[发明专利]一种提高燃料电池零度以下环境适应能力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池排水的方法，具体地说是一种提高燃料电池零度以下环境适应能力的方法，对其进行抽真空除水，能够提高电池在零度以下抗冻能力，即提高燃料电池对零度以下环境的适应性能力。采用这种方法，燃料电池在零度以下温度时，不但能够避免性能损耗，延长电池寿命，而且排水能耗小，有利于下次的快速启动，从而推动了燃料电池的商业化进程。

背景技术

质子交换膜燃料电池操作时主要生成水，并且在大多情况下，反应气需要增湿以保持膜的含水量。但是在零度以下时，电池内的水一旦结冰，不仅形成的冰晶会阻塞反应物顺利达到催化界面，降低电池的输出性能，而且水冰的反复相变过程还可能对电池的关键材料，乃至电池结构产生不可逆转的损害。所以PEMFC所面临的问题就是当冬天室外温度在零度以下时，能够维持它的完整性。

目前世界各大汽车公司正在开发质子交换膜燃料电池发动机，所以排水技术对汽车产业有着至关重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高燃料电池零度以下环境适应能力的方法，防止燃料电池在零度以下温度性能严重衰减。本发明在燃料电池关闭时，电池温度降到零度前，通过对其抽真空，能够有效地除去电池中的水，克服了水结冰后对电池的损害。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种提高燃料电池零度以下环境适应能力的方法，通过对燃料电池氢腔和氧腔抽真空，除去电池流场及气体扩散层中的水，使电池能够在零度以下温度保持完整性及足够长的寿命，提高PEMFC的抗冻能力。

具体步骤如下：

1)电池关闭或停止运行时，在它的温度降到零度之前，对电池进行抽真空；首先将停车后燃料电池的氢和氧腔的一端封闭，另一端与真空泵接好；

2)抽真空时电池温度为30-60℃；

3)抽真空使电池压力维持在5～50kPa，最好为20～50kPa；抽真空时间为0.5～30分钟。抽真空后最好封闭电池，使电池压力维持5～50kPa。

在电池抽真空前，最好用N₂或反应气吹扫氢腔和氧腔0～10分钟。

本发明具有如下优点：

1、方法简单，速度快，效果好。本发明在燃料电池关闭时，电池温度降到零度前，通过对其抽真空，能完全除去电池中的水，且除水速度快，提高质子交换膜燃料电池在零度以下抗冻能力，实现电动汽车在寒冷冬天正常运行，并保持电池的完整性和足够长的寿命的可能性，从而推动了燃料电池产业化的发展。

2、应用方便、使用成本低。本发明对于燃料电池发动机汽车来说，车载抽真空系统较容易实现，且除水能耗低，使其能够在寒冷的冬天正常运行，并能够保持电池的完整性和足够长的寿命。

总之，本发明通过对质子交换膜燃料电池抽真空除水，以提高电池在零度以下环境中的抗冻能力，防止电池性能衰减，提高电池的寿命，从而推动了燃料电池商业化的进程。

附图说明

图1为本发明的抽真空系统装置流程图；其中：1为燃料电池，2为氢腔，3为氮气，4为氧腔，5为截止阀，6为真空泵，7为排空；

图2为水在不同温度下的饱和蒸汽压曲线；

图3为本发明一个实施例的抽真空冷冻解冻循环次数与电池性能的关系曲线；

图4 1cm²电池不同冷冻解冻循环次数下的极化曲线；

图5 4cm²电池不同冷冻解冻循环次数下的极化曲线。

具体实施方式

如图1所示，燃料电池每次运行停车后，都需抽真空排水。

具体实施办法如下：

1.首先将氢腔和氧腔(也可以包括水腔)的两端截止阀封闭；

2.然后将氢腔和氧腔的一端与真空泵相连(另一端密封)；

3.参照图2所示，根据电池温度，对电池抽真空；

4.电池的压力约为0～50kPa；

5.抽真空时间为0.5～30分钟；

6.最后维持该真空度后冷冻。

实施例1

1)电池在60℃关闭或停止运行时，在它的温度降到零度之前，首先将氢腔和氧腔的两端阀门封闭；然后将氢腔和氧腔的一端与真空泵相连，打开连接端的阀门(另一端密封)；电池温度为30℃；

2)开启真空泵，抽真空使电池压力维持在0.097kPa；抽真空时间为0.5分钟。

3)最后维持该真空度后冷冻。