专利名称：：一种质子交换膜燃料电池在零度以下启动的方法
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，具体地说是一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化烧氢零度以下启动的方法，将质子交换膜燃料电池阴极或阳极通入一定比例的氢氧混合气，利用氢气在MEA催化剂上氧化放热，提高PEMFC的温度，使得PEMFC能够在零度以下环境启动。该方法在不增加燃料电池系统的体积和质量的前提下，使电池在零度以下能够快速启动，既提高了电池系统的移动性能，又降低其附加费用，对于促进燃料电池产业化发展具有重要的意义。
背景技术：
：目前，世界各大汽车公司及科研机构正致力于开发质子交换膜燃料电池汽车(FCV)，所以能否解决其在零度以下启动的问题，对FCV能否产业化有着至关重要的意义。由于PEMFC的关键材料--电解质膜必须在水合较好时，电池才能达到最优性能。但是，当PEMFC在零度以下环境工作后，电池温度降到零度前，必须有效地除去电池中的水，以克服水结冰后对电池的损害。这样电池在下次启动时，由于膜太干导致电池启动十分困难，并且在较低温度时，化学反应速度较慢，电流较小，反应放热不足以提高电池温度。所以，必须采取其它方式提高电池温度，使电池能够成功启动。目前主要的代表文献如下US5175975和US6815103釆用对整个燃料电池系统进行隔热的方法；US6777115釆用阴极通入热空气使MEA所有部件变暖，达到融冰效果；而W004025752利用添加负载产生的热量加热电池。虽然以上方法都能使FCV在零度以下环境启动，但是都存在增加电池系统的体积和质量问题，影响了其移动性能，提高了燃料电池系统的附加费用。
发明内容本发明提供一种的质子交换膜燃料电池(PEMFC)零度以下温度启动的方法。具体为利用少量的H2和02在PEMFC阴极或阳极催化反应放热，来提高电池温度。该方法使电池系统不增加任何附属设施，就可以有效、迅速的提高电池温度，使PEMFC在零度以下环境启动，对促进PEMFC产业化具有重要的意义。为实现上述目的，本发明釆用的技术方案为一种质子交换膜燃料电池在零度以下启动的方法，将氢氧混合气通入PEMFC的阴极或阳极，利用H2在MEA催化剂上氧化放热，提高PEMFC的温度，使得PEMFC能够在零度以下环境启动。将质子交换膜燃料电池的阴极或阳极通入氢氧混合气，其中02的体积含量可以为总气体的1-30%,&的体积含量可以为总气体的70-99%;混合气的流量为0.5-50L.min—',其通入时间以电池温度达到0-10。C为基准；所述02的体积含量最好为总气体的1-15%,112的体积含量最好为总气体的85-99%;混合气的流量最好为3.5-35L.min-'。当电池温度达到0-l(TC后，用N2吹扫电池的阴极或阳极，然后将反应气正常通入电池，使PEMFC在零度以下环境正常工作。本发明具有如下优点1.方法简单。本发明将02以l-30。/o比例的氢氧混合气通入PEMFC阴极或阳极，控制反应气流量，利用比在MEA催化剂上氧化放热，提高PEMFC的温度，当电池达到预定温度后停止进气。然后，用A吹扫电池后，然后将反应气正常通入电池，使PEMFC在零度以下环境正常工作。对于燃料电池发动机汽车来说，电池系统不增加任何附属设施。2.成本低。本发明利用一定比例的H2和02在PEMFC催化反应来提高电池温度；且利用少量的H2和02在PEMFC催化反应放热，就可以提高电池温度，所需成本低。3.电池启动速度快。本发明只要控制好混合气比例及流量，就可以有效、迅速的提高电池温度，达到迅速启动电池的目的。4.应用效果好。本发明在保持电池电解质膜非常干的情况下，燃料电池就可以成功启动。总之，本发明可使PEMFC能在更加广泛的温度范围内使用，在不增加燃料电池系统的体积和质量的前提下，使电池能够快速启动，既提高了电池系统的移动性能，又降低了附加费用，对于促进燃料电池产业化发展具有重要的意义。图l为PEMFC催化烧氢的原理流程图，图中1为H"2为02,3为N2，4为减压阀，5为压力表，6为质量流量控制器，7为截止阀，8为燃料电池，9为阴极，IO为阳极。