專利名稱：一種提高質(zhì)子交換膜燃料電池零度以下耐受性的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種提高質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在零度以下環(huán)境中耐受性的方法。通過用惰性氣體(如氮氣、氦氣、氬氣等)對關閉后的電池進行吹掃處理，在溫度降低到結(jié)冰點之前去除體系中的水分，從根本上杜絕了電池內(nèi)部冰晶的生成，進而避免水的凝固和溶化過程給系統(tǒng)帶來的物理損壞。與依靠附加系統(tǒng)進行燃燒供熱的方法不同，本方法可以大大減小能量消耗，并且?guī)缀醪辉黾诱麄€燃料電池系統(tǒng)的復雜性。
用氮氣等惰性氣體對關閉后的電池進行吹掃，可以去除流場中和燃料電池內(nèi)部的絕大部分水分，減小頻繁的冷凍-解凍循環(huán)對電池關鍵組件造成的機械損壞以及由此對電池壽命和工作能力等方面帶來的負面影響。與現(xiàn)有專利中常見的方法(如用燃燒液體燃料和氫氣等產(chǎn)熱避免電池結(jié)冰，或用反應氣直接吹掃電池)相比，該方法不但節(jié)省了燃料消耗，提高了燃料效率，而且減少燃料電池操作成本，無需對電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行復雜化改造，從而推動了燃料電池的發(fā)展。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、維護方便、可快速啟動等優(yōu)點，在車用電源方面有著良好的發(fā)展前景。
但迄今為止，雖然燃料電池電動汽車從概念設計到演示運行都已被證明是可行的，可它距離真正實用化尚有差距，還有很多問題亟待解決。其中溫度的影響就是一個相當大的挑戰(zhàn)。在寒冷的冬季，環(huán)境溫度會降到零度以下，因此要求車內(nèi)的燃料電池能在戶外超低溫度下(-20～-40℃)具有快速起動能力和自維護能力，并在較大的溫度變動范圍內(nèi)(約為-40～80℃)保持電池的完整性和足夠長的壽命，這對內(nèi)部含水量很高的PEMFC來講是非常困難的。因為水凝固形成的冰晶會阻止反應氣順利抵達催化劑表面，從而影響電池啟動及初始工作能力；另外，水冰兩相之間的體積變化高達9％左右，反復的冷凍-解凍循環(huán)勢必會使多孔電極內(nèi)有水分布的部位產(chǎn)生一定的機械應力，并導致冷凍過后出現(xiàn)電極內(nèi)催化劑分層、擴散層的破損等，對電池的壽命和性能造成惡劣影響。
現(xiàn)有專利中提及的解決方法大體分為以下幾種(1)在電池中加入輔助燃燒裝置提供熱量，以供給冷凍條件下的啟動需要，采用的燃料包括液體燃料和氣體燃料(如丙烷、液態(tài)醇、氫氣和天然氣等)，如專利US006376113、US20050181248A1、US2005027238A3...；(2)通過真空排水或用反應氣及其它氣體吹掃的方法在電池關閉時將內(nèi)部的水分移除，如專利US04017444、US01024296、US6358637；(3)維持一定的冷卻水溫，以便采用循環(huán)控制裝置使電池迅速升溫啟動，如專利US006756143；(4)由電池帶動負載產(chǎn)生熱量供給冷凍條件下的啟動需要，如專利WO00059058；(5)采用絕熱保溫的方法避免電池內(nèi)的水溫降到冰點以下，如專利US006797421。
以上所述的方法或者可以避免電池內(nèi)的水分在溫度低于零度時發(fā)生相轉(zhuǎn)變過程，或者可以快速將電池溫度升高到所需工作溫度，但是無一例外會加大體系的復雜程度，有些方法還會產(chǎn)生較大的能量消耗，附加設施的體積和造價無疑會對安裝需求和可操作性等產(chǎn)生很大的負面影響，由此影響車載燃料電池系統(tǒng)的綜合性能。
