[发明专利]一种燃料电池启动时增湿的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是一种燃料电池启动时增湿的方法及系统

背景技术

燃料电池在长期放置以后，如果再次运行，其性能会下降，引起这个问题的原因有多个。

1，电池内部必须达到一定的温度，催化剂的活性才会达到较好的状态。而燃料电池启动时，肯定是从冷态开始的。

2，电解质膜中的水分在放置期间逐步蒸发，使得电解质膜的离子阻抗增大。

3，空气或燃料中的一些微量杂质气体(例如硫化氢、一氧化碳等)渗入燃料电池，附着在催化剂上，降低了其活性。

4，其它一些由学术界提出的尚未得到公论的原因。

实践证明，上述各个原因之中，第二项的不良影响最为显著。尤其是阴极开放式(俗称单路空气)燃料电池，由于阴极与外界大气相通，电解质膜中的水分很容易蒸发，放置一段时间后的性能下降非常显著。

美国专利6329089提出了一种从较低温度开始启动固体聚合物电解质燃料电池并达到常规运行温度的方法，包括向阴极提供氧化剂流、向阳极提供燃料流、在启动阶段中在至少一个电极的一部分区域实施反应物的饥饿。并在其说明书第二页的右上方指出，饥饿的状况存在于反应物计量比小于1时，也就是在任何给定的情况下，向燃料电池提供的反应物少于被燃料电池消耗的反应物。同时也顺便指出如果在饥饿期间，反应剂的供给速度保持恒定，反应剂的消耗速度将会下跌，直到最终与供给速度相等，计量比最终上升为1。在发明概要的第一节指出，该方法有助于加热或启动得到基本上不含催化剂毒素的反应剂流供给的燃料电池，可是也有助于消除反应剂流带来的催化剂毒素。另外，在其说明书第三页的左上方指出，在饥饿其间，水的产生量得到了减少，这有利于避免在0度以下结冰导致堵塞。

由此可见，该专利将计量比小于1作为其关键技术特征，尽管也会非目的性地出现计量比等于1的情况。文中虽然没有注明，但是可以直接推出，其燃料电池结构及控制系统的设计会使得在启动阶段的大部分时间中，计量比小于1。该方案的缺点是：侧重于解决温度问题及杂质问题，由于其反应物的供应不足量，计量比小于1，所以补充水分的效果不够理想。另外，随着温度逐步上升接近常规运行温度，产生的水分将以更快的速度蒸发，这种情况对于增湿是不利的。

发明内容

为了克服上述背景技术有助于加热及消除催化剂毒素，却对增湿没有显著贡献的缺陷，本发明提出了一种新的技术方案。

理论分析及实验表明，当计量比等于1时，燃料电池能够源源不断地得到反应物并生成水，从而产生相对于计量比小于1的情况更为良好的增湿效果。因此，控制系统应该在启动阶段的大部分时间中，使得计量比等于1。

一种燃料电池启动时增湿的方法，当燃料电池启动时：A，向燃料电池的阳极提供计量比大于1的燃料；B，在50％以上的时间里，向燃料电池的阴极提供计量比等于1的空气；C，将燃料电池的电极连续或间断地置于低电压一段时间；所述的置于低电压，是指将燃料电池中唯一的单电池或所有单电池或大部分单电池的电压置于负0.1V至正0.3V。

在置于低电压的情况下，电流消耗与穿过气体扩散层到达电解质膜表面的氧气的消耗自然达到平衡，不快也不慢，计量比等于1，根据空气的提供速度产生水分，使得电解质膜逐步湿润，燃料电池性能恢复。

提供计量比等于1的空气的方式可以是利用自然对流及扩散，不使用或关闭推动空气强制流动的风机或泵。这种方式适用于阴极开放式燃料电池或者阴极管路较为粗短的阴极封闭式燃料电池，空气的自然对流及扩散比较通畅，足以取得理想的效果。其优点是比较简单。

提供计量比等于1的空气的方式也可以是将推动空气强制流动向燃料电池的阴极提供氧化剂的风机或泵开启至小于其额定功率的15％。这种方式适用于阴极封闭式燃料电池，空气的自然对流及扩散并不通畅，不足以取得理想的效果。

置于低电压的时间，可以是手动控制的，或者是固定的预设值控制。手动控制的优点是系统简单；固定的预设值控制的优点是减少使用者的操作，系统的复杂度也不高。

另外，上述过程产生的热量，使得燃料电池温度有所升高，随着温度的上升，水分的蒸发速度也会上升，使得产生的水分有相当一部分得不到保留。所以，优化的方法是不能使得电池的温度太高。

置于低电压的时间，可以是自动适应的，当燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时结束。或者当燃料电池达到预设的低于正常运行温度的温度时中断，消极等待或者开启散热装置，待其温度有所降低后再继续，循环若干次。这种方案的优点是有助于取得优化的增湿效果，其缺点是系统较为复杂。