[发明专利]一种质子交换膜燃料电池低温状态下启动的方法

说明书

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池在零度以下启动的方法，在阳极通混合气催化预热，阳极的尾气通入阴极，使得未反应的混合气在阴极发生催化反应，实现阴阳极同时升温的效果。本发明在传统催化冷启动方法上得以改进，阴阳极可同时发生催化反应，给电池提供热量，可以实现‑45℃甚至更低温度范围的低温启动，燃料得到充分利用，降低电池启动功耗，大大缩减低温启动时间。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说是一种改进质子交换膜燃料电池催化反应冷启动的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可将燃料氢气和空气中的化学能直接转化为电能，它具有能量转化效率高、无污染等特点，被认为是可替代的未来交通动力技术之一，有助于我国实现节能减排、低碳环保的目标。质子交换膜燃料电池是一个及其复杂的系统，在汽车领域的应用，不可避免地会面临低温条件下的储存与启动等困难。PEMFC的单电池结构一般包括阳极催化层、阴极催化层和质子交换膜，阳极催化层和阴极催化层都含有加速电极电化学反应的催化剂。阴极催化层既是电池电化学反应的场所，但同时也产生了水。在低于0℃的环境中，水在电池阴极产生并向外传输，这时电池中的水就会结冰，当水结冰时会产生9％的体积膨胀，而当电池启动之后产生的废热将冰融化成水，体积又会减小，反复相变会对电池材料结构以至电池性能及寿命产生很大的影响。

CN 101170187A采用将直流电源与燃料电池串联，利用氢泵作用加热电池，实现低温启动。US006727013B2采用风扇向质子交换膜吹热风，以此来提高燃料电池的整体温度，达到启动的效果。虽然这些方法都能够使燃料电池在零度以下成功启动，但是都存在增加电池系统的体积和质量问题，提高燃料电池系统的复杂程度和费用。传统的催化反应冷启动方法如CN 101170194A，只是将氢氧混合气通入燃料电池阴极或者阳极，利用混合气在催化层上氧化放热提高电池温度，但由于混合气并不能完全反应，虽然能够在一定低温范围实现PEMFC电池的启动，但当电池处于更低的环境温度下时，由于催化升温效率低，造成低温启动时间过长，在启动过程中催化反应产生的热量还不足以将电池温度快速升到0℃以上，因此催化启动产生的水易出现结冰的问题，从而导致体积膨胀，对电池结构和性能造成严重影响。此外，产生的冰会覆盖电池多孔电极的微孔，致使混合气不能完全反应，启动时必须大量通入混合气，从而造成启动过程燃料消耗过多，利用率较低的问题。

发明内容

本发明改进了传统质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化反应冷启动方法，具体将PEMFC阳极/阴极通入一定比例的氢气和含氧气体的混合气体，同时将阳极/阴极尾气通入阴极或阳极，使得未完全反应的气体继续阴极催化层上氧化放热，实现了PEMFC阴阳极同时催化反应给电池提供热量的效果，同时有效提高燃料的利用率。或者将PEMFC阴极通入一定比例的氢气和含氧气体(优选空气)的混合气体，并将阴极的尾气通入阳极，使得阴气未反应完全的混合气在阳极催化层发生催化反应，也能达到同样的效果。该方法在不增加燃料电池系统和体积的前提下大大缩短PEMFC冷启动时间，提高了燃料的利用效率，促进燃料电池产业化发展。

为实现上述目的，一方面，本发明提供的技术方案，质子交换膜燃料电池在低温状态下(包括零度及零度以下的温度)启动的方法，所述启动的方法包括以下步骤：

(1)在PEMFC正常工作前，先将氢气和含氧气体经混合后(优选将氢气和含氧气体经三通管混合均匀)通入电池的阳极，利用氢气和含氧气体在电池阳极催化剂的作用下发生的氧化放热反应，提高PEMFC电池阳极侧的温度；

(2)将所述阳极排出的尾气(即阳极未完全反应剩余的氢气和含氧气体)通入电池的阴极，使得阳极未完全反应的反应气(即氢气和含氧气体)继续在电池阴极催化剂的作用下发生氧化放热反应，从而提高PEMFC电池阴极侧的温度。

当电池温度达到预设温度时(例如，预设温度可以为0℃)，停止氢气、含氧气体通入PEMFC的阳极，停止阳极的尾气通入阴极，优选利用干的N₂吹扫PEMFC阴极和阳极，然后将反应气体正常通入电池，使PEMFC在低温状态下(例如零度以下)正常工作。