延長燃料電池壽命的方法和裝置制造方法

延長燃料電池壽命的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了延長燃料電池壽命的方法，從燃料電池待機或關機時至燃料電池下次開機的時間段內燃料電池堆處于氫氣氛圍中，氫氣氛圍由充斥于氣密殼體中的氫氣形成；還提供了延長燃料電池壽命的裝置，包括內部設置有燃料電池堆的氣密殼體，殼體上設有導通殼體內外兩側的殼體氫氣入口和殼體氫氣出口；殼體氫氣入口和殼體氫氣出口上均設有電磁閥；殼體上還設有使燃料電池堆的管路穿過且與管路外壁密合的孔洞。本發明避免了在燃料電池系統處于待機或關機狀態下空氣滲入燃料電池堆，有效地解決燃料電池處于待機或關機時間段內開路電壓和開、關機時形成的氫氣/空氣界面對電極的破壞問題；本發明避免在膜電極或燃料電池堆儲存期間開路電壓對它們的損壞。
【專利說明】延長燃料電池壽命的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及燃料電池領域，特別涉及一種避免燃料電池處于待機或關機狀態時開路電壓及在關閉和啟動燃料電池時氧化劑/燃料界面的形成對性能及壽命的影響從而延長燃料電池壽命的方法和裝置，還涉及一種避免在膜電極和燃料電池堆儲存期間開路電壓對它們性能及壽命影響的方法。
【背景技術】
[0002]使用壽命是研發各類燃料電池最具挑戰性的技術指標。為了滿足商業化需求，燃料電池的壽命必須和傳統發電設備的壽命相近。針對不同的應用場景，美國能源部(The USDepartment of Energy)把燃料電池的壽命目標定在1千5百小時到6萬小時。 [0003]燃料電池的使用壽命受到很多因素的影響，如材料、運行條件、控制策略和系統集成。運行條件包括溫度、相對濕度、壓力、污染物、反應物計量比、溫度循環、電壓循環、開路電壓和空氣/燃料界面的形成。通過優化設計和合理的控制邏輯，溫度、相對濕度、壓力、污染物、反應物計量比和溫度循環對壽命的影響可以得到有效的控制。最難解決的問題是開路電壓和空氣/燃料界面的形成對壽命的影響，而且它們的影響遠大于其它因素。
[0004]燃料電池工作完畢后會處于待機或關機狀態，不再向外部負載提供電能(在熱電聯供系統中，燃料電池既提供電能又提供熱能)。在待機狀態下，燃料電池系統處于警戒狀態，時時監測燃料電池系統本身的狀態和外部能量的需求情況，一旦檢測到外部需求，燃料電池系統會立即啟動。在關機狀態下，燃料電池系統一般不對其自身狀態和外部能量需求進行監測。
[0005]在燃料電池剛剛工作完畢后，燃料電池堆的陽極腔中留有沒有反應的燃料如氫氣，燃料電池堆的陰極腔中留有沒有反應的空氣。殘余在燃料電池堆陽極中的氫氣和陰極中的空氣會慢慢擴散穿過電解質薄膜而互相反應生產水，如反應式(1)所示:
2? + 02 = 2H20(1)
陽極腔室中的H2和陰極腔室中的02因反應(1)而逐漸減少，兩個腔室中的氣體壓力會變得小于一個大氣壓，外界的空氣就會通過各種渠道慢慢擴散到兩個腔室中。最后，陽極腔室中的氫氣會被來自外界空氣中的02徹底消耗掉，該腔室也被空氣充滿。這樣，兩個腔室最后都被空氣充滿。
[0006]當兩個腔室都被空氣充滿后燃料電池堆中的每一個單電池的開路電壓都處在0V，但每個電極和電解質之間的界面電壓卻在1 V左右，電極和電解質之間的界面電位由反應(2)決定:
0.502 + 2H+ + 2丨=H20E° = 1.23 V(2)
因此，待機或關機一段時間以后，陽極/電解質及陰極/電解質的界面電壓都處于1 V左右的開路電壓(如圖1所示)。這樣，電極中的催化劑和其載體如碳黑一直在承受1 V左右的開路電壓，加速它們的氧化和腐蝕過程，縮短電極的壽命。非連續使用的燃料電池系統如備用電源燃料電池系統和車用燃料電池系統絕大多數時間處于待機或關機狀態，因此開路電壓對系統性能和壽命的影響是極其嚴重的。燃料電池這種在非工作狀態下比在工作狀態下的衰減速度還快是個非常令人頭疼的問題，至今沒有解決。
[0007]開路電壓同樣影響制備好待用的膜電極。待用期間，即膜電極已經制備好但還沒有組裝在燃料電池堆中這段時間內，膜電極所處的外部環境中充滿了空氣，每個膜電極的陽極/電解質界面電壓和陰極/電解質界面電壓都在1 V左右，造成膜電極在儲存期間的性能衰減。
[0008]開路電壓同樣影響制備好待用的燃料電池堆。待用期間，即燃料電池堆已經組裝好但還沒有應用在燃料電池系統中這段時間內，燃料電池堆所處的外部環境中充滿了空氣，致使燃料電池堆中每個膜電極的陽極/電解質界面電壓和陰極/電解質界面電壓都在
1V左右，造成燃料電池堆在儲存期間的性能衰減。
