[發明專利]用于冷啟動質子交換膜燃料電池的方法和燃料電池發電系統

有效

• 申請號: 201710353112.9
• 申請日: 2017-05-18
• 公開（公告）號: CN108963301B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 何廣利;許壯;翟俊香;熊亞林;劉瑋;李育磊;彭北樺
• 申請（專利權）人: 國家能源投資集團有限責任公司;北京低碳清潔能源研究院
• 主分類號: H01M8/04225
• 分類號: H01M8/04225;H01M8/04014;H01M8/0432;H01M8/04537
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 王崇

本申請公開了一種用于冷啟動質子交換膜燃料電池的方法，包括：在質子交換膜燃料電池不能正常啟動時，準備進入冷啟動程序，包括下述步驟：步驟a：向質子交換膜燃料電池的陽極的氣體入口提供氫氣，并向陰極的氣體入口提供過量的空氣；步驟b：向陰極的氣體入口提供氫氣；步驟c：檢測是否出現退出狀況，如果出現，則結束冷啟動程序；如果未出現，則返回執行步驟a；退出狀況選自質子交換膜燃料電池的內部溫度大于零度和質子交換膜燃料電池的阻值接近質子交換膜燃料電池在零度下內部無冰狀態時的阻值中的至少一個條件。本申請還公開了一種燃料電池發電系統。

技術領域

本申請涉及一種用于冷啟動質子交換膜燃料電池的方法和一種燃料電池發電系統。

背景技術

質子交換膜燃料電池作為一種清潔、高效的能量轉換裝置，非常具有前景。質子交換膜燃料電池的低溫啟動問題是其是否具有低溫環境適應性的關鍵。為了提高質子交換膜燃料電池的冷啟動能力，通用的策略包括如下幾種方式：一是選用低比熱容的燃料電池組件材料，從而使燃料電池在升至相同的溫度時所需的熱量降低；二是在燃料電池停機時盡量將燃料電池內部殘留的水分吹掃或者以別的手段去除掉，使水分只在質子交換膜中以不可凍水的狀態存在；三是啟動時讓燃料電池在低電效率下工作，從而大部分能量會轉化為熱量以加熱燃料電池。

盡管上述措施可以明顯改善質子交換膜燃料電池的冷啟動特性，但是當溫度極低時(如低至零下30度)時，以上措施仍不能滿足冷啟動的需要。此時，就需要快速加熱的方式。

目前的快速加熱方法主要有外部加熱法，如利用外部氫氣催化燃燒加熱的方法；利用壓縮空氣進行加熱的方法；有利用外部電池供電極性加熱的方法；如利用燃料電池本身所發的電進行加熱的方法；對于外部加熱法和燃料電池自身發電加熱法不但需要單獨增加額外的設備，而且無法滿足使燃料電池在幾秒內快速升高的溫度的要求。另外還可以采用內部加熱法，如氫氣和氧氣直接在內部接觸反應，在燃料電池陰極內摻氫氣是燃料電池陰極側發生氫氧反應產熱。但氫氣和氧氣(空氣)的混合反應，很容易產生爆炸現象，因而如何有效控制氫氣和氧氣的濃度，在保證安全的同時，不降低加熱的效果，一直是內部加熱法的難點。

因此，需要一種即使在較低溫度的工作環境中也能使質子交換膜燃料電池順利啟動且完成正常的電流輸出的用于冷啟動質子交換膜燃料電池的有效方法。還需要一種燃料電池發電系統。

發明內容

本申請的一個目的是提供一種用于冷啟動質子交換膜燃料電池的方法。

本申請的另一個目的是提供一種燃料電池發電系統。

本申請的一種用于冷啟動質子交換膜燃料電池的方法，包括：

在所述質子交換膜燃料電池不能正常啟動時，準備進入冷啟動程序，包括下述步驟：

步驟a：向所述質子交換膜燃料電池的陽極的氣體入口提供氫氣，并向陰極的氣體入口提供過量的空氣；

步驟b：向所述陰極的氣體入口提供氫氣；

步驟c：檢測是否出現退出狀況，如果出現，則結束所述冷啟動程序；如果未出現，則返回執行步驟a；

所述退出狀況選自所述質子交換膜燃料電池的內部溫度大于零度和所述質子交換膜燃料電池的阻值接近所述質子交換膜燃料電池在零度下內部無冰狀態時的阻值中的至少一個條件。

在本申請的步驟a中，向陰極的氣體入口提供過量的空氣意指提供相對于質子交換膜燃料電池的電極反應的化學計量過量的空氣。

可選地，盡管優選提供空氣，但也可以用其他含氧氣體或純氧氣來替代空氣。其他含氧氣體如由氧氣與不會參與或影響電極反應的其他氣體組成的氣體混合物。