基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法技术

本发明专利技术提出了基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域，包括如下步骤：步骤1：测算燃料电池的输出功率衰减比例，并按从低到高的顺序分成第一档、第二档、第三档和第四档；步骤2：第一档采用洁净空气吹扫及电池开路法，第二档采用循环伏安CV扫描法，第三档采用电压脉冲法，第四档采用铂碳催化剂回收再利用法。本发明专利技术采用的技术方案为提供基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法，系统地提供燃料电池性能恢复方法选择策略，可以有针对性地面向不同衰减程度的燃料电池选择最优的性能恢复技术方案，提高燃料电池性能恢复的有效性、及时性和经济性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池
，具体是基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应将燃料的化学能转化成电能的装置，具有转化效率高、噪音低、零污染、启动速率快等优点，正被广泛应用于交通运输领域。
[0003]然而，在实际车辆运行条件下，燃料电池将会持续经受启动停止、怠速、额定功率、快速加载等工况，不断的高低电位循环，特别在启停、快速加载工况下产生的高电位(1.3～1.5V)，对其内部的关键材料，如质子膜、催化剂、气体扩散层、双极板、密封件等，尤其是对催化剂会造成较大的性能衰减，从而影响燃料电池的整体输出功率和服役寿命。引起燃料电池性能衰减的原因包括但不限于：(1)铂纳米颗粒的溶解、迁移和团聚；(2)载体碳材料的氧化腐蚀；(3)阴极空气中累积的H2S、CO、NH3等杂质组分覆盖在催化剂活性位点导致的失活；(4质子交换膜的降解；(5)气体扩散层的腐蚀解离；(6)双极板表面腐蚀导致的接触电阻增大。
[0004]为了满足车载应用场景，长寿命燃料电池的开发成为当前的研究重点。目前通用的方法大多通过改善燃料电池结构设计、优化控制策略、优选关键材料等来延缓燃料电池性能衰减。为了避免燃料电池在使用过程中拆堆重组装或者更换关键组件来延长使用寿命，通过相对简单的物理或者电化学手段来实现性能恢复逐渐成为一种趋势。(1)专利CN102005592B中提出了一种用于集中时间对燃料电池恢复的方法，先输出微电流，然后进入大电流工况或者低电压工况，通过循环微电流和大电流或者低电压工况使燃料电池输出性能得以恢复。(2)专利CN112018412A中提出了一种燃料电池恢复控制系统和方法，采用氢气去除阴极铂表面上形成的氧化膜来恢复燃料电池堆的性能。(3)专利CN209896184U中提出一种燃料电池延寿系统，采用催化燃烧方式在燃料电池启动前消耗掉阳极残余的氧气，避免阳极内部可能形成的氢氧界面对燃料电池性能造成衰减。(4)专利CN113097539 A中提出了一种可以在整车上就可完成燃料电池活化和恢复过程的方法，通过循环降低
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升高反应气体入口压力，使电堆的平均单片电压在0.7～0.3V之间循环若干次来完成对燃料电池系统的性能恢复。
[0005]但上述几种恢复方法具有以下因素欠缺考虑：
[0006](1)对于通过循环微电流和大电流或者低电压工况使燃料电池输出性能得以恢复的方法，该方法适用于燃料电池性能衰减初期，而对于衰减幅度较大的情况，采用该方法恢复性能有限；
[0007](2)对于采用氢气去除阴极铂表面上形成的氧化膜来恢复燃料电池堆性能的方法，由于阴极需要先通入氢气，如果后期再改通空气，这种情况下就需要保证阴极的氢气完全去除，否则会发生氢氧反应产生局部热点导致膜电极受损，并且，为完全去除残余氢气，必须使用氮气等惰性气体清洗阴极，也需要配置额外的供氮装置。
[0008](3)对于采用催化燃烧方式在燃料电池启动前消耗掉阳极残余的氧气，避免阳极内部可能形成的氢氧界面对燃料电池性能造成衰减的方法中所使用到的管路、气泵以及供氢设备造成整个延寿系统繁冗复杂，且对氢氧催化燃烧产生的热和水没有提出管控措施。；
[0009](4)对于通过使平均单片电压在0.7～0.3V之间循环来对燃料电池系统进行性能恢复的方法，所使用的电压窗口较小，对于H2S、CO等在铂碳催化剂表面吸附性强的有毒杂质气体清除效果有限。
[0010]现有技术主要侧重中单一的性能恢复技术方案，不利于决策者快速进行修复工作。

