一種新的燃料電池運(yùn)行方式的制作方法
【專利摘要】一種新的燃料電池運(yùn)行方式，在陰極和陽極可以交換的燃料電池的電解質(zhì)膜的兩側(cè)，通過交替輪換輸入燃料和氧化劑，周期性地顛倒陽極和陰極；本發(fā)明不改變組件材料，僅用很少的成本和簡單的操作就大幅度延長燃料電池的使用壽命并有助解決質(zhì)子交換膜燃料電池一氧化碳中毒問題及清除空氣和燃料中少量催化劑污染物；可以廣泛應(yīng)用于便攜電源，固定電站，交通運(yùn)輸?shù)雀鞣N用途的燃料電池。
【專利說明】一種新的燃料電池運(yùn)行方式
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種能夠延長使用壽命及提高一氧化碳耐受力的燃料電池運(yùn)行方式。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池具有高效，清潔，低噪音，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于便攜電源，固定電站，交通運(yùn)輸?shù)雀鞣N用途，是新能源領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)；降低成本，延長壽命和選擇合適的氫源是其商業(yè)化的主要問題。
[0004]組件氧化腐蝕，催化劑的污染等原因造成的功能衰減嚴(yán)重影響燃料電池壽命，目前使用壽命與大規(guī)模商用目標(biāo)差距很大。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cells,簡稱PEMFCs)，在多種燃料電池中性能突出，易于啟動，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但使用壽命不理想；目前車用等情況下，一般在1500-2500小時(shí)左右，離5000小時(shí)的目標(biāo)相差較遠(yuǎn)；靜止電站連續(xù)工作情況下，目前一般在2萬-4萬小時(shí)(5年)左右，離10年的商業(yè)化目標(biāo)相差很大。研發(fā)者主要通過尋找新材料或改進(jìn)、添加組件材料或者增加附加系統(tǒng)增加燃料電池的耐久性，例如中國專利CN 101346839A,CN101826622A, CN101159334等，這增加了組件或系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前效果并不理想。
[0005]碳?xì)淙剂现卣茪溆邢Ｍ麨槿剂想姵靥峁┙?jīng)濟(jì)的氫燃料，但是重整制氫的氫燃料中一般含有令PEMFCs陽極催化劑中毒的一氧化碳(CO)，催化劑不能耐受10ppm-50ppm以上的CO，為解決這一問題，研發(fā)人員尋找抗CO中毒的陽極催化劑，在燃料氣中加少量空氣，開發(fā)耐較高溫度的膜等，但CO中毒這一長期困擾PEMFCs的難題至今沒有理想的解決方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決燃料電池使用壽命不夠長和CO中毒問題，本發(fā)明提供了一種新的燃料電池運(yùn)行方式，稱為“燃料電池倒極”，其特征是在陰極和陽極可以交換的燃料電池的電解質(zhì)膜兩側(cè)，通過交替輪換輸入燃料和氧化劑，周期性地顛倒陽極和陰極。不改變組件材料，不設(shè)置復(fù)雜的附加系統(tǒng)，卻能大幅度增加耐久性和對一氧化碳的耐受力；通過倒極，電解質(zhì)膜兩側(cè)組件分擔(dān)氧化腐蝕，通過按恰當(dāng)時(shí)間倒極，輪換輸入燃料和氧化劑，能清除空氣和燃料中的少量催化劑污染物，有助解決PEMFCs (質(zhì)子交換膜燃料電池)的一氧化碳的中毒問題。
[0007]本發(fā)明基于下列關(guān)于燃料電池的事實(shí):
I一般情況，陰極衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陽極；2在電解質(zhì)膜兩側(cè)組件和結(jié)構(gòu)可以對稱或接近對
稱；
3 一氧化碳毒化陽極催化劑需要一定時(shí)間；4吸附在鉬催化劑上的CO可以迅速被100%空氣(或氧氣)以催化反應(yīng)2C0+02=2C02清除