[0009]比開路電壓危害更大的是當氫氣和空氣在陽極形成如圖2所示的氫氣/空氣界面，它在短時間內就可以對燃料電池性能和壽命造成嚴重損害。這個界面在關機后外界空氣慢慢擴散進含有剩余氫氣的陽極時形成，也會在下一次開機時當氫氣進入已被空氣占有的陽極時形成。圖2中的垂直虛線代表在陽極腔室形成的氫氣/空氣界面，它把膜電極分成了 I，II，III，IV四個部分。在部分I存在的是氫氣，電極/電解質界面電位由反應
(3)決定:
H2 = 2H+ + 2e-E° = 0.00 V(3)
該電極/電解質界面的電壓是0 V ;在部分II存在的是氧氣，電位由反應(2)決定，該電極/電解質界面的電壓大約是1 V ;部分I和II的狀態就和一個燃料電池處于開路時陽極和陰極的狀態一樣，兩者之間的電壓差是1 V (IV - 0V = IV)。由于在部分III存在的也是氧氣，而且部分III和部分I也通過膜連接起來，部分III為此和部分II類似，電位由反應(2)決定，因此電極/電解質界面的電壓大約是1 V。由于整個陰極和整個陽極之間的電壓差大約為1 V左右，尤其是當空氣剛進到含有氫氣的陽極腔室時，這樣，部分IV處電極/電解質界面的電壓就接近2 V (IV + IV = 2V)，實際測量在1.6 V左右。在這樣一個高電壓的作用下，部分IV的電極材料就會被快速破壞，主要反應包括催化劑載體碳的破壞，如反應(4)所示:
C + 2H20 = C02 + 4H+ + 4e-E° = 0.21 V(4)
和催化劑自身被氧化，如反應(5)所示:
Pt = Pt2+ + 2e-E° = 1.19 V(5)
另外水的分解也會發生，如反應(6)所示:
H20 = 0.502 + 2H+ + 2e-E。= 1.23 V(6)
但反應(6)本身不會破壞電極材料，如催化劑和其所用碳載體。
[0010]為了避免開關機時形成如圖2所示的2 V左右的電極/電解質界面電壓，常規的方法是在關機后及開機前用惰性氣體如氮氣對陽極和陰極腔室進行吹掃，但這種方法需要在燃料電池的使用現場儲備氮氣并需補給或更換，帶來不便，并增加系統的成本、重量和體積。一個更好的方法是用氫氣對陰極進行吹掃，使得關機后燃料電池陽極和陰極腔室都被氫氣充滿。但是，這些方法都不能阻止在超過30分鐘左右的關機或待機狀態后陽極和陰極腔室最終都被空氣充滿的實事，因此上述開路電壓問題和空氣/燃料界面形成問題不能被徹底避免。[0011]專利申請201110379889.5公開了一種解決方法，即在燃料電池待機或關機后關閉燃料電池堆上的氫氣出口、空氣入口和空氣出口，但保持氫氣源與燃料電池堆的氫氣入口導通以使得所述氫氣源中的氫氣能夠通過所述氫氣入口進入到所述燃料電池堆內。待機或關機一段時間之后，陰極腔室中的氧氣會被從陽極通過膜電極擴散過來的氫氣徹底消耗掉，該腔室中的氣體最終變成氫氣和氮氣的混合氣，但以氮氣為主；同樣，空氣也會從陰極通過膜電極擴散到陽極，擴散過來的氧氣會全部與陽極腔室中的氫氣反應掉，但氮氣不會參與任何反應，這樣，陽極腔室最后也變成氫氣和氮氣的混合氣，但絕大多數是氫氣，整個過程如圖3所示。圖3中在虛線方框中的H2或02/N2代表從對面腔室擴散過來的氣體。這樣，由于每個腔室中的反應氣最終都是氫氣(和惰性氣體N2)，陽極/電解質界面和陰極/電解質的界面電壓就都是0 V，由反應(3)決定，如圖4所示，從而避免了如圖1所示的常規關機后所出現的1 V左右的電極/電解質界面電壓對電極的破壞作用。當下次開機時，空氣被輸送到陰極腔室中，會和已經存在于該腔室的氫氣形成氫氣/氧氣界面，如圖5所不；但由于兩個腔室中的起始氣體都是氫氣，即使該界面的形成把部分I的電極/電解質界面的電壓瞬間抬到了 1 V，這也僅僅是正常的開路電壓；而不象如圖2所示在部分IV形成接近2 V的電極/電解質界面電壓，從而避免了如圖2所示的高電極/電解質界面電壓對電極的破壞。由于燃料電池堆不是完全氣密的，為避免空氣中的氧氣擴散進燃料電池堆，陽極腔室和陰極腔室中氫氣(和氮氣)的絕對壓力都保持大于一個大氣壓，但這樣少量的氫氣會逐漸通過燃料電池堆泄漏到外界。對于能夠正常工作的燃料電池堆，由于這個泄漏量很小，不會造成安全隱患，但的確會造成少量的氫氣浪費，而且氫氣入口處的電磁閥需要一直處于開啟狀態。另外，隨著燃料電池堆在使用過程中的老化，氫氣的泄露量會逐漸增加。

【發明內容】

[0012]針對現有技術中存在的不足，本發明的目的在于提供延長燃料電池壽命的方法和裝置，以避免燃料電池處于待機或關機狀態時開路電壓及在關閉和啟動燃料電池時氧化劑/燃料界面的形成對性能及壽命的影響，解決開路電壓和開、關機對電極的破壞問題。
[0013]本發明提供延長燃料電池壽命的方法和裝置的另一目的還在于避免燃料電池堆中的氫氣泄漏問題。
[0014]本發明的再一個目的是避免在膜電極和燃料電池堆儲存期間開路電壓對它們性能及壽命的影響。
