CN110534767A - 一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法，包括以下步骤：将空气通入燃料电池的阴极；将空气和氢气的混合气体通入燃料电池的阳极；打开负载，燃料电池电压下降；当电压降为接近0V时，关闭负载；待燃料电池电压回到开路电压时，循环上述步骤(3)；待燃料电池温度达到0℃以上时，停止上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)，正常启动燃料电池。本发明方法在催化反应提供热量的同时，负载也能提供热量，大大缩减低温启动时间发明可以使PEMFC能在更广泛的温度范围内使用，在不增加燃料电池系统体积和质量的前提下，能够使燃料电池在低温下快速启动，大大缩减低温启动时间，对促进燃料电池产业化发展具有重要意义。

Description

一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)零度以下启动的方法，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，将PEMFC阳极通入一定比例的氢空混合气体，利用H2在催化剂作用下氧化放热提高燃料电池温度，与此同时，阴极通入正常的反应气体空气，并打开负载，加载电流，当燃料电池电压降到一定值时，关闭负载，待燃料电池电压回到开路电压时，打开负载，循环加载电流，利用负载加热燃料电池。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，促进燃料电池产业化发展。
背景技术
质子交换膜燃料电池汽车具有高效率、零排放等优势，同时没有锂离子燃料电池电动汽车充电时间长续航里程短等技术短板，逐步成为了新能源汽车领域的研发热点，被认为是未来汽车工业可持续发展的重要方向。质子交换膜燃料电池作为车用动力必须要经受启停冷启动(或零下启动)高电位、电压循环、大电流、空气杂质等复杂工况和严苛环境的考验，其中冷启动工况是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。PEMFC在低温环境下运行时，化学反应速度慢，电流较小，反应产生的热量不足以提高燃料电池温度，化学反应产生的水就在气体流道结冰，出现体积膨胀，对燃料电池结构和性能造成影响。
CN 101170187A采用将直流电源与燃料电池串联，利用氢泵作用加热燃料电池，实现低温启动。US006727013B2采用风扇向质子交换膜燃料电池吹热风，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，但是都存在增加燃料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，利用催化达到升温的效果，虽然能够在实现低温启动，但是在更的环境温度下时，低温启动时间长，催化反应产生的热量不足以将燃料电池温度升到0℃以上，且催化产生的水结冰，产生体积膨胀对燃料电池结构造成影响。
发明内容
本发明提供一种改进的质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化反应冷启动方法，低温启动时打开负载，循环加载电流，利用负载加热燃料电池。
本发明的技术方案为，一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法，包括以下步骤：
(1)将空气通入燃料电池的阴极；
(2)将空气和氢气的混合气体通入燃料电池的阳极；利用混合气体在催化剂上氧化放热提高燃料电池的温度；优选与步骤(1)同时启动；
(3)打开负载(首次打开负载，优选与步骤(1)和步骤(2)同时启动)，燃料电池电压下降，当电压降为接近0V时，关闭负载；
(4)待燃料电池电压回到开路电压时，循环上述步骤(3)；循环加载电流，利用加载反应，给燃料电池提供热量，以此大大缩减PEMFC冷启动时间。
待燃料电池温度达到0℃以上时，停止上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)，正常启动燃料电池，即阳极通入正常的反应气体氢气，阴极通入空气。
进一步地，所述低温启动的环境温度为不低于-40℃。
进一步地，所述空气和氢气的混合气体，其中空气的体积含量为总气体的1-24％，氢气的体积含量为总气体的75.6-99％。
进一步地，所述空气和氢气的混合气体的总流量10-30L/min；通入阴极空气的气体流量为5-15L/min。
进一步地，所述步骤(5)中，停止步骤(1)、(2)、(3)、(4)后，先用干的惰性气体吹扫PEMFC阴阳极，再正常启动燃料电池。
本发明低温启动过程不会对膜电极性能造成影响。
本发明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，促进燃料电池产业化发展。
本发明具有以下特点：
(1)结构简单。本发明不需要添加任何设备，不增加燃料电池系统体积和质量就可以实现低温启动。
(2)功耗低。本发明只需利用少量的H2在阳极催化剂上催化放热就可以提高燃料电池温度。
(3)启动速度快。本发明区别于传统的催化反应辅助供热方法，阳极催化预热的同时，负载也能够给燃料电池提供热量，大大缩减低温启动时间。
(4)启动温度低。本发明在短时间内给燃料电池系统产生大量的热量，低温启动的温度范围更大。
