本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及質(zhì)子交換膜燃料電池性能提高策略。

背景技術(shù)：

燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)人類(lèi)利用可再生能源的最主要的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于其高效、潔凈、功率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源的重要組成部分。其中質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，pemfc)以其電池效率高、啟動(dòng)速度快、操作溫度低、使用壽命長(zhǎng)、易于移動(dòng)、零污染等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于便攜式電源、小型社區(qū)發(fā)電及各種不間斷電源，展現(xiàn)了多領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。

為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓需求，通常將質(zhì)子交換膜燃料電池單體按照一定的方式組合在一起構(gòu)成燃料電池堆，并配置相應(yīng)的輔助設(shè)備，形成燃料電池系統(tǒng)。質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的要經(jīng)歷頻繁啟停、變載、怠速等工況，其工況的復(fù)雜程度決定其性能衰減的速度和使用壽命的長(zhǎng)短。因此，在燃料電池帶載運(yùn)行過(guò)程中電池性能的衰減問(wèn)題更加突出，不同的操作參數(shù)下電堆的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能差異較大。當(dāng)pemfc電堆所接負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電堆的輸出性能也會(huì)被動(dòng)的產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)的波動(dòng)，并且伴隨著對(duì)氣體過(guò)量系數(shù)、電堆溫度、操作壓力、相對(duì)濕度等相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生影響，變化的參數(shù)又進(jìn)一步影響著電堆的輸出性能。

燃料電池反應(yīng)需要維持一個(gè)最優(yōu)的過(guò)氧比(空氣計(jì)量比)和氫氣利用率，當(dāng)負(fù)載運(yùn)行工況突變時(shí)，由于供氣系統(tǒng)的時(shí)滯性，導(dǎo)致pemfc電堆內(nèi)部反應(yīng)氣體的流量不能隨之快速響應(yīng)。如果陰極氧氣流量過(guò)低，會(huì)產(chǎn)生“氧饑餓”現(xiàn)象，此時(shí)電堆內(nèi)部空氣流量過(guò)低，電堆供氧不足，致使電堆輸出電壓急速衰減，使質(zhì)子交換膜表面出現(xiàn)“局部熱點(diǎn)”甚至燃燒，降低電堆使用壽命；如果氧氣流量過(guò)高，即產(chǎn)生“氧飽和”現(xiàn)象，此時(shí)電堆內(nèi)陰極的氧氣遠(yuǎn)高于所需的氧氣，電堆的輸出功率沒(méi)有明顯的提高，但空氣供應(yīng)系統(tǒng)的功耗顯著增大，從而使系統(tǒng)凈輸出功率降低。

當(dāng)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)在最優(yōu)計(jì)量比下帶載運(yùn)行時(shí)，質(zhì)子交換膜燃料電池的活性位部分逐漸被惰性氣體替代，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜燃料電池活性面積減小，最終導(dǎo)致燃料電池輸出性能下降；另外，質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生聚集的水使得膜中水含量增加，過(guò)高或者過(guò)低的水含量都會(huì)降低電導(dǎo)率，從而降低發(fā)電效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池性能提高策略，旨在提高質(zhì)子交換膜燃料電池在帶載運(yùn)行過(guò)程中的輸出性能，顯著增加質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓，有效提升了輸出性能，使質(zhì)子交換膜燃料電池處于高性能輸出狀態(tài)。本發(fā)明通過(guò)短時(shí)降低空氣計(jì)量比調(diào)節(jié)質(zhì)子交換膜燃料電池的活性面積和水含量，有效提高質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出性能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種質(zhì)子交換膜燃料電池性能提高策略，包括步驟：

s100，安裝質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，連接通氣管道，檢查氣密性；

s200，通過(guò)氮?dú)獯祾哔|(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陰極和陽(yáng)極；同時(shí)，對(duì)水箱進(jìn)行預(yù)熱，直至水箱溫度達(dá)到60℃；

s300，向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陰極通入rh50％增濕的空氣，向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陽(yáng)極通入不加濕的氫氣；同時(shí)，排出空氣或氫氣，使空氣或氫氣的壓力維持在20-50kpa；

s400，由輔助負(fù)載向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆加載電流至預(yù)置電流值；

s500，待質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的輸出電壓穩(wěn)定之后，降低空氣計(jì)量比至預(yù)置空氣計(jì)量比，并以預(yù)置時(shí)間持續(xù)；

s600，持續(xù)時(shí)間完畢，恢復(fù)空氣計(jì)量比至2.5。

進(jìn)一步的是，由輔助負(fù)載向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆加載電流從0a加載至88a；待質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的輸出電壓穩(wěn)定之后，逐步降低空氣計(jì)量比至2.1、1.8、1.5和1.2，持續(xù)10s后，恢復(fù)空氣計(jì)量比至2.5；

