专利名称：一种质子交换膜燃料电池的气体吹扫除水的方法
技术领域：
本发明涉及一种质子交御IM料电池的气体吹扫除水的方法，具体地说是质 子交换摸燃料电池较大压差的反应气吹扫除水以提高零度以下环境适应能力的方 法，其能够提高电池在零度以下抗冻能力，即提高燃料电池对零度以下环境的适 应性能力。
背景技术：
由于质子交翻蓖燃料电池中存在反应的产物水和增湿的水，在低于零度的户 外环境中，电池关闭之后或者启动时，电池中的水会结冰。水和冰在零度时的密
度分别是0. 9998和0. 9168 g/cm3，当水结冰时会产生9%的体积膨胀，而当电池 启动之后产生的废热将冰融化成水，体积又会减小，反复的水冰相变引起的体积 变化会对电池材料结构以至电池性能产生影响。所以PEMFC所面临的问题就是当 冬天室外温度在零度以下时，能够维持它的完整性。
对于应用质子交换膜燃料电池的汽车领域面临着这样一个问题燃料电池零 度以下的保存与启动。为了能将燃料电池电动车从-2(TC环境下30秒快速启动到 额定功率的90%,除水技术对汽车产业有着至关重要的意义。
现有专利中一般分为以下几类，抽真空除水如US20026358637，加热如 US6777115和WO04025752 ， 烧氢如US20046797421B2， W020010148846A1， EP20041113516B1，也有用惰性气体吹扫的方法。此发明不同于使系统复杂化的前 几类，也不同于使用惰性气体吹扫。
发明内容
本发明的目的为提供一种质子交m然料电池的气体吹扫除水的方法，防止 在零度以下水结冰对质子交换摸燃料电池各部件造成破坏，以及燃料电池零度以 下环境保存的方法。采用这种方法，燃料电池在零度以下温度时，不但能够避免 性能损耗，延长电池寿命，而且排水能耗小，有利于下次的快速启动，从而推动 了燃料电池的商业化进程。
为实现上述目的，本发明釆用的技术方案为
一种质子交衡摸燃料电池的气体吹扫除水的方法，在燃料电池或电堆停开、 尾排完全放开后,继续通入燃料电池正常工作压力下的反应气吹扫电池氢氧两腔, 除去电池流场及膜电极三合一组件中的水。通过对质子交换摸燃料电池进行反应 气吹扫除水，能够保持电池各部件在零度以下环境中的完整性和保证电池足够长
的寿命；
电池关闭或停止运行后，在温度降到零度之前，继续通入燃料电池正常工作
压力下的反应气吹扫电池流场，除去电池流场及膜电极三合一组件中的水；
在燃料电池进口和出口处反应气所形成的压差为0. 05-0. 5MPa，干的反应气 温度为0-5(TC,吹扫时间为0.5~30分钟；反应气吹扫的流速最好是电池运行时 流速的5-IO倍；在吹扫后，最好用N2吹扫氢氧腔或对电池进行抽真空0~10分 钟。
本发明具有如下优点
1、 除水M快。本发明在燃料电池关闭时，电池温度降到零度前，通过对燃 料电池进行反应气吹扫，控制反应气的湿度、压力和流速能够有效地减小吹扫的 时间，并且能有效地除去电池中的水，使其能够在寒冷的冬天正常运行，并能够 保持电池的完整性和足够长的寿命。
2、 除水效果好。电池关闭或停止运行后，继续通入干的反应气或者加压电池 放压排气过程中利用高流速的气体带出液态的水，减少电池中的水含量；禾拥燃 料电池系统自带的干冷的反应气在减小电池中水含量的同时，迅速附氐电池内部 温度，减小电池内部的相对湿度值。
3、 操作简单。本发明利用燃料电池系统已有设备条件，在燃料电池或电堆停 开后使用较大压差的反应气吹扫，特别是加压电池的放压过程，除去电池流场及 膜电极三合一组件中的水。对于燃料电池电动车来说，无需额外的车载系统，且 除水能在整4^车过车过程中一并完成，可以减小加热保温法的能量消耗并节省 附加设施造价，更有利于满足实用化的要求。