本发明与CN101170194A提到的催化冷启动方法不同的是，在阳极通混合气催化预热的同时阴极通入正常的反应气体(空气)，同时循环加载电流，利用负载给燃料电池升温。本发明在传统催化冷启动方法上得以改进，催化反应提供热量的同时，负载也能提供热量，大大缩减低温启动时间发明可以使PEMFC能在更广泛的温度范围内使用，在不增加燃料电池系统体积和质量的前提下，能够使燃料电池在低温下快速启动，大大缩减低温启动时间，对促进燃料电池产业化发展具有重要意义。
附图说明
图1本发明质子交换膜燃料电池系统原理图；
图2对比例1催化反应-20℃低温启动的时间温度曲线；
图3本发明实施例1催化反应-23℃低温启动的时间温度曲线；
图4为图3中预启动部分曲线的放大图；
图5本发明实施例1质子交换膜燃料电池系统低温启动前后的极化曲线。
具体实施方式
质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)，实验采用燃料电池为五节电极活性面积为312cm2的复合板燃料电池，如图1所示，空气和氢气通过燃料电池评价台中的流量控制器后，分别经阀门2和阀门3，由三通(图中未画出)混合通入燃料电池的阳极，另一路空气通过燃料电池平台中的流量控制器后，由阀门1通入燃料电池的阴极。
对比例1
传统的燃料电池低温启动的催化反应方法，在燃料电池正常工作前，先向阳极通入空气和氢气混合气，利用混合气体在催化剂上氧化放热提高燃料电池的温度，混合气计量比air/H2＝5/20L/min，待燃料电池温度达到0℃以上时，停止通入上述混合气，阳极通入正常的反应气体氢气，阴极通入空气，正常启动PEMFC。该方法-20℃低温启动的时间曲线见图2，图2中T1-T5表示了测温点分别在燃料电池的第一节到第五节，从结果来看，燃料电池在356s达到0℃。
实施例1
本发明启动质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)的低温启动方法，包括以下步骤：
(1)打开阀门1，将反应气体(空气)通入PEMFC的阴极；
(2)步骤(1)启动的同时，打开阀门2和阀门3，将空气和氢气的混合气体通入PEMFC的阳极，利用混合气体在催化剂上氧化放热提高燃料电池的温度；
(3)步骤(1)启动的同时，打开负载，利用负载加热燃料电池，当燃料电池电压降为一定值时(实验操作时，一般指电压降低接近0V)，关闭负载；
(4)待燃料电池电压回到开路电压时，循环上述步骤(3)，此时不停止步骤(1)和步骤(2)；
待燃料电池温度达到0℃以上时，停止上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)，阳极通入正常的反应气体氢气，阴极通入空气，使燃料电池在零度以下正常工作，正常启动PEMFC，以此大大缩减PEMFC冷启动时间(总的启动时间以燃料电池温度达到0℃以上为准)。
采用本发明方法，-23℃时启动PEMFC，先向阳极通入空气和氢气混合气体，混合气计量比air/H2＝5/20L/min；阴极通入15L/min的空气；打开负载；循环加载电流45A，150mA/cm2，即上述步骤(3)和步骤(4)，在230s(总的启动时间)达到0℃，燃料电池启动时间温度曲线图见图3，其中第一节、第三节、第五节分别表示测温点在五节燃料电池的1、3、5节，电压表示燃料电池两端电压。从图中时间-温度曲线能够明显看到，当开始加载电流时，温度曲线有明显的上升趋势，上升速率加快，与传统催化反应启动方法相比，快了126s。
图4为图3中预启动部分曲线的放大图，从图中可以看出，燃料电池在300s左右从-23℃上升到0℃附近，在400s左右停止混合气通入，燃料电池温度降低，继续加载电流，最终燃料电池电压稳定。
图5为本发明PEMFC催化反应冷启动方法前后的极化曲线。从图中可看出，实验前后燃料电池的极化曲线几乎完全重合，说明了该方法在提高燃料电池温度的同时，不会对燃料电池性能造成损害。
本发明方法将一定比例的氢空混合气通入PEMFC阳极，利用H2在催化剂上放热，同时加载电流，利用负载给燃料电池提供热量，能够使燃料电池温度迅速升高，使PEMFC在零度以下环境快速低温启动。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法，包括以下步骤：
(1)将空气通入燃料电池的阴极；
(2)将空气和氢气的混合气体通入燃料电池的阳极；
(3)打开负载，燃料电池电压下降；当电压降为接近0V时，关闭负载；
(4)待燃料电池电压回到开路电压时，循环上述步骤(3)；
(5)待燃料电池温度达到0℃以上时，停止上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)，正常启动燃料电池。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述低温启动的环境温度为不低于-40℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气和氢气的混合气体，其中空气的体积含量为总气体的1-24％，氢气的体积含量为总气体的75.6-99％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气和氢气的混合气体的总流量取决于燃料电池功率，为10-30L/min；通入阴极空气的气体流量为电堆正常运行时空气流量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，停止步骤(1)、(2)、(3)、(4)后，先用干的惰性气体吹扫PEMFC阴阳极，再正常启动燃料电池。
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