[發明專利]一種質子交換膜燃料電池低溫啟動的方法

有效

• 申請號: 201810508864.2
• 申請日: 2018-05-24
• 公開（公告）號: CN110534767B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 俞紅梅;郭海鵬;孫樹成;徐洪峰;鄭利民;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04223;H01M8/04225
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發明涉及一種質子交換膜燃料電池低溫啟動的方法，包括以下步驟：將空氣通入燃料電池的陰極；將空氣和氫氣的混合氣體通入燃料電池的陽極；打開負載，燃料電池電壓下降；當電壓降為接近0V時，關閉負載；待燃料電池電壓回到開路電壓時，循環上述步驟(3)；待燃料電池溫度達到0℃以上時，停止上述步驟(1)、(2)、(3)、(4)，正常啟動燃料電池。本發明方法在催化反應提供熱量的同時，負載也能提供熱量，大大縮減低溫啟動時間發明可以使PEMFC能在更廣泛的溫度范圍內使用，在不增加燃料電池系統體積和質量的前提下，能夠使燃料電池在低溫下快速啟動，大大縮減低溫啟動時間，對促進燃料電池產業化發展具有重要意義。

技術領域

本發明涉及一種質子交換膜燃料電池(PEMFC)零度以下啟動的方法，具體的說是一種改進質子交換膜燃料電池催化反應冷啟動的方法，將PEMFC陽極通入一定比例的氫空混合氣體，利用H₂在催化劑作用下氧化放熱提高燃料電池溫度，與此同時，陰極通入正常的反應氣體空氣，并打開負載，加載電流，當燃料電池電壓降到一定值時，關閉負載，待燃料電池電壓回到開路電壓時，打開負載，循環加載電流，利用負載加熱燃料電池。該方法在不增加燃料電池系統和體積的前提下大大縮短PEMFC冷啟動時間，促進燃料電池產業化發展。

背景技術

質子交換膜燃料電池汽車具有高效率、零排放等優勢，同時沒有鋰離子燃料電池電動汽車充電時間長續航里程短等技術短板，逐步成為了新能源汽車領域的研發熱點，被認為是未來汽車工業可持續發展的重要方向。質子交換膜燃料電池作為車用動力必須要經受啟停冷啟動(或零下啟動)高電位、電壓循環、大電流、空氣雜質等復雜工況和嚴苛環境的考驗，其中冷啟動工況是燃料電池汽車冬季運行的最大挑戰。PEMFC在低溫環境下運行時，化學反應速度慢，電流較小，反應產生的熱量不足以提高燃料電池溫度，化學反應產生的水就在氣體流道結冰，出現體積膨脹，對燃料電池結構和性能造成影響。

CN 101170187A采用將直流電源與燃料電池串聯，利用氫泵作用加熱燃料電池，實現低溫啟動。US006727013B2采用風扇向質子交換膜燃料電池吹熱風，以此來提高燃料電池的整體溫度，達到啟動的效果。雖然這些方法都能夠使燃料電池在零度以下成功啟動，但是都存在增加燃料電池系統的體積和質量問題，提高燃料電池系統的復雜程度和費用。傳統的催化反應冷啟動方法如CN 101170194A，只是將氫氧混合氣通入燃料電池陰極或者陽極，利用催化達到升溫的效果，雖然能夠在實現低溫啟動，但是在更的環境溫度下時，低溫啟動時間長，催化反應產生的熱量不足以將燃料電池溫度升到0℃以上，且催化產生的水結冰，產生體積膨脹對燃料電池結構造成影響。

發明內容

本發明提供一種改進的質子交換膜燃料電池(PEMFC)催化反應冷啟動方法，低溫啟動時打開負載，循環加載電流，利用負載加熱燃料電池。

本發明的技術方案為，一種質子交換膜燃料電池低溫啟動的方法，包括以下步驟：

(1)將空氣通入燃料電池的陰極；

(2)將空氣和氫氣的混合氣體通入燃料電池的陽極；利用混合氣體在催化劑上氧化放熱提高燃料電池的溫度；優選與步驟(1)同時啟動；

(3)打開負載(首次打開負載，優選與步驟(1)和步驟(2)同時啟動)，燃料電池電壓下降，當電壓降為接近0V時，關閉負載；

(4)待燃料電池電壓回到開路電壓時，循環上述步驟(3)；循環加載電流，利用加載反應，給燃料電池提供熱量，以此大大縮減PEMFC冷啟動時間。

待燃料電池溫度達到0℃以上時，停止上述步驟(1)、(2)、(3)、(4)，正常啟動燃料電池，即陽極通入正常的反應氣體氫氣，陰極通入空氣。

進一步地，所述低溫啟動的環境溫度為不低于-40℃。

進一步地，所述空氣和氫氣的混合氣體，其中空氣的體積含量為總氣體的1-24％，氫氣的體積含量為總氣體的75.6-99％。