4、 本发明准确界定了吹扫反应气的压差和流速，因此对于质子交换膜燃料电
池在零度以下环境中的抗冰冻和启动能力提高也更有保障。
5、 本发明尤其适用于加压电池，利用电池的放压过程达到除水的目的。
图1为较大压差的干或者一定湿度的反应气吹扫燃料电池的示意图其中1 为进气口； 2为出气口； 3为调节阀；4为燃料电池；5为氢腔；6为氧腔 图2为电池和冰箱温度随时间变化曲线；
图3为4cm2电池经相对湿度值为51% (室温)、流速为800ml/min反应气吹 扫后冷冻循环实验结果；
图4为4ci^电池经相对湿度值为25% (室温)、流速为1000ml/min反应气吹 扫后冷冻循环实验结果；
图5为128citf电池不同冷冻解冻循环次数后的性能； 图6为lcm2电池不同冷冻解冻循环次数下的极化曲线。
具体实施例方式
所述燃料电池的反应气吹扫除水方法，具体步骤如下
1 )燃料电池停车后，继续通入压力在0. 1-0. 3MPa干的或者一定湿度的反应 气或者加压电池在放压前切换成干的或者一定湿度的反应气；
2) 控制反应气的流速最好是电池运行时流速的5-10倍，尽量使水分带出量
与气体消耗比值保持最大；
3) 用湿度传感 :测尾排处的相对湿度值，当相对湿度达到要求时，停止吹 扫，或者利用此参数控制放压排气速率， 一般吹扫时间为0.5-30分钟；
4) 考虑电池零度以下的重新启动，避免膜在停车时被吹干现象发生，可适当 加大吹扫反应气的湿度
实施例l
图3为电极面积4cm2的单池经相对湿度值为51% (室温)、流速为800ml/min 反应气吹扫后冷冻循环实验结果。如图3所示，三条曲线分别为开路、500A cnf2 和IOOO mA/cm2电流密度时，电压随冷冻解冻循环次数的变化情况。
其器具体实施办法如下
1)当电池停开后电池温度为6(TC，用压力为0. 2MPa、相对湿度值为51%(室 温)、流速为800ml/min反应气吹扫电池氢、氧两腔6min;
2 )将反应气吹扫后的电池放在-20。C的冷冻箱中保持2h,电池温度和冰箱温 度随时间变化曲线如图2所示；
3)解冻后，对电池进行I-V性能测试；
4 )取参考值(即电池冷冻前)和最后一次冷冻循环的电压相减，然后通过电 压差与循环次数的比值，考察电池性能的衰减情况。
可以看出，在未冰冻前电池500mA cnf2的电压为0.7577 V,经过20次冰冻 后电压值为0. 7617 V，在此电流密度下电池性能衰减速率为每次-0. 026%, 1000mA cm—2的开始电压为0.6444 V, 20次冰冻解冻后的电压值为0. 6265 V,此电流密度 下电池性能衰减速率为每次0. 1%。由此可以看出经过20次反应气吹扫后的冷冻 解冻循环后的电池性能衰减很小，即性能不变。这说明反应气吹扫除水的方法 能够防止燃料电池在零度以下环境中，性能衰减的可能。
实施例2
图4为电极面积4cm2的单池经相对湿度值为25%(室温)、流速为1000ml/min 反应气吹扫后冷冻循环实验结果。附氏吹扫反应气的相对湿度，提高吹扫气体的 流速，可以缩短吹扫的时间，同样达到防止燃料电池在冰冻解冻循环过程中电池 性能衰减的目的。
其具体实施办法如下
1. 当电池停开后电池温度为60°C，用压力为0. lMPa、相对湿度值为25% (室 温)、流速为1000ml/min反应气吹扫电池氢、氧两腔lmin;
2. 将反应气吹扫后的电池放在-2(TC的冷冻箱中保持2h .