隨著短時(shí)降低的空氣計(jì)量比，質(zhì)子交換膜燃料電池電堆輸出電壓增加的越多，電堆輸出性能提高明顯。

進(jìn)一步的是，由輔助負(fù)載向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆加載電流從0a逐步加載至88a、110a、132a和154a；待質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的輸出電壓穩(wěn)定之后，降低空氣計(jì)量比至1.5，持續(xù)10s后，恢復(fù)空氣計(jì)量比數(shù)至2.5；

短時(shí)降低的空氣計(jì)量比，隨著輔助負(fù)載電流的增加，質(zhì)子交換膜燃料電池電堆輸出電壓增加的越多，質(zhì)子交換膜燃料電池電堆輸出性能提高明顯。

進(jìn)一步的是，由輔助負(fù)載向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆加載電流從0a加載至132a，待質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的輸出電壓穩(wěn)定之后，降低空氣計(jì)量比至1.5，分別持續(xù)10s、20s和30s后，恢復(fù)空氣計(jì)量比至2.5；

短時(shí)降低的空氣計(jì)量比，隨著短時(shí)降低時(shí)間的增加，電堆輸出電壓增加的越多，電堆輸出性能提高明顯。

進(jìn)一步的是，空氣和氫氣的排出為脈沖排氣方式。

進(jìn)一步的是，所述脈沖排氣方式的步驟包括先關(guān)閉排氣電磁閥6s，再打開(kāi)排氣電磁閥3s；在此過(guò)程中，調(diào)節(jié)空氣和氫氣的壓力為20-50kpa；保證通氣壓力，能夠提高質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的使用壽命。

進(jìn)一步的是，在所述加載電流過(guò)程中，電流加載步長(zhǎng)不超過(guò)10a，從而保證所述質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的單電池電壓高于0.5v；使質(zhì)子交換膜燃料電池電堆電壓下降緩慢下降，使單片電壓不會(huì)瞬時(shí)降低到0.5v以下，從而使質(zhì)子交換膜燃料電池電堆不會(huì)造成損傷。

進(jìn)一步的是，維持所述水箱溫度為60℃，從而控制所述質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的工作溫度控制在60℃；保證質(zhì)子交換膜燃料電池電堆處于最優(yōu)工作環(huán)境。

采用本技術(shù)方案的有益效果：

本發(fā)明通過(guò)短時(shí)降低空氣計(jì)量比，調(diào)節(jié)質(zhì)子交換膜燃料電池的活性面積和水含量，有效提高質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出性能；

本發(fā)明能夠提高質(zhì)子交換膜燃料電池在帶載運(yùn)行過(guò)程中的輸出性能，顯著增加質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓，有效提升了輸出性能，使質(zhì)子交換膜燃料電池處于高性能輸出狀態(tài)。

本發(fā)明提供的操作簡(jiǎn)便快速；能夠保護(hù)電堆，避免對(duì)電堆產(chǎn)生不可逆的損害；適用于多種功率級(jí)別的電堆，實(shí)用性很強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1是一種質(zhì)子交換膜燃料電池性能提高策略的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明中實(shí)施例一的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖；

圖3-圖6是本發(fā)明中實(shí)施例二的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖；

圖7是本發(fā)明中實(shí)施例三的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。以下結(jié)合實(shí)施例由83片單體組成10kw的水冷型pemfc電堆，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖1所示，一種質(zhì)子交換膜燃料電池性能提高策略，包括步驟：

s100，安裝質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，連接通氣管道，檢查氣密性；

s200，通過(guò)氮?dú)獯祾哔|(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陰極和陽(yáng)極；同時(shí)，對(duì)水箱進(jìn)行預(yù)熱，直至水箱溫度達(dá)到60℃；

s300，向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陰極通入rh50％增濕的空氣，向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陽(yáng)極通入不加濕的氫氣；同時(shí)，排出空氣或氫氣，使空氣或氫氣的壓力維持在20-50kpa；

s400，由輔助負(fù)載向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆加載電流至預(yù)置電流值；

s500，待質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的輸出電壓穩(wěn)定之后，降低空氣計(jì)量比至預(yù)置空氣計(jì)量比，并以預(yù)置時(shí)間持續(xù)；

s600，持續(xù)時(shí)間完畢，恢復(fù)空氣計(jì)量比至2.5。

在實(shí)施例一中，由輔助負(fù)載向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆加載電流從0a加載至88a；待質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的輸出電壓穩(wěn)定之后，逐步降低空氣計(jì)量比至2.1、1.8、1.5和1.2，持續(xù)10s后，恢復(fù)空氣計(jì)量比至2.5；隨著短時(shí)降低的空氣計(jì)量比，質(zhì)子交換膜燃料電池電堆輸出電壓增加的越多，電堆輸出性能提高明顯。