因?yàn)檠趸瘎┰斐筛唠娢缓透g性環(huán)境，以及啟停過程氫氣/空氣界面產(chǎn)生的反向電流導(dǎo)致陰極嚴(yán)重腐蝕等，一般運(yùn)行的燃料電池，在陰極一側(cè)組件(催化劑，催化劑載體，膜，氣體擴(kuò)散層，雙極板)的衰減率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陽極一側(cè)；多數(shù)情況下兩極衰減嚴(yán)重不平衡，當(dāng)陰極一側(cè)嚴(yán)重衰減失效時(shí)，陽極一側(cè)實(shí)際還可長時(shí)間使用。
[0008]燃料電池在電解質(zhì)膜兩側(cè)膜電極組件和腔室結(jié)構(gòu)可以對稱或接近對稱。事實(shí)上，多數(shù)PEMFCs有接近對稱的兩側(cè)組件和結(jié)構(gòu)，陰極陽極都用同樣的Pt/C碳負(fù)載的鉬催化劑，一般陰極0.3-0.5mg/cm2 Pt鉬，陽極0.1-0.3mg/cm2 Pt鉬，僅數(shù)量微有差別或相同；陰極陽極的催化劑載體，膜，氣體擴(kuò)散層，雙極板一樣。
[0009]本發(fā)明可以應(yīng)用于PEMPCs，PAFCs(磷酸燃料電池)或其他燃料電池，唯一要求是陰極陽極可以互換。最好使用對稱的燃料電池，電解質(zhì)膜兩側(cè)有同樣催化劑；通過倒極運(yùn)行，每一側(cè)在通入燃料的一段時(shí)間是陽極，在通入氧化劑的另一段時(shí)間變成陰極。
[0010]燃料電池有兩個(gè)通道連通腔室(單電池每個(gè)通道連通單個(gè)腔室，電池堆連通多個(gè)腔室)用來輸入燃料和氧化劑，例如稱為通道A和通道B，每個(gè)通道有一個(gè)進(jìn)口和出口 ；當(dāng)通道和腔室A通入燃料(富氫氣體)，通道和腔室B通入氧化劑(空氣或氧氣)時(shí)，腔室A中的電極用作陽極，腔室B中的電極用作陰極，我們稱為“燃料電池的A狀態(tài)”;當(dāng)通道和腔室B通入燃料(富氫氣體)，通道和腔室A通入氧化劑(空氣或氧氣)時(shí)，腔室B中的電極用作陽極，腔室A中的電極用作陰極，我們稱為“燃料電池的B狀態(tài)”。一般運(yùn)行的燃料電池不會改變狀態(tài)，燃料電池倒極運(yùn)行就是A狀態(tài)到B狀態(tài)，B狀態(tài)到A狀態(tài)，再循環(huán)重復(fù)。每一側(cè)在氧化劑環(huán)境的機(jī)會是一般運(yùn)行的燃料電池陰極的50%，就像汽車輪胎輪換交換位置一樣；氫氣和氧氣的周期性循環(huán)換位還有助于以催化的氧化還原反應(yīng)清除催化劑上的污染物；這樣倒極運(yùn)行可以大幅度延長燃料電池的使用壽命。
[0011]輸入含一氧化碳的富氫氣體的一定時(shí)間內(nèi)，PEMPCs正常工作，功能不變，因?yàn)橐谎趸歼€沒有覆蓋足夠的催化劑位點(diǎn)明顯影響催化。這段時(shí)間稱為死時(shí)間“Dead Time”。這段時(shí)間之后，燃料電池功能迅速下降。一氧化碳毒化陽極催化劑可視為一種“F0PDT —級反應(yīng)加死時(shí)間(First Oder Plus Dead Time)” 過程。(Ref.1)實(shí)際上 “Dead Time” 決定于燃料中一氧化碳的濃度，工作電流密度，電池溫度，陽極催化劑量(Ref.1，2)，下面是一些PEMFCs 修正后的“Dead Time” 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):IOOOppm CO: 25sec., 3000ppm CO: 10 sec., 1%C0:4sec.(600mA/cm2, 70°C) (Ref.1)，IOOppm CO:500sec.(200mA/ cm2, 80°C) (Ref.2)。
[0012]含一氧化碳的富氫氣體為燃料時(shí)，在一氧化碳還沒有覆蓋一側(cè)催化劑位點(diǎn)太多(燃料電池性能沒有明顯下降)時(shí)，停止輸入，為避免頻繁倒極時(shí)通道和腔室的剩余氣體與倒極后更換的氣體反應(yīng)損傷燃料電池，在倒極前加入一個(gè)耗盡過程，用燃料電池反應(yīng)耗盡通道和腔室內(nèi)的燃料和氧氣；倒極燃料電池，在這原來的陽極一側(cè)通入空氣(或氧氣)化劑，吸附在Pt催化劑上的CO可以迅速被100%空氣(或氧氣)清除，而燃料輸入到原來的陰極，催化劑剛被空氣清洗過的另一側(cè)。恰當(dāng)?shù)箻O運(yùn)行，有助于解決一氧化碳中毒的問題而燃料電池性能沒有明顯下降。