[0015]以空氣為助燃劑、氫氣為燃料的氫氧燃料電池為例，本發明通過如下技術方案實現:
延長燃料電池壽命的方法，在燃料電池待機或關機至燃料電池下次開機的時間段內燃料電池堆處于氫氣氛圍中；所述氫氣氛圍由充斥于密閉殼體中的氫氣形成；所述氣密殼體由氣密且抗氫脆的材料組成。由于燃料電池處于氫氣氛圍中，因而避免了在待機或關機狀態下空氣滲透擴散入燃料電池堆中的情況發生，不會發生待機或關機后形成空氣/氫氣界面的現象。關機一段時間之后，陰極腔室中的氧氣會被從陽極通過膜電極擴散過來的氫氣徹底消耗掉,該腔室中的氣體最終變成氫氣和氮氣的混合氣,但以氮氣為主；同樣,空氣也會從陰極通過膜電極擴散到陽極，擴散過來的氧氣會全部與陽極腔室中的氫氣反應掉，但氮氣不會參與任何反應，這樣，陽極腔室最后也變成氫氣和氮氣的混合氣，但絕大多數是氫氣，整個過程如圖3所示。圖3中在虛線方框中的H2或02/N2代表從對面腔室擴散過來的氣體。這樣，由于每個腔室中的反應氣最終都是氫氣(和惰性氣體N2)，陽極/電解質界面和陰極/電解質的界面電壓就都是0 V，由反應(3)決定，如圖4所示，從而避免了如圖1所示的常規待機或關機后所出現的1 V左右的電極/電解質界面電壓對電極的破壞作用。當下次開機時，當空氣被輸送到陰極腔室中時，會和已經存在該腔室的氫氣形成氫氣/氧氣界面，如圖5所示；但由于兩個腔室中的起始反應氣都是氫氣，即使該界面的形成把部分I的電極/電解質界面的電壓瞬間抬到了 1 V，這也僅僅是正常的開路電壓；而不象如圖2所示在部分IV形成接近2 V的電極/電解質界面電壓，從而避免了如圖2所示的高電極/電解質界面電壓對電極的破壞。
[0016]上述延長燃料電池壽命的方法，在燃料電池處于待機或關機狀態下，燃料電池堆的空氣入口、空氣出口和氫氣出口處于關閉狀態，但氫氣源與燃料電池堆的氫氣入口導通以使得所述氫氣源中的氫氣通過燃料電池堆的氫氣入口進入到所述燃料電池堆內。
[0017]上述延長燃料電池壽命的方法，在燃料電池處于待機或關機狀態下，燃料電池堆的空氣入口、空氣出口和氫氣出口處于關閉狀態，在燃料電池堆的氫氣入口自燃料電池待機或關機時起保持開啟狀態10-20分鐘后，關閉該燃料電池堆的氫氣入口。
[0018]上述延長燃料電池壽命的方法，所述氫氣氛圍的氣體壓力大于1個大氣壓。
[0019]上述延長燃料電池壽命的方法，燃料電池待機或關機后在燃料電池堆上加上假負載以迅速將燃料電池堆陰極腔室中殘留的氧氣快速反應掉。
[0020]上述延長燃料電池壽命的方法，燃料電池待機或關機后采用氫氣將燃料電池堆的陰極腔室中殘留的氧氣空氣吹出。
[0021]上述延長燃料電池壽命的方法，燃料電池待機或關機后在燃料電池堆上外加電源以將燃料電池堆的陰極腔室中殘留的氧氣反應掉。所選外加電源最優為接通后電堆中每個陽極的電壓在50 mV、每個陰極的電壓在0 mV。
[0022]本發明還提供了一種延長燃料電池壽命的裝置，包括內部設置有燃料電池堆的氣密殼體，所述氣密殼體上設有導通殼體內外的殼體氫氣入口和殼體氫氣出口 ；所述殼體上還設有使與燃料電池堆相連的管路穿過且與所述管路外壁密合的孔洞；所述與燃料電池堆相連的管路包括燃料電池堆的氫氣入口管路、燃料電池堆的氫氣出口管路、燃料電池堆的空氣入口管路、燃料電池堆的空氣出口管路、燃料電池堆的冷卻劑入口管路、和燃料電池堆的冷卻劑出口管路。
[0023]上述延長燃料電池壽命的裝置，所述殼體的氫氣入口處設置有減壓閥。
[0024]上述延長燃料電池壽命的裝置，所述殼體的氫氣入口處和殼體的氫氣出口處均設置有電磁閥。
[0025]上述延長燃料電池壽命的裝置，所述殼體內設有氫氣濃度傳感器。
[0026]上述延長燃料電池壽命的裝置，所述殼體內設有氣體壓力傳感器。
[0027]上述延長燃料電池壽命的裝置，所述殼體由不銹鋼或鋁材或高密度聚乙烯制成。
[0028]上述延長燃料電池壽命的裝置，所述殼體厚度為1-3 mm。
[0029]上述延長燃料電池壽命的裝置，所述殼體內部或表面鋪設有保溫材料。
[0030]上述延長燃料電池壽命的裝置，所述殼體內設有干燥劑。
[0031]上述延長燃料電池壽命的裝置，還包括適用于陰極敞開式燃料電池堆的輸氣罩，所述輸氣罩一端覆蓋燃料電池堆的陰極通氣端，另一端與燃料電池堆的空氣入口管路/燃料電池堆的空氣出口管路密合導通。陰極敞開式的燃料電池堆，即空氣流道直接和外界相通的燃料電池堆。
[0032]上述延長燃料電池壽命的裝置，所述殼體上有可以開關的通氣門。
[0033]上述延長燃料電池壽命的方法在保存待用的燃料電池堆或待用的燃料電池用膜電極上的應用，把制好待用的燃料電池堆/燃料電池用膜電極放置于氫氣氛圍中；所述氫氣氛圍由充斥于氣密殼體中的氫氣形成。
