[发明专利]燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷射精确调控方法及系统

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷射精确调控方法及系统。本发明通过一氧化碳对质子交换膜燃料电池毒化影响的标定MAP图确定空气喷射量的前馈量，对燃料电池阳极入口处的气体成分进行检测，通过优化模型估计阳极催化剂表面的等效一氧化碳浓度，来修正所需要的空气喷射量，进而实现空气喷射量的精确控制，能够有效解决燃料电池的一氧化碳中毒问题，提高燃料电池对一氧化碳的耐受能力，使燃料电池能够长期使用非纯氢作为燃料，有效降低燃料电池的用氢成本。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷射精确调控方法及系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有效率高，绿色环保，无噪声等优势，在车用动力、固定电源、家用热电联供等方面具有广阔的应用前景。氢气作为质子交换膜燃料电池的燃料，其存储、运输和分配较于传统液体燃料运输有诸多困难，使用甲醇等液体燃料重整制氢能够为上述应用场景下以及不便获得纯氢的地区提供便捷的氢气来源。此外，煤加工、石油炼制、氯碱工业等工业的废气中含有的大量非纯氢气，可以为质子交换膜燃料电池所利用，大大降低用氢成本。然而，在利用甲醇重整以及其他碳基燃料制氢时，其产物中不可避免地会含有少量的一氧化碳，一氧化碳会使阳极催化剂中毒，降低燃料电池的输出性能。铂基阳极催化剂的燃料电池能耐受的一氧化碳浓度极低，约为10ppmv，故而目前燃料电池需要使用高纯氢气作为燃料。而高纯氢目前主要依赖电解水生产，具有成本高，技术尚不成熟等劣势，利用工业副产氢或燃料重整能够提供来源丰富的非纯氢气，对氢气纯化的要求低，成本低廉且技术成熟。

在燃料电池利用非纯氢时，提高燃料电池对一氧化碳的耐受能力十分必要。相关方法有，一，使用高温质子交换膜燃料电池；二，使用耐受一氧化碳的阳极催化剂，如PtRu/C催化剂；三，阳极催化剂及膜电极结构设计；四，向阳极气流中混入一定量的氧化剂，如空气、氧气、双氧水(H₂O₂)等，使得优先吸附在催化剂表面的一氧化碳被氧化掉，从而释放出所占据的活性位点，当使用空气作为氧化剂时，这一方法也称为Air bleeding。上述方法中，高温质子交换膜燃料电池目前存在寿命短、功率密度低、冷启动时间长等问题，二元或多元的新型耐受一氧化碳催化剂还存在寿命和性能等问题。使用阳极空气喷射的方法具有装置简便，高效等优点，能够高效恢复中毒的燃料电池的性能。但是，空气的混入量需要进行优化，否则，空气喷射量不足会导致燃料电池催化剂被一氧化碳毒化而失效，然而，过量的空气不仅会耗费氢气，还会由于剧烈反应产生局部热点和自由基，对燃料电池催化剂和质子交换膜产生不可逆的衰减，进而影响燃料电池的寿命。因此，如何确定出最优的空气喷射量是这一技术应用的关键。

发明内容

本发明的目的是提出一种燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷射精确调控方法及系统，通过阳极空气喷射方法提高燃料电池耐受一氧化碳的能力，使空气喷射量得到优化控制，以综合提高燃料电池在利用非纯氢时的输出性能。

本发明提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射量调控方法，包括：

从待控燃料电池中任意选取一个标定燃料电池，对标定燃料电池进行标定，得到燃料电池性能MAP图；

检测待控燃料电池的阳极入口处一氧化碳的浓度，记为c_in，根据燃料电池性能MAP图，确定出待控燃料电池的前馈最优空气喷射浓度c_air；

建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，求解该优化模型，得到燃料电池阳极催化剂表面上氢气、氧气和一氧化碳等物质的吸附占比；

使用燃料电池性能MAP图，建立在等效一氧化碳浓度c_CO,equ下的空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线，将与该曲线的峰值相对应的空气浓度作为对该待控燃料电池的前馈空气喷射量的修正，即最优反馈空气喷射量Δc_air；