本发明专利技术提供了延长燃料电池寿命的方法，从燃料电池待机或关机时至燃料电池下次开机的时间段内燃料电池堆处于氢气氛围中，氢气氛围由充斥于气密壳体中的氢气形成；还提供了延长燃料电池寿命的装置，包括内部设置有燃料电池堆的气密壳体，壳体上设有导通壳体内外两侧的壳体氢气入口和壳体氢气出口；壳体氢气入口和壳体氢气出口上均设有电磁阀；壳体上还设有使燃料电池堆的管路穿过且与管路外壁密合的孔洞。本发明专利技术避免了在燃料电池系统处于待机或关机状态下空气渗入燃料电池堆，有效地解决燃料电池处于待机或关机时间段内开路电压和开、关机时形成的氢气/空气界面对电极的破坏问题；本发明专利技术避免在膜电极或燃料电池堆储存期间开路电压对它们的损坏。
【技术实现步骤摘要】
延长燃料电池寿命的方法和装置
本专利技术涉及燃料电池领域，特别涉及一种避免燃料电池处于待机或关机状态时开路电压及在关闭和启动燃料电池时氧化剂/燃料界面的形成对性能及寿命的影响从而延长燃料电池寿命的方法和装置，还涉及一种避免在膜电极和燃料电池堆储存期间开路电压对它们性能及寿命影响的方法。
技术介绍
使用寿命是研发各类燃料电池最具挑战性的技术指标。为了满足商业化需求，燃料电池的寿命必须和传统发电设备的寿命相近。针对不同的应用场景，美国能源部(The USDepartment of Energy)把燃料电池的寿命目标定在1千5百小时到6万小时。 燃料电池的使用寿命受到很多因素的影响，如材料、运行条件、控制策略和系统集成。运行条件包括温度、相对湿度、压力、污染物、反应物计量比、温度循环、电压循环、开路电压和空气/燃料界面的形成。通过优化设计和合理的控制逻辑，温度、相对湿度、压力、污染物、反应物计量比和温度循环对寿命的影响可以得到有效的控制。最难解决的问题是开路电压和空气/燃料界面的形成对寿命的影响，而且它们的影响远大于其它因素。燃料电池工作完毕后会处于待机或关机状态，不再向外部负载提供电能(在热电联供系统中，燃料电池既提供电能又提供热能)。在待机状态下，燃料电池系统处于警戒状态，时时监测燃料电池系统本身的状态和外部能量的需求情况，一旦检测到外部需求，燃料电池系统会立即启动。在关机状态下，燃料电池系统一般不对其自身状态和外部能量需求进行监测。在燃料电池刚刚工作完毕后，燃料电池堆的阳极腔中留有没有反应的燃料如氢气，燃料电池堆的阴极腔中留有没有反应的空气。残余在燃料电池堆阳极中的氢气和阴极中的空气会慢慢扩散穿过电解质薄膜而互相反应生产水，如反应式(1)所示:2? + 02 = 2H20(1)阳极腔室中的H2和阴极腔室中的02因反应(1)而逐渐减少，两个腔室中的气体压力会变得小于一个大气压，外界的空气就会通过各种渠道慢慢扩散到两个腔室中。最后，阳极腔室中的氢气会被来自外界空气中的02彻底消耗掉，该腔室也被空气充满。这样，两个腔室最后都被空气充满。当两个腔室都被空气充满后燃料电池堆中的每一个单电池的开路电压都处在0V，但每个电极和电解质之间的界面电压却在1 V左右，电极和电解质之间的界面电位由反应(2)决定:0.502 + 2H+ + 2丨=H20E° = 1.23 V(2)因此，待机或关机一段时间以后，阳极/电解质及阴极/电解质的界面电压都处于1 V左右的开路电压(如图1所示)。这样，电极中的催化剂和其载体如碳黑一直在承受1 V左右的开路电压，加速它们的氧化和腐蚀过程，缩短电极的寿命。非连续使用的燃料电池系统如备用电源燃料电池系统和车用燃料电池系统绝大多数时间处于待机或关机状态，因此开路电压对系统性能和寿命的影响是极其严重的。燃料电池这种在非工作状态下比在工作状态下的衰减速度还快是个非常令人头疼的问题，至今没有解决。开路电压同样影响制备好待用的膜电极。待用期间，即膜电极已经制备好但还没有组装在燃料电池堆中这段时间内，膜电极所处的外部环境中充满了空气，每个膜电极的阳极/电解质界面电压和阴极/电解质界面电压都在1 V左右，造成膜电极在储存期间的性能衰减。