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

摘要

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。

说明书

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(H

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

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

根据前馈空气喷射量c

10、一种燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷射精确调控系统，其特征在于该调控系统包括：包括制氢装置、气体缓冲室、燃料电池、压缩空气、空气喷射流量控制器和气体浓度传感器，所述的制氢装置、气体缓冲室和燃料电池通过管道相连，所述的压缩空气通过空气喷射流量控制器与气体缓冲室相连，所述的气体浓度传感器通过信号线与系统控制板相连，燃料电池的阳极尾气从燃料电池阳极出口排出。

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和系统，其优点是：

1、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。

2、本发明可以得到利用非纯氢的燃料电池使用阳极空气喷射法改善燃料电池输出性能时所需要的最优空气喷射量，并能够通过对空气喷射量的精确控制，尽可能地恢复燃料电池的性能，在较低的一氧化碳浓度下，可以基本消除一氧化碳的毒化作用，燃料电池性能恢复到使用纯氢时的水平，可操作性强。精确的空气喷射量控制能够提高燃料电池对一氧化碳的耐受能力，在保证燃料电池性能输出的同时，也能够尽可能地降低空气喷射对燃料电池寿命的不利影响，使燃料电池能够长期使用非纯氢作为燃料。该方法能够广泛应用于使用非纯氢气作为燃料的燃料电池上。

附图说明

图1为本发明提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射精确调控方法的流程框图。

图2为本发明方法的工作原理示意图。

图3为不同一氧化碳浓度和不同空气喷射浓度下的燃料电池性能MAP图。

图4为不同一氧化碳浓度与最优前馈空气喷射浓度之间的关系示意图。

图5为催化剂表面一氧化碳吸附占比和一氧化碳浓度关系示意图。

图6为本发明提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射精确调控系统结构框图。

图6中，1是制氢装置，2是气体缓冲室，3是燃料电池，4是阳极尾气出口，5是压缩空气，6是空气喷射流量控制器，7是气体浓度传感器。

具体实施方式

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

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，用来估计阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θ

在等效一氧化碳浓度c

根据前馈空气喷射量c

本发明的上述调控方法中，所述的得到燃料电池性能MAP图的过程如下：

(1)向标定燃料电池的阳极入口处供应一氧化碳和氢气的混合气体，其中一氧化碳浓度为已知，同时，向标定燃料电池的阳极入口处喷射混入已知浓度的空气，设定一个标定电流密度i

(2)改变步骤(1)中混合气体中一氧化碳的浓度，一氧化碳浓度从0(即此时供应的是纯氢气)开始增加，重复步骤(1)，得到一氧化碳浓度改变后的空气浓度与标定燃料电池的稳态电压的关系曲线；

(3)重复步骤(1)和步骤(2)，得到多个空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线，多个空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线组成燃料电池性能MAP图。如图3所示，将MAP图中每条曲线电压峰值对应空气浓度c

根据燃料电池性能MAP图，得到一氧化碳的浓度为c

本发明的上述调控方法中，所述的建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，该优化模型为：

θ

该模型计算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，用来估计阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θ

其中，θ

利用上述模型计算阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θ

(1)测量待控燃料电池的稳态电压V

(2)将待控燃料电池的稳态电池电压V

(3)根据图5所示的催化剂表面一氧化碳吸附占比与一氧化碳浓度之间的关系，得到待控燃料电池的阳极催化剂表面的等效一氧化碳浓度c

本发明的上述调控方法中，所述的最优反馈空气喷射量Δc

按照确定前馈空气喷射量的方法，使用燃料电池性能MAP图，查找出在等效一氧化碳浓度c

本发明的上述调控方法中，所述的燃料电池阳极空气喷射流量的确定过程如下：

精确控制的空气喷射量由两部分组成，分别是由标定MAP图得到的前馈空气喷射量c

本发明提出的燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷射精确调控系统，其结构框图如图6所示，包括：包括制氢装置1、气体缓冲室2、燃料电池3、压缩空气5、空气喷射流量控制器6和气体浓度传感器7，所述的制氢装置1、气体缓冲室2和燃料电池3通过管道相连，所述的压缩空气5通过空气喷射流量控制器6与气体缓冲室2相连，所述的气体浓度传感器7通过信号线与系统控制板相连，燃料电池的阳极尾气从燃料电池阳极出口4排出。

本发明方法中，在进行不同浓度下一氧化碳毒化燃料电池的MAP图标定实验时，确定出在非纯氢中含有不同浓度的一氧化碳时，需要混入的最优空气喷射量。

计算前馈量c

下面结合附图详细说明本发明的实施方式。

本发明所提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射精确调控方法，其实施装置如图6所示，包括制氢装置1、气体缓冲室2、燃料电池3、压缩空气5、空气喷射流量控制器6和气体浓度传感器7等。

本发明所提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射精确调控方法，其控制逻辑如图2所示，分三步进行：

步骤一：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。

步骤二：通过气体浓度传感器7采集燃料电池3阳极入口处的一氧化碳浓度c

步骤三：建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，测量待控燃料电池稳态电压V

最后需要说明的是，应用本发明方法的系统中，氢气的来源为含一氧化碳杂质的非纯氢气，具体为来源于甲醇或其他含碳燃料经过重整反应得到的气体，也可以是含有一氧化碳的工业副产氢。喷射空气只是用于氧化一氧化碳的一种氧化剂，也可以喷射氧气、双氧水等。更改所喷射的物质后，本方法依然能够适用。

这里所描述的配置是示例性的，且这些具体的实施示例不应被认为具有限制意义。本发明包括这里所公开的所有记载和非显而易见的各种系统和方法的组合，以及其它特征、功能、和/或这里揭示的特性。