从图4中可以看出电池经过20次冰冻解冻循环，性能没有发生明显的衰减。 这说明了根据实际情况改变吹扫气体的相对湿度、气体的流速，调整吹扫过程的 时间仍然可以防止燃料电池在零度以下环境中的性能衰减。
实施例3
图5给出了电极面积128cm2的单池干的反应气吹扫冷冻循环实验结果。
其具体实施办法如下
1. 使电池在冷冻前运行稳定，测其极化曲线；
2. 然后在电池温度为25"时，利用干的反应气、流速为2000~6000ml/min, 使电池进出口压力差为0. 3MPa吹扫0. 5 ~ 30分钟；
3. 将电池放在-10。C的冷冻箱中保持4h;
4. 解冻后，对电池性能进行评价；
由图5可以看出电极面积128cm2的单池反应气吹扫后，在-l(TC的环境中
冰冻，电池性能也没有发生衰减。 实施例4
图6给出了电极面积lcm2的单池0. 2Mpa放压过程中反应气吹扫冰冻循环实 验结果。
其具体实施办法如下
1. 使电池在冷冻前运行稳定，测其极化曲线；
2. 在电池停开后温度为6(TC、压力为0.2MPa,禾拥放压过程中排放反应气， 丫組应气带走电池内部的水，整个放压过程持续0. 5 ~ 30分钟；
3. 再抽真空lmin;
4. 将电池放在-2(TC的冷冻箱中保持3h;
5. 解冻后，对电池性能进行评价；
由图6可以看出电极面积lcm2的加压单池在放压后，放在-2(TC的环境进 行冰冻，电池的放电曲线在图中所示的冰冻解冻循环次数中完全重合，电池性能
没有发生任何衰减。
以上实例说明，较大压差的干或一定湿度的反应气吹扫除水的方法能够有效 减少质子交换膜燃料电池中液体的水，提高了质子交 燃料电池在零度以下抗 冻和启动能力，防止了燃料电池在零度以下环境中，性能衰减的情况。该方法保
证了燃料电池电动车在寒冷的冬天能正常运行，并保持电池各部件的完整性和足 够长的寿命。
权利要求
1、一种质子交换膜燃料电池的气体吹扫除水的方法，其特征在于在燃料电池或电堆停开、尾排完全放开后，继续通入燃料电池正常工作压力下的反应气吹扫电池氢氧两腔，除去电池流场及膜电极三合一组件中的水。
2、 按照权利要求l所述气体吹扫除水的方法，其特征在于电池关闭或停止 运行后，在温度降到零度之前，继续通入燃料电池正常工作压力下的反应气吹扫 电池氢氧两腔，除去电池流场及膜电极三合一组件中的水。
3、 按照权利要求1所述气体吹扫除水的方法，其特征在于在燃料电池进口 和出口处反应气所形成的压差为0.05-0. 5MPa,干的反应气温度为0-5(TC,吹扫 时间为0.5~30分钟。
4、 按照权利要求1所述气体吹扫除水的方法，其特征在于反应气吹扫的流 速为电池运行时流速的5-10倍。
5、 按照权利要求1所述气体吹扫除水的方法，其特征在于在吹扫后，最好 用&吹扫氢氧腔或对电池进行抽真空0 ~ 10分钟。
全文摘要
一种质子交换膜燃料电池的气体吹扫除水的方法，在燃料电池或电堆停开、尾排完全放开后，继续通入燃料电池正常工作压力下的反应气吹扫电池氢氧两腔，除去电池流场及膜电极三合一组件中的水。本发明是在电池停开后、电池温度没有降到冰点以下之前，利用干的或者一定湿度的反应气吹扫各自的燃料和氧化剂通道。本发明尤其适用于加压电池，利用电池的放压过程达到除水的目的。
文档编号H01M8/04GK101170185SQ200610134029
公开日2008年4月30日 申请日期2006年10月25日 优先权日2006年10月25日
发明者侯俊波, 俞红梅, 孙树成, 明平文, 衣宝廉 申请人:新源动力股份有限公司