[发明专利]一种用于碱性阴离子交换膜燃料电池水管理的方法

说明书

本发明涉及一种用于碱性阴离子交换膜燃料电池水管理的方法，其主要特点如下：通过调整燃料电池运行中气体腔室中的压力或升高电池的操作温度，改善燃料电池内部液态水的汽化条件，进而有利于燃料电池内部生成水的排出，提升电池的输出性能。采用这种水管理的方法，相同条件下电池性能得到明显改善。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体地说是一种碱性阴离子交换膜燃料电池水管理的方法。

背景技术

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有效率高，噪声低，无污染等优点，受到各国政府和企业的广泛青睐。近年来，低温聚合物电解质燃料电池发展迅速，尤其是质子交换膜燃料电池已经逐步迈向商业化。而作为聚合物电解质燃料电池的另一个重要代表——碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)，由于其兼具传统碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池的优点，同时克服了质子交换膜燃料电池对贵金属催化剂的依赖，解决了传统碱性燃料电池漏液和碳酸盐化的问题，近十多年来成为燃料电池领域一个新的研究热点。以氢气为燃料，AAEMFC的电极反应如下所示：

阳极：2H₂+4OH^-→4H₂O

阴极：O₂+2H₂O→4OH^-

从电极反应可以看出，在AAEMFC中水在电池阳极作为产物生成，又在阴极作为反应物参与阴极反应，因此在电池内部水的供给和排出严重影响着电极反应的进行，进而影响到电池的输出性能。当阳极生成的水无法顺利排出或者阴极反应的水无法及时供给，就会造成阳极“水淹”或阴极“干涸”，使得电池性能恶化。另一方面，进气增湿带入的气态水进入多孔电极后，由于孔效应改变了水蒸气的饱和蒸汽压，使得气态水液化，进而堵塞多孔电极内部的孔道，影响到孔道内的气体传递，加剧了电极内部的传质极化，最终影响到电池的输出性能。因此，AAEMFC的水管理问题严重影响着电池性能的输出。

在近年来公开的报道文献中，许多学者也从实验和模拟的角度对AAEMFC水管理问题进行了阐述。Han zhang等人在文章J.Phys.Chem.C,2012,116,7650-7657和文章J.Phys.Chem.C,2013,117,16791-16801中报道了通过改变碱性阴离子交换膜(AAEM)中亲疏水性物质的比例，进而调节AAEM的亲疏水性，改善电池中水在阴阳之间的传递，最终在电极内部建立良好的水平衡，进而使得电池性能得到提升。Kuijiao等人在文章Int.J.Hydrogen Energy,2012,37,18389-18402和文章Int.J.Hydrogen Energy,2014,39,5981-5995中报道了通过采用建模计算的方法对电池阳极以及全电池的水管理问题进行了分析，发现在阳极电池的负载电流以及电池的操作温度对电极内部的水分布具有重要影响，而且电池内部液态水的迅速排出有利于电池性能的提升。因此目前的文献报道中对AAEMFC水管理问题的阐述较多，但相关具体改善措施的较少。尤其是电池操作条件层面，对电池内水管理的调控更少。

本专利从电池的操作条件入手，通过改变电池操作过程中的温度或压力，进而改变水的气化条件，促进电池内部的液态水向气态水转化排出，改善电池内部的水平衡，最终提升电池的输出性能。

发明内容

本发明提供了一种碱性阴离子交换膜燃料电池水管理的方法。本发明的目的在于通过改善电池内部液态水的排出，优化电池内部水平衡，提升碱性阴离子交换膜燃料电池的输出性能。

为实现本发明上述目的，采用如下技术方案，其具体操作步骤如下：a.在电池的操作过程中，通过降低进气腔室内部的压力或提升电池的操作温度，改善液态水的气化条件，使电池内部液态水向气态水转化；

b.在设定的条件下保持一定时间，使得电池内部的液态水充分排出；c.气态水排除后，恢复电池的操作温度或压力。