专利名称：一种提高质子交换膜燃料电池零度以下耐受性的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)在零度以下环境中耐受性的方法。通过用惰性气体(如氮气、氦气、氩气等)对关闭后的电池进行吹扫处理，在温度降低到结冰点之前去除体系中的水分，从根本上杜绝了电池内部冰晶的生成，进而避免水的凝固和溶化过程给系统带来的物理损坏。与依靠附加系统进行燃烧供热的方法不同，本方法可以大大减小能量消耗，并且几乎不增加整个燃料电池系统的复杂性。
用氮气等惰性气体对关闭后的电池进行吹扫，可以去除流场中和燃料电池内部的绝大部分水分，减小频繁的冷冻-解冻循环对电池关键组件造成的机械损坏以及由此对电池寿命和工作能力等方面带来的负面影响。与现有专利中常见的方法(如用燃烧液体燃料和氢气等产热避免电池结冰，或用反应气直接吹扫电池)相比，该方法不但节省了燃料消耗，提高了燃料效率，而且减少燃料电池操作成本，无需对电池系统结构进行复杂化改造，从而推动了燃料电池的发展。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有结构简单、能量密度高、维护方便、可快速启动等优点，在车用电源方面有着良好的发展前景。
但迄今为止，虽然燃料电池电动汽车从概念设计到演示运行都已被证明是可行的，可它距离真正实用化尚有差距，还有很多问题亟待解决。其中温度的影响就是一个相当大的挑战。在寒冷的冬季，环境温度会降到零度以下，因此要求车内的燃料电池能在户外超低温度下(-20～-40℃)具有快速起动能力和自维护能力，并在较大的温度变动范围内(约为-40～80℃)保持电池的完整性和足够长的寿命，这对内部含水量很高的PEMFC来讲是非常困难的。因为水凝固形成的冰晶会阻止反应气顺利抵达催化剂表面，从而影响电池启动及初始工作能力；另外，水冰两相之间的体积变化高达9％左右，反复的冷冻-解冻循环势必会使多孔电极内有水分布的部位产生一定的机械应力，并导致冷冻过后出现电极内催化剂分层、扩散层的破损等，对电池的寿命和性能造成恶劣影响。
现有专利中提及的解决方法大体分为以下几种(1)在电池中加入辅助燃烧装置提供热量，以供给冷冻条件下的启动需要，采用的燃料包括液体燃料和气体燃料(如丙烷、液态醇、氢气和天然气等)，如专利US006376113、US20050181248A1、US2005027238A3...；(2)通过真空排水或用反应气及其它气体吹扫的方法在电池关闭时将内部的水分移除，如专利US04017444、US01024296、US6358637；(3)维持一定的冷却水温，以便采用循环控制装置使电池迅速升温启动，如专利US006756143；(4)由电池带动负载产生热量供给冷冻条件下的启动需要，如专利WO00059058；(5)采用绝热保温的方法避免电池内的水温降到冰点以下，如专利US006797421。
以上所述的方法或者可以避免电池内的水分在温度低于零度时发生相转变过程，或者可以快速将电池温度升高到所需工作温度，但是无一例外会加大体系的复杂程度，有些方法还会产生较大的能量消耗，附加设施的体积和造价无疑会对安装需求和可操作性等产生很大的负面影响，由此影响车载燃料电池系统的综合性能。
因此本专利提出利用惰性气体吹扫去除电池中水分的方法，以解决低于零度温度条件下质子交换膜燃料电池内水分结冰及其带来的电池性能衰减和寿命降低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)在零度以下环境中耐受性的方法；通过在电池关闭后降温过程中进行惰性气体吹扫，带出电池内水分的方法，减小频繁冷冻-解冻过程对零度以下环境中燃料电池性能和寿命的影响，在不需附加辅助设施的条件下，使燃料电池在恶劣环境中耐受力的大大提高，保证电池工作能力在冷冻-解冻前后不发生改变，电池内部微观结构也不因温度变动而受到破坏。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)在零度以下环境中耐受性的的方法，在电池关闭时，对电池进行气体吹扫，将电池内的水分吹扫出去，实现质子交换膜燃料电池对零度以下环境的耐受能力，保持超低温度下的结构完好和性能稳定。
所述燃料电池的气体吹扫方法具体步骤如下，1)先根据电池的工作需要正常关闭电池；2)再调节进气管道开关，在电池温度降低到冰点之前，将进气分别切换成干燥的气体吹扫电池(所述气体为不与电池部件发生反应的气体，如氮气、氩气或氦气等惰性气体，或除氧空气等，其中阴极通入的气体还可以为CO2气体)；3)调节气体压力为0.02-0.5MPa，控制气体流速10-1000mL/min，将吹扫气体通入燃料电池的两极，持续将电池内的水分吹扫出去；随着电池温度的降低，持续带出电池内的水分，尽量使水分带出量与气体消耗比值保持最大；4)用湿度传感器在尾排处检测流出气体的水含量，当达到1-40％RH时关闭气体进口阀门；5)重新开启电池的初始阶段需略微增大加湿程度，保证电池重新恢复湿润状态，快速恢复正常的电输出性能本发明的有益效果是1.电池工作性能的稳定，延长了电池寿命。本发明采用气体吹扫的排水方法，避免了零下温度环境中电池内的水发生反复结冰融化的相变过程，从而解决了电池内部结构受损带来的电池性能衰减和寿命降低等问题，提高了质子交换膜燃料电池在低温环境中的耐受能力，推动了燃料电池产业化的发展。
