[发明专利]一种质子交换膜燃料电池性能提高策略

说明书

本发明提出一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，其主旨在于提高质子交换膜燃料电池在带载运行过程中的输出性能。本发明为短时降低空气过量系数提升电堆性能，在电堆正常运行时，将空气计量比从正常状态短时降低为饥饿状态，再恢复至正常状态的一种优化方法。该方法通过调节质子交换膜燃料电池的活性面积和水含量，显著地增加了质子交换膜燃料电池的电压，有效地提升了输出性能，使质子交换膜燃料电池处于高性能输出状态，是一种简单、有效提高侄子交换膜燃料电池输出性能的方法。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及质子交换膜燃料电池性能提高策略。

背景技术

燃料电池技术是21世纪人类利用可再生能源的最主要的关键技术之一，由于其高效、洁净、功率范围广等优点，成为新能源的重要组成部分。其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)以其电池效率高、启动速度快、操作温度低、使用寿命长、易于移动、零污染等优点被广泛应用于便携式电源、小型社区发电及各种不间断电源，展现了多领域广阔的应用前景。

为了满足一定的输出功率和输出电压需求，通常将质子交换膜燃料电池单体按照一定的方式组合在一起构成燃料电池堆，并配置相应的辅助设备，形成燃料电池系统。质子交换膜燃料电池系统在运行过程中不可避免的要经历频繁启停、变载、怠速等工况，其工况的复杂程度决定其性能衰减的速度和使用寿命的长短。因此，在燃料电池带载运行过程中电池性能的衰减问题更加突出，不同的操作参数下电堆的动态响应性能差异较大。当PEMFC电堆所接负载发生变化时，电堆的输出性能也会被动的产生一个瞬态的波动，并且伴随着对气体过量系数、电堆温度、操作压力、相对湿度等相关参数产生影响，变化的参数又进一步影响着电堆的输出性能。

燃料电池反应需要维持一个最优的过氧比(空气计量比)和氢气利用率，当负载运行工况突变时，由于供气系统的时滞性，导致PEMFC电堆内部反应气体的流量不能随之快速响应。如果阴极氧气流量过低，会产生“氧饥饿”现象，此时电堆内部空气流量过低，电堆供氧不足，致使电堆输出电压急速衰减，使质子交换膜表面出现“局部热点”甚至燃烧，降低电堆使用寿命；如果氧气流量过高，即产生“氧饱和”现象，此时电堆内阴极的氧气远高于所需的氧气，电堆的输出功率没有明显的提高，但空气供应系统的功耗显著增大，从而使系统净输出功率降低。

当质子交换膜燃料电池系统在最优计量比下带载运行时，质子交换膜燃料电池的活性位部分逐渐被惰性气体替代，导致质子交换膜燃料电池活性面积减小，最终导致燃料电池输出性能下降；另外，质子交换膜燃料电池反应产生聚集的水使得膜中水含量增加，过高或者过低的水含量都会降低电导率，从而降低发电效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，旨在提高质子交换膜燃料电池在带载运行过程中的输出性能，显著增加质子交换膜燃料电池的电压，有效提升了输出性能，使质子交换膜燃料电池处于高性能输出状态。本发明通过短时降低空气计量比调节质子交换膜燃料电池的活性面积和水含量，有效提高质子交换膜燃料电池的输出性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池性能提高策略，包括步骤：

S100，安装质子交换膜燃料电池电堆，连接通气管道，检查气密性；

S200，通过氮气吹扫质子交换膜燃料电池电堆的阴极和阳极；同时，对水箱进行预热，直至水箱温度达到60℃；

S300，向质子交换膜燃料电池电堆的阴极通入RH50％增湿的空气，向质子交换膜燃料电池电堆的阳极通入不加湿的氢气；同时，排出空气或氢气，使空气或氢气的压力维持在20-50KPa；

S400，由辅助负载向质子交换膜燃料电池电堆加载电流至预置电流值；

S500，待质子交换膜燃料电池电堆的输出电压稳定之后，降低空气计量比至预置空气计量比，并以预置时间持续；