一种新型质子交换膜燃料电池冷启动过程测量方法与流程

本发明属于质子交换膜燃料电池，具体涉及一种新型质子交换膜燃料电池冷启动过程测量方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池在低温下(低于0℃)的启动过程，可以称之为低温启动或者是冷启动。而冷启动成功的关键在于，要使产生的冰在覆盖三相反应界面之前，完成电池的温度从零度以下向零度以上的转变。若在冷启动过程中电池温度未来的及上升，但产生的冰已经堵塞反应气体传输通道，电池停止工作，则冷启动失败。

2、合格的质子交换膜燃料电池既需要实现低温下(低于0℃)的启动过程，同时还不能影响常温下的正常使用。美国能源局(doe)列出2020年冷启动须实现在30s内-30℃自启动，-40℃辅助加热启动，这对于燃料电池商业化来说也是一个重要的挑战。因此，有必要对质子交换膜燃料电池冷启动性能进行深入的研究。

3、目前关于冷启动的研究可以根据是否需要外部加热分为自启动和辅助启动两种，自启动是指膜电极依靠自身的电化学反应产生的热量实现冷启动，辅助启动则需要添加外部的电源。从理论角度来说，采用自启动与辅助启动相结合的策略能形成更为完善的冷启动方式，更有利于质子交换膜燃料电池实现冷启动。在实际的研发过程中，对于膜电极层面的冷启动研究，主要集中在自启动方面，可以对吹扫时间，mea的几何结构，催化剂材料等等进行研究；而辅助启动更加适合于堆级别的冷启动研究。

4、在实验室内模拟质子交换膜燃料电池冷启动过程，同时测量冷启动过程中的各种实验参数，分析这些实验参数对冷启动过程的影响，这对设计冷启动性能更好的质子交换膜燃料电池具有重要意义。

5、相关技术中公开的质子交换膜燃料电池冷启动过程测量方法，其冷启动过程中需要观测的实验参数主要有：启动温度、启动持续时间、电池电压变化趋势(v-t)、冷启动过程中内阻变化(hfr-t)、反应活性面积变化(cv)、结冰位置(sem)、结冰量、冰的形貌(sem)、电池性能的衰减程度(渗氢量lsv、i-v曲线变化、承受冷启动的次数)等等[1-4]。但这些质子交换膜燃料电池冷启动过程测量方法还存在一些问题，一方面，这些测量方法关注的实验参数较为片面，很难做成规范化的数据库；另一方面，这些测量方法所采用的实验手段还不够完善，可能导致一些合格的质子交换膜燃料电池在该测试方法条件下不能顺利实现冷启动。

6、因此，相关技术中的质子交换膜燃料电池冷启动过程测量方法，还需要进一步优化。

7、[1]linjun li,shixue wang,like yue,guozhuo wang.cold-start method forproton-exchange membrane fuel cells based on locally heating the cathode.

8、[2]linjun li,shixue wang,like yue,guozhuo wang.cold-start icingcharacteristics of proton-exchange membrane fuel cells.

9、[3]han liu,dechun si,han ding，shangshang wang,jianbo zhang,yongliu.cold start capability and durability of electrospun catalyst layer forproton exchange membrane fuel cell.

10、[4]lin rui,yike zhu,meng ni,zhenghua jiang,diming lou,lihang han,dizhong.consistency analysis of polymer electrolyte membrane fuel cell stackduring cold start.

技术实现思路

1、本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：现阶段的质子交换膜燃料电池冷启动过程测量方法，观测的实验数据都不相同，很难做成规范化的数据库，而且所采用的实验手段还不够完善，一些合格的质子交换膜燃料电池在该测试方法条件下不能顺利实现冷启动，因此需要进一步研究，规范质子交换膜燃料电池冷启动过程中的测量问题，实现实验数据的整合，便于以后发现质子交换膜燃料电池冷启动过程中的影响因素规律，节约人力物力。

2、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种新型质子交换膜燃料电池冷启动过程测量方法，规范质子交换膜燃料电池冷启动过程中的测量问题，实现实验数据的整合，便于以后发现质子交换膜燃料电池冷启动过程中的影响因素规律，节约人力物力。

3、一种新型质子交换膜燃料电池冷启动过程测量方法，包括以下步骤：

4、(1)夹具及mea热容测试；

5、(2)夹具组装及mea参数获取；

6、(3)对流换热影响探究；

7、(4)活化过程；

8、(5)冷启动之前与之后反应活性面积、渗氢量、阻抗变化测试；

9、(6)吹扫过程；

10、(7)低温静置；

11、(8)冷启动实验；

12、(9)停机，电池取出回复温度。

13、本发明实施例的新型质子交换膜燃料电池冷启动过程测量方法带来的优点和技术效果为：

14、(1)本发明实施例的测量方法规范了质子交换膜燃料电池冷启动过程中的测量问题，实现实验数据的整合，便于以后发现质子交换膜燃料电池冷启动过程中的影响因素规律，节约人力物力；

15、(2)本发明实施例的测量方法中，测量步骤的组合顺序，决定了这个实验能进行的误差，该顺序是经过大量的参考和验证之后得出来的，并非简单组合；先进行破坏性小的实验对质子交换膜燃料电池来说还能进行下面的实验，先进行破坏性大的实验就会损坏电池，需要更换电池继续进行，但不一定能保证电池的一致性，对测量结果的准确性影响较大；