[0034]上述延長燃料電池壽命的裝置在保存待用的燃料電池堆或待用的燃料電池用膜電極上的應用，包括內部設置有燃料電池堆的密閉殼體，所述殼體上設有導通殼體內外的殼體氫氣入口和殼體氫氣出口 ；所述殼體氫氣入口和殼體氫氣出口上均設有電磁閥；所述殼體上還設有使燃料電池堆的燃料入口管路和燃料出口管路穿過且與所述管路外壁密合的孔洞；所述殼體上有可以開關的通氣門。
[0035]本發明的有益效果是:在燃料電池處于待機或關機狀態下，燃料電池堆處于人造的氫氣氛圍中，避免空氣滲入燃料電池堆中，使得燃料電池堆的陽極腔室和陰極腔室都被氫氣充滿，從而避免開路電壓和開關機時形成空氣/燃料界面對燃料電池性能及壽命的影響；使膜電極和燃料電池堆在儲存期間置于人造的氫氣氛圍中，從而避免開路電壓對它們性能及壽命的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為現有技術中燃料電池待機或關機一段時間后陽極腔室和陰極腔室都被空氣充滿后形成的界面電位示意圖。
[0037]圖2為現有技術中燃料電池陽極形成氫氣/氧氣界面時的界面電位示意圖。
[0038]圖3為燃料電池待機或關機后依靠氣體擴散過電解質而引起的燃料電池堆內陽極和陰極腔室內氣體變化過程示意圖。
[0039]圖4為在待機或關機狀態下燃料電池堆的陽極和陰極腔室都被氫氣充滿后形成的界面電位示意圖。
[0040]圖5為在啟動陽極和陰極腔室都被氫氣充滿的燃料電池時在陰極形成的氫氣/氧氣界面時的界面電位示意圖。
[0041]圖6為本發明延長燃料電池壽命的裝置的結構示意圖。
[0042]圖7是本發明延長燃料電池壽命為敞開陰極燃料電池堆加輸氣罩的示意圖。
[0043]圖8是本發明中安裝有可以開關的通氣門的殼體的示意圖。
[0044]圖9為使用本發明延長燃料電池壽命的裝置的一種步驟流程圖。
[0045]圖10為使用本發明延長燃料電池壽命的裝置的另一種步驟流程圖。
[0046]圖11為通過外加電源快速消耗陰極腔室中殘留氧氣的示意圖。
[0047]圖12為使用本發明延長燃料電池壽命的裝置的第三種步驟流程圖。
[0048]圖13為使用本發明延長燃料電池壽命的裝置的第四種步驟流程圖。
[0049]圖14為使用本發明延長燃料電池壽命的裝置的第五種步驟流程圖。
[0050]圖15為使用本發明延長燃料電池壽命的裝置的第六種步驟流程圖。
[0051]圖16為使用本發明延長燃料電池壽命的裝置的第七種步驟流程圖。[0052]圖17為本發明的通氣門打開的結構示意圖。
[0053]上述附圖中，1、陽極；2、陰極；3、電解質；4、初始階段；5、中間階段；6、最后階段；
7、氫氣源；9、外加電源；801、殼體；802、燃料電池堆；803、殼體氫氣入口電磁閥；804、殼體氫氣出口電磁閥；805、燃料電池堆支撐架；806、減壓閥；807、氫氣濃度傳感器；808、燃料電池堆氫氣入口 ；809、燃料電池堆氫氣出口 ；810、燃料電池堆冷卻液入口 ；811、燃料電池堆冷卻液出口 ；812、燃料電池堆空氣入口 ；813、燃料電池堆空氣出口 ；814、殼體氫氣入口 ；815、殼體氫氣出口 ;816、輸氣罩；817、端口 ；818、通氣門。
【具體實施方式】
[0054]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。
[0055]延長燃料電池壽命的方法
延長燃料電池壽命的方法，在燃料電池待機或關機后至燃料電池下次開機的時間段內燃料電池堆處于人造的氫氣氛圍中；所述氫氣氛圍由充斥于氣密殼體中的氫氣形成；所述氣密殼體由氣體不能透過且抗氫脆的材料制成。由于燃料電池堆處于氫氣氛圍中，避免了空氣滲透擴散入燃料電池堆中的情況發生，保證燃料電池堆的陽極腔室和陰極腔室都被氫氣充滿，避免待機或關機后陽極/電解質界面電壓和陰極/電解質界面電壓長時間處于1 V左右，并避免在下次開機時形成空氣/氫氣界面時對電極的破壞作用。
[0056]具體的實施步驟為，燃料電池待機或關機后，燃料電池堆空氣入口 812、燃料電池堆空氣出口 813和燃料電池堆氫氣出口 809處于關閉狀態，氣密殼體的氫氣入口 814處于開啟狀態以使燃料電池堆802處于氫氣氛圍中。殘留在燃料電池堆陽極腔室中的氫氣和陰極腔室中的氧氣會自由擴散通過電解質3互相反應而使得兩個腔室中最終都被氫氣和氮氣的混合物充滿。燃料電池堆氫氣入口 808可以自燃料電池堆802關閉時處于關閉狀態；燃料電池堆氫氣入口 808也可在自燃料電池堆802關閉時起的10-20分鐘內保持開啟狀態，或者燃料電池堆氫氣入口 808 —直處于開啟狀態。在燃料電池堆氫氣入口 808處于開啟狀態的情況下，氫氣源7與燃料電池堆氫氣入口 808流體導通以使得所述氫氣源7中的氫氣通過燃料電池堆氫氣入口 808進入到燃料電池堆802內，加快氫氣擴散通過電解質3的過程。在此過程中，所述氣密殼體801中的氫氣氛圍的氣體壓力大于1個大氣壓，如1.01到
