[發明專利]一種高溫質子交換膜燃料電池的啟停方法

有效

• 申請號: 201811453381.3
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN111261901B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 孫海;李印華;楊林林;趙世雄;孫公權
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04225
• 分類號: H01M8/04225;H01M8/04228;H01M8/04302;H01M8/04303
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明在啟停過程中用CO和H₂混合氣進料，利用CO和H₂在Pt表面的競爭吸附特性，降低啟停過程中陽極氫氣氧化量，從而降低啟停過程中陰極碳腐蝕的量。本發明提出的啟停策略更適合于高溫質子交換膜燃料電池，利用此策略，可以有效緩解啟停過程中陰極碳腐蝕問題，更大程度的提高燃料電池的壽命和耐久性。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，特別涉及一種高溫質子交換膜燃料電池啟停策略。

背景技術

高溫質子交換膜燃料電池(HT-PEMFC,150～200℃)相對于低溫質子交換膜燃料電池(PEMFC，80℃左右)，電極反應速率加快，對雜質的耐受性較高且水熱管理比較簡單等，所以高溫質子交換膜燃料電池得到廣泛關注。質子交換膜燃料電池具有高能量轉換效率、環境友好等突出優點，同時還具有比功率比能量高等特點，是非常有前途的車載電源和動力電源。

燃料電池車載電源和動力電源不可避免的要經歷各種不同形式的工況，比如頻繁啟停等。燃料電池在啟停過程中，溫度的變化、加載電流的變化、氣體進料量的變化等，將引起局部高電位，導致陰極碳腐蝕等，進而嚴重影響燃料電池的壽命。減少燃料電池在啟停過程中的衰減是提高燃料電池壽命的關鍵因素。

近幾年來，各大研究機構和公司對燃料電池啟停控制策略進行研究，包括對催化劑載體材料的改進和啟?？刂撇呗钥疾斓确矫?。關于啟停控制策略方面主要包括使用輔助負載消耗殘留在電堆中的燃料氣體、反應氣體關閉順序的控制、氮氣吹掃等策略，這些策略確實可以有效提高燃料電池的壽命。但這些策略也有一定的局限性，比如輔助負載策略，需要考慮如何安全有效地在燃料電池系統中外接輔助負載；氮氣吹掃可有效防止氫氣-空氣界面的形成，但對于實際應用中，氮氣吹掃卻很難以簡單的攜帶氮氣氣源來實現。

本發明提出一種高溫質子交換膜燃料電池啟停策略，利用此策略，可以有效緩解啟停過程中陰極碳腐蝕問題，可以更大程度的提高燃料電池的壽命和耐久性。

發明內容

本發明在啟停過程中通過合理控制進料時機、進料組分及進料量、加載大小和加載時機，緩解啟停過程中陰極碳腐蝕的量。另外，通過啟停過程中進料組分的改變，可以進一步緩解陰極碳腐蝕問題。

本發明提出的啟停策略包括：開機進料時的溫度、進料組分、進料順序、加載時機、關機時關閉進料的順序、進料組分、加載大小的調整。

開機時：針對高溫質子交換膜燃料電池，建議在70-90℃時開始進料，先用H₂或H₂與CO的混合氣進入陽極側，若為H₂與CO混合氣，CO含量建議0-10％，過高的CO含量會造成后續升溫后脫附不徹底，引起陽極催化劑毒化；進料量為200mA/cm²放電電流密度下對應理論氫氣進料量的1.2-2.0倍，即化學計量比為1.2-2.0倍，開機時較大的氫氣進料量可以減小陽極側氫氣-空氣界面的停留時間；5-30s后陰極通入空氣，陰極空氣通入時機與燃料電池極板的結構及燃料電池加熱速率有關；待溫度升至100-125℃時，開始加載電流進行放電，加載時的溫度不宜低于100℃，因為溫度低于100℃下加載電流放電，則陰極會產生液態水，液態水的產生將造成燃料電池內電解質的流失；另外，陰陽極分別通入反應氣后，燃料電池將處于開路高電壓狀態，若等待溫度升很高后才加載電流放電，則燃料電池在開路狀態下停留的時間太長，將會引起陰極碳腐蝕，所以，建議溫度升至100-125℃時開始加載電流；最后，待溫度升至工作溫度后，先調節陰陽極進料情況，隨后在所要求的工作電流下開始放電測試。