开路电压同样影响制备好待用的燃料电池堆。待用期间，即燃料电池堆已经组装好但还没有应用在燃料电池系统中这段时间内，燃料电池堆所处的外部环境中充满了空气，致使燃料电池堆中每个膜电极的阳极/电解质界面电压和阴极/电解质界面电压都在1V左右，造成燃料电池堆在储存期间的性能衰减。比开路电压危害更大的是当氢气和空气在阳极形成如图2所示的氢气/空气界面，它在短时间内就可以对燃料电池性能和寿命造成严重损害。这个界面在关机后外界空气慢慢扩散进含有剩余氢气的阳极时形成，也会在下一次开机时当氢气进入已被空气占有的阳极时形成。图2中的垂直虚线代表在阳极腔室形成的氢气/空气界面，它把膜电极分成了 I，II，III，IV四个部分。在部分I存在的是氢气，电极/电解质界面电位由反应(3)决定:H2 = 2H+ + 2e-E° = 0.00 V(3)该电极/电解质界面的电压是0 V ;在部分II存在的是氧气，电位由反应(2)决定，该电极/电解质界面的电压大约是1 V ;部分I和II的状态就和一个燃料电池处于开路时阳极和阴极的状态一样，两者之间的电压差是1 V (IV - 0V = IV)。由于在部分III存在的也是氧气，而且部分III和部分I也通过膜连接起来，部分III为此和部分II类似，电位由反应(2)决定，因此电极/电解质界面的电压大约是1 V。由于整个阴极和整个阳极之间的电压差大约为1 V左右，尤其是当空气刚进到含有氢气的阳极腔室时，这样，部分IV处电极/电解质界面的电压就接近2 V (IV + IV = 2V)，实际测量在1.6 V左右。在这样一个高电压的作用下，部分IV的电极材料就会被快速破坏，主要反应包括催化剂载体碳的破坏，如反应(4)所示:C + 2H20 = C02 + 4H+ + 4e-E° = 0.21 V(4)和催化剂自身被氧化，如反应(5)所示:Pt = Pt2+ + 2e-E° = 1.19 V(5)另外水的分解也会发生，如反应(6)所示:H20 = 0.502 + 2H+ + 2e-E。= 1.23 V(6)但反应(6)本身不会破坏电极材料，如催化剂和其所用碳载体。为了避免开关机时形成如图2所示的2 V左右的电极/电解质界面电压，常规的方法是在关机后及开机前用惰性气体如氮气对阳极和阴极腔室进行吹扫，但这种方法需要在燃料电池的使用现场储备氮气并需补给或更换，带来不便，并增加系统的成本、重量和体积。一个更好的方法是用氢气对阴极进行吹扫，使得关机后燃料电池阳极和阴极腔室都被氢气充满。但是，这些方法都不能阻止在超过30分钟左右的关机或待机状态后阳极和阴极腔室最终都被空气充满的实事，因此上述开路电压问题和空气/燃料界面形成问题不能被彻底避免。专利申请201110379889.5公开了一种解决方法，即在燃料电池待机或关机后关闭燃料电池堆上的氢气出口、空气入口和空气出口，但保持氢气源与燃料电池堆的氢气入口导通以使得所述氢气源中的氢气能够通过所述氢气入口进入到所述燃料电池堆内。待机或关机一段时间之后，阴极腔室中的氧气会被从阳极通过膜电极扩散过来的氢气彻底消耗掉，该腔室中的气体最终变成氢气和氮气的混合气，但以氮气为主；同样，空气也会从阴极通过膜电极扩散到阳极，扩散过来的氧气会全部与阳极腔室中的氢气反应掉，但氮气不会参与任何反应，这样，阳极腔室最后也变成氢气和氮气的混合气，但绝大多数是氢气，整个过程如图3所示。图3中在虚线方框中的H2或02/N2代表从对面腔室扩散过来的气体。这样，由于每个腔室中的反应气最终都是氢气(和惰性气体N2)，阳极/电解质界面和阴极/电解质的界面电压就都是0 V，由反应(3)决定，如图4所示，从而避免了如图1所示的常规关机后所出现的1 V左右的电极/电解质界面电压对电极的破坏作用。当下次开机时，空气被输送到阴极腔室中，会和已经存在于该腔室的氢气形成氢气/氧气界面，如图5所不；但由于两个腔室中的起始气体都是氢气，即使该界面的形成把部分I的电极/电解质界面本文档来自技高网...
