[发明专利]一种燃料电池的极板及其制备方法、燃料电池堆、燃料电池系统及其冷启动方法

说明书

本申请提供了一种燃料电池的极板及其制备方法、燃料电池堆、燃料电池系统及其冷启动方法，涉及燃料电池技术领域，该燃料电池的极板包括极板本体和设置在其表面的催化剂层；其中，所述催化剂层的材料包括第一催化剂，所述第一催化剂对燃料和氧化剂的化学反应具有催化作用，解决了现有技术中燃料电池在利用燃料和氧化剂在膜电极的电催化层中放热反应解决低温冷启动时易造成电催化剂层局部高温、电催化剂颗粒团聚、损伤膜电极的技术问题，达到了燃料电池低温冷启动速度更快且不影响电催化剂层性能的技术效果。

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池的极板及其制备方法、燃料电池堆、燃料电池系统及其冷启动方法。

背景技术

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学发电装置。每一燃料电池单体的结构均包括极板、膜电极，多个燃料电池单体以串联的方式层叠组合，并通过前端板、后端板和嵌入各燃料电池单体之间的密封件等形成燃料电池堆(以下简称电堆)。其中，极板上有多个楞和流道，在电堆中用于分配和隔离氧化剂(如空气)、燃料(如氢气)和冷却液(如水溶液)，以及支撑膜电极并保持电堆结构稳定，并传导电流与热量，是燃料电池的核心部件。

根据电解质不同，现有的燃料电池主要可以分为磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池五种。其中，质子交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，其特点是工作温度低(约70-80℃)，启动速度快，特别适于用作动力电源，但正是由于其运行温度低，因此也存在环境温度在零度以下时易出现冷启动时水结冰问题，进而影响质子交换膜燃料电池的启动。

为了应对质子交换膜燃料电池的工作环境温度在零度以下时易出现冷启动时水结冰的问题，现有技术中，主要采用以下四种方法：(1)用外电源对电堆中的冷却液先进行加热，待冷却液温度接近或高于0℃以上时才启动燃料电池；该方式一则需要时间较长，二则在很低的环境温度下时，外电源(如电池)本身的发电能力很受影响，可能存在无法工作的情况；(2)用外部热源事先预热氢气或空气，把预热后的反应气通入电堆；该方式需要另设外部热源，增加了启动所需设备，此外电堆温度上升的速度太慢，只适应环境温度在0℃附近的情况；(3)控制电堆中燃料电池单体的电压(如控制在0.2V左右)，使其产生大量热而使燃料电池单体快速升温；该方法虽然可以改善燃料电池在环境温度较低情况下水结冰的问题，但该方法易损伤膜电极，同时对于环境温度很低(如-20℃)的情况，其效果有限；(4)把按一定比例混合的氢气+空气混合物通入燃料电池单体的阴极和/或阳极，利用膜电极上的已有的、用来催化氧气还原(阴极)和/或氢气氧化(阳极)的电催化剂来引发氢气和氧气在膜电极中的化学反应，产生热，进而提高电堆的温度；该方法对电堆温度提升速度快，能够在较低的环境温度下(如-20℃)启动电堆，同时该方法无需控制燃料电池单体的电压，避免因为电压控制不当而导致燃料电池中膜电极损伤的问题；但该方法用于提升燃料电池单体温度的化学反应完全发生在膜电极的电催化层中，导致电催化层局部尤其是电催化剂附近的温度过高，进而加剧催化剂颗粒团聚、引起电催化层的损伤和质子交换膜的局部破损，影响燃料电池的使用寿命。

发明内容

本申请的目的在于提供一种燃料电池的极板，以提高燃料电池在零度以下冷启动时的升温速率。

本申请的另一目的在于提供一种燃料电池的极板的制备方法。

本申请的再一目的在于提供一种燃料电池堆。

本申请的再一目的在于提供一种燃料电池系统。

本申请的再一目的在于提供一种燃料电池系统的冷启动方法。

为了上述目的，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种燃料电池的极板，包括极板本体，极板本体的至少一个侧面的部分或全部区域设置有催化剂层；

催化剂层的材料包括第一催化剂，第一催化剂对燃料和氧化剂的化学反应具有催化作用。