[发明专利]一种高温质子交换膜燃料电池的低温储存策略

说明书

针对高温质子交换膜燃料电池低温储存问题，本发明通过调节高温质子交换膜燃料电池关机过程中的加载电流大小、进料量大小、和关机温度来调控关机后燃料电池膜电极中磷酸电解质浓度，并通过电化学阻抗法测试燃料电池内阻来间接判断膜电极内磷酸浓度变化趋势，进而避免低温储存时膜电极中电解质固化，降低低温储存时电解质相态和体积变化对膜电极的伤害，从而减缓低温储存后燃料电池性能的衰减。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种高温质子交换膜燃料电池低温储存策略。

背景技术

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC,150～200℃)相对于低温质子交换膜燃料电池(PEMFC，80℃左右)，电极反应速率加快，对杂质的耐受性较高且水热管理比较简单等，所以高温质子交换膜燃料电池得到广泛关注。质子交换膜燃料电池具有高能量转换效率、环境友好等突出优点，同时还具有比功率比能量高等特点，是非常有前途的动力电源。

燃料电池在动力电源方面的应用，不可避免地会面临低温条件下的储存等困难。对工作温度为150～200℃的高温质子交换膜燃料电池，通常是基于磷酸掺杂的高温电解质膜，其电解质膜和膜电极中的质子传导物质是磷酸。图1为磷酸溶液的物相图，在低于0℃的环境中，磷酸浓度过低或过高时，将引起部分磷酸固化；在磷酸浓度高于62.5％后，随磷酸浓度升高，冰点也随之增大。磷酸溶液固化后由于分子间空隙减小则体积变小，再次启动电池时，随温度升高，磷酸溶液密度降低，体积也随着变化，反复的相变会对电解质膜材料及膜电极结构造成很大影响，进而影响电池性能及寿命。美国专利WO 2016/168112A1报道了一种利用在磷酸溶液中添加少量另一种物质来降低磷酸溶液的冰点，从而避免磷酸溶液固化。但对于燃料电池应用来说，引入其他物质将带来其他问题，比如对膜电极的污染、对电催化剂的毒化等。

针对上述问题，本发明提出一种利用高温质子交换膜燃料电池关机策略的优化来调节电池关机前的单节电池的内阻，从而控制关机后膜电极中的磷酸浓度，进而避免低温储存时磷酸固化，从而可有效解决低温储存困难问题。

发明内容

本发明通过调节高温质子交换膜燃料电池关机时的操作条件(包括关机过程中加载电流大小、进料量大小控制、燃料电池关机前的温度等)，随后通过电化学阻抗法测试电池内阻检测膜电极中磷酸电解质浓度变化趋势，从而调控关机后燃料电池膜电极中磷酸电解质的浓度，进而避免低温储存时膜电极中电解质固化，降低低温储存时电解质相态和体积变化对膜电极的伤害，从而减缓低温储存后燃料电池性能的衰减。

一种高温质子交换膜燃料电池的低温储存策略，所述高温质子交换膜燃料电池电解质膜是基于磷酸掺杂的高温电解质膜，高温质子交换膜燃料电池关机过程中通过采用对包括关机前加载电流控制、关机前进料控制和关机前的温度控制中的一种或两种以上的控制方法对燃料高温质子交换膜燃料电池关机过程进行控制；使单节电池的内阻控制在160～250mΩ·cm²。

燃料电池内阻的测试为间接了解燃料电池关机后膜电极内磷酸电解质的浓度，采用交流阻抗法测试燃料电池的内阻。对基于磷酸掺杂高温电解质膜的高温质子交换膜燃料电池，其燃料电池的内阻主要受控于电解质膜的内阻，而电解质膜的内阻受膜电导率的影响，电解质膜的电导率受膜中掺杂酸的浓度影响，而不同温度，不同浓度的磷酸溶液，其比电导率不同，所以，燃料电池的内阻可间接反映膜电极中的磷酸浓度。对于要0至-40℃储存的电池，建议燃料电池关机时单节电池的内阻在160～250mΩ·cm²。