[發明專利]一種高溫質子交換膜燃料電池的低溫儲存策略

有效

• 申請號: 201811036766.X
• 申請日: 2018-09-06
• 公開（公告）號: CN110880612B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 楊林林;李印華;孫公權
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04303
• 分類號: H01M8/04303;H01M8/04228
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

針對高溫質子交換膜燃料電池低溫儲存問題，本發明通過調節高溫質子交換膜燃料電池關機過程中的加載電流大小、進料量大小、和關機溫度來調控關機后燃料電池膜電極中磷酸電解質濃度，并通過電化學阻抗法測試燃料電池內阻來間接判斷膜電極內磷酸濃度變化趨勢，進而避免低溫儲存時膜電極中電解質固化，降低低溫儲存時電解質相態和體積變化對膜電極的傷害，從而減緩低溫儲存后燃料電池性能的衰減。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，特別涉及一種高溫質子交換膜燃料電池低溫儲存策略。

背景技術

高溫質子交換膜燃料電池(HT-PEMFC,150～200℃)相對于低溫質子交換膜燃料電池(PEMFC，80℃左右)，電極反應速率加快，對雜質的耐受性較高且水熱管理比較簡單等，所以高溫質子交換膜燃料電池得到廣泛關注。質子交換膜燃料電池具有高能量轉換效率、環境友好等突出優點，同時還具有比功率比能量高等特點，是非常有前途的動力電源。

燃料電池在動力電源方面的應用，不可避免地會面臨低溫條件下的儲存等困難。對工作溫度為150～200℃的高溫質子交換膜燃料電池，通常是基于磷酸摻雜的高溫電解質膜，其電解質膜和膜電極中的質子傳導物質是磷酸。圖1為磷酸溶液的物相圖，在低于0℃的環境中，磷酸濃度過低或過高時，將引起部分磷酸固化；在磷酸濃度高于62.5％后，隨磷酸濃度升高，冰點也隨之增大。磷酸溶液固化后由于分子間空隙減小則體積變小，再次啟動電池時，隨溫度升高，磷酸溶液密度降低，體積也隨著變化，反復的相變會對電解質膜材料及膜電極結構造成很大影響，進而影響電池性能及壽命。美國專利WO 2016/168112A1報道了一種利用在磷酸溶液中添加少量另一種物質來降低磷酸溶液的冰點，從而避免磷酸溶液固化。但對于燃料電池應用來說，引入其他物質將帶來其他問題，比如對膜電極的污染、對電催化劑的毒化等。

針對上述問題，本發明提出一種利用高溫質子交換膜燃料電池關機策略的優化來調節電池關機前的單節電池的內阻，從而控制關機后膜電極中的磷酸濃度，進而避免低溫儲存時磷酸固化，從而可有效解決低溫儲存困難問題。

發明內容

本發明通過調節高溫質子交換膜燃料電池關機時的操作條件(包括關機過程中加載電流大小、進料量大小控制、燃料電池關機前的溫度等)，隨后通過電化學阻抗法測試電池內阻檢測膜電極中磷酸電解質濃度變化趨勢，從而調控關機后燃料電池膜電極中磷酸電解質的濃度，進而避免低溫儲存時膜電極中電解質固化，降低低溫儲存時電解質相態和體積變化對膜電極的傷害，從而減緩低溫儲存后燃料電池性能的衰減。

一種高溫質子交換膜燃料電池的低溫儲存策略，所述高溫質子交換膜燃料電池電解質膜是基于磷酸摻雜的高溫電解質膜，高溫質子交換膜燃料電池關機過程中通過采用對包括關機前加載電流控制、關機前進料控制和關機前的溫度控制中的一種或兩種以上的控制方法對燃料高溫質子交換膜燃料電池關機過程進行控制；使單節電池的內阻控制在160～250mΩ·cm²。

燃料電池內阻的測試為間接了解燃料電池關機后膜電極內磷酸電解質的濃度，采用交流阻抗法測試燃料電池的內阻。對基于磷酸摻雜高溫電解質膜的高溫質子交換膜燃料電池，其燃料電池的內阻主要受控于電解質膜的內阻，而電解質膜的內阻受膜電導率的影響，電解質膜的電導率受膜中摻雜酸的濃度影響，而不同溫度，不同濃度的磷酸溶液，其比電導率不同，所以，燃料電池的內阻可間接反映膜電極中的磷酸濃度。對于要0至-40℃儲存的電池，建議燃料電池關機時單節電池的內阻在160～250mΩ·cm²。