當(dāng)輔助負(fù)載電流為88a，空氣計(jì)量比降低至2.1、1.8、1.5和1.2四種不同程度時(shí)，質(zhì)子交換膜燃料電池空氣計(jì)量比降低前后電壓變化情況，如圖2所示；

由圖2可以看出，短時(shí)降低空氣計(jì)量比可以提高電堆輸出電壓，且當(dāng)空氣計(jì)量比分別短時(shí)降低至2.1、1.8、1.5和1.2時(shí)，電堆輸出電壓分別增加了0.3v、0.4v、0.6v和1v，即隨著短時(shí)降低的空氣計(jì)量比越低，電堆輸出電壓增加的越多，電堆輸出性能提高明顯。

在實(shí)施例二中，由輔助負(fù)載向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆加載電流從0a逐步加載至88a、110a、132a和154a；待質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的輸出電壓穩(wěn)定之后，降低空氣計(jì)量比至1.5，持續(xù)10s后，恢復(fù)空氣計(jì)量比數(shù)至2.5；短時(shí)降低的空氣計(jì)量比，隨著輔助負(fù)載電流的增加，質(zhì)子交換膜燃料電池電堆輸出電壓增加的越多，質(zhì)子交換膜燃料電池電堆輸出性能提高明顯。

當(dāng)輔助負(fù)載電流分別為88a、110a、132a和154a四通情況下，空氣計(jì)量比均降低至1.5時(shí)，質(zhì)子交換膜燃料電池空氣計(jì)量比降低前后電壓變化情況，如圖3-6所示；

由圖3-6可知，當(dāng)短時(shí)降低的空氣計(jì)量比一定，恒流輔助負(fù)載分別為88a、110a、132a和154a，電堆輸出電壓分別增加了0.2v、0.3v、0.6v和0.9v，即短時(shí)降低的空氣計(jì)量比一定，隨著恒流輔助負(fù)載的增加，電堆輸出電壓增加的越多，電堆輸出性能提高明顯。

在實(shí)施例三中，由輔助負(fù)載向質(zhì)子交換膜燃料電池電堆加載電流從0a加載至132a，待質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的輸出電壓穩(wěn)定之后，降低空氣計(jì)量比至1.5，分別持續(xù)10s、20s和30s后，恢復(fù)空氣計(jì)量比至2.5；短時(shí)降低的空氣計(jì)量比，隨著短時(shí)降低時(shí)間的增加，電堆輸出電壓增加的越多，電堆輸出性能提高明顯。

當(dāng)輔助負(fù)載電流為132a，空氣計(jì)量比短時(shí)降低至1.5，降低時(shí)間分別為10s、20s和30s時(shí)，質(zhì)子交換膜燃料電池空氣計(jì)量比降低前后電壓變化情況，如圖7所示；

由圖7可知，當(dāng)短時(shí)降低的空氣計(jì)量比，短時(shí)降低空氣計(jì)量比時(shí)間分別為10s、20s和30s電堆輸出電壓分別增加了0.3v、0.4v和0.5v，且維持時(shí)間分別為305s、335s和575s；即短時(shí)降低的空氣過(guò)量系數(shù)，且輔助負(fù)載一定，隨著短時(shí)降低時(shí)間的增加，電堆輸出電壓增加的越多，電堆輸出性能提高明顯。

由實(shí)施例一至實(shí)施例三可以看出，提高輔助負(fù)載電流值，短時(shí)降低空氣計(jì)量，保證降低持續(xù)時(shí)間；能夠有效提高質(zhì)子交換膜燃料電池電壓值，從而提高燃料電池性能，性能提高維持時(shí)間較長(zhǎng)。

作為上述實(shí)施例的優(yōu)化方案，空氣和氫氣的排出為脈沖排氣方式。

所述脈沖排氣方式的步驟包括先關(guān)閉排氣電磁閥6s，再打開(kāi)排氣電磁閥3s；在此過(guò)程中，調(diào)節(jié)空氣和氫氣的壓力為20-50kpa；保證通氣壓力，能夠提高質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的使用壽命。

作為上述實(shí)施例的優(yōu)化方案，在所述加載電流過(guò)程中，電流加載步長(zhǎng)不超過(guò)10a，從而保證所述質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的單電池電壓高于0.5v；使質(zhì)子交換膜燃料電池電堆電壓下降緩慢下降，使單片電壓不會(huì)瞬時(shí)降低到0.5v以下，從而使質(zhì)子交換膜燃料電池電堆不會(huì)造成損傷。

作為上述實(shí)施例的優(yōu)化方案，維持所述水箱溫度為60℃，從而控制所述質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的工作溫度控制在60℃；保證質(zhì)子交換膜燃料電池電堆處于最優(yōu)工作環(huán)境。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。