1.1個大氣壓。
[0057]采用上述方法，待機或關機一段時間之后，陰極腔室中的氧氣會被從陽極通過膜電極擴散過來的氫氣徹底消耗掉，該腔室中的氣體最終變成氫氣和氮氣的混合氣，但以氮氣為主；同樣，空氣也會從陰極通過膜電極擴散到陽極，擴散過來的氧氣會全部與陽極腔室中的氫氣反應掉，但氮氣不會參與任何反應，這樣，陽極腔室最后也變成氫氣和氮氣的混合氣，但絕大多數是氫氣，整個過程如圖3所示。圖3中在虛線方框中的H2或02/N2代表從對面腔室擴散過來的氣體。這樣，由于每個腔室中的反應氣最終都是氫氣(和惰性氣體N2)，陽極/電解質界面和陰極/電解質的界面電壓就都是0V，由反應(3)決定，如圖4所示；從而避免了如圖1所示的常規待機或關機后所出現的IV左右的電極/電解質界面電壓對電極的破壞作用。當下次開機時，空氣被輸送到陰極腔室中，會和已經存在該腔室的氫氣形成氫氣/氧氣界面，如圖5所示；但由于兩個腔室中的起始反應氣都是氫氣，即使該界面的形成把部分I的電極/電解質界面的電壓瞬間抬到了 IV，這也僅僅是正常的開路電壓；而不象如圖2所示在部分IV形成接近2V的電極/電解質界面電壓，從而避免了如圖2所示的高電極/電解質界面電壓對電極的破壞。
[0058]采用上述方法時，也可在待機或關機時可以用氫氣把燃料電池堆陰極腔室中的空氣快速吹出。
[0059]在燃料電池堆氫氣入口 808處于開啟狀態的情況下，燃料電池堆802的陰極腔室中殘留氧氣也可以通過在燃料電池堆上外加一個假負載而被快速反應掉；這里所說的假負載是指除了燃料電池為其供電的常規負載外的任何一個適當的小負載，如一個電阻元器件，或燃料電池系統本身的任一寄生負載如控制板或小風扇等。
[0060]在燃料電池堆氫氣入口 808處于開啟狀態的情況下，燃料電池堆802的陰極腔室中殘留的氧氣也可以通過在燃料電池堆802上加一個小電源9而使其中每個陽極1上有50mV、每個陰極2上有0 mV左右電壓而被快速反應掉。
[0061]延長燃料電池壽命的裝置
如圖6所示，本發明還提供了一種延長燃料電池壽命的裝置，包括內部設置有燃料電池堆802的氣密殼體801，殼體801上設有導通殼體801內外兩側的殼體氫氣入口 814和殼體氫氣出口 815,用于調節氣密殼體中氫氣氛圍的氫氣濃度；所述殼體氫氣入口 814和殼體氫氣出口 815上分別設有殼體氫氣入口電磁閥803和殼體氫氣出口電磁閥804,用于控制氣密殼體中的氫氣進出；所述殼體801上還設有使與燃料電池堆802相連的管路穿過且與所述管路外壁貼合的孔洞(圖中未示出)，管路外壁與孔洞內壁通過密封材料密合，保證氫氣不會從縫隙中泄漏；所述與燃料電池堆802相連的管路包括與燃料電池堆氫氣入口 808相連的管路、與燃料電池堆氫氣出口 809相連的管路、與燃料電池堆空氣入口 812相連的管路、與燃料電池堆空氣出口 813相連的管路、與燃料電池堆冷卻液入口 810相連的管路和與燃料電池堆冷卻液出口 811相連的管路。通過上述的設置，燃料電池堆802處于由殼體801形成的、充滿氫氣的氣密空間內，保證在待機或關機期間燃料電池堆的陽極腔室和陰極腔室都被氫氣充滿。殼體801的氫氣入口處設置有減壓閥806，當殼體801中氫氣的壓力和殼體氫氣入口 814前端與氫氣源相連的減壓閥806達到同一壓力后，氫氣就不再進入到殼體801中。如果殼體801中氣體壓力降低，氫氣則會自動補充至殼體801內。殼體801內部設置燃料電池支撐架805，燃料電池堆802設置于燃料電池支撐架805上以免燃料電池堆802對殼體801產生剮蹭、磨損等有可能導致殼體801變形或漏氣的情況發生。殼體801內設有氫氣濃度傳感器807,用于實時監測殼體801內氫氣含量。殼體801內設有氣體壓力傳感器(圖中未示出)，用于實時監測殼體801內氣體總壓力。殼體801內部或外表面可以鋪設有保溫材料(圖中未示出)，有利于加速燃料電池堆802的啟動，尤其是在氣溫較低的冬天。殼體801由如不銹鋼或鋁材等金屬材料制成或由如高密度的聚乙烯的高分子聚合物材料制成，這些材料能夠有效阻止氫氣透過，而且無氫脆問題。殼體801的壁厚為1-3 mm即可滿足需求。殼體801內還可以設有吸水的干燥劑(圖中未示出)以保證燃料電池堆802工作環境的干燥，避免在燃料電池堆802上有任何冷凝水產生。還包括適用于陰極敞開式燃料電池堆的輸氣罩816 (如圖7所示)，輸氣罩816 —端覆蓋燃料電池堆的陰極通氣端，另一端口 817與燃料電池堆的空氣入口管路/燃料電池堆的空氣出口管路密合導通。陰極敞開式的燃料電池堆，即空氣流道直接和外界相通的燃料電池堆。通過燃氣罩816的設置，陰極敞開式的燃料電池堆可如上文所述的陰極封閉式的燃料電池堆得到同樣的保護。[0062]如圖8所示，在殼體801上設有可以按需求開關的通氣門818，當燃料電池堆為陰極開放式時，通氣門818為兩個，分別設置于殼體801上和燃料電池堆802的通氣兩端相對的位置。在通氣門818處于關閉狀態時它和殼體801密合以保證整個殼體801氣密。通氣門818的作用有兩點，其一是便于燃料電池堆或膜電極及其它部件放入殼體801中或從殼體801中取出；其二在于通氣門818處于打開的狀態使陰極開放式燃料電池堆的電池系統運行時獲得氧氣，當陰極開放式燃料電池堆的電池系統處于關閉或待機狀態時，通氣門818關閉使殼體801形成充滿氫氣氛圍的密閉空間。
