專利名稱：：一種燃料電池延長使用壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種延長燃料電池使用壽命的方法，屬于燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域：
。技術(shù)背景燃料電池是在催化劑的作用下，直接將燃料(及氧化劑)的化學能不斷轉(zhuǎn)換為電能的電化學裝置。燃料電池以能量轉(zhuǎn)換率高、零污染等優(yōu)勢越來越受到各國政府的重視。近年來，在各國政府和機構(gòu)的努力下燃料電池的技術(shù)取得了很大進步，然而要滿足商業(yè)化的要求，燃料電池不僅要滿足性能方面的要求，還必須具備良好的穩(wěn)定性、可靠性和壽命(侯中軍，衣寶廉.質(zhì)子交換膜燃料電池性能衰減研究進展.電源技術(shù).2005，29(7):482-487)。車用燃料電池的額定工作電壓為單片0.7V，一般采用此電壓下的電流密度作為衡量燃料電池性能的參數(shù)(見JamesLarminie，AndrewDicks.Fuelcellsystemsexplained.JohnWiley&Sons,Ltd,BaffinsLane,Chichester,England.January2002)。以現(xiàn)階段的研究成果來看，雖然現(xiàn)有燃料電池在穩(wěn)定工況下作為電源能夠通過20000h考核，但是當燃料電池作為車用電源時，壽命只能達到2000h左右，有的甚至更短(KulikovskyAA，ScharmannH,WippermannK,etal.Dynamicsoffuelcellperformancedegradation.ElectrochemistryCommunications[J]，2004(6):75-82.)0車用燃料電池壽命遠小于在穩(wěn)定工況下工作的燃料電池的壽命的主要因素是汽車在使用燃料電池作為動力的過程中存在大量的變載操作和頻繁的起停操作。延長燃料電池壽命的方法，一般可以從改善質(zhì)子交換膜的強度(GoreionomersimproveMEAperformance,MembraneTechnology.Volume2003，Issue8，August2003,Page1)或提高催化齊U的穩(wěn)定性(如Scodelaro，F(xiàn)edericoA.;Hoyos，Bibian;Balzano,Leandro;Resasco,DanielE,PerformanceofPEMfuelcellelectrodesusingsinglewallcarbonnanotubesascatalystsupport.2005AIChEAnnualMeetingandFallShowcase,ConferenceProceedings,2005,p10883)等化學方面入手，還可以通過提高氫氣燃料的純度(Benesch，Robert;Jacksier，Tracey，HydrogenandmaterialqualityissuesforPEMfuelcells.2005IEEEVehiclePowerandPropulsionConference,VPPC,2005，p481-486)或?qū)諝膺M行除硫過濾(deWild,P.J.;Nyqvist，R.G.;deBruijn,F.A.;Stobbe，E.R，Removalofsulphur-containingodorantsfromfuelgasesforfuelcell—basedcombinedheatandpowerapplications.JournalofPowerSources,v159，n2,Sep22，2006，p995-1004)等操作著手。延長壽命的化學方法研發(fā)周期長，成本高，對現(xiàn)有的燃料電池必須更換質(zhì)子交換膜才能延長壽命。除硫過濾裝置的使用可以有效的延長燃料電池壽命，但增加了燃料電池系統(tǒng)的部件，另外，對于一些空氣質(zhì)量很好的地區(qū)，含硫量比較少，除硫過濾裝置的使用效果就不明顯了。在變載操作上，清華大學在燃料電池城市客車上借助混合動力系統(tǒng)構(gòu)型的方便性，減少燃料電池變載頻次、減緩燃料電池變載過程，提高了燃料電池使用壽命。