[发明专利]质子交换膜燃料电池

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池，包括工作电极、对电极、质子交换膜、增湿单元，还包括恒湿单元。所述增湿单元中包括一定质量浓度的硫酸水溶液。所述恒湿单元固定于所述燃料电池内部，包括壳体、饱和盐溶液和防水透气膜，所述饱和盐溶液置于壳体和防水透气膜围成的空间内。反应气通过增湿单元后带入燃料电池内的不再是单纯的水分子，而是硫酸的水溶液。由于有恒湿单元的存在，反应生成的水的稀释作用可以忽略。硫酸水溶液和饱和盐溶液的凝固点都在‑40℃以下，即使是在寒冷的冬天，由于温度达不到硫酸水溶液和饱和盐溶液的凝固点也不会出现结冰现象，既解决了低温启动及运行的问题，又简化了原有的防冻防冰系统，具有极大的优势。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，特别是一种适合于在低温条件下运行的质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，采用固态的质子交换膜13充当电解质来进行质子的传递，具有工作温度低、结构简单紧凑、能量密度和功率密度比其他燃料电池更高、可快速启动、维护方便等优点；同时由于采用固态电解质可避免出现电解质泄漏等故障。

虽然质子交换膜燃料电池具有很多优点，但是在其投入使用过程中以及实际应用过程中还是存在一定的缺陷的，这些缺陷限制了质子交换膜燃料电池的批量使用。其中最重要的就是电池体系中的水管理以及低温下电池性能衰减：电池内部水分的来源有两处，一是反应生成的水；二是由于质子交换膜中的质子必须结合一定数量的水分子之后才能进行传递，所以其电导率与含水量有关，但水分含量过高会引起电解质淹没，导致其与相连的电极或气体扩散层中的孔道被水堵塞造成传质极化损失。为了使电池处在良好的含水状态，最常用的方法就是在反应气体进入电池前对空气或者/和氢气进行加湿处理，控制电流与加湿的温度在一定的水平，并辅以空气流速控制，使含水量既不太高又不太低，即在电池内部实现专门的水管理系统以保证一个良好的水平衡关系，例如专利号为CN 101699644A及专利号为02160497.5的中国专利。但是此种方法会使质子交换膜燃料电池的结构变得更加复杂。

除了做好前述水平衡管理外，燃料电池在低温下的应用也是目前的研究热点。在低于零度时，体系中的水(来自于水管理以及反应产物)会发生结冰凝固，这对整个燃料电池将会产生非可逆性的影响。由于水的结冰过程会伴随有明显的体积变化，所以会导致相应的机械应力的产生，可能在冷冻后出现催化剂分层，扩散层破损以及质子交换膜破损等不可逆转性故障。为了解决上述低温下的运行问题，现在普遍采用吹扫法和真空排水等手段(例如专利号为CN200510136768的中国专利、专利号为US20050181248A1)将电池充分干燥或被防冻液置换以避免结冰，这需要在电池关闭前停止对反应气的加湿。显然该方法可以从根本上杜绝结冰的生成，进而避免水的凝固给系统带来的物理破坏，但在下次电池运行前必须重新补充一定的水分，使电池达到正常的湿润工作状态。无论是排水的过程还是重新增湿的过程都需要消耗一定的时间才能完成，这对电池使用的便利性会造成很大影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种质子交换膜燃料电池，该电池具有便捷的水管理系统，并且可以在低温下使用，能够防止低温下电池内部的水结冰。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种质子交换膜燃料电池，包括工作电极、对电极、质子交换膜、增湿单元，还包括恒湿单元。

进一步地，所述增湿单元中包括质量浓度30％-45％的硫酸水溶液。

进一步地，所述增湿单元中包括质量浓度35％-40％的硫酸水溶液。

进一步地，所述恒湿单元固定于所述燃料电池内部，包括壳体、饱和盐溶液和防水透气膜，所述饱和盐溶液置于壳体和防水透气膜围成的空间内。

进一步地，所述饱和盐溶液为K₂CO₃、Mg(NO₃)₂或NaCl饱和溶液中的一种。