本发明涉及燃料电池领域，具体涉及具有低温启动功能的质子交换膜燃料电池。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气或甲醇等作为燃料的燃料电池，其单电池由阳极双极板、阴极双极板、阳极扩散层、阴极扩散层、阳极催化层、阴极催化层和质子交换膜组成，燃料在阳极催化层被氧化产生质子和电子，电子通过外电路传到阴极，质子则通过质子交换膜传到阴极，在阴极催化层参与还原反应。在质子传导过程中，质子交换膜始终要保持润湿才能保证质子顺利的通过，因此水应以液态的形式存在于膜中，而不能发生冻结。
但是由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)常常作为便携式电源用于汽车等便携式设备中，难免要面临低温环境，电池不工作时，内部的水可能会发生冻结，低温下进行冷启动时,由于电池内部温度低于冰点，导致没有自由水存在，燃料电池将面临启动失败。
微胶囊相变蓄热材料是利用微胶囊制备技术将相变蓄热材料作为內芯封装在胶囊中制成的一种蓄热保温材料。其中的相变材料能根据外界环境温度的变化，利用相变材料在相变过程中吸收或释放大量热量，通过自动贮热/放热所形成的热缓冲作用，在一定的温度范围内调节周围温度。如果将微胶囊相变蓄热材料涂覆在电池表面，同时在电极材料中掺混微胶囊相变蓄热材料，将会提高电池相变蓄热能力，从而实现对电池内部温度的调节。
燃料电池在工作过程中会产生热量，另外在光照条件下，光能也可以作为热源。如果将电池产生的热量蓄积起来在电池内部温度较低时加以利用；同时在有光照的条件下，将光能转化为热能用以提高电池内部温度，那么就可以有效延缓或防止电池内部温度下降，延缓或防止结冰，从而实现电池冷启动。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种具有低温启动功能的质子交换膜燃料电池。
本发明的技术方案是：具有低温启动功能的质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜燃料电池主体，所述质子交换膜燃料电池主体包括按从左往右或从右往左顺序连接的阳极双极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层和阴极双极板；其特点是：在质子交换膜燃料电池主体外表面凃覆有微胶囊相变蓄热材料，以利用电池内部反应产生的热量来阻止或延缓电池内部温度下降，改善电池冷启动状况；在涂有微胶囊相变蓄热材料的电池外部包裹光热转换保温纤维，以增大电池传热热阻，减少电池内部热量散失；在光热转换保温纤维外涂覆光热转换材料涂层，以在有光照的条件下将太阳能转换为热能，提高电池外部温度，减少电池内部热量的损失。
本发明在质子交换膜燃料电池主体外表面凃有微胶囊相变蓄热材料，电池内部温度高于微胶囊相变蓄热颗粒温度时，胶囊内的相变物质发生相变，由固态变为液态，吸收电池内部的热量并储存；当电池温度低于相变温度时，相变颗粒凝固放热，这样就能保证在外界温度较低时，电池温度能够较长时间的保持在零度以上，能够延缓或阻止冰的形成。在涂有微胶囊相变蓄热材料的电池主体外表面再包裹光热转换保温纤维，当外界环境中有可见光照射时，能够有效的将环境中的光能转化为热能，提高电池表面温度，同时保温纤维增大了传热热阻，因此能够有效减少电池内部热量向环境扩散。在光热转换保温纤维外表面凃覆光热转换材料涂层，一方面可以减少电池内部热量向外传递，另一方面可以将光能转化为热能，提高电池表面温度，减少电池内部热量散失，以提高燃料电池冷启动特性。采用这几种方式叠加，能极大的提高质子交换膜燃料电池冷启动的可靠性。
根据本发明所述的具有低温启动功能的质子交换膜燃料电池的优选方案，在阳极双极板和阴极双极板的材料中添加有微胶囊相变蓄热材料，以进一步利用电池内部反应产生的热量来阻止或延缓电池内部温度下降，改善电池冷启动状况。因为，胶囊内的相变物质发生相变，由固态变为液态，吸收电池内部的热量并储存；当电池温度低于相变温度时，相变颗粒凝固放热，这样就能保证在外界温度较低时，电池温度能够较长时间的保持在零度以上，能够延缓或阻止冰的形成。
根据本发明所述的具有低温启动功能的质子交换膜燃料电池的优选方案，微胶囊相变蓄热材料为采用固-液相变材料作为內芯封装在微胶囊中。