2、本发明对于燃料电池汽车发动机来说，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。
总之，电池运行过程中和关闭后随着电池温度的降低，在温度达到结冰点之前依靠气体吹扫带走水分，因为水的饱和蒸汽压随着温度的不同而变化，故而持续的吹扫过程会较完全地去除电池内部的水分，最大程度地避免水的结冰融化过程给电极造成的物理损害，期间不再进行任何附加的处理手段，如国外专利中常见的燃烧液体燃料和氢气供给热量使冰晶融化的方法等。该方法也不同于专利US01024296的吹扫方法，关键在于准确界定了吹扫气体关闭时出口气体含水量，而不是模糊地规定吹扫时间等外部条件，因此对于PEMFC在零度以下环境中的耐受力提高也更有保障。
图1为本发明实施例1气体吹扫前电极断面的SEM图；图2为本发明实施例1气体吹扫后电极断面的SEM图；图3为本发明实施例1的6片电池构成的电堆在冷冻吹扫前后电池堆性能比较曲线图(电压vs.电流密度曲线)，工作条件为电池温度50℃，反应气体压力0.1MPa，氢气、氧气计量比分别为1.5和2.5。冷冻温度低至-10℃。
具体实施例方式
实施例1在低温环境中(温度低于零度时)，先按常规方法关闭电池；在电池关闭后，在电池温度降低到冰点之前(常温到0℃均可)，将进气切换至干燥氮气通道，调整阴阳极两侧的压力平衡，均维持在0.1MPa，控制气体流速为100mL/min吹扫电池及反应气管路，以除去这些部位残留的水分。此时，由于电池正常工作状态已停止，其温度也逐渐降低直至与周围环境相同。当设在气体出口处的湿度计示值达到10％RH时切断气源。当电池重新起动时，只需稍微增加加湿程度既可很快达到正常工作状态。
本发明在电池关闭时，对电池进行气体吹扫处理，将电池内的水分吹扫出去，来减小电池内水分发生相变可能引起的电极结构损坏，以提高质子交换膜燃料电池在低于零度温度环境中的存活寿命，并保证其工作性能的稳定，从而推动了燃料电池的发展。
实施例2在低温环境中(温度低于零度时)，先按常规方法正常关闭电池；在电池关闭后，在电池温度降低到冰点之前，将进气切换至干燥除氧空气(氧气的体积含量低于10％的空气)通道，调整阴阳极两侧的压力平衡，均维持在0.5MPa，控制气体流速为1000mL/min吹扫电池及反应气管路，以除去这些部位残留的水分。此时，由于电池正常工作状态已停止，其温度也逐渐降低直至与周围环境相同。当设在气体出口处的湿度计示值达到5％RH时切断气源。当电池重新起动时，只需稍微增加加湿程度既可很快达到正常工作状态。
本发明去除了体系中的水分，从根本上杜绝了冰晶生成进而避免水的凝固和溶解过程给系统带来的物理损坏，实现了冷冻-解冻过程频繁的使用环境中燃料电池工作性能的稳定和耐受能力的提高。
实施例3在低温环境中(温度低于零度时)，先按常规方法正常关闭电池；在电池关闭后，在电池温度降低到冰点之前，将进气切换至干燥氩气通道，调整阴阳极两侧的压力平衡，均维持在0.02MPa，控制气体流速为10mL/min吹扫电池及反应气管路，以除去这些部位残留的水分。此时，由于电池正常工作状态已停止，其温度也逐渐降低直至与周围环境相同。当设在气体出口处的湿度计示值达到30％RH时切断气源。当电池重新起动时，只需稍微增加加湿程度既可很快达到正常工作状态。
实施例4与实施例3不同之处在于，阴极通入的气体为CO2气体。
权利要求
1.一种提高质子交换膜燃料电池零度以下耐受性的方法，其特征在于在电池关闭时，对电池进行气体吹扫，将电池内的水分吹扫出去。
2.按照权利要求1所述提高质子交换膜燃料电池零度以下耐受性的方法，其特征在于所述燃料电池的气体吹扫方法具体步骤如下，1)先根据电池的工作需要正常关闭电池；2)再调节进气管道开关，在电池温度降低到冰点之前，将进气分别切换成干燥的气体吹扫电池；3)调节气体压力为0.02-0.5MPa，控制气体流速10-1000mL/min，将吹扫气体通入燃料电池的两极，持续将电池内的水分吹扫出去；4)用湿度传感器在尾排处检测流出气体的水含量，当达到1-40％RH时关闭气体进口阀门。
3.按照权利要求1或2所述提高质子交换膜燃料电池零度以下耐受性的方法，其特征在于所述气体为不与电池部件发生反应的气体氮气、氩气、氦气或除氧空气；其中阴极通入的气体还可以为CO2气体。
4.按照权利要求2所述提高质子交换膜燃料电池零度以下耐受性的方法，其特征在于在步骤3)中随着外界环境温度的降低，持续带出电池内的水分，尽量使水分带出量与气体消耗比值保持最大。
全文摘要
本发明涉及一种提高质子交换膜燃料电池对零度以下低温条件耐受性的方法，在电池关闭时，对电池进行气体吹扫，将电池内的水分吹扫出去，来减小电池内水分发生相变可能引起的电极结构损坏，以提高质子交换膜燃料电池在低于零度温度环境中的存活寿命，并保证其工作性能的稳定，从而推动了燃料电池的发展。
文档编号H01M8/10GK1992402SQ200510136768
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月30日 优先权日2005年12月30日
发明者俞红梅, 张生生, 路玉江, 孙树成, 明平文, 衣宝廉, 朱红 申请人:中国科学院大连化学物理研究所