[发明专利]一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法

说明书

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法，包括以下步骤：将空气通入燃料电池的阴极；将空气和氢气的混合气体通入燃料电池的阳极；打开负载，燃料电池电压下降；当电压降为接近0V时，关闭负载；待燃料电池电压回到开路电压时，循环上述步骤(3)；待燃料电池温度达到0℃以上时，停止上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)，正常启动燃料电池。本发明方法在催化反应提供热量的同时，负载也能提供热量，大大缩减低温启动时间发明可以使PEMFC能在更广泛的温度范围内使用，在不增加燃料电池系统体积和质量的前提下，能够使燃料电池在低温下快速启动，大大缩减低温启动时间，对促进燃料电池产业化发展具有重要意义。

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，具体的说是一种改进质子交换膜燃料电池催化反应冷启动的方法，将PEMFC阳极通入一定比例的氢空混合气体，利用H₂在催化剂作用下氧化放热提高燃料电池温度，与此同时，阴极通入正常的反应气体空气，并打开负载，加载电流，当燃料电池电压降到一定值时，关闭负载，待燃料电池电压回到开路电压时，打开负载，循环加载电流，利用负载加热燃料电池。该方法在不增加燃料电池系统和体积的前提下大大缩短PEMFC冷启动时间，促进燃料电池产业化发展。

背景技术

质子交换膜燃料电池汽车具有高效率、零排放等优势，同时没有锂离子燃料电池电动汽车充电时间长续航里程短等技术短板，逐步成为了新能源汽车领域的研发热点，被认为是未来汽车工业可持续发展的重要方向。质子交换膜燃料电池作为车用动力必须要经受启停冷启动(或零下启动)高电位、电压循环、大电流、空气杂质等复杂工况和严苛环境的考验，其中冷启动工况是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。PEMFC在低温环境下运行时，化学反应速度慢，电流较小，反应产生的热量不足以提高燃料电池温度，化学反应产生的水就在气体流道结冰，出现体积膨胀，对燃料电池结构和性能造成影响。

CN 101170187A采用将直流电源与燃料电池串联，利用氢泵作用加热燃料电池，实现低温启动。US006727013B2采用风扇向质子交换膜燃料电池吹热风，以此来提高燃料电池的整体温度，达到启动的效果。虽然这些方法都能够使燃料电池在零度以下成功启动，但是都存在增加燃料电池系统的体积和质量问题，提高燃料电池系统的复杂程度和费用。传统的催化反应冷启动方法如CN 101170194A，只是将氢氧混合气通入燃料电池阴极或者阳极，利用催化达到升温的效果，虽然能够在实现低温启动，但是在更的环境温度下时，低温启动时间长，催化反应产生的热量不足以将燃料电池温度升到0℃以上，且催化产生的水结冰，产生体积膨胀对燃料电池结构造成影响。

发明内容

本发明提供一种改进的质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化反应冷启动方法，低温启动时打开负载，循环加载电流，利用负载加热燃料电池。

本发明的技术方案为，一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法，包括以下步骤：

(1)将空气通入燃料电池的阴极；

(2)将空气和氢气的混合气体通入燃料电池的阳极；利用混合气体在催化剂上氧化放热提高燃料电池的温度；优选与步骤(1)同时启动；

(3)打开负载(首次打开负载，优选与步骤(1)和步骤(2)同时启动)，燃料电池电压下降，当电压降为接近0V时，关闭负载；

(4)待燃料电池电压回到开路电压时，循环上述步骤(3)；循环加载电流，利用加载反应，给燃料电池提供热量，以此大大缩减PEMFC冷启动时间。

待燃料电池温度达到0℃以上时，停止上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)，正常启动燃料电池，即阳极通入正常的反应气体氢气，阴极通入空气。

进一步地，所述低温启动的环境温度为不低于-40℃。

进一步地，所述空气和氢气的混合气体，其中空气的体积含量为总气体的1-24％，氢气的体积含量为总气体的75.6-99％。