因此本專利提出利用惰性氣體吹掃去除電池中水分的方法，以解決低于零度溫度條件下質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)水分結(jié)冰及其帶來的電池性能衰減和壽命降低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在零度以下環(huán)境中耐受性的方法；通過在電池關閉后降溫過程中進行惰性氣體吹掃，帶出電池內(nèi)水分的方法，減小頻繁冷凍-解凍過程對零度以下環(huán)境中燃料電池性能和壽命的影響，在不需附加輔助設施的條件下，使燃料電池在惡劣環(huán)境中耐受力的大大提高，保證電池工作能力在冷凍-解凍前后不發(fā)生改變，電池內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)也不因溫度變動而受到破壞。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種提高質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在零度以下環(huán)境中耐受性的的方法，在電池關閉時，對電池進行氣體吹掃，將電池內(nèi)的水分吹掃出去，實現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池對零度以下環(huán)境的耐受能力，保持超低溫度下的結(jié)構(gòu)完好和性能穩(wěn)定。
所述燃料電池的氣體吹掃方法具體步驟如下，1)先根據(jù)電池的工作需要正常關閉電池；2)再調(diào)節(jié)進氣管道開關，在電池溫度降低到冰點之前，將進氣分別切換成干燥的氣體吹掃電池(所述氣體為不與電池部件發(fā)生反應的氣體，如氮氣、氬氣或氦氣等惰性氣體，或除氧空氣等，其中陰極通入的氣體還可以為CO2氣體)；3)調(diào)節(jié)氣體壓力為0.02-0.5MPa，控制氣體流速10-1000mL/min，將吹掃氣體通入燃料電池的兩極，持續(xù)將電池內(nèi)的水分吹掃出去；隨著電池溫度的降低，持續(xù)帶出電池內(nèi)的水分，盡量使水分帶出量與氣體消耗比值保持最大；4)用濕度傳感器在尾排處檢測流出氣體的水含量，當達到1-40％RH時關閉氣體進口閥門；5)重新開啟電池的初始階段需略微增大加濕程度，保證電池重新恢復濕潤狀態(tài)，快速恢復正常的電輸出性能本發(fā)明的有益效果是1.電池工作性能的穩(wěn)定，延長了電池壽命。本發(fā)明采用氣體吹掃的排水方法，避免了零下溫度環(huán)境中電池內(nèi)的水發(fā)生反復結(jié)冰融化的相變過程，從而解決了電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損帶來的電池性能衰減和壽命降低等問題，提高了質(zhì)子交換膜燃料電池在低溫環(huán)境中的耐受能力，推動了燃料電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
2、本發(fā)明對于燃料電池汽車發(fā)動機來說，可以減小加熱保溫法的能量消耗并節(jié)省附加設施造價，更有利于滿足實用化的要求。
總之，電池運行過程中和關閉后隨著電池溫度的降低，在溫度達到結(jié)冰點之前依靠氣體吹掃帶走水分，因為水的飽和蒸汽壓隨著溫度的不同而變化，故而持續(xù)的吹掃過程會較完全地去除電池內(nèi)部的水分，最大程度地避免水的結(jié)冰融化過程給電極造成的物理損害，期間不再進行任何附加的處理手段，如國外專利中常見的燃燒液體燃料和氫氣供給熱量使冰晶融化的方法等。該方法也不同于專利US01024296的吹掃方法，關鍵在于準確界定了吹掃氣體關閉時出口氣體含水量，而不是模糊地規(guī)定吹掃時間等外部條件，因此對于PEMFC在零度以下環(huán)境中的耐受力提高也更有保障。


圖1為本發(fā)明實施例1氣體吹掃前電極斷面的SEM圖；圖2為本發(fā)明實施例1氣體吹掃后電極斷面的SEM圖；圖3為本發(fā)明實施例1的6片電池構(gòu)成的電堆在冷凍吹掃前后電池堆性能比較曲線圖(電壓vs.電流密度曲線)，工作條件為電池溫度50℃，反應氣體壓力0.1MPa，氫氣、氧氣計量比分別為1.5和2.5。冷凍溫度低至-10℃。
具體實施例方式
實施例1在低溫環(huán)境中(溫度低于零度時)，先按常規(guī)方法關閉電池；在電池關閉后，在電池溫度降低到冰點之前(常溫到0℃均可)，將進氣切換至干燥氮氣通道，調(diào)整陰陽極兩側(cè)的壓力平衡，均維持在0.1MPa，控制氣體流速為100mL/min吹掃電池及反應氣管路，以除去這些部位殘留的水分。此時，由于電池正常工作狀態(tài)已停止，其溫度也逐漸降低直至與周圍環(huán)境相同。當設在氣體出口處的濕度計示值達到10％RH時切斷氣源。當電池重新起動時，只需稍微增加加濕程度既可很快達到正常工作狀態(tài)。
