一种燃料电池电堆零度以下环境的启动方法与流程

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池电堆在零度以下环境低温启动技术。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有能量转化效率高、启动快速、比功率高、反应副产物只有水，具有无污染、运行平稳等特点，以PEMFC为动力的电动车已成为各国政府、各大汽车集团和石油公司研究热点。由于PEMFC中存在反应的产物水和增湿的水,在低于0℃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，冰层会阻碍电化学反应进程，从而导致冷启动失败，因此燃料电池0℃以下的启动是PEMFC的在汽车领域应用面临的一个关键问题。现有技术中燃料电池堆低温启动主要通过辅助措施，保证燃料电池低温启动，如US 0243428，WO 078840，WO 0186745，CN 103219535通过在系统中或电池端板加入辅助加热设备，加热气体的方法等，使MEA、双极板及其他部件温度升高，以完成低温启动。该技术存在的问题是外加辅助加热实施增加了系统的复杂性，增加了系统的能耗，降低了系统的效率等。

技术实现要素：

提供一种质子交换膜燃料电池电堆在环境温度低于零度以下时的启动方法，这种方法可以不使用辅助加热设备，通过充分利用电堆内部反应过程中极化产生的热量进行自加热，完成燃料电池电堆低温状态下的自启动工作。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种质子交换膜燃料电池电堆在环境温度低于零度以下状态下的启动方法，其特征在于所述的燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池堆、负载、冷却剂循环泵、冷却剂储存容器。

所述的燃料电池电堆，其特征在于，由单个电池串联组成，单电池由膜电极、双极板、密封介质、导电集流板、耐热绝缘板组成，每个电池均装有采集温度装置和采集电压装置。燃料电池电堆，冷却剂循环泵和冷却剂储存容器置于低温环境下，燃料电池电堆与气体管路、冷却剂、负载相连。

所述的启动方法，其特征在于持续提供适量的氢气与空气，进行燃料电池电堆低载荷放电，放电至规定时间后，卸载至载荷为0，空载规定时间后，重新低载荷加载、空载循环，直至电堆内各单池温度升高达到0℃以上，然后在按规定载荷梯度加载至高载荷，持续加载，待电堆温度升高至规定温度后开启冷却剂循环泵，电堆低温启动完成，所述方法包括以下步骤：

1)燃料电池电堆放入温度低于零度环境状态下前进行N2吹扫除水处理；

2)将电堆放置在0℃～-10℃低温环境下12小时以上；

3)持续按设定流量向燃料电池电堆的气腔通入氢气与空气，

将燃料电池电堆按照规定低载荷(10～100mA.cm^-2)进行电堆加载放电，放电至规定时间30-120s后，载荷卸载至0，载荷为0放置规定时间10-30s，在规定的空载时间内，持续供应的氢气和空气将电堆内部生成水吹出，循环加载、空载步骤。

4)测试燃料电池电堆内部单池温度，待燃料电池电堆内部单池最低温度达到0℃以上时，然后再按规定载荷梯度10-50mA.cm^-2加载至高载荷500～1200mA.cm^-2，待电堆温度升高至规定温度30-40℃后开启冷却剂循环泵。

5)电堆各单池及冷却剂储存容器温度升高至40℃以上时，电堆启动完成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

方法简单、无须消耗辅助能源、简化系统。本发明通过低载荷放电、空载吹扫循环，放电过程中电堆各单池电压均一性较好，不会出现单池电压过低甚至反极现象，对电堆无损伤，利用电池电化学反应过程中极化产生的热量提升电堆的温度，根据电堆内部单池温度值控制加载至高载荷的工作点，控制冷却剂循环泵开闭，安全平稳启动燃料电池系统。

附图说明

图1是燃料电池电堆低温启动流程示意图；

图2是电堆启动过程中电堆平均性能和最低节性能变化；

图3是燃料电池电堆启动过程中电堆内部温度变化。

具体实施方式

下面结合实施例与附图，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，其具体工作步骤如下：

1).附图1为燃料电池电堆低温启动流程示意图。实验装置包括低温试验箱、风机、冷却剂循环泵、冷却剂储存容器，负载。

2).燃料电池电堆由10节单电池组成，每节单池的面积为270cm²，质子交换膜为Nafion212，燃料气为氢气，空气由风机提供。

3).将10节燃料电池电堆放入低温实验箱前进行N2吹扫除水处理；

4).将吹扫后的燃料电池电堆,冷却剂循环泵,冷却剂储存容器放置在低温实验箱中，连接好反应气及冷却剂进出管路，上述实验装置在低温箱-10℃环境中保持12小时以上。

5).在低温状态下进行启动实验，向燃料电池电堆的空气腔和氢气腔分别通入反应气体；氢气流量和空气流量均满足电堆电流密度为50mA.cm^-2时所消耗的流量，加载电流密度为50mA.cm^-2，加载时间50s,将载荷降为0，吹扫10s，重新加载50s,吹扫10s,循环加载、空载循环，直至电堆温度升至0℃以上

6).持续加载，电流加载方式为阶跃式，梯度为50mA.cm^-2/30s,氢气流量和空气流量均满足该电堆各电流密度所消耗的流量，加载至电流密度为500mA.cm^-2时，恒电流持续加载,

7).检测燃料电池电堆内部单池温度，在燃料电池电堆单池内部温度最低值达到40℃时接通冷却剂循环泵

8).燃料电池电堆冷却剂出口温度达到40℃以上时，启动完成。