[發(fā)明專利]一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫狀態(tài)下啟動(dòng)的裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810595312.X
• 申請(qǐng)日: 2018-06-11
• 公開（公告）號(hào): CN108832158B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 俞紅梅;郭海鵬;孫樹成;邵志剛;衣寶廉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): H01M8/04225
• 分類號(hào): H01M8/04225;H01M8/04223;H01M8/04089;H01M8/04014
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池在零度以下啟動(dòng)的裝置，在陽極通混合氣催化預(yù)熱，陽極的尾氣通入陰極，使得未反應(yīng)的混合氣在陰極發(fā)生催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)陰陽極同時(shí)升溫的效果。本發(fā)明在傳統(tǒng)催化冷啟動(dòng)裝置上得以改進(jìn)，陰陽極可同時(shí)發(fā)生催化反應(yīng)，給電池提供熱量，可以實(shí)現(xiàn)?45℃甚至更低溫度范圍的低溫啟動(dòng)，燃料得到充分利用，降低電池啟動(dòng)功耗，大大縮減低溫啟動(dòng)時(shí)間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種改進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池催化反應(yīng)冷啟動(dòng)的裝置。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可將燃料氫氣和空氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，它具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無污染等特點(diǎn)，被認(rèn)為是可替代的未來交通動(dòng)力技術(shù)之一，有助于我國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳環(huán)保的目標(biāo)。質(zhì)子交換膜燃料電池是一個(gè)及其復(fù)雜的系統(tǒng)，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，不可避免地會(huì)面臨低溫條件下的儲(chǔ)存與啟動(dòng)等困難。PEMFC的單電池結(jié)構(gòu)一般包括陽極催化層、陰極催化層和質(zhì)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(xué)反應(yīng)的催化劑。陰極催化層既是電池電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，但同時(shí)也產(chǎn)生了水。在低于0℃的環(huán)境中，水在電池陰極產(chǎn)生并向外傳輸，這時(shí)電池中的水就會(huì)結(jié)冰，當(dāng)水結(jié)冰時(shí)會(huì)產(chǎn)生9％的體積膨脹，而當(dāng)電池啟動(dòng)之后產(chǎn)生的廢熱將冰融化成水，體積又會(huì)減小，反復(fù)相變會(huì)對(duì)電池材料結(jié)構(gòu)以至電池性能及壽命產(chǎn)生很大的影響。

CN 101170187A采用將直流電源與燃料電池串聯(lián)，利用氫泵作用加熱電池，實(shí)現(xiàn)低溫啟動(dòng)。US006727013B2采用風(fēng)扇向質(zhì)子交換膜吹熱風(fēng)，以此來提高燃料電池的整體溫度，達(dá)到啟動(dòng)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(dòng)，但是都存在增加電池系統(tǒng)的體積和質(zhì)量問題，提高燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜程度和費(fèi)用。傳統(tǒng)的催化反應(yīng)冷啟動(dòng)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(yīng)，雖然能夠在一定低溫范圍實(shí)現(xiàn)PEMFC電池的啟動(dòng)，但當(dāng)電池處于更低的環(huán)境溫度下時(shí)，由于催化升溫效率低，造成低溫啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，在啟動(dòng)過程中催化反應(yīng)產(chǎn)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(dòng)產(chǎn)生的水易出現(xiàn)結(jié)冰的問題，從而導(dǎo)致體積膨脹，對(duì)電池結(jié)構(gòu)和性能造成嚴(yán)重影響。此外，產(chǎn)生的冰會(huì)覆蓋電池多孔電極的微孔，致使混合氣不能完全反應(yīng)，啟動(dòng)時(shí)必須大量通入混合氣，從而造成啟動(dòng)過程燃料消耗過多，利用率較低的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)催化反應(yīng)冷啟動(dòng)裝置，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(shí)將陽極/陰極尾氣通入陰極或陽極，使得未完全反應(yīng)的氣體繼續(xù)陰極催化層上氧化放熱，實(shí)現(xiàn)了PEMFC陰陽極同時(shí)催化反應(yīng)給電池提供熱量的效果，同時(shí)有效提高燃料的利用率?；蛘邔EMFC陰極通入一定比例的氫氣和含氧氣體(優(yōu)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(yīng)完全的混合氣在陽極催化層發(fā)生催化反應(yīng)，也能達(dá)到同樣的效果。該裝置在不增加燃料電池系統(tǒng)和體積的前提下大大縮短PEMFC冷啟動(dòng)時(shí)間，提高了燃料的利用效率，促進(jìn)燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池在低溫狀態(tài)下的啟動(dòng)裝置，在實(shí)現(xiàn)尾氣循環(huán)利用的效果的同時(shí)，大大縮短PEMFC低溫啟動(dòng)時(shí)間。

其一的技術(shù)方案為，一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池在低溫狀態(tài)下的啟動(dòng)裝置，所述質(zhì)子交換膜燃料電池包括陽極進(jìn)氣口、陽極出氣口、陰極進(jìn)氣口、氫氣輸入端；所述啟動(dòng)裝置包括含氧氣體輸入端、管路Ⅰ和管路Ⅱ；所述氫氣輸入端、含氧氣體輸入端經(jīng)管路Ⅰ混合后與所述陽極進(jìn)氣口連通；所述陽極出氣口與所述陰極進(jìn)氣口經(jīng)管路Ⅱ連通。

另一技術(shù)方案是，一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池在低溫狀態(tài)下的啟動(dòng)裝置，

所述質(zhì)子交換膜燃料電池包括陰極進(jìn)氣口、陰極出氣口、陽極進(jìn)氣口、氫氣輸入端；所述啟動(dòng)裝置包括含氧氣體輸入端、管路Ⅰ和管路Ⅱ；所述氫氣輸入端、含氧氣體輸入端經(jīng)管路Ⅰ混合后與所述陰極進(jìn)氣口連通；所述陰極出氣口與所述陽極進(jìn)氣口經(jīng)管路Ⅱ連通。