[发明专利]一种新的燃料电池运行方式

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种能够延长使用寿命及提高一氧化碳耐受力的燃料电池运行方式。

 

背景技术

燃料电池具有高效，清洁，低噪音，环保等优点，可以广泛应用于便携电源，固定电站，交通运输等各种用途，是新能源领域的关键技术；降低成本，延长寿命和选择合适的氢源是其商业化的主要问题。

 组件氧化腐蚀，催化剂的污染等原因造成的功能衰减严重影响燃料电池寿命，目前使用寿命与大规模商用目标差距很大。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，简称PEMFCs)，在多种燃料电池中性能突出，易于启动，结构简单，操作方便，但使用寿命不理想；目前车用等情况下，一般在1500-2500小时左右，离5000小时的目标相差较远；静止电站连续工作情况下，目前一般在2万-4万小时（5年）左右，离10年的商业化目标相差很大。研发者主要通过寻找新材料或改进、添加组件材料或者增加附加系统增加燃料电池的耐久性，例如中国专利CN 101346839A，CN101826622A,CN101159334等，这增加了组件或系统的复杂性，目前效果并不理想。

 碳氢燃料重整制氢有希望为燃料电池提供经济的氢燃料，但是重整制氢的氢燃料中一般含有令PEMFCs阳极催化剂中毒的一氧化碳（CO），催化剂不能耐受10ppm-50ppm以上的CO，为解决这一问题，研发人员寻找抗CO中毒的阳极催化剂，在燃料气中加少量空气，开发耐较高温度的膜等，但CO中毒这一长期困扰PEMFCs的难题至今没有理想的解决方法。

发明内容

为解决燃料电池使用寿命不够长和CO中毒问题，本发明提供了一种新的燃料电池运行方式，称为“燃料电池倒极”，其特征是在阴极和阳极可以交换的燃料电池的电解质膜两侧，通过交替轮换输入燃料和氧化剂，周期性地颠倒阳极和阴极。不改变组件材料，不设置复杂的附加系统，却能大幅度增加耐久性和对一氧化碳的耐受力；通过倒极，电解质膜两侧组件分担氧化腐蚀，通过按恰当时间倒极，轮换输入燃料和氧化剂，能清除空气和燃料中的少量催化剂污染物，有助解决PEMFCs(质子交换膜燃料电池)的一氧化碳的中毒问题。

  本发明基于下列关于燃料电池的事实：

1一般情况，阴极衰减远远大于阳极 ；2在电解质膜两侧组件和结构可以对称或接近对称；

3一氧化碳毒化阳极催化剂需要一定时间；4吸附在铂催化剂上的CO可以迅速被100% 空气（或氧气）以催化反应2CO+O₂=2CO₂清除  

因为氧化剂造成高电位和腐蚀性环境，以及启停过程氢气/空气界面产生的反向电流导致阴极严重腐蚀等，一般运行的燃料电池，在阴极一侧组件（催化剂，催化剂载体，膜，气体扩散层，双极板）的衰减率远远高于阳极一侧；多数情况下两极衰减严重不平衡，当阴极一侧严重衰减失效时，阳极一侧实际还可长时间使用。

燃料电池在电解质膜两侧膜电极组件和腔室结构可以对称或接近对称。事实上，多数PEMFCs有接近对称的两侧组件和结构，阴极阳极都用同样的Pt/C碳负载的铂催化剂，一般阴极0.3-0.5mg/cm² Pt铂，阳极0.1-0.3mg/cm² Pt铂，仅数量微有差别或相同；阴极阳极的催化剂载体，膜，气体扩散层，双极板一样。

 本发明可以应用于PEMPCs，PAFCs(磷酸燃料电池)或其他燃料电池，唯一要求是阴极阳极可以互换。最好使用对称的燃料电池，电解质膜两侧有同样催化剂；通过倒极运行，每一侧在通入燃料的一段时间是阳极，在通入氧化剂的另一段时间变成阴极。