[0013]因?yàn)榈箻O時(shí)從燃料電池直接輸出的電的極性會改變，為保持原來的極性，可以通過重新連線，整流，使用機(jī)械或電子開關(guān)等方法將電的極性改變回來。
[0014]
方法的關(guān)鍵是按恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間參數(shù)“倒極時(shí)間T/’倒極。一旦運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk，立即或者等到燃料電池停止時(shí)倒極，隔一定的運(yùn)行時(shí)間在燃料電池停止或運(yùn)行時(shí)就倒極一次，如此反復(fù)循環(huán)。[0015]用本發(fā)明增加燃料電池壽命時(shí)，Te可根據(jù)原來不倒極運(yùn)行的壽命設(shè)定。Tk=原來不倒極運(yùn)行的壽命/n，n=2或η>2，η最好是一個(gè)偶數(shù)；當(dāng)η的值不太大，不用太多次數(shù)的倒極，就可讓膜兩側(cè)平均接受陰極的衰減；例如，原設(shè)計(jì)壽命(非倒極操作)1500小時(shí)，可設(shè)定η=6，Τε=1500/6=250小時(shí)，每隔運(yùn)行250小時(shí)倒極一次。
[0016]燃料是氫含一氧化碳時(shí)，用下述實(shí)施方法3，在控制裝置(例如程序控制器)設(shè)定倒極時(shí)間參數(shù)!^控制閥門；一般設(shè)STk小于或等于死時(shí)間“Dead Time”，使燃料電池性能沒有明顯下降；“Dead Time”可用一氧化碳中毒的瞬時(shí)實(shí)驗(yàn)測定或參照“Dead Time”數(shù)據(jù)。否則，運(yùn)行有更多功率損失。也可以根據(jù)電池電壓信號變化情況定設(shè)時(shí)間參數(shù)Tk，隔一定的運(yùn)行時(shí)間在燃料電池停止或運(yùn)行時(shí)就倒極一次，在一氧化碳沒有令燃料電池電壓下降到原來電壓的特定比例(比如99%，95%等)時(shí)，進(jìn)行倒極操作，如此反復(fù)循環(huán)。
[0017]有三種實(shí)施方法:
方法I重新連接管道操作
一般燃料電池有兩個(gè)進(jìn)口分別連接燃料和氧化劑的輸入管，兩個(gè)出口分別連接燃料和氧化劑的輸出管。
[0018]操作連接，可以令燃料電池處于A狀態(tài):燃料的輸入管連接通道和腔室A的進(jìn)口，燃料的輸出管連接通道和腔室A的出口。氧化劑輸入管連接通道和腔室B的進(jìn)口，氧化劑輸出管連接通道和腔室B的出口。
[0019]操作連接，可以令燃料電池處于B狀態(tài):燃料的輸入管連接通道和腔室B的進(jìn)口，燃料的輸出管連接通道和腔室B的出口。氧化劑輸入管連接通道和腔室A的進(jìn)口，氧化劑輸出管連接通道和腔室A的出口。
[0020]有時(shí)，燃料電池的出口直接排空，并不接輸出管，此時(shí)只重新連接進(jìn)口和輸入管。
[0021]倒極運(yùn)行
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到“倒極時(shí)間(Τκ)”，立即或等到燃料電池停止時(shí)操作重新連接，令燃料電池處于B狀態(tài)。2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到“倒極時(shí)間(Tk) ”，立即或等到燃料電池停止時(shí)操作重新連接，令燃料電池處于A狀態(tài)。
[0022]重復(fù)1-2
因?yàn)榈箻O時(shí)從燃料電池直接輸出的電的極性會改變，為保持原來的極性，倒極時(shí)需要將電的極性改變回來。一種方法重新連接線操作:將負(fù)極輸出電線連到原來的燃料電池正極，將正極輸出電線連到原來的燃料電池負(fù)極；下次倒極再返回來。一種方法是用機(jī)械開關(guān)或電子開關(guān)，另一種方法是連接整流電路。
[0023]此法可用來作為增加燃料電池壽命的簡單方法，可以在燃料電池定期檢查或修理時(shí)實(shí)施倒極，或者特別設(shè)定倒極實(shí)施的時(shí)間，在車輛和電源等使用的情況下很方便。
[0024]方法2用閥操作