【技术保护点】
延长燃料电池寿命的方法，其特征在于，在燃料电池待机或关机至燃料电池下次开机的时间段内燃料电池堆处于氢气[微软用户1]?氛围中；所述氢气氛围由充斥于气密壳体中的氢气形成。
【技术特征摘要】
1.延长燃料电池寿命的方法，其特征在于，在燃料电池待机或关机至燃料电池下次开机的时间段内燃料电池堆处于氢气[微软用户1]氛围中；所述氢气氛围由充斥于气密壳体中的氢气形成。2.根据权利要求1所述的延长燃料电池寿命的方法，其特征在于，在燃料电池处于待机或关机状态下，燃料电池堆的空气入口、空气出口和氢气出口处于关闭状态，但氢气源与燃料电池堆的氢气入口导通以使得所述氢气源中的氢气通过燃料电池堆的氢气入口进入到所述燃料电池堆内。3.根据权利要求1所述的延长燃料电池寿命的方法，其特征在于，在燃料电池处于待机或关机状态下，燃料电池堆的空气入口、空气出口和氢气出口处于关闭状态，在燃料电池堆的氢气入口自燃料电池待机或关机时起保持开启状态10-20分钟后，关闭该燃料电池堆的氢气入口。4.根据权利要求1所述的延长燃料电池寿命的方法，其特征在于，所述氢气氛围的气体压力大于1个大气压。5.根据权利要求1-4任一所述的延长燃料电池寿命的方法，其特征在于，燃料电池待机或关机后在燃料电池堆上加上假负载以迅速将燃料电池堆的阴极腔室中残留的氧气快速反应掉。6.根据权利要求1-4任一所述的延长燃料电池寿命的方法，其特征在于，燃料电池待机或关机后采用氢气将燃料电池堆的阴极腔室中残留的氧气吹出。7.根据权利要求1-4任一所述的延长燃料电池寿命的方法，其特征在于，燃料电池待机或关机后在燃料电池堆上外加电源以将燃料电池堆的阴极腔室中残留的氧气反应掉。8.延长燃料电池寿命的装置，其特征在于，包括内部设置有燃料电池堆的气密壳体，所述壳体上设有导通壳体内外的壳体氢气入口和壳体氢气出口 ；所述壳体上还设有使与燃料电池堆相连的管路穿过且与所述管路外壁密合的孔洞；所述与燃料电池堆的相连管路包括燃料电池堆的氢气入口管路、燃料电池堆的氢气出口管路、燃料电池堆的空气入口管路、燃料电池堆的空气出口管路、燃料电池堆的冷却剂入口管路、燃料电池堆的冷却剂出口管路。9.根据权利要求8...
【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，马崴，齐志刚，
申请(专利权)人：张勇，马崴，齐志刚，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。