在起停操作上，停機后把燃料電池堆內(nèi)的水吹掃出去，可以防水淹和防凍(如S.Y.Lee，E.A.Cho,J.H.Lee，H.J.Kim,T.H丄im，I.H.Oh,J.Won,EffectsofpurgingonthedegradationofPEMFCsoperatingwithrepetitiveon/offcycles,JournaloftheElectrochem.Soc.,2007，154(2)B194-B200)，這對燃料電池工作的可靠性和耐久性是有利的。不過，有人指出開路電壓下氣體的連續(xù)吹掃會導致質(zhì)子交換膜厚度的大幅減小(如S.Y.Lee,E.A.Cho,J.H.Lee，etal.EffectsofpurgingonthedegradationofPEMFCsoperatingwithrepetitiveon/offcycles[J].7"o〃r朋7o/t/e^7ec^roc力柳，2007，154(2):B194-B200)，質(zhì)子交換膜是催化劑的載體，厚度變小后，催化劑會大量流失，從而使得燃料電池的性能下降，壽命縮短。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是給出一種操作方法，可以明顯減少起停操作引起的燃料電池壽命衰減。本發(fā)明的方法，是在燃料電池停止工作后對燃料電池進行處理的方法。其技術(shù)特征是由質(zhì)子交換膜燃料電池堆(1)、放電負載(2)和開關(guān)(3)構(gòu)成一套電路系統(tǒng)；在燃料電池停止工作之后，通過開關(guān)(3)的控制，用放電負載(2)對燃料電池堆(1)進行放電，快速消除燃料電池堆(1)上的殘留電荷。待燃料電池堆(1)上的各片電壓均降到O.l伏以下時，再通過開關(guān)(3)斷開放電負載(2)。其中，開關(guān)(3)應選用安全性較好的開關(guān)，避免在閉合的過程中產(chǎn)生電路點接觸，從而引起部件損壞等事故；放電負載(2)的選擇應根據(jù)實際的燃料電池堆開路電壓的大小確定，保證在開關(guān)(3)閉合后的5秒之內(nèi)使燃料電池堆上各片電池的電壓均降到O.l伏以下。在燃料電池汽車上，可采用燃料電池輔助系統(tǒng)的水泵作為放電負載(2)，用一個開關(guān)(3)控制放電負載(2)與燃料電池堆(1)的接通和斷開，這樣不需要增加額外的負載電阻，節(jié)省了部件。本發(fā)明專利的有益效果是，與以往質(zhì)子交換膜燃料電池停機后不進行放電處理相比，可以明顯減少燃料電池的性能衰減量，延長燃料電池的壽命。圖l是本發(fā)明的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。圖2為未采用本發(fā)明時停機后燃料電池的電壓變化情況示意圖。圖3為燃料電池穩(wěn)態(tài)極化曲線的測試工況示意圖。圖4為未采用本發(fā)明時燃料電池的性能衰減情況示意圖。圖5為采用本發(fā)明時燃料電池的性能衰減情況示意圖。具體實施方式當不采用本發(fā)明的方法，燃料電池在停機以后不使用外接負載來快速消除其上的殘留電荷，燃料電池就會保持比較高的開路電壓。此時停機后的操作過程如下-1)燃料電池停止工作后，觀測燃料電池堆上的電壓變化，開路電壓要維持3min左右的高電壓(單片平均電壓〉0.8V)，之后開路電壓才逐漸下降，如圖2;2)25min以后，燃料電池的單片電壓均降到0.1伏以下，此時放電過程結(jié)束；3)重新啟動燃料電池進入下一個起停過程；4)每10次起停操作后測量一次穩(wěn)態(tài)極化曲線，測試工況如圖3和表1所示，根據(jù)極化曲線擬合出單片電池額定電壓0.7V所對應的電流密度值。160次起停操作后，可以根據(jù)得到的16組電流密度值來計算燃料電池的性能衰減情況，如圖4所示。通過圖4可以得到，平均每次起停致使燃料電池堆的電流密度衰減0.0257mA/cm2。