[0063]殼體801內設置的是陰極開放式燃料電池堆的情況下，通氣門818的設置如圖8所示(如8中僅示出了其中一側的通氣門，殼體另一側與這一側對稱)，通氣門818由兩扇組成。在燃料電池系統運行時把兩個通氣門818打開，讓空氣進入到燃料電池堆802中。其中一種方法是開門的方式為讓每個通氣門818的每一扇向兩邊縮進，如圖17所示。在燃料電池系統處于待機或關機狀態時，把兩個通氣們818關閉從而把燃料電池堆和外界環境隔離開并使殼體801處于氣密狀態，如圖8所示。
[0064]實施例1
如圖9所示，當燃料電池系統檢測到不需為外部負載供電時，斷開燃料電池堆802和該負載(此負載是燃料電池堆為其供電的負載)之間的電氣連接，如打開兩者之間的開關或接觸器；關閉燃料電池堆空氣入口電磁閥和燃料電池堆空氣出口電磁閥；關閉燃料電池堆氫氣出口電磁閥和燃料電池堆氫氣入口電磁閥；打開殼體氫氣入口電磁閥803 ;執行其它常規操作步驟使燃料電池系統處于關機或待機狀態。
[0065]進行上述操作后，當燃料電池處于關機或待機狀態時，殼體入口氫氣的電磁閥803一直處于打開狀態。由于殼體801是完全氣密的，當殼體801中氫氣的壓力和殼體氫氣入口前端與氫氣源相連的減壓閥806達到同一壓力后，氫氣就不再進入到殼體801中。如果由于某個原因造成殼體801中氣體壓力的降低，氫氣就會自動進入到殼體801中進行補充。
[0066]由于燃料電池堆陰極腔室中殘留的空氣中的氧氣和燃料電池堆陽極中殘留的氫氣會通過擴散穿過電解質3進行反應，且由于陽極腔室中殘留的氫氣量大于陰極腔室中殘留的氧氣量，陰極腔室和陽極腔室中最后都會被氫氣和氮氣的混合物充滿，如圖3所示。在這個過程中的某些時間段內，由于氫氣與殘留氧氣的反應，陰極腔室或陽極腔室中氣體的總壓力可能會小于殼體801腔室中氫氣的壓力，殼體801中氫氣會通過燃料電池堆802逐漸擴散到陰極和陽極兩個腔室中；最后，兩個腔室中的氣體壓力都和殼體801腔室中氫氣的壓力一致。此后，由于殼體801本身是完全氣密的，殼體801中就不會再有氫氣進入，也就沒有氫氣的浪費。當然，如果殼體801沒有按設計要求做到完全氣密，氫氣會慢慢泄漏出，造成一定的氫氣浪費，但這個浪費應該是極其微小的。在燃料電池系統處于關機或待機狀態后不關閉殼體氫氣入口處的電磁閥803就是為了在殼體有微漏的情況下殼體801中一直被氫氣充滿且其壓力和殼體氫氣入口前減壓閥806所設定的壓力一致。這個壓力只需略高于外界環境壓力即可，如設定在1.05個大氣壓，以徹底避免環境中的空氣滲入殼體801內。
[0067]實施例2
如圖10所示，當燃料電池系統檢測到不需為外部負載供電時，斷開燃料電池堆802和該負載之間的電氣連接，如打開兩者之間的開關或接觸器；關閉燃料電池堆空氣入口電磁閥和燃料電池堆空氣出口電磁閥；關閉燃料電池堆氫氣出口電磁閥；打開殼體氫氣入口電磁閥803 ;執行其它常規操作步驟使燃料電池系統處于關機或待機狀態。
[0068]所示的第三步僅關閉了燃料電池堆氫氣出口電磁閥而沒有關閉燃料電池堆氫氣入口電磁閥。這樣可以徹底保證燃料電池堆陽極腔室中一直被氫氣充滿，同時可以加快陰極腔室中的氧氣被從陽極腔室中擴散過來的氫氣徹底消耗掉。
[0069]實施例3
如圖12所示，當燃料電池系統檢測到不需為外部負載供電時，斷開燃料電池堆和該負載之間的電氣連接，如打開兩者之間的開關或接觸器；關閉燃料電池堆空氣入口電磁閥和燃料電池堆空氣出口電磁閥；關閉燃料電池堆氫氣出口電磁閥；打開殼體氫氣入口電磁閥803 ;15分鐘后關閉燃料電池堆氫氣入口電磁閥；執行其它常規操作步驟使燃料電池系統處于關機或待機狀態。
[0070]氫氣與殘留的氧氣反應，即便完全通過擴散，陰極腔室中的氧氣在10-20分鐘(經測定此時間一般為15分鐘左右)就會被從陽極腔室中擴散過來的氫氣基本消耗掉，所以，沒有必要再讓燃料電池堆入口氫氣電磁閥處于開啟狀態。
[0071]實施例4
