[發(fā)明專利]延長燃料電池壽命的方法和裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310523533.3
• 申請日: 2013-10-30
• 公開（公告）號: CN103647092A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張勇;馬崴;齊志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 張勇;馬崴;齊志剛
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 北京同輝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11357
• 代理人: 劉洪勛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種避免燃料電池處于待機(jī)或關(guān)機(jī)狀態(tài)時開路電壓及在關(guān)閉和啟動燃料電池時氧化劑/燃料界面的形成對性能及壽命的影響從而延長燃料電池壽命的方法和裝置，還涉及一種避免在膜電極和燃料電池堆儲存期間開路電壓對它們性能及壽命影響的方法。

背景技術(shù)

使用壽命是研發(fā)各類燃料電池最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)指標(biāo)。為了滿足商業(yè)化需求，燃料電池的壽命必須和傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的壽命相近。針對不同的應(yīng)用場景，美國能源部（The?US?Department?of?Energy）把燃料電池的壽命目標(biāo)定在1千5百小時到6萬小時。?

燃料電池的使用壽命受到很多因素的影響，如材料、運(yùn)行條件、控制策略和系統(tǒng)集成。運(yùn)行條件包括溫度、相對濕度、壓力、污染物、反應(yīng)物計(jì)量比、溫度循環(huán)、電壓循環(huán)、開路電壓和空氣/燃料界面的形成。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理的控制邏輯，溫度、相對濕度、壓力、污染物、反應(yīng)物計(jì)量比和溫度循環(huán)對壽命的影響可以得到有效的控制。最難解決的問題是開路電壓和空氣/燃料界面的形成對壽命的影響，而且它們的影響遠(yuǎn)大于其它因素。

燃料電池工作完畢后會處于待機(jī)或關(guān)機(jī)狀態(tài)，不再向外部負(fù)載提供電能（在熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，燃料電池既提供電能又提供熱能）。在待機(jī)狀態(tài)下，燃料電池系統(tǒng)處于警戒狀態(tài)，時時監(jiān)測燃料電池系統(tǒng)本身的狀態(tài)和外部能量的需求情況，一旦檢測到外部需求，燃料電池系統(tǒng)會立即啟動。在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，燃料電池系統(tǒng)一般不對其自身狀態(tài)和外部能量需求進(jìn)行監(jiān)測。

在燃料電池剛剛工作完畢后，燃料電池堆的陽極腔中留有沒有反應(yīng)的燃料如氫氣，燃料電池堆的陰極腔中留有沒有反應(yīng)的空氣。殘余在燃料電池堆陽極中的氫氣和陰極中的空氣會慢慢擴(kuò)散穿過電解質(zhì)薄膜而互相反應(yīng)生產(chǎn)水，如反應(yīng)式（1）所示：

2H₂?+?O_2?=?2H₂O???????????????????????????????????????????????????????????（1）

陽極腔室中的H₂和陰極腔室中的O₂因反應(yīng)（1）而逐漸減少，兩個腔室中的氣體壓力會變得小于一個大氣壓，外界的空氣就會通過各種渠道慢慢擴(kuò)散到兩個腔室中。最后，陽極腔室中的氫氣會被來自外界空氣中的O₂徹底消耗掉，該腔室也被空氣充滿。這樣，兩個腔室最后都被空氣充滿。

當(dāng)兩個腔室都被空氣充滿后燃料電池堆中的每一個單電池的開路電壓都處在0?V，但每個電極和電解質(zhì)之間的界面電壓卻在1?V左右，電極和電解質(zhì)之間的界面電位由反應(yīng)（2）決定：

0.5O₂?+?2H⁺?+?2e^-?=?H₂O????????????E^o?=?1.23?V???????????（2）

因此，待機(jī)或關(guān)機(jī)一段時間以后，陽極/電解質(zhì)及陰極/電解質(zhì)的界面電壓都處于1?V左右的開路電壓（如圖1所示）。這樣，電極中的催化劑和其載體如碳黑一直在承受1?V左右的開路電壓，加速它們的氧化和腐蝕過程，縮短電極的壽命。非連續(xù)使用的燃料電池系統(tǒng)如備用電源燃料電池系統(tǒng)和車用燃料電池系統(tǒng)絕大多數(shù)時間處于待機(jī)或關(guān)機(jī)狀態(tài)，因此開路電壓對系統(tǒng)性能和壽命的影響是極其嚴(yán)重的。燃料電池這種在非工作狀態(tài)下比在工作狀態(tài)下的衰減速度還快是個非常令人頭疼的問題，至今沒有解決。

開路電壓同樣影響制備好待用的膜電極。待用期間，即膜電極已經(jīng)制備好但還沒有組裝在燃料電池堆中這段時間內(nèi)，膜電極所處的外部環(huán)境中充滿了空氣，每個膜電極的陽極/電解質(zhì)界面電壓和陰極/電解質(zhì)界面電壓都在1?V左右，造成膜電極在儲存期間的性能衰減。

開路電壓同樣影響制備好待用的燃料電池堆。待用期間，即燃料電池堆已經(jīng)組裝好但還沒有應(yīng)用在燃料電池系統(tǒng)中這段時間內(nèi)，燃料電池堆所處的外部環(huán)境中充滿了空氣，致使燃料電池堆中每個膜電極的陽極/電解質(zhì)界面電壓和陰極/電解質(zhì)界面電壓都在1?V左右，造成燃料電池堆在儲存期間的性能衰減。