專(zhuān)利名稱：一種提高燃料電池運(yùn)行安全的操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體為一種提高燃料電池運(yùn)行安全的操作方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料與氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電極上的電催化反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它不受卡諾循環(huán)的限制，可以高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。至今人們已開(kāi)發(fā)出堿性、磷酸型、熔融碳酸鹽型、高溫固體電解質(zhì)型和質(zhì)子交換膜型等五種類(lèi)型的燃料電池。其中質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，簡(jiǎn)稱PEMFC)有著廣闊的應(yīng)用前景，它能低溫啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便；已被公認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)、區(qū)域性電站、移動(dòng)式電源、潛艇、航天器等的首選能源。
PEM燃料電池是以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)、氫或凈化重整氣為燃料、空氣或氧氣為氧化劑的燃料電池，電池工作時(shí)在催化劑的作用下，陽(yáng)極反應(yīng)為
該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，氫離子則經(jīng)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極發(fā)生反應(yīng)生成水
生成的水大部分以液態(tài)形式存在，通常通過(guò)電極隨反應(yīng)尾氣排水。
燃料電池主要有膜電極(MEA)和雙極板組成，用于制作MEA的導(dǎo)電膜一般采全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，此種膜具有微量的透氣性，同時(shí)燃料電池組在組裝過(guò)程中也有可能導(dǎo)致燃料電池組中個(gè)別節(jié)發(fā)生微量串氣現(xiàn)象，燃料電池的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行也會(huì)加劇陰陽(yáng)極之間串氣現(xiàn)象的發(fā)生(質(zhì)子交換膜的損壞、密封元件的變形等原因)，利用常規(guī)的燃料電池操作方法進(jìn)行電池的運(yùn)行，會(huì)因陰極氣體在陽(yáng)極氣體的積累發(fā)生爆炸現(xiàn)象；同時(shí)隨著燃料電池的大功率運(yùn)行，陽(yáng)極一側(cè)水較難排出成為導(dǎo)致燃料電池?zé)o法正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素，因此如何改善陽(yáng)極一側(cè)水管理已成為燃料電池發(fā)展的重要課題之一；本發(fā)明是通過(guò)改變?nèi)剂想姵剡\(yùn)行中的陰陽(yáng)極工作壓力來(lái)提高燃料電池運(yùn)行的安全性和改善陽(yáng)極一側(cè)排水壓力的操作方法，目前還未見(jiàn)有公開(kāi)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種有效提高燃料電池運(yùn)行安全的操作方法，該操作方法采用陽(yáng)極工作壓力高于陰極工作壓力下進(jìn)行燃料電池的運(yùn)行。該方法保證了燃料電池在陰陽(yáng)極之間產(chǎn)生微兩串氣的情況下能夠穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)降低陰極水向陽(yáng)極一側(cè)遷移，減少陽(yáng)極一側(cè)MEA水淹現(xiàn)象發(fā)生，在一定程度上提高了燃料電池的運(yùn)行穩(wěn)定性；由于陽(yáng)極一側(cè)水量降低，因此陽(yáng)極一側(cè)氫氣的排氣量降低，從而提高了燃料電池運(yùn)行中的氫氣利用率。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明將燃料電池在電池運(yùn)行時(shí)保持陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力，一般陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力0.01～0.05MPa，最佳陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力0.01～0.03MPa。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是1.本發(fā)明提出了一種利用陽(yáng)極氣體工作壓力高于陰極氣體工作壓力來(lái)提高燃料電池運(yùn)行安全的操作方法。
2.采用本發(fā)明技術(shù)，燃料電池可以在陰陽(yáng)極之間微量串氣的情況下安全運(yùn)行。
3.采用本發(fā)明技術(shù)，可以減少陽(yáng)極一側(cè)的水量，防止電池水淹，有利于電池的穩(wěn)定運(yùn)行。
4.按照本發(fā)明可以阻止電池生成水從陰極向陽(yáng)極遷移，減輕陽(yáng)極一側(cè)排水壓力，降低陽(yáng)極一側(cè)氫氣的排氣量，提高了燃料電池的氫氣利用率。