本發(fā)明在電池關閉時，對電池進行氣體吹掃處理，將電池內(nèi)的水分吹掃出去，來減小電池內(nèi)水分發(fā)生相變可能引起的電極結(jié)構(gòu)損壞，以提高質(zhì)子交換膜燃料電池在低于零度溫度環(huán)境中的存活壽命，并保證其工作性能的穩(wěn)定，從而推動了燃料電池的發(fā)展。
實施例2在低溫環(huán)境中(溫度低于零度時)，先按常規(guī)方法正常關閉電池；在電池關閉后，在電池溫度降低到冰點之前，將進氣切換至干燥除氧空氣(氧氣的體積含量低于10％的空氣)通道，調(diào)整陰陽極兩側(cè)的壓力平衡，均維持在0.5MPa，控制氣體流速為1000mL/min吹掃電池及反應氣管路，以除去這些部位殘留的水分。此時，由于電池正常工作狀態(tài)已停止，其溫度也逐漸降低直至與周圍環(huán)境相同。當設在氣體出口處的濕度計示值達到5％RH時切斷氣源。當電池重新起動時，只需稍微增加加濕程度既可很快達到正常工作狀態(tài)。
本發(fā)明去除了體系中的水分，從根本上杜絕了冰晶生成進而避免水的凝固和溶解過程給系統(tǒng)帶來的物理損壞，實現(xiàn)了冷凍-解凍過程頻繁的使用環(huán)境中燃料電池工作性能的穩(wěn)定和耐受能力的提高。
實施例3在低溫環(huán)境中(溫度低于零度時)，先按常規(guī)方法正常關閉電池；在電池關閉后，在電池溫度降低到冰點之前，將進氣切換至干燥氬氣通道，調(diào)整陰陽極兩側(cè)的壓力平衡，均維持在0.02MPa，控制氣體流速為10mL/min吹掃電池及反應氣管路，以除去這些部位殘留的水分。此時，由于電池正常工作狀態(tài)已停止，其溫度也逐漸降低直至與周圍環(huán)境相同。當設在氣體出口處的濕度計示值達到30％RH時切斷氣源。當電池重新起動時，只需稍微增加加濕程度既可很快達到正常工作狀態(tài)。
實施例4與實施例3不同之處在于，陰極通入的氣體為CO2氣體。
權(quán)利要求
1.一種提高質(zhì)子交換膜燃料電池零度以下耐受性的方法，其特征在于在電池關閉時，對電池進行氣體吹掃，將電池內(nèi)的水分吹掃出去。
2.按照權(quán)利要求1所述提高質(zhì)子交換膜燃料電池零度以下耐受性的方法，其特征在于所述燃料電池的氣體吹掃方法具體步驟如下，1)先根據(jù)電池的工作需要正常關閉電池；2)再調(diào)節(jié)進氣管道開關，在電池溫度降低到冰點之前，將進氣分別切換成干燥的氣體吹掃電池；3)調(diào)節(jié)氣體壓力為0.02-0.5MPa，控制氣體流速10-1000mL/min，將吹掃氣體通入燃料電池的兩極，持續(xù)將電池內(nèi)的水分吹掃出去；4)用濕度傳感器在尾排處檢測流出氣體的水含量，當達到1-40％RH時關閉氣體進口閥門。
3.按照權(quán)利要求1或2所述提高質(zhì)子交換膜燃料電池零度以下耐受性的方法，其特征在于所述氣體為不與電池部件發(fā)生反應的氣體氮氣、氬氣、氦氣或除氧空氣；其中陰極通入的氣體還可以為CO2氣體。
4.按照權(quán)利要求2所述提高質(zhì)子交換膜燃料電池零度以下耐受性的方法，其特征在于在步驟3)中隨著外界環(huán)境溫度的降低，持續(xù)帶出電池內(nèi)的水分，盡量使水分帶出量與氣體消耗比值保持最大。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高質(zhì)子交換膜燃料電池對零度以下低溫條件耐受性的方法，在電池關閉時，對電池進行氣體吹掃，將電池內(nèi)的水分吹掃出去，來減小電池內(nèi)水分發(fā)生相變可能引起的電極結(jié)構(gòu)損壞，以提高質(zhì)子交換膜燃料電池在低于零度溫度環(huán)境中的存活壽命，并保證其工作性能的穩(wěn)定，從而推動了燃料電池的發(fā)展。
文檔編號H01M8/10GK1992402SQ200510136768
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者俞紅梅, 張生生, 路玉江, 孫樹成, 明平文, 衣寶廉, 朱紅 申請人:中國科學院大連化學物理研究所