[發明專利]一種質子交換膜燃料電池低溫狀態下啟動的方法

有效

• 申請號: 201810593992.1
• 申請日: 2018-06-11
• 公開（公告）號: CN108711630B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 俞紅梅;郭海鵬;孫樹成;邵志剛;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04014
• 分類號: H01M8/04014;H01M8/0432;H01M8/04701
• 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在零度以下啟動的方法，在陽極通混合氣催化預熱，陽極的尾氣通入陰極，使得未反應的混合氣在陰極發生催化反應，實現陰陽極同時升溫的效果。本發明在傳統催化冷啟動方法上得以改進，陰陽極可同時發生催化反應，給電池提供熱量，可以實現?45℃甚至更低溫度范圍的低溫啟動，燃料得到充分利用，降低電池啟動功耗，大大縮減低溫啟動時間。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，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。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)可將燃料氫氣和空氣中的化學能直接轉化為電能，它具有能量轉化效率高、無污染等特點，被認為是可替代的未來交通動力技術之一，有助于我國實現節能減排、低碳環保的目標。質子交換膜燃料電池是一個及其復雜的系統，在汽車領域的應用，不可避免地會面臨低溫條件下的儲存與啟動等困難。PEMFC的單電池結構一般包括陽極催化層、陰極催化層和質子交換膜，陽極催化層和陰極催化層都含有加速電極電化學反應的催化劑。陰極催化層既是電池電化學反應的場所，但同時也產生了水。在低于0℃的環境中，水在電池陰極產生并向外傳輸，這時電池中的水就會結冰，當水結冰時會產生9％的體積膨脹，而當電池啟動之后產生的廢熱將冰融化成水，體積又會減小，反復相變會對電池材料結構以至電池性能及壽命產生很大的影響。

CN 101170187A采用將直流電源與燃料電池串聯，利用氫泵作用加熱電池，實現低溫啟動。US006727013B2采用風扇向質子交換膜吹熱風，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，利用混合氣在催化層上氧化放熱提高電池溫度，但由于混合氣并不能完全反應，雖然能夠在一定低溫范圍實現PEMFC電池的啟動，但當電池處于更低的環境溫度下時，由于催化升溫效率低，造成低溫啟動時間過長，在啟動過程中催化反應產生的熱量還不足以將電池溫度快速升到0℃以上，因此催化啟動產生的水易出現結冰的問題，從而導致體積膨脹，對電池結構和性能造成嚴重影響。此外，產生的冰會覆蓋電池多孔電極的微孔，致使混合氣不能完全反應，啟動時必須大量通入混合氣，從而造成啟動過程燃料消耗過多，利用率較低的問題。

發明內容

本發明改進了傳統質子交換膜燃料電池(PEMFC)催化反應冷啟動方法，具體將PEMFC陽極/陰極通入一定比例的氫氣和含氧氣體的混合氣體，同時將陽極/陰極尾氣通入陰極或陽極，使得未完全反應的氣體繼續陰極催化層上氧化放熱，實現了PEMFC陰陽極同時催化反應給電池提供熱量的效果，同時有效提高燃料的利用率。或者將PEMFC陰極通入一定比例的氫氣和含氧氣體(優選空氣)的混合氣體，并將陰極的尾氣通入陽極，使得陰氣未反應完全的混合氣在陽極催化層發生催化反應，也能達到同樣的效果。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，提高了燃料的利用效率，促進燃料電池產業化發展。

為實現上述目的，一方面，本發明提供的技術方案，質子交換膜燃料電池在低溫狀態下(包括零度及零度以下的溫度)啟動的方法，所述啟動的方法包括以下步驟：

(1)在PEMFC正常工作前，先將氫氣和含氧氣體經混合后(優選將氫氣和含氧氣體經三通管混合均勻)通入電池的陽極，利用氫氣和含氧氣體在電池陽極催化劑的作用下發生的氧化放熱反應，提高PEMFC電池陽極側的溫度；

(2)將所述陽極排出的尾氣(即陽極未完全反應剩余的氫氣和含氧氣體)通入電池的陰極，使得陽極未完全反應的反應氣(即氫氣和含氧氣體)繼續在電池陰極催化劑的作用下發生氧化放熱反應，從而提高PEMFC電池陰極側的溫度。

當電池溫度達到預設溫度時(例如，預設溫度可以為0℃)，停止氫氣、含氧氣體通入PEMFC的陽極，停止陽極的尾氣通入陰極，優選利用干的N₂吹掃PEMFC陰極和陽極，然后將反應氣體正常通入電池，使PEMFC在低溫狀態下(例如零度以下)正常工作。