技术实现思路

[0011]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为提供基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法，系统地提供燃料电池性能恢复方法选择策略，可以有针对性地面向不同衰减程度的燃料电池选择最优的性能恢复技术方案，提高燃料电池性能恢复的有效性、及时性和经济性。
[0012]一种基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法，包括如下步骤：
[0013]步骤1：测算燃料电池的输出功率衰减比例，并按从低到高的顺序分成第一档、第二档、第三档和第四档；
[0014]步骤2：第一档采用洁净空气吹扫及电池开路法，第二档采用循环伏安CV扫描法，第三档采用电压脉冲法，第四档采用铂碳催化剂回收再利用法。
[0015]进一步的，燃料电池的输出功率衰减比例的计算公式为：
[0016][0017]其中，η为功率衰减比例，和I
BOL
分别表示新电堆使用前测定的平均单片电压和电流值，和I
EOL
为电堆服役一段时间后测定的平均单片电压和电流值。
[0018]优选的，第一档η＜2％，第二档2％≤η≤5％，第三档5％＜η≤10％，第四档η≥10％。
[0019]作为替代的，第一档η＜2％，同时实际输出功率条件下的平均单片电压保持在0.65
‑
0.7V；
[0020]第二档2％≤η≤5％，同时实际输出功率条件下的平均单片电压保持在0.6
‑
0.65V；
[0021]第三档5％＜η≤10％，同时实际输出功率条件下的平均单片电压保持在0.55
‑
0.6V；
[0022]第四档η≥10％，同时实际输出功率条件下的平均单片电压低于0.55V。
[0023]进一步的，洁净空气吹扫及电池开路法包括如下步骤：
[0024]步骤A1：先采用洁净空气吹扫，持续时间0.5～1小时，清除极板流道内的残留水分以及部分吸附在铂碳催化剂表面的杂质有害气体；
[0025]步骤A2：停止加载，让电池维持开路状态10～30s；
[0026]步骤A3：加载至300～500mA/cm2，运行时间10～30分钟；
[0027]步骤A4：重复步骤A1
‑
步骤A3若干次，直至性能恢复90％以上。
[0028]优选的，步骤A1
‑
步骤A3的重复次数为3
‑
10次。
[0029]进一步的，循环伏安CV扫描法包括如下步骤：
[0030]步骤B1：通过利用高电位氧化清除电极上吸附的杂质气体或其他有害物质，再利用低电位还原被氧化的Pt，恢复催化剂活性；
[0031]步骤B2：电压扫描范围设置为0～1.4V，扫描速率设置为10～50mV/s，扫描圈数设置为3～10圈，直至性能恢复95％以上，控制扫描圈数为3～10圈是为了防止过多次的高低电位循环造成Pt催化剂发生溶解、迁移、团聚以及催化剂碳载体发生氧化腐蚀问题。
[0032]优选的，步骤B1中燃料电池的阴极通入纯N2作为工作电极，阳极通入纯H2作为对电极和参比电极。
[0033]进一步的，电压脉冲法包括如下步骤：
[0034]步骤C1：燃料电池的阴极通入纯N2、阳极通入纯H2；
[0035]步骤C2：对阴极施加高电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：测算燃料电池的输出功率衰减比例，并按从低到高的顺序分成第一档、第二档、第三档和第四档；步骤2：第一档采用洁净空气吹扫及电池开路法，第二档采用循环伏安CV扫描法，第三档采用电压脉冲法，第四档采用铂碳催化剂回收再利用法。2.根据权利要求1所述的基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法，其特征在于,燃料电池的输出功率衰减比例的计算公式为：其中，η为功率衰减比例，和I
BOL
分别表示新电堆使用前测定的平均单片电压和电流值，和I
EOL
为电堆服役一段时间后测定的平均单片电压和电流值。3.根据权利要求2所述的基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法，其特征在于：第一档η＜2％，第二档2％≤η≤5％，第三档5％＜η≤10％，第四档η≥10％。4.根据权利要求2所述的基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法，其特征在于，第一档η＜2％，同时实际输出功率条件下的平均单片电压保持在0.65
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0.7V；第二档2％≤η≤5％，同时实际输出功率条件下的平均单片电压保持在0.6
‑
0.65V；第三档5％＜η≤10％，同时实际输出功率条件下的平均单片电压保持在0.55
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0.6V；第四档η≥10％，同时实际输出功率条件下的平均单片电压低于0.55V。5.根据权利要求1所述的基于燃料电池输出功率衰减比例的性能恢复方法，其特征在于：洁净空气吹扫及电池开路法包括如下步骤：步骤A1：先采用洁净空气吹扫，持续时间0.5～1小时，清除极板流道内的残留水分以及部分吸附在铂碳催化剂表面的杂质有害气体；步骤A2：停止加载，让电池维持开路状态10～30s；步骤A3：加载至300～500mA/cm2，运行时间10～30分钟；步骤A4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊杰，陈真，
申请(专利权)人：江苏氢璞创能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：