保持其他操作條件和測量條件不變，采用本發(fā)明的方法對停機后的燃料電池進行快速放電處理，其具體操作過程如下1)選用開關(guān)(3)，為雙刀式開關(guān)或其他安全性較好的開關(guān)，避免在閉合的過程中產(chǎn)生電路點接觸，從而引起部件損壞等事故；2)選用放電負載(2)，為電阻或其他電能消耗件，其大小為在開關(guān)(3)閉合后的5秒之內(nèi)使燃料電池堆上各片電池的電壓均降到0.1伏以下，3)如圖1所示連接電路，將選用好的電阻接在燃料電池的兩個電能輸出端子之間作放電負載(2)，用已經(jīng)選用好的雙刀式開關(guān)(3)控制放電負載(2)與燃料電池堆(1)的接通和斷開，燃料電池工作時開關(guān)(3)處于斷開狀態(tài)；4)在燃料電池(1)停止工作后，2s內(nèi)通過開關(guān)(3)把放電負載(2)與燃料電池堆(1)接通，觀測燃料電池堆上的電壓變化；5)5s內(nèi)，燃料電池的單片電壓均降到O.l伏以下，此時放電過程結(jié)束，通過開關(guān)(3)把放電負載(2)與燃料電池堆(1)斷開，這樣燃料電池所殘留的電荷就被消除了；6)重新啟動燃料電池進入下一個起停過程；7)每10次起停后測量一次穩(wěn)態(tài)極化曲線，測試工況如圖3和表1所示(表1燃料電池穩(wěn)態(tài)極化曲線的測試工況表)，根據(jù)極化曲線擬合出單片額定電壓0.7V所對應的電流密度值。250次起停操作后，可以根據(jù)得到的25組電流密度值來計算燃料電池的性能衰減情況，如圖5所示。通過圖5可以得到，平均每次起停致使燃料電池堆的電流密度衰減0.0004mA/cm2?？梢姡景l(fā)明方法的采用，使得平均每次起停致使燃料電池堆的電流密度衰減從0.0257mA/cm2減少到0.0004mA/cm2，明顯的減少了由于起停引起的燃料電池性能衰減，延長了燃料電池的使用壽命。表1燃料電池穩(wěn)態(tài)極化曲線的測試工況表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種燃料電池延長使用壽命的方法，其特征在于，該方法由燃料電池堆(1)、放電負載(2)、開關(guān)(3)依次相連構(gòu)成一套電路系統(tǒng)；在燃料電池停止工作之后，開關(guān)(3)閉合，用放電負載(2)對燃料電池堆(1)進行放電，快速消除燃料電池堆(1)上的殘留電荷；待燃料電池堆(1)上的各片電壓均降到0.1伏以下時，再通過開關(guān)(3)斷開放電負載(2)；所述放電負載(2)的選擇根據(jù)實際的燃料電池堆開路電壓的大小確定，保證在開關(guān)(3)閉合后的5秒之內(nèi)使燃料電池堆上各片電池的電壓均降到0.1伏以下；這樣就能延長燃料電池使用壽命。2、根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種燃料電池延長使用壽命的方法，其特征在于，所述放電負載(2)為電阻，其大小為在開關(guān)(3)閉合后的5秒之內(nèi)使燃料電池堆上各片電池的電壓均降到O.l伏以下。3、根據(jù)權(quán)利要求書l所述的一種燃料電池延長使用壽命的方法，其特征在于，所述放電負載(2)為燃料電池汽車燃料電池輔助系統(tǒng)的水泵。4、根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種燃料電池延長使用壽命的方法，其特征在于，所述開關(guān)(3)為雙刀式開關(guān)。全文摘要一種燃料電池延長使用壽命的方法，屬于燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域：
。該方法由燃料電池堆(1)、放電負載(2)、開關(guān)(3)依次相連構(gòu)成一套電路系統(tǒng)；在燃料電池停止工作之后，開關(guān)(3)閉合，用放電負載(2)對燃料電池堆(1)進行放電，快速消除燃料電池堆(1)上的殘留電荷；待燃料電池堆(1)上各片電壓均降到0.1伏以下，再通過開關(guān)(3)斷開放電負載(2)。所述放電負載(2)的選擇根據(jù)實際的燃料電池堆開路電壓的大小確定，保證在開關(guān)(3)閉合后的5秒之內(nèi)使燃料電池堆上各片電池的電壓均降到0.1伏以下。本發(fā)明有益效果與以往燃料電池停機后不進行放電處理相比，本發(fā)明可以明顯減少燃料電池的性能衰減量，延長燃料電池的壽命。文檔編號H01M8/10GK101281975SQ20081010388公開日2008年10月8日申請日期2008年4月11日優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日發(fā)明者常茜菲,裴普成申請人:清華大學