图2为H2以不同比例反应前后的极化曲线；图3为单池-l(TC催化烧氢的温升曲线；图4为单池-2(TC催化烧氢的温升曲线；图5为短堆在-20。C催化烧氢后启动的温度电流电压随时间变化曲线。具体实施例方式如图1所示，02和H2分别通过减压阀、流量控制器后，由三通混合后通入燃料电池的阴极或阳极，待电池达到一定温度后停止进气。然后，用N2吹扫电池后，将反应气02和H2正常通入电池，使PEMFC在零度以下环境正常工作。实施例1如表1所示，它给出了H2不同比例(由H2和02组成的混合气)对4cm2燃料电池温升的影响。表lH2不同比例对PEMFC温升的影响<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>将混合气通入阴极，起始温度都为室温，总进气量由lOOml.mirf'增大至500ml.min—'。可以看出，当比比例为4%时，电池温度几乎没变化，随着比例的增大，&/02反应量增加，电池温度明显升高，但是比例大于90%时，升温速度却明显下降。图2为H2不同比例反应前后的极化曲线，可以看出，H2比例从15到40%反应后，电池的极化曲线几乎完全重合，这说明该方法在提高电池温度的同时，不会对电池性能造成损害。实施例2图3为单池-10'C催化烧氢的温升曲线。由图3可得，当&以1-20%的比例与02反应时，由于开始电池温度低，比和02反应速度较慢，温升速率也很慢。当电池温度达到-8。C后，&/02反应速度明显增大，电池从-10°C到0°C共用6min。实施例3图4为单池-2(TC催化烧氢的温升曲线。如图4所示，当02以10L.min—730L.mirT'的比例与比反应时，温升速率很快。当电池温度达到-12°C后，降低&/02的流量，使电池尽量保持反应速度恒定，最后电池从-2(TC升到1.27T用了6.5min。实施例4图5为短堆-2(TC催化烧氢启动后的温升曲线。由图5可得，02/112以10L.min—730L.min—'的比例反应，电池内部温度逐渐升到。当电池内部温度达到0。C后，降低气体流量。可以看出，短堆从-20。C到0。C共用了17min,待温度达到10。C时，启动负载，在一定电流下，电池温度继续升高。这说明了该方法能够在电堆上应用，使电堆能够在零度以下成功启动。以上实例说明，比/02在合适的比例及流量下，通入PEMFC的阴极或阳极，利用催化燃烧放出的热量，能够使电池温度迅速升高，使PEMFC在零度以下环境正常启动。权利要求1.一种质子交换膜燃料电池在零度以下启动的方法，其特征在于将氢氧混合气通入PEMFC的阴极或阳极，利用H2在MEA催化剂上氧化放热，提高PEMFC的温度，使得PEMFC能够在零度以下环境启动。2.按照权利要求l所述启动的方法，其特征在于将质子交换膜燃料电池的阴极或阳极通入氢氧混合气，其中02的体积含量可以为总气体的1-30%，H2的体积含量可以为总气体的70-99%;混合气的流量为0.5-50L.min—'，其通入时间以电池温度达到O-l(TC为基准。3.按照权利要求2所述启动的方法，其特征在于所述02的体积含量可以为总气体的1-15%,H2的体积含量可以为总气体的85-99%;混合气的流量为3.5-35L.min—'。4.按照权利要求2所述启动的方法，其特征在于当电池温度达到0-10℃后，用N2吹扫电池的阴极或阳极，然后将反应气正常通入电池，使PEMFC在零度以下环境正常工作。全文摘要本发明涉及质子交换膜燃料电池零度以下启动的方法，具体为将一定比例的氢氧混合气通入PEMFC的阴极或阳极，利用H<sub>2</sub>在MEA催化剂上氧化放热，提高PEMFC的温度，使得PEMFC能够在零度以下环境启动。本发明可使PEMFC能在更加广泛的温度范围内使用，在不增加燃料电池系统的体积和质量的前提下，使电池能够快速启动，既提高了电池系统的移动性能，又降低了附加费用，对于促进燃料电池产业化发展具有重要的意义。文档编号H01M8/10GK101170194SQ20061013407公开日2008年4月30日申请日期2006年10月27日优先权日2006年10月27日发明者侯俊波,俞红梅,孙树成,明平文,王洪卫,衣宝廉申请人:新源动力股份有限公司