本发明的有益效果是：本发明能有效的实现燃料电池在低温条件下内部温度保持在冰点以上，延缓和防止电池结冰造成膜不可逆性损坏，延长电池寿命；另外，由于蓄热材料和光热转换材料均采用凃层的方式，能够保持燃料电池的轻便性特点，同时不需要额外消耗电能，有效保持了电池的高能量密度特性，在提高电池冷启动特性的同时有效保护电池免受低温损害，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是具有低温启动功能的质子交换膜燃料电池的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，具有低温启动功能的质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜燃料电池主体，所述质子交换膜燃料电池主体包括按从左往右或从右往左顺序连接的阳极双极板4、阳极扩散层6、阳极催化层8、质子交换膜10、阴极催化层9、阴极扩散层7和阴极双极板5；其中，在质子交换膜燃料电池主体外表面凃覆有微胶囊相变蓄热材料3，在微胶囊相变蓄热材料3外部包裹有光热转换保温纤维2，在光热转换保温纤维2外涂覆有光热转换材料涂层1；同时，阳极双极板和阴极双极板均由含有微胶囊相变蓄热颗粒的材料制成。
本专利把微胶囊相变蓄热材料涂覆在电池主体表面，同时在电极材料中掺混微胶囊相变蓄热材料用以存储电池产热，在电池内部温度下降并低于相变材料的相变温度时释放热量，可以提高电池温度。同时，在电池表面包裹光热转换保温纤维能够提高电池表面温度，有效抑制电池内部热量向外递。两种方案同时采用，理论上将有效延缓电池内部温度的降低和冰的形成，以提高电池内部温度。从而实现有膜燃料电池成功冷启动。
在具体实施例中，本发明中的光热转换保温纤维可以采用含有碳化锆、三氧化二铝、六硼化镧等光热转换材料的聚丙烯纤维，研究表明这种纤维具有较大的近红外线吸收功能，近红外线照射下的升温速度明显大于普通丙纶。光热转换保温纤维作为一种新型的保暖性功能纤维，可以选择性地吸收太阳光线并将其转换为热能，从而有效提高保温效果。当电池在低温下静置时，由于电池主体外表面覆盖这种光热转换保温纤维，能有效抑制电池温度持续降低；光热转换材料涂层可以采用氧化锆、三氧化二铝、六硼化镧等光热转换材料，当阳光照射时，涂层将光能转化为热能，能有效提升电池表面温度，抑制内部温度降低。
微胶囊相变蓄热材料可以采用具有合适相变温度的固-液相变材料作为內芯，再采用微囊包封技术封装在微胶囊中制成。本发明中可以采用己酸、正十三烷、正十四烷等材料作为內芯，其相变温度分别为-7.8℃，-5.4℃，1.4℃。当环境温度高于相变温度时，內芯由固相变为液相，并将热量储存在微胶囊中，当环境温度低于相变温度时，內芯由液态变为固态，同时释放相变潜热，提升周围温度。
本发明具有如下作用：
(一)延缓甚至阻止冰的形成
本发明在电池外部裹覆光热转换保温纤维，由于光热转换保温纤维中含有氧化锆、三氧化二铝、六硼化镧等光热转换材料，在可见光照射下能够有效的将环境中的光能转化为热能，提高电池表面温度，同时保温纤维增大了传热热阻，因此能够有效减少电池内部热量向环境扩散；在电池表面涂刷以及在双极板材料中添加微胶囊相变蓄热颗粒，电池内部温度高于相变蓄热材料的相变温度时，胶囊内的相变物质发生相变由固态变为液态，吸收电池内部的热量并储存，当电池温度低于相变温度时，相变颗粒凝固放热。在外界温度较低时，电池温度能够较长时间的保持在冰点以上，能够延缓或阻止冰的形成。
(二)使电池能成功快速低温启动
在外界温度较低情况下，电池由于保温层和蓄热层的作用，内部温度能够保持在一个较高温度，这样的话电池冷启动相对比较容易，能够在低温条件下快速启动。
(三)无外加装置，结构简单轻便，
由于装置只是改变了电极的材料，并且在外部裹覆光热转换保温纤维，并没有外加复杂的机械装置，电池重量的体积没有很大的改变，对电池的便携性没有造成影响。由于结构简单，因此电池运行稳定性好，维护简单，成本低。
(四)减少电池冷启动损失
相较于现有的一些燃料电池冷启动装置而言，本发明所述装置由于没有外加机械装置，有效利用电池产生的热量，减少了电池冷启动损失。
(五)提高电池效率
质子交换膜燃料电池的能量转换效率随着温度的提高，会有一定的提高，因此无论是在冷启动时或者正常工作时，电池效率都会提高，在夏季阳光充足时，所述光热转换材料更是能有效的将光能转化为太阳能，以提高电池工作温度，使电池效率得以提高。
(六)、预防低温结冰膨胀对膜造成的物理伤害
由于装置能够有效延缓或阻止冰的形成，那么膜由于结冰导致的损伤聚合物膜结构，致膜鼓胀、破裂、穿孔的现象出现几率就会大大减小。
(七)、具有普遍适用性
本发明所述的方案具有普遍适用性，并不只是针对某一种膜燃料电池，对于所有的质子交换膜燃料电池的冷启动都能起到良好的改善作用。除此之外，对于需要进行防冻的其它电池，采用以上方案，也是行之有效的。
本发明能够成功实现冷启动的关键在于采用了光热转化、保暖、相变蓄热三种维持电池内部温度的措施。当环境温度较低时，光热转化和保暖措施能有效延缓电池温度下降速度，延长电池可在低温下静置的许用时间，延缓电池内部结冰。当电池在低温环境中启动时，如果电池内部温度低于微胶囊相变蓄热材料的相变温度，那么此时相变材料就会发生相变，释放热量，会使电池内部温度升高而不至于结冰或者结太多冰以至于将阴极催化层覆盖，由此能够成功实现电池的低温启动。