16、(3)相关技术中并未发现关于隔热材料以及外界对冷启动过程的影响的探究，而本发明实施例的测试方法通过公式将其直观的定义，便于发现隔热材料以及外界对冷启动过程的影响；

17、(4)相关技术中的测量方法大多关注冷启动的v-t曲线，而本发明实施例的测量方法是一个直观的多方面的综合考量，测量结果更加稳定，更便于评价。

18、在一些实施例中，步骤(1)具体包括以下步骤：在所述夹具上缠满保温材料，在所述夹具的两个加热孔上插上已知功率的直流加热棒，记录所述夹具室温时的温度，记录所述夹具从室温到80℃的时间，根据公式(1)计算出所述夹具的热容，

19、

20、其中，其中t表示温度，ρcp表示热容，τ是时间步长，st表示温度的源项；

21、所述mea的热容通过产品参数和测量的mea厚度进行计算。

22、在一些实施例中，步骤(1)还包括后续处理步骤：若所述mea的热容大于所述夹具的热容小于三个数量级，则通过在集流板和所述夹具之间添加绝热垫片的方法进行处理，所述绝热垫片采用二氧化硅气凝胶材料，所述绝热垫片的厚度为10mm；若所述mea的热容大于所述夹具的热容至少三个数量级，则可以排除所述夹具的影响。

23、在一些实施例中，步骤(2)具体包括以下步骤：完成5cm×5cm小型质子交换膜燃料电池的组装，及所述mea的参数测量；或者，采用5cm×5cm小型质子交换膜燃料电池产品，并根据产品说明查找所述mea的参数；所述mea的参数包括所述mea的厚度，gdl厚度。

24、在一些实施例中，步骤(3)具体包括以下步骤：在30℃条件下对所述质子交换膜燃料电池进行停机吹扫；在环境箱中-30℃静置3h，不启动仅吹扫，插入两个功率相同的加热棒，所述加热棒不包裹绝缘条，观测所述质子交换膜燃料电池启动到0℃所需要的时间t1；

25、在30℃条件下对所述质子交换膜燃料电池进行停机吹扫；在环境箱中-30℃静置3h，不启动仅吹扫，插入两个功率相同的加热棒，所述加热棒包裹绝缘条，观测所述质子交换膜燃料电池启动到0℃所需要的时间t2；

26、根据公式(2)计算出对流换热系数h，

27、

28、其中，q为对流扩散消耗的热量，s为加热的热量，a为电池与外界接触参与对流换热的表面积，t1为不包裹绝缘条时电池启动到0℃所需的时间，t2为包裹绝缘条时，电池启动到0℃所需的时间。

29、在一些实施例中，步骤(4)具体包括以下步骤：采用h2、o2吹扫，h2、o2化学计量比为2：3，电池温度为70℃，背压为0.6bar，相对湿度为65％，恒压条件下0.6v运行2h，恒压0.4v运行2h，并进行i-v曲线的测量，由低电流密度到高电流密度，再由高电流密度到低电流密度，每3min测量一个电压值，两次测量值取平均。

30、在一些实施例中，步骤(5)具体包括以下步骤：首先进行geis测试，h2和o2的量分别设置为600sccm和2000sccm，温度为70℃，相对湿度为100％，电流密度为1a cm-2，频率从10khz到0.1hz；

31、0.5acm-2电流密度下恒电流运行15min，随后进行cv测试，将温度降至30℃，相对湿度为100％，关闭o2，通入n2，h2和n2的量分别设置为200sccm和50sccm，初始电压设置为0.05v，循环限制0.05-1.25v，最后的电压为0.05v，扫描速率为10mv/s,步长为2mv，循环次数为6-10次，直至稳定，最大电流为1000ma；

32、最后进行lsv测试，通气条件不变，打开lsv模块，设置扫描电压为0-0.8v，扫描范围为1-100mv s-1。

33、在一些实施例中，步骤(6)具体包括以下步骤：采用1000sccm流量下70℃、相对湿度为35％的n2吹扫1-2h，阴极阳极相同，直至达到稳定状态，判定稳定的标准为hfr达到一个稳定的值，保证模态水含量为3-5。

34、在一些实施例中，步骤(7)具体包括以下步骤：质子交换膜燃料电池置于恒温箱中，所述恒温箱内的温度设置为-10℃至-30℃，静置3h。

35、在一些实施例中，步骤(8)具体包括以下步骤：采用恒电流启动的方式启动所述质子膜燃料电池，电流密度设置为50-100ma cm-2，h2和o2的化学计量比1.5：2.0，相对湿度为0％，测量v-t曲线、hfr-t曲线、t-t曲线，冷启动失败的界限为电压降至0-0.1v。

36、在一些实施例中，步骤(9)具体包括以下步骤：停机，设置所述恒温箱的温度为30℃，让电池充分的解冻，当电池温度达到环境温度时，吹扫30min，吹出里面融化的液态水，再次进行升温，将步骤(2)-(9)重复进行至少5次，最后取出所述mea，进行sem测试，观测两片膜电极的破坏程度是否存在不同。