固件等组成。其中，双极板为石墨双极板，其上有单蛇型流场。测试的5 cm2 MEA其催化层阳极 Pt 担量 为 0.1 mg cm-2，阴极 Pt 担量为 0.4 mg cm-2，质子交换膜为gore15微米。燃料电池测试条件为：电池温度75 oC，阳极气流量200 sccm，阴极气流量800 sccm，阳极气体湿度均为RH100%，中毒测试阳极气体中混入5 ppm的硫化氢运行两小时。
实施例1：
在燃料电池发生阳极中毒后，阳极侧通入气流量为500 sccm高纯氢，阴极侧通入气流量为500 sccm氧化剂气体，此时，将阴阳两极背压调整为0 kpa; 维持燃料电池阴阳极气流量不变，仅在阴极设置背压，使阴阳极两侧产生40 kpa的压差；保持阴极气流量不变，将阳极侧流量设置为0，在该压差条件下维持1 h。仍保持阴极气流量不变，将燃料电池阳极侧通入一定流量的高纯氢气，设置的阴极侧背压降为0，然后对燃料电池进行活化测试。图2为通入5 ppm H2S中毒后、通入纯氢恢复后和采用本发明缓解策略恢复后（压差40 kPa）的燃料电池极化曲线和功率密度曲线。如图所示，对比1000 mA cm-2电流密度下的电池性能，通入纯氢电池性能恢复仅74.8%，而本发明缓解策略恢复电池性能可达88.7%，可见采用该策略可有效缓解燃料电池阳极中毒。
实施例2
采用与实施例1相同的测试方法， 改变阴阳极两侧的压差25 kpa。研究发现，与实施例1结果一致，较通入纯氢电池性能恢复比例，压差25 kpa缓解策略下的电池性能恢复同样有显著增加，可达到84.7%，由于压差的减小，渗透氧气量减小，恢复比例也有所下降。
以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围。
Claims (8)
1.一种利用压差渗氧有效缓解质子交换膜燃料电池阳极毒化的方法，其特征在于，通过对质子交换膜燃料电池阴极设置背压，在阴阳极两侧产生压差，从而使阴极侧空气通过质子交换膜渗透到阳极，阳极侧在有氧气存在的条件下，吸附在阳极催化剂上的硫化氢、一氧化碳等杂质氧气被氧化，有效缓解燃料电池阳极中毒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）燃料电池发生阳极毒化后，在阳极侧通入一定流量的高纯氢，阴极侧通入一定流量的氧化剂气体，将阴极和阳极背压均调整为0；
（2）在步骤（1）基础上，保持燃料电池阴阳极气流量不变，仅在阴极设置背压，使阴阳极两侧生一定的压差；
（3）在步骤（2）基础上，保持阴极气流量不变，将阳极侧流量设置为0，在步骤（2）所述的压差条件下维持一定时间；
（4）在步骤（3）操作完成后，仍保持阴极气流量不变，将燃料电池阳极侧通入一定流量的高纯氢气，将步骤（2）中设置的阴极侧背压降为0。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述氧化剂气体为空气或者氧气中的一种或几种，阳极氢气流量为50-800 sccm；阴极氧化剂气体流量为50-800 sccm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述燃料电池阴极侧设置的背压为10-40 Kpa， 阴阳极两侧产生的压差范围为10-40 Kpa。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的阴阳极存在压差条件下维持的一定时间为0.5-2 h。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述的高纯氢气流量为50-800sccm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法在有效缓解氢气中硫化氢、一氧化碳或其他可被氧化消除的杂质导致的质子交换膜燃料电池阳极毒化中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，在以燃料电池为动力的交通运输、固定式电站等场景的应用。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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