本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，具體涉及具有低溫啟動(dòng)功能的質(zhì)子交換膜燃料電池。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種以氫氣或甲醇等作為燃料的燃料電池，其單電池由陽極雙極板、陰極雙極板、陽極擴(kuò)散層、陰極擴(kuò)散層、陽極催化層、陰極催化層和質(zhì)子交換膜組成，燃料在陽極催化層被氧化產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子通過外電路傳到陰極，質(zhì)子則通過質(zhì)子交換膜傳到陰極，在陰極催化層參與還原反應(yīng)。在質(zhì)子傳導(dǎo)過程中，質(zhì)子交換膜始終要保持潤濕才能保證質(zhì)子順利的通過，因此水應(yīng)以液態(tài)的形式存在于膜中，而不能發(fā)生凍結(jié)。

但是由于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)常常作為便攜式電源用于汽車等便攜式設(shè)備中，難免要面臨低溫環(huán)境，電池不工作時(shí)，內(nèi)部的水可能會(huì)發(fā)生凍結(jié)，低溫下進(jìn)行冷啟動(dòng)時(shí),由于電池內(nèi)部溫度低于冰點(diǎn)，導(dǎo)致沒有自由水存在，燃料電池將面臨啟動(dòng)失敗。

微膠囊相變蓄熱材料是利用微膠囊制備技術(shù)將相變蓄熱材料作為內(nèi)芯封裝在膠囊中制成的一種蓄熱保溫材料。其中的相變材料能根據(jù)外界環(huán)境溫度的變化，利用相變材料在相變過程中吸收或釋放大量熱量，通過自動(dòng)貯熱/放熱所形成的熱緩沖作用，在一定的溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)周圍溫度。如果將微膠囊相變蓄熱材料涂覆在電池表面，同時(shí)在電極材料中摻混微膠囊相變蓄熱材料，將會(huì)提高電池相變蓄熱能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)。

燃料電池在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，另外在光照條件下，光能也可以作為熱源。如果將電池產(chǎn)生的熱量蓄積起來在電池內(nèi)部溫度較低時(shí)加以利用；同時(shí)在有光照的條件下，將光能轉(zhuǎn)化為熱能用以提高電池內(nèi)部溫度，那么就可以有效延緩或防止電池內(nèi)部溫度下降，延緩或防止結(jié)冰，從而實(shí)現(xiàn)電池冷啟動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供了一種具有低溫啟動(dòng)功能的質(zhì)子交換膜燃料電池。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：具有低溫啟動(dòng)功能的質(zhì)子交換膜燃料電池，包括質(zhì)子交換膜燃料電池主體，所述質(zhì)子交換膜燃料電池主體包括按從左往右或從右往左順序連接的陽極雙極板、陽極擴(kuò)散層、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極擴(kuò)散層和陰極雙極板；其特點(diǎn)是：在質(zhì)子交換膜燃料電池主體外表面凃覆有微膠囊相變蓄熱材料，以利用電池內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來阻止或延緩電池內(nèi)部溫度下降，改善電池冷啟動(dòng)狀況；在涂有微膠囊相變蓄熱材料的電池外部包裹光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維，以增大電池傳熱熱阻，減少電池內(nèi)部熱量散失；在光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維外涂覆光熱轉(zhuǎn)換材料涂層，以在有光照的條件下將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，提高電池外部溫度，減少電池內(nèi)部熱量的損失。

本發(fā)明在質(zhì)子交換膜燃料電池主體外表面凃有微膠囊相變蓄熱材料，電池內(nèi)部溫度高于微膠囊相變蓄熱顆粒溫度時(shí)，膠囊內(nèi)的相變物質(zhì)發(fā)生相變，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收電池內(nèi)部的熱量并儲(chǔ)存；當(dāng)電池溫度低于相變溫度時(shí)，相變顆粒凝固放熱，這樣就能保證在外界溫度較低時(shí)，電池溫度能夠較長時(shí)間的保持在零度以上，能夠延緩或阻止冰的形成。在涂有微膠囊相變蓄熱材料的電池主體外表面再包裹光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維，當(dāng)外界環(huán)境中有可見光照射時(shí)，能夠有效的將環(huán)境中的光能轉(zhuǎn)化為熱能，提高電池表面溫度，同時(shí)保溫纖維增大了傳熱熱阻，因此能夠有效減少電池內(nèi)部熱量向環(huán)境擴(kuò)散。在光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維外表面凃覆光熱轉(zhuǎn)換材料涂層，一方面可以減少電池內(nèi)部熱量向外傳遞，另一方面可以將光能轉(zhuǎn)化為熱能，提高電池表面溫度，減少電池內(nèi)部熱量散失，以提高燃料電池冷啟動(dòng)特性。采用這幾種方式疊加，能極大的提高質(zhì)子交換膜燃料電池冷啟動(dòng)的可靠性。