圖13所示為殼體中事先含有空氣的情況，如在初次啟動燃料電池的情況。當燃料電池系統檢測到不需為外部負載供電時，斷開燃料電池堆和該負載之間的電氣連接，如打開兩者之間的開關或接觸器；關閉燃料電池堆空氣入口電磁閥和燃料電池堆空氣出口電磁閥；關閉燃料電池堆氫氣出口電磁閥和燃料電池堆氫氣入口電磁閥；打開殼體氫氣入口電磁閥803和殼體氫氣出口電磁閥804 ;當殼體中氫氣體積濃度大于77%后關閉殼體氫氣出口電磁閥804 ;執行其它常規操作步驟使燃料電池系統處于關機或待機狀態。
[0072]由于氫氣在空氣中的燃燒體積比為4?77%，即當氫氣濃度大于77%時，氫氣和空氣的混合物不會發生燃燒。執行完第五步后殼體氫氣入口電磁閥仍然處于打開狀態以確保殼體中氫氣濃度一直高于77%。
[0073]實施例5
與實施例4中的步驟類似，圖14所示也適用于殼體中事先含有空氣的情況，如在初次啟動燃料電池的情況。當燃料電池系統檢測到不需為外部負載供電時，斷開燃料電池堆和該負載之間的電氣連接，如打開兩者之間的開關或接觸器；關閉燃料電池堆空氣入口電磁閥和燃料電池堆空氣出口電磁閥；關閉燃料電池堆氫氣出口電磁閥和燃料電池堆氫氣入口電磁閥；打開殼體氫氣入口電磁閥803和殼體氫氣出口電磁閥804 ;當殼體中氫氣體積濃度達到100%后關閉殼體氫氣出口電磁閥804 ;執行其它常規操作步驟使燃料電池系統處于關機或待機狀態。
[0074]100%的氫氣體積濃度杜絕了氧氣滲透入燃料電池堆內，避免了燃料電池堆內空氣/燃料界面的形成，有效地解決整個待機或關機過程中開路電壓和開、關機時形成的氫氣/空氣界面對電極的破壞問題。
[0075]實施例6
適用于殼體中事先含有空氣的情況還包括如圖15所示的步驟。當燃料電池系統檢測到不需為外部負載供電時，斷開燃料電池堆和該負載之間的電氣連接，如打開兩者之間的開關或接觸器；關閉燃料電池堆空氣入口電磁閥和燃料電池堆空氣出口電磁閥；關閉燃料電池堆氫氣出口電磁閥和燃料電池堆氫氣入口電磁閥；打開殼體氫氣入口電磁閥803和殼體氫氣出口電磁閥804 ;當殼體中氫氣體積濃度達到100%后關閉殼體氫氣入口電磁閥803和殼體氫氣出口電磁閥804 ;執行其它常規操作步驟使燃料電池系統處于待機狀態；殼體801中氣體壓力降低到預設壓力時打開殼體氫氣入口電磁閥803使殼體801內氣體壓力達到殼體氫氣入口前減壓閥806所設定的壓力；而后關閉殼體氫氣入口電磁閥803 ;最后兩個步驟循環進行。
[0076]本實施例中，預設的壓力只有略高于1個大氣壓即可，如1.01個大氣壓，通過本實施例最后兩個步驟的循環進行，保證殼體801內部的氫氣氛圍的氣體壓力，避免環境中的氧氣滲透入殼體801內，也就避免了氧氣滲入燃料電池堆中，從而解決開路電壓和開關機時形成空氣/燃料界面而對電極的破壞問題。
[0077]實施例7
圖16所示的步驟適用于圖8所示使用敞開陰極燃料電池堆時在氣密殼體上加可開關的通氣門的情形，包括:當燃料電池系統檢測到不需向外部為負載供電時，斷開燃料電池系統和負載之間的電氣連接；關閉殼體801上通氣門818 ;關閉電堆氫氣出口電磁閥和電堆氫氣入口電磁閥；打開殼體氫氣入口電磁閥803和殼體氫氣出口電磁閥804 ;當殼體801中氫氣體積濃度達到100%后關閉殼體氫氣出口電磁閥804和殼體氫氣入口電磁閥803 ;執行其它常規操作步驟使燃料電池系統處于關機或待機狀態。
[0078]實施例8
把制備好待用的膜電極或燃料電池堆放置于氣密殼體中；打開殼體氫氣入口電磁閥和殼體氫氣出口電磁閥；當殼體中氫氣體積濃度達到100%后關閉殼體氫氣出口電磁閥和殼體氫氣入口電磁閥。
[0079]上述的實施例2和實施例3中，燃料電池堆氫氣入口電磁閥一直處于開啟狀態，可以通過前述外加假負載的方法而快速消耗陰極腔室中的氧氣，整個氧氣的消耗過程只需1分鐘左右的時間，具體時間取決于假負載的大小和燃料電池堆陰極腔室的大小。當燃料電池堆的電壓接近0 V時，斷開燃料電池堆和假負載的連接。由于燃料電池堆陽極腔室中有足夠的氫氣，這個過程不會對燃料電池堆造成任何損害。
[0080]上述的實施例2和實施例3中，燃料電池堆氫氣入口電磁閥一直處于開啟狀態，可以通過前述外加小電源的方法而快速消耗陰極腔室中的氧氣。當外加小電源開啟時，燃料電池堆中每個膜電極的陽極電壓在50 mV左右、陰極電壓為0 mV。在這個外加電源的作用下，陽極腔室中的氫氣被氧化成電子和質子，見反應式(3);質子通過電解質到達陰極后和電子及氧氣結合生產水，見反應式(2)。整個過程的示意圖見圖11。此過程也在1分鐘內完成。
[0081]上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明創造所作的舉例，而并非對本發明創造【具體實施方式】的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造權利要求的保護范圍之中。
【權利要求】