本發(fā)明操作性很強(qiáng)，基本不改變現(xiàn)有的燃料電池操作模式，只是將燃料電池在電池運(yùn)行時(shí)保持陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力(一般陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力0.01～0.05MPa，最佳為0.01～0.03MPa)。由于用于組裝燃料電池的質(zhì)子交換膜本身具有微量串氣性，同時(shí)在燃料電池組裝過(guò)程中也可能導(dǎo)致陰陽(yáng)極之間產(chǎn)生微串現(xiàn)象；在燃料電池運(yùn)行中這種微串現(xiàn)象會(huì)不斷加重(膜的破損、密封元件的變形等原因)。由于人們追求燃料電池燃料的高效率，因此燃料電池的氫氣利用率很高，有時(shí)為零排放，燃料電池在微量串氣時(shí)運(yùn)行，陰極氣體會(huì)微串到陽(yáng)極一側(cè)，由于反應(yīng)氣體不能排出(因?yàn)殛?yáng)極氣體在燃料電池運(yùn)行中幾乎零排放)，會(huì)導(dǎo)致燃料電池性能下降，嚴(yán)重時(shí)燃料電池發(fā)生爆炸。采用陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力進(jìn)行燃料電池運(yùn)行操作，可以有效避免此種安全事故發(fā)生，由于陰極氣體一般為空氣，其中90％以上的氣體需要從燃料電池中排出，因此如果電池中發(fā)生微量串氣現(xiàn)象時(shí)，由于陽(yáng)極壓力高于陰極氣體壓力，陽(yáng)極氣體會(huì)微串到陰極一側(cè)，微串過(guò)來(lái)的氣體會(huì)同尾氣一同排出，不會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生積累，電池運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。同時(shí)由于操作中保持陽(yáng)極壓力高于陰極氣體壓力，降低了電池中水從陰極向陽(yáng)極遷移量，減輕了陽(yáng)極的排水壓力，從而提高了電池運(yùn)行的穩(wěn)定性，由于陽(yáng)極一側(cè)水的排出是通過(guò)排放一定量的氫氣將水排出，減少陽(yáng)極一側(cè)水的排出量，也就是減少氫氣的排出，因此提高了電池的氫氣利用率。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將燃料電池在電池運(yùn)行時(shí)保持陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力，陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力控制在0.01～0.03MPa范圍之內(nèi)。燃料電池陰、陽(yáng)極氣體壓力利用減壓穩(wěn)壓器實(shí)來(lái)現(xiàn)陰、陽(yáng)氣體的壓力調(diào)節(jié)控制，在常規(guī)下的燃料電池操作運(yùn)行中一般采用陰、陽(yáng)電極壓力平衡(相等)的方式進(jìn)行燃料電池的運(yùn)行，本發(fā)明通過(guò)調(diào)整陰陽(yáng)極氣體減壓穩(wěn)壓器控制陰陽(yáng)極氣體壓力，使電池運(yùn)行時(shí)保持陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力，即燃料電池運(yùn)行時(shí)氫氣壓力高于空氣(或氧氣)壓力，如控制陽(yáng)極氣體壓力為0.22MPa，陰極氣體壓力為0.2MPa進(jìn)行燃料電池的運(yùn)行，由于陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力，阻止陰極氣體向陽(yáng)極一側(cè)串氣，有效的提高電池運(yùn)行的安全性，同時(shí)降低電池生成水從陰極向陽(yáng)極一側(cè)遷移，減輕了陽(yáng)極一側(cè)排水壓力，提高了電池運(yùn)行的穩(wěn)定性，由于陽(yáng)極一側(cè)的水是通過(guò)排放一定的氫氣將水排除，減輕陽(yáng)極的排水壓力也就提高了燃料電池的氫氣利用率；因此利用本方法進(jìn)行燃料電池的操作運(yùn)行可以有效提高燃料電池運(yùn)行的安全性，減輕陽(yáng)極一側(cè)排水壓力，有助于提高電池的穩(wěn)定性和燃料電池中的氫氣利用率。
權(quán)利要求
1.一種提高燃料電池運(yùn)行安全的操作方法，其特征在于將燃料電池在電池運(yùn)行時(shí)保持陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力，使燃料電池運(yùn)行時(shí)氫氣壓力高于空氣或氧氣壓力。
2.按照權(quán)利要求1所述提高燃料電池運(yùn)行安全的操作方法，其特征在于所述陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力在0.01～0.05MPa之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體為一種提高燃料電池運(yùn)行安全的操作方法。在燃料電池運(yùn)行時(shí)，保持陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力進(jìn)行操作。所述陽(yáng)極氣體壓力高于陰極氣體壓力在0.01～0.03MPa之間。按照本發(fā)明可以有效地提高燃料電池運(yùn)行的安全性，減輕陽(yáng)極一側(cè)排水壓力，有助于提高電池的穩(wěn)定性和電池的氫氣利用率。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1787267SQ20041008291
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者燕希強(qiáng), 侯明, 洪有陸, 明平文, 衣寶廉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所