根據(jù)本發(fā)明所述的具有低溫啟動(dòng)功能的質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)選方案，在陽極雙極板和陰極雙極板的材料中添加有微膠囊相變蓄熱材料，以進(jìn)一步利用電池內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來阻止或延緩電池內(nèi)部溫度下降，改善電池冷啟動(dòng)狀況。因?yàn)?，膠囊內(nèi)的相變物質(zhì)發(fā)生相變，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收電池內(nèi)部的熱量并儲(chǔ)存；當(dāng)電池溫度低于相變溫度時(shí)，相變顆粒凝固放熱，這樣就能保證在外界溫度較低時(shí)，電池溫度能夠較長時(shí)間的保持在零度以上，能夠延緩或阻止冰的形成。

根據(jù)本發(fā)明所述的具有低溫啟動(dòng)功能的質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)選方案，微膠囊相變蓄熱材料為采用固-液相變材料作為內(nèi)芯封裝在微膠囊中。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明能有效的實(shí)現(xiàn)燃料電池在低溫條件下內(nèi)部溫度保持在冰點(diǎn)以上，延緩和防止電池結(jié)冰造成膜不可逆性損壞，延長電池壽命；另外，由于蓄熱材料和光熱轉(zhuǎn)換材料均采用凃?qū)拥姆绞?，能夠保持燃料電池的輕便性特點(diǎn)，同時(shí)不需要額外消耗電能，有效保持了電池的高能量密度特性，在提高電池冷啟動(dòng)特性的同時(shí)有效保護(hù)電池免受低溫?fù)p害，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是具有低溫啟動(dòng)功能的質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1，具有低溫啟動(dòng)功能的質(zhì)子交換膜燃料電池，包括質(zhì)子交換膜燃料電池主體，所述質(zhì)子交換膜燃料電池主體包括按從左往右或從右往左順序連接的陽極雙極板4、陽極擴(kuò)散層6、陽極催化層8、質(zhì)子交換膜10、陰極催化層9、陰極擴(kuò)散層7和陰極雙極板5；其中，在質(zhì)子交換膜燃料電池主體外表面凃覆有微膠囊相變蓄熱材料3，在微膠囊相變蓄熱材料3外部包裹有光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維2，在光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維2外涂覆有光熱轉(zhuǎn)換材料涂層1；同時(shí)，陽極雙極板和陰極雙極板均由含有微膠囊相變蓄熱顆粒的材料制成。

本專利把微膠囊相變蓄熱材料涂覆在電池主體表面，同時(shí)在電極材料中摻混微膠囊相變蓄熱材料用以存儲(chǔ)電池產(chǎn)熱，在電池內(nèi)部溫度下降并低于相變材料的相變溫度時(shí)釋放熱量，可以提高電池溫度。同時(shí)，在電池表面包裹光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維能夠提高電池表面溫度，有效抑制電池內(nèi)部熱量向外遞。兩種方案同時(shí)采用，理論上將有效延緩電池內(nèi)部溫度的降低和冰的形成，以提高電池內(nèi)部溫度。從而實(shí)現(xiàn)有膜燃料電池成功冷啟動(dòng)。

在具體實(shí)施例中，本發(fā)明中的光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維可以采用含有碳化鋯、三氧化二鋁、六硼化鑭等光熱轉(zhuǎn)換材料的聚丙烯纖維，研究表明這種纖維具有較大的近紅外線吸收功能，近紅外線照射下的升溫速度明顯大于普通丙綸。光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維作為一種新型的保暖性功能纖維，可以選擇性地吸收太陽光線并將其轉(zhuǎn)換為熱能，從而有效提高保溫效果。當(dāng)電池在低溫下靜置時(shí)，由于電池主體外表面覆蓋這種光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維，能有效抑制電池溫度持續(xù)降低；光熱轉(zhuǎn)換材料涂層可以采用氧化鋯、三氧化二鋁、六硼化鑭等光熱轉(zhuǎn)換材料，當(dāng)陽光照射時(shí)，涂層將光能轉(zhuǎn)化為熱能，能有效提升電池表面溫度，抑制內(nèi)部溫度降低。