1.延長燃料電池壽命的方法，其特征在于，在燃料電池待機或關機至燃料電池下次開機的時間段內燃料電池堆處于氫氣[微軟用戶1]氛圍中；所述氫氣氛圍由充斥于氣密殼體中的氫氣形成。
2.根據權利要求1所述的延長燃料電池壽命的方法，其特征在于，在燃料電池處于待機或關機狀態下，燃料電池堆的空氣入口、空氣出口和氫氣出口處于關閉狀態，但氫氣源與燃料電池堆的氫氣入口導通以使得所述氫氣源中的氫氣通過燃料電池堆的氫氣入口進入到所述燃料電池堆內。
3.根據權利要求1所述的延長燃料電池壽命的方法，其特征在于，在燃料電池處于待機或關機狀態下，燃料電池堆的空氣入口、空氣出口和氫氣出口處于關閉狀態，在燃料電池堆的氫氣入口自燃料電池待機或關機時起保持開啟狀態10-20分鐘后，關閉該燃料電池堆的氫氣入口。
4.根據權利要求1所述的延長燃料電池壽命的方法，其特征在于，所述氫氣氛圍的氣體壓力大于1個大氣壓。
5.根據權利要求1-4任一所述的延長燃料電池壽命的方法，其特征在于，燃料電池待機或關機后在燃料電池堆上加上假負載以迅速將燃料電池堆的陰極腔室中殘留的氧氣快速反應掉。
6.根據權利要求1-4任一所述的延長燃料電池壽命的方法，其特征在于，燃料電池待機或關機后采用氫氣將燃料電池堆的陰極腔室中殘留的氧氣吹出。
7.根據權利要求1-4任一所述的延長燃料電池壽命的方法，其特征在于，燃料電池待機或關機后在燃料電池堆上外加電源以將燃料電池堆的陰極腔室中殘留的氧氣反應掉。
8.延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，包括內部設置有燃料電池堆的氣密殼體，所述殼體上設有導通殼體內外的殼體氫氣入口和殼體氫氣出口 ；所述殼體上還設有使與燃料電池堆相連的管路穿過且與所述管路外壁密合的孔洞；所述與燃料電池堆的相連管路包括燃料電池堆的氫氣入口管路、燃料電池堆的氫氣出口管路、燃料電池堆的空氣入口管路、燃料電池堆的空氣出口管路、燃料電池堆的冷卻劑入口管路、燃料電池堆的冷卻劑出口管路。
9.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，所述殼體的氫氣入口處設置有減壓閥。
10.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，所述殼體的氫氣入口處和殼體的氫氣出口處均設置有電磁閥。
11.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，所述殼體內設有氫氣濃度傳感器。
12.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，所述殼體內設有氣體壓力傳感器。
13.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，所述殼體由不銹鋼或鋁材或高密度聚乙烯制成。
14.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，所述殼體厚度為1-3 mm。
15.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，所述殼體內部或表面鋪設有保溫材料。
16.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，所述殼體內設有干燥劑。
17.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，還包括適用于陰極敞開式燃料電池堆的輸氣罩，所述輸氣罩一端覆蓋燃料電池堆的陰極通氣端，另一端與燃料電池堆的空氣入口管路/燃料電池堆的空氣出口管路密合導通。
18.根據權利要求8所述的延長燃料電池壽命的裝置，其特征在于，所述殼體上有可以開關的通氣門。
19.權利要求1所述延長燃料電池壽命的方法在保存待用的燃料電池堆或待用的燃料電池用膜電極上的應用，其特征在于，把制好待用的燃料電池堆/燃料電池用膜電極放置于氫氣氛圍中；所述氫氣氛圍由充斥于氣密殼體中的氫氣形成。
20.權利要求18所述的延長燃料電池壽命的裝置在保存待用的燃料電池堆或待用的燃料電池用膜電極上的應用，其特征在于，包括內部設置有燃料電池堆的密閉殼體，所述殼體上設有導通殼體內外的殼體氫氣入口和殼體氫氣出口 ；所述殼體氫氣入口和殼體氫氣出口上均設有電磁閥；所述殼體上還設有使燃料電池堆的燃料入口管路和燃料出口管路穿過且與所述管路外壁密合的孔 洞；所述殼體上有可以開關的通氣門。
【文檔編號】H01M8/04GK103647092SQ201310523533
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】張勇, 馬崴, 齊志剛 申請人:張勇, 馬崴, 齊志剛