每個(gè)燃料電池通道入口連接兩個(gè)并聯(lián)的輸入閥，一個(gè)閥連接燃料輸入管，另一個(gè)閥連接氧化劑輸入管；每個(gè)通道出口連接兩個(gè)并聯(lián)的輸出閥，一個(gè)閥連接燃料輸出管，另一個(gè)閥連接氧化劑輸出管。如圖1:9 Vfia:連接通道和腔室A進(jìn)口的燃料輸入閥、10 Vfoa:連接通道和腔室A出口的燃料輸出閥、11 VraB:連接通道和腔室B進(jìn)口的氧化劑輸入閥、12 Vtob:連接通道和腔室B出口的氧化劑輸出閥、13 Voia:連接通道和腔室A進(jìn)口的氧化劑輸入閥、14V00A:連接通道和腔室A出口的氧化劑輸出閥、15 Vfib:連接通道出和腔室B進(jìn)口的燃料輸入閥、16 Vfob:連接通道和腔室B出口的燃料輸出閥。
[0025]操作于閥，可以令燃料電池處于A狀態(tài):打開VFIA，Vfoa, Voib, Voob;關(guān)閉VraA，Vooa,Vfib, VF()B。操作于閥，可以令燃料電池處于B狀態(tài):打開VmPVm^Vfib, VF(B;關(guān)閉Vfia，Vfqa，
^oib ? Voob。
[0026]有些情況，燃料電池的出口并不接輸出管，直接排空；此時(shí)可以在每個(gè)出口僅接一個(gè)輸出閥:連接通道和腔室A出口的輸出閥\k,連接通道和腔室B出口的輸出閥Vf
[0027]操作于閥，可以令燃料電池處于A狀態(tài):打開VFIA，VQA，VQIB，VQB。關(guān)閉VQIA，VFIB。
[0028]操作于閥，可以令燃料電池處于B狀態(tài):打開VQIA，V0A, Vfib, Vqb。關(guān)閉VFIA，，VQIB。
[0029]有時(shí)，燃料 電池的燃料出口常關(guān)閉操作，不難對以上進(jìn)行改動，令燃料的出口閥關(guān)閉，其他閥不變。
[0030]倒極運(yùn)行
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到“倒極時(shí)間T/’，立即或等到燃料電池停止時(shí)操作閥，令燃料電池處于B狀態(tài)。2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到“倒極時(shí)間T/’，立即或等到燃料電池停止時(shí)操作閥，令燃料電池處于A狀態(tài)。
[0031]重復(fù)1-2
可以手工操作閥；也可以用可控閥(例如電磁閥，氣動閥或液壓閥)半自動操作；還可用自動程序控制裝置控制可控閥全自動操作，在控制裝置中輸入程序和參數(shù)，控制裝置發(fā)出指令給閥，循環(huán)1-2步驟運(yùn)行燃料電池。
[0032]因?yàn)榈箻O時(shí)從燃料電池直接輸出的電的極性會改變，為保持原來的極性，倒極時(shí)需要將電的極性改變回來。一種方法通過連線操作:將負(fù)極輸出電線連到原來的燃料電池正極，將正極輸出電線連到原來的燃料電池負(fù)極；下次倒極再返回來。一種方法是用機(jī)械開關(guān)或電子開關(guān)。一種方法是連接整流電路。另一種方法是用電子開關(guān)變換電的正負(fù)，控制閥的程序控制裝置同時(shí)控制電子開關(guān)。
[0033]此法可用來增加燃料電池的使用壽命。
[0034]方法3用可控閥自動操作，并增加耗盡過程
可控閥(例如電磁閥，氣動閥或液壓閥)連接到燃料電池通道入口出口方式同方法2 (如圖1)，用自動程序控制裝置控制閥。連接電子裝置(例如:整流濾波器或電子開關(guān))處理直接從燃料電池輸出的電。在控制裝置中輸入程序和參數(shù)，控制裝置發(fā)出指令給閥。
[0035]倒極前加入一個(gè)耗盡過程:使通道關(guān)閉而燃料電池保持運(yùn)行，陽極通道和腔室的剩余氫氣與陰極通道和腔室的剩余氧氣會被燃料電池反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)耗盡。耗盡過程中，隨剩余氫氣與剩余氧氣濃度下降，電池電壓迅速下降。電流越大，耗盡時(shí)間越短。用一個(gè)電路或傳感器監(jiān)視電池電壓并向控制裝置發(fā)信號，在程序控制裝置上設(shè)定指令，令耗盡過程從運(yùn)行達(dá)到“倒極時(shí)間TK”開始，當(dāng)電池電壓下降到特定值時(shí)結(jié)束，或者到預(yù)先設(shè)定的耗盡過程時(shí)間結(jié)束。耗盡過程的時(shí)間可以在不同條件下根據(jù)電壓從一般水平下降到特定值的時(shí)間測得(例如從0.680伏特到0.030伏特)，或依據(jù)電流密度和剩余氣體在通道和腔室的體積計(jì)算出。