微膠囊相變蓄熱材料可以采用具有合適相變溫度的固-液相變材料作為內(nèi)芯，再采用微囊包封技術(shù)封裝在微膠囊中制成。本發(fā)明中可以采用己酸、正十三烷、正十四烷等材料作為內(nèi)芯，其相變溫度分別為-7.8℃，-5.4℃，1.4℃。當(dāng)環(huán)境溫度高于相變溫度時(shí)，內(nèi)芯由固相變?yōu)橐合?，并將熱量?chǔ)存在微膠囊中，當(dāng)環(huán)境溫度低于相變溫度時(shí)，內(nèi)芯由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，同時(shí)釋放相變潛熱，提升周圍溫度。

本發(fā)明具有如下作用：

(一)延緩甚至阻止冰的形成

本發(fā)明在電池外部裹覆光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維，由于光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維中含有氧化鋯、三氧化二鋁、六硼化鑭等光熱轉(zhuǎn)換材料，在可見光照射下能夠有效的將環(huán)境中的光能轉(zhuǎn)化為熱能，提高電池表面溫度，同時(shí)保溫纖維增大了傳熱熱阻，因此能夠有效減少電池內(nèi)部熱量向環(huán)境擴(kuò)散；在電池表面涂刷以及在雙極板材料中添加微膠囊相變蓄熱顆粒，電池內(nèi)部溫度高于相變蓄熱材料的相變溫度時(shí)，膠囊內(nèi)的相變物質(zhì)發(fā)生相變由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收電池內(nèi)部的熱量并儲(chǔ)存，當(dāng)電池溫度低于相變溫度時(shí)，相變顆粒凝固放熱。在外界溫度較低時(shí)，電池溫度能夠較長時(shí)間的保持在冰點(diǎn)以上，能夠延緩或阻止冰的形成。

(二)使電池能成功快速低溫啟動(dòng)

在外界溫度較低情況下，電池由于保溫層和蓄熱層的作用，內(nèi)部溫度能夠保持在一個(gè)較高溫度，這樣的話電池冷啟動(dòng)相對(duì)比較容易，能夠在低溫條件下快速啟動(dòng)。

(三)無外加裝置，結(jié)構(gòu)簡單輕便，

由于裝置只是改變了電極的材料，并且在外部裹覆光熱轉(zhuǎn)換保溫纖維，并沒有外加復(fù)雜的機(jī)械裝置，電池重量的體積沒有很大的改變，對(duì)電池的便攜性沒有造成影響。由于結(jié)構(gòu)簡單，因此電池運(yùn)行穩(wěn)定性好，維護(hù)簡單，成本低。

(四)減少電池冷啟動(dòng)損失

相較于現(xiàn)有的一些燃料電池冷啟動(dòng)裝置而言，本發(fā)明所述裝置由于沒有外加機(jī)械裝置，有效利用電池產(chǎn)生的熱量，減少了電池冷啟動(dòng)損失。

(五)提高電池效率

質(zhì)子交換膜燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率隨著溫度的提高，會(huì)有一定的提高，因此無論是在冷啟動(dòng)時(shí)或者正常工作時(shí)，電池效率都會(huì)提高，在夏季陽光充足時(shí)，所述光熱轉(zhuǎn)換材料更是能有效的將光能轉(zhuǎn)化為太陽能，以提高電池工作溫度，使電池效率得以提高。

(六)、預(yù)防低溫結(jié)冰膨脹對(duì)膜造成的物理傷害

由于裝置能夠有效延緩或阻止冰的形成，那么膜由于結(jié)冰導(dǎo)致的損傷聚合物膜結(jié)構(gòu)，致膜鼓脹、破裂、穿孔的現(xiàn)象出現(xiàn)幾率就會(huì)大大減小。

(七)、具有普遍適用性

本發(fā)明所述的方案具有普遍適用性，并不只是針對(duì)某一種膜燃料電池，對(duì)于所有的質(zhì)子交換膜燃料電池的冷啟動(dòng)都能起到良好的改善作用。除此之外，對(duì)于需要進(jìn)行防凍的其它電池，采用以上方案，也是行之有效的。

本發(fā)明能夠成功實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)的關(guān)鍵在于采用了光熱轉(zhuǎn)化、保暖、相變蓄熱三種維持電池內(nèi)部溫度的措施。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，光熱轉(zhuǎn)化和保暖措施能有效延緩電池溫度下降速度，延長電池可在低溫下靜置的許用時(shí)間，延緩電池內(nèi)部結(jié)冰。當(dāng)電池在低溫環(huán)境中啟動(dòng)時(shí)，如果電池內(nèi)部溫度低于微膠囊相變蓄熱材料的相變溫度，那么此時(shí)相變材料就會(huì)發(fā)生相變，釋放熱量，會(huì)使電池內(nèi)部溫度升高而不至于結(jié)冰或者結(jié)太多冰以至于將陰極催化層覆蓋，由此能夠成功實(shí)現(xiàn)電池的低溫啟動(dòng)。