[发明专利]一种氢空质子交换膜燃料电池无增湿条件启动及运行方法

说明书

本发明涉及一种氢空质子交换膜燃料电池无增湿条件启动及运行方法，在燃料电池干气进气的条件下，采用燃料与氧化剂逆流进气方式，设定燃料电池电流加载方式，加载时间，进气的流量，将燃料电池处于低电流密度运行一段时间，燃料电池运行时阴极侧生成的水使得质子交换膜阴极侧处于润湿状态，同时部分液态水在膜两侧水浓度梯度的作用下由阴极侧反扩散至阳极侧，使得膜阳极侧也处于润湿状态，避免了膜在干气状态下的脱水问题，待低电流密度运行稳定后，视为燃料电池启动完成，逐步将电流密度加载至工作电流密度，保持燃料电池的稳定运行。

技术领域

本发明涉及氢空质子交换膜燃料电池技术领域，更具体的涉及一种可实现的无增湿条件燃料电池启动及运行方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将储存在燃料(如，氢气)和氧化剂(如，氧气)的化学能，通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有效率高、环境友好、响应速度快、功率范围广、发电单元模块化等特点，适宜用作可移动动力电源，电动汽车等。

PEMFC中核心部件为膜电极(MEA)，MEA中膜的作用是传导质子、阻隔阴阳极气体。由于膜传导质子需要水的参与，一般采用对反应气预增湿方法，保证膜处于良好的水合状态。目前，传统的PEMFC增湿技术按与电池堆的集成紧密程度可分为外增湿与内增湿两类：外增湿是将增湿子系统与电池分开，另外配置一个增湿系统，在反应气体进入电池之前进行增湿，外增湿方法有很多，喷淋增湿、渗透膜增湿、焓轮增湿、鼓泡增湿等，外增湿系统一般占燃料电池系统重量、体积比例较大，系统复杂，辅机功耗高等缺；内增湿是将增湿子系统与电池集成为一体，无需外加增湿装置，在反应气体进入电池之后进行增湿，这种方法虽然可以减少燃料电池增湿系统所占的体积和重量，但增湿系统和电池集成在一起，会对电池有一定影响，存在电池性能下降、衰减过快等隐患。

由于燃料电池传统增湿系统存在的一些问题，以干气进气，实现燃料电池启动及稳定运行是燃料电池研发人员一直追求的目标。专利CN101286569A提出了在电池长时间放置后的启动方法，启动时保持阴极气体供应的计量比为1，且燃料电池处于低电压：负0.1V至正0.3V一段时间：30s-60min，该方法认为阴极气体计量比等于1的情况下，电流消耗与与气体消耗能达到平衡，无尾气排出，电池反应过程中产生的水分不流失，使得燃料电池膜逐渐润湿。该方法虽然能在启动的短时间内保证燃料电池膜得到润湿，但是电池阴极气体在长时间计量比等于1的条件下运行，随着气体的消耗，气体内含有的杂质气体会慢慢积累在电池腔内，导致电池性能下降；电池低电压处于负0.1V会导致电池反极，加速电池的衰减。

发明内容

为了弥补现有源增湿技术及无增湿技术启动及运行的一些问题，本发明提供一种燃料电池的无增湿条件启动及运行的操作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

在燃料电池干气进气的条件下，采用燃料与氧化剂逆流进气方式，设定燃料电池电流加载方式，加载时间，进气的流量，将燃料电池处于低电流密度运行一段时间，燃料电池运行时阴极侧生成的水使得燃料电池质子交换膜阴极侧处于润湿状态，同时部分液态水在膜两侧水浓度梯度的作用下由阴极侧反扩散至阳极侧，使得膜阳极侧处于润湿状态，避免了膜在干气状态下的脱水问题，待低电流密度运行稳定后，视为燃料电池启动完成，逐步将电流密度加载至工作电流密度，保证燃料电池的启动及稳定运行。

燃料电池无增湿条件启动及运行方法的操作步骤为：

1.燃料电池的进气方式采用逆流方式进气；

2.按照燃料电池当前输出电流密度i给定燃料电池的反应气流量，氢气计量比为：1-1.2，空气计量比为1.2-2.0。合适的进气气量保证燃料电池稳定运行过程生成的水不被气体尾排带走，保持质子交换膜处于润湿状态；