[0036]陽極通道和腔室的剩余氫氣與陰極通道和腔室的剩余氧氣應(yīng)當(dāng)在量上，依據(jù)化學(xué)計(jì)量比例(按燃料電池的反應(yīng)方程:2H2+02=2H20，O2占空氣體積的21%，I體積H2匹配約
2.38體積空氣或者0.5體積純氧氣)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)匹配。所以在耗盡過程中，用空氣為氧化劑時(shí)，先停止輸入燃料再停止輸入空氣，用純氧氣為氧化劑時(shí)，先停止輸入純氧氣再停止輸入燃料。延遲時(shí)間可依據(jù)燃料電池的參數(shù)計(jì)算出并設(shè)定在控制裝置之中，也可以根據(jù)電池電壓信號的變化情況設(shè)定。
[0037]狀態(tài)A的耗盡過程:
空氣為氧化劑時(shí)，先關(guān)閉Vfi^PVfm (或Vm，直接排空時(shí))，再關(guān)閉Vmb和Vmjb (或Vot)。燃料剩余，耗盡在通道和腔室A ;空氣輸入，剩余，耗盡在通道和腔室B。
[0038]純氧為氧化劑時(shí)，先關(guān)閉VraB和(或Vob),再關(guān)閉Vfia和Vm (或Voa)ο燃料輸入，剩余，耗盡在通道和腔室A ;純氧剩余,耗盡在通道和腔室B。
[0039]狀態(tài)B的耗盡過程:
空氣為氧化劑時(shí)，先關(guān)閉Vfib和Vtob (或Vob),再關(guān)閉VraA和Vmja (或Voa)0燃料剩余，耗盡在通道和腔室B ;空氣輸入，剩余，耗盡在通道和腔室A。
[0040]純氧為氧化劑時(shí)，先關(guān)閉VraA和Vtoa (或Voa)0再關(guān)閉Vfib和Vtob (或Vob)0燃料輸入，剩余，耗盡在通道和腔室B ;純氧剩余,耗盡在通道和腔室A。
[0041]倒極運(yùn)行
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到“倒極時(shí)間(Tk) ”，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即或等到燃料電池停止時(shí)，程序控制裝置控制閥的開和關(guān)，令燃料電池處于B狀態(tài)。2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到“倒極時(shí)間(Tk) ”，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即或等到燃料電池停止時(shí)，程序控制裝置控制閥的開和關(guān)，令燃料電池處于A狀態(tài)。
[0042]重復(fù)1-2
因陰極陽極周期性地顛倒，從燃料電池直接輸出的電是低頻率交流電，耗盡過程會產(chǎn)生電的雜波?？捎靡粋€(gè)連接在燃料電池上的電子裝置將低頻率交流電變成標(biāo)準(zhǔn)的直流電。一種方法是用整流器或整流濾波器；另一種方法是用控制閥的程序控制裝置配合控制電子開關(guān)變換電的極性。
[0043]此法可用來增加燃料電池壽命，可用來解決燃料電池的一氧化碳中毒問題。
[0044]本發(fā)明改變?nèi)剂想姵氐倪\(yùn)行方式而不改變組件材料，僅用很少的成本和簡單的操作就大幅度延長燃料電池的使用壽命，比如在PEMFCs膜兩側(cè)采用同樣數(shù)量的Pt/C催化劑，令陰陽兩極可以互換，僅增加1/3的催化劑成本，總成本僅增加約3%_9%，就可以令燃料電池增加近兩倍壽命；本發(fā)明還有助解決PEMFCs (質(zhì)子交換膜燃料電池)的一氧化碳的中毒問題，及清除空氣和燃料中的少量催化劑污染物。
[0045]
【專利附圖】

【附圖說明】:
本發(fā)明共有一張附圖，圖1:用閥操作的燃料電池倒極運(yùn)行圖，圖1中:
I氧化劑輸出管道、2燃料輸出管道、3電子裝置、4燃料電池、5腔室A、6腔室B、7燃料輸入管道、8氧化劑輸入管道、9 Vfia:連接通道和腔室A進(jìn)口的燃料輸入閥、10 Vtoa:連接通道和腔室A出口的燃料輸出閥、11 VraB:連接通道和腔室B進(jìn)口的氧化劑輸入閥、12 Vtob:連接通道和腔室B出口的氧化劑輸出閥、13 Voia:連接通道和腔室A進(jìn)口的氧化劑輸入閥、14V00A:連接通道和腔室A出口的氧化劑輸出閥、15 Vfib:連接通道出和腔室B進(jìn)口的燃料輸入閥、16 Vfob:連接通道和腔室B出口的燃料輸出閥。
[0046]
【具體實(shí)施方式】
下面用實(shí)例說明【具體實(shí)施方式】:
實(shí)例I PEMFCs，原設(shè)計(jì)壽命(非倒極操作)1500小時(shí)，600次啟停，氫氣為燃料，空氣為氧化劑；電解質(zhì)膜兩側(cè)用同樣的Pt/C催化劑，同樣量0.4mg/cm2 Pt，同樣的氣體擴(kuò)散層，雙極板組件。
[0047]按實(shí)施方法1，設(shè)定Tk =250小時(shí)=1500小時(shí)/6。手工操作倒極運(yùn)行:
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =250小時(shí)后，等到燃料電池停止時(shí)，手工操作重新連接，令燃料電池處于B狀態(tài)。將負(fù)極輸出電線連到原來的燃料電池正極，將正極輸出電線連到原來的燃料電池負(fù)極。2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =250小時(shí)后，燃料電池停止時(shí)，手工操作重新連接，令燃料電池處于A狀態(tài)。將負(fù)極輸出電線連回到原來的燃料電池負(fù)極，將正極輸出電線連回到原來的燃料電池正極。
[0048]循環(huán)重復(fù)1-2。
[0049]
實(shí)例2 PEMFCs，氫氣為燃料，空氣為氧化劑；電解質(zhì)膜兩側(cè)用同樣的Pt/C催化劑，同樣量0.4mg/cm2 Pt,同樣的氣體擴(kuò)散層，雙極板組件。
[0050]按實(shí)施方法2，用閥連接燃料電池的燃料和空氣通道入口出口，連接整流電路處理直接從燃料電池輸出的電。
[0051]設(shè)定Tk =150小時(shí)，手工操作閥倒極運(yùn)行:
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =150小時(shí)，立即或等到燃料電池停止時(shí)操作閥，令燃料電池處于B狀態(tài)。2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =150小時(shí)，立即或等到燃料電池停止時(shí)操作閥，令燃料電池處于A狀態(tài)。
[0052]循環(huán)重復(fù)1-2。
[0053]
實(shí)例3 PEMFCs，氫氣為燃料，空氣為氧化劑；電解質(zhì)膜兩側(cè)用同樣的Pt/C催化劑，同樣量0.4mg/cm2 Pt,同樣的氣體擴(kuò)散層，雙極板組件。
[0054]按實(shí)施方法3，用電磁閥連接燃料電池的燃料和空氣通道入口出口，用程序控制裝置控制電磁閥，在燃料電池與輸出電路間連接整流濾波電路；設(shè)定Tk =100小時(shí)，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =100小時(shí)，耗盡過程開始，當(dāng)電池電壓下降到0.010伏特時(shí)結(jié)束。自動控制倒極運(yùn)行:
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =100小時(shí)，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣);立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于B狀態(tài)。2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =100小時(shí)，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于A狀態(tài)。循環(huán)重復(fù)1-2。[0055]
實(shí)例4 PEMFCs，用含3000ppm —氧化碳的氫氣為燃料，空氣為氧化劑；電解質(zhì)膜兩側(cè)用同樣的氣體擴(kuò)散層，雙極板組件，同樣的Pt/C催化劑，同樣量0.45mg/cm2 Pt。電池溫度75°C,工作電流密度500mA/ cm2。
[0056]按實(shí)施方法3，用電磁閥連接燃料電池的燃料和空氣通道入口出口，用程序控制裝置控制電磁閥，在燃料電池與輸出電路間連接整流濾波電路；
設(shè)定Tk =10秒，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Τκ，耗盡過程開始，當(dāng)電池電壓下降到0.010伏特時(shí)結(jié)束。自動控制倒極運(yùn)行:
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到!1, =10秒，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于B狀態(tài)。2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =10秒，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于A狀態(tài)。
[0057]循環(huán)重復(fù)1-2。
[0058]
實(shí)例5 PEMFCs，用含1000ppm —氧化碳的氫氣為燃料，空氣為氧化劑；電解質(zhì)膜兩側(cè)用同樣的氣體擴(kuò)散層，雙極板組件，同樣的Pt/C催化劑，同樣量0.45mg/cm2 Pt。電池溫度75°C,工作電流密度600mA/ cm2。
[0059]按實(shí)施方法3，用電磁閥連接燃料電池的燃料和空氣通道入口出口，用程序控制裝置控制電磁閥，在燃料電池與輸出電路間連接電子開關(guān)電路；設(shè)定Tk =20秒，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Τκ，耗盡過程開始，當(dāng)電池電壓下降到0.010伏特時(shí)結(jié)束。自動控制倒極運(yùn)行:
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到!1, =20秒，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于B狀態(tài)。
[0060]2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =20秒，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于A狀態(tài)。
[0061]循環(huán)重復(fù)1-2。
[0062]
實(shí)例6 PEMFCs，用含IOOppm —氧化碳的氫氣為燃料，空氣為氧化劑；電解質(zhì)膜兩側(cè)用同樣的氣體擴(kuò)散層，雙極板組件，同樣的Pt/C催化劑，同樣量0.45mg/cm2 Pt。燃料電池工作溫度75°C，工作電流密度200mA/ cm2。
[0063]按實(shí)施方法3，用電磁閥連接燃料電池的燃料和空氣通道入口出口，用程序控制裝置控制電磁閥，在燃料電池與輸出電路間連接整流濾波電路；設(shè)定Tk =400秒，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Τκ，耗盡過程開始，當(dāng)電池電壓下降到0.010伏特時(shí)結(jié)束。自動控制倒極運(yùn)行:
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =400秒，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于B狀態(tài)。
[0064]2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =400秒，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于A狀態(tài)。
[0065]循環(huán)重復(fù)1-2。
[0066]
實(shí)例7磷酸燃料電池，用含0.1% 一氧化碳的氫氣為燃料，空氣為氧化劑；電解質(zhì)膜兩側(cè)用同樣的Pt/C催化劑，同樣量0.5mg/cm2 Pt，同樣的氣體擴(kuò)散層，雙極板組件，燃料電池工作溫度190°C，工作電流密度300mA/cm2。
[0067]按實(shí)施方法3，用電磁閥連接燃料電池的燃料和空氣入口通道出口，用程序控制裝置控制電磁閥，在燃料電池與輸出電路間連接電子開關(guān)電路；設(shè)定Tk =300小時(shí)，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =300小時(shí)，耗盡過程開始，當(dāng)電池電壓下降到0.010伏特時(shí)結(jié)束。自動控制倒極運(yùn)行:
1.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)A并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =300小時(shí)，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于B狀態(tài)。2.運(yùn)行燃料電池于狀態(tài)B并開始自動記錄運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)間達(dá)到Tk =300小時(shí)，耗盡通道和腔室里余下的反應(yīng)物(氫氣和氧氣)；立即控制電磁閥的開和關(guān)，令燃料電池處于A狀態(tài)。 [0068]循環(huán)重復(fù)1-2。
[0069]
References
1.W.-K.Lee, J.W.Van Zee, and M.Murthy.Characterizing CO Transients in aPEMFC Fuel Cells 2003，3，N0.1-2:52-58
2.JingxinZhang.2004.1nvestigation of Tolerance in Proton ExchangeMembrane Fuel Cells (D) Ph.D.Dissertation Worcester Polytechnic Institute238pp.
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池運(yùn)行方式，其特征是:在陰極和陽極可以交換的燃料電池的電解質(zhì)膜兩側(cè)，通過交替輪換輸入燃料和氧化劑，周期性地顛倒陽極和陰極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行方式，其特征是:根據(jù)原來不倒極運(yùn)行的壽命設(shè)定倒極時(shí)間，隔一定的運(yùn)行時(shí)間在燃料電池停止或運(yùn)行時(shí)就倒極一次，如此反復(fù)，用來延長燃料電池使用壽命，倒極時(shí)間Tk=原來不倒極運(yùn)行的壽命/η，η是一個(gè)數(shù)字，η=2或η>2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行方式，其特征是:含一氧化碳的富氫氣體為燃料時(shí)，倒極時(shí)間小于或者等于死時(shí)間“Dead Time”，隔一定的運(yùn)行時(shí)間在燃料電池停止或運(yùn)行時(shí)就倒極一次，如此反復(fù)循環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行方式，其特征是:含一氧化碳的富氫氣體為燃料時(shí)，根據(jù)燃料電池電壓信號變化情況定設(shè)倒極時(shí)間，隔一定的運(yùn)行時(shí)間在燃料電池停止或運(yùn)行時(shí)就倒極一次，在一氧化碳沒有令燃料電池電壓下降到原來電壓的特定比例時(shí)，進(jìn)行倒極操作，如此反復(fù)循環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行方式，其特征是:在倒極前加入一個(gè)耗盡過程，用燃料電池反應(yīng)消耗殘留在通道和腔室內(nèi)的燃料和氧化劑，避免頻繁倒極時(shí)通道和腔室的剩余氣體與倒極后更換的氣體反應(yīng)損傷燃料電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行方式，其特征是:通過重新連線，或者整流，或者使用機(jī)械或電子開關(guān)方法將在倒極時(shí)從燃料電池直接輸出的電的極性改變回來。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行方式，其特征是:通過重新連接燃料和氧化劑的管道進(jìn)行倒極操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行方式，其特征是:通過在連接燃料和氧化劑的管道上設(shè)置閥，控制閥進(jìn)行倒極操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行方式，其特征是:通過在連接燃料和氧化劑的管道上設(shè)置閥，用自動裝置控制閥進(jìn)行自動倒極操作。
【文檔編號】H01M8/04GK103996864SQ201310052470
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月18日
【發(fā)明者】黃潮 申請人:黃潮