本發明涉及燃料電池領域，具體涉及具有低溫啟動功能的質子交換膜燃料電池。
背景技術：
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種以氫氣或甲醇等作為燃料的燃料電池，其單電池由陽極雙極板、陰極雙極板、陽極擴散層、陰極擴散層、陽極催化層、陰極催化層和質子交換膜組成，燃料在陽極催化層被氧化產生質子和電子，電子通過外電路傳到陰極，質子則通過質子交換膜傳到陰極，在陰極催化層參與還原反應。在質子傳導過程中，質子交換膜始終要保持潤濕才能保證質子順利的通過，因此水應以液態的形式存在于膜中，而不能發生凍結。
但是由于質子交換膜燃料電池(PEMