[發明專利]一種質子交換膜燃料電池性能提高策略

有效

• 申請號: 201710474248.5
• 申請日: 2017-06-21
• 公開（公告）號: CN107256976B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 劉志祥;何麗;牛茁;韓喆;劉優賢;王勇;張玉瑾;陳維榮;戴朝華;李奇;張雪霞
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H01M8/04828
• 分類號: H01M8/04828
• 代理公司: 成都帝鵬知識產權代理事務所(普通合伙) 51265
• 代理人: 黎照西

本發明提出一種質子交換膜燃料電池性能提高策略，其主旨在于提高質子交換膜燃料電池在帶載運行過程中的輸出性能。本發明為短時降低空氣過量系數提升電堆性能，在電堆正常運行時，將空氣計量比從正常狀態短時降低為饑餓狀態，再恢復至正常狀態的一種優化方法。該方法通過調節質子交換膜燃料電池的活性面積和水含量，顯著地增加了質子交換膜燃料電池的電壓，有效地提升了輸出性能，使質子交換膜燃料電池處于高性能輸出狀態，是一種簡單、有效提高侄子交換膜燃料電池輸出性能的方法。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及質子交換膜燃料電池性能提高策略。

背景技術

燃料電池技術是21世紀人類利用可再生能源的最主要的關鍵技術之一，由于其高效、潔凈、功率范圍廣等優點，成為新能源的重要組成部分。其中質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)以其電池效率高、啟動速度快、操作溫度低、使用壽命長、易于移動、零污染等優點被廣泛應用于便攜式電源、小型社區發電及各種不間斷電源，展現了多領域廣闊的應用前景。

為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓需求，通常將質子交換膜燃料電池單體按照一定的方式組合在一起構成燃料電池堆，并配置相應的輔助設備，形成燃料電池系統。質子交換膜燃料電池系統在運行過程中不可避免的要經歷頻繁啟停、變載、怠速等工況，其工況的復雜程度決定其性能衰減的速度和使用壽命的長短。因此，在燃料電池帶載運行過程中電池性能的衰減問題更加突出，不同的操作參數下電堆的動態響應性能差異較大。當PEMFC電堆所接負載發生變化時，電堆的輸出性能也會被動的產生一個瞬態的波動，并且伴隨著對氣體過量系數、電堆溫度、操作壓力、相對濕度等相關參數產生影響，變化的參數又進一步影響著電堆的輸出性能。

燃料電池反應需要維持一個最優的過氧比(空氣計量比)和氫氣利用率，當負載運行工況突變時，由于供氣系統的時滯性，導致PEMFC電堆內部反應氣體的流量不能隨之快速響應。如果陰極氧氣流量過低，會產生“氧饑餓”現象，此時電堆內部空氣流量過低，電堆供氧不足，致使電堆輸出電壓急速衰減，使質子交換膜表面出現“局部熱點”甚至燃燒，降低電堆使用壽命；如果氧氣流量過高，即產生“氧飽和”現象，此時電堆內陰極的氧氣遠高于所需的氧氣，電堆的輸出功率沒有明顯的提高，但空氣供應系統的功耗顯著增大，從而使系統凈輸出功率降低。

當質子交換膜燃料電池系統在最優計量比下帶載運行時，質子交換膜燃料電池的活性位部分逐漸被惰性氣體替代，導致質子交換膜燃料電池活性面積減小，最終導致燃料電池輸出性能下降；另外，質子交換膜燃料電池反應產生聚集的水使得膜中水含量增加，過高或者過低的水含量都會降低電導率，從而降低發電效率。

發明內容

為了解決上述問題，本發明實施例的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池性能提高策略，旨在提高質子交換膜燃料電池在帶載運行過程中的輸出性能，顯著增加質子交換膜燃料電池的電壓，有效提升了輸出性能，使質子交換膜燃料電池處于高性能輸出狀態。本發明通過短時降低空氣計量比調節質子交換膜燃料電池的活性面積和水含量，有效提高質子交換膜燃料電池的輸出性能。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種質子交換膜燃料電池性能提高策略，包括步驟：

S100，安裝質子交換膜燃料電池電堆，連接通氣管道，檢查氣密性；

S200，通過氮氣吹掃質子交換膜燃料電池電堆的陰極和陽極；同時，對水箱進行預熱，直至水箱溫度達到60℃；

S300，向質子交換膜燃料電池電堆的陰極通入RH50％增濕的空氣，向質子交換膜燃料電池電堆的陽極通入不加濕的氫氣；同時，排出空氣或氫氣，使空氣或氫氣的壓力維持在20-50KPa；

S400，由輔助負載向質子交換膜燃料電池電堆加載電流至預置電流值；

S500，待質子交換膜燃料電池電堆的輸出電壓穩定之后，降低空氣計量比至預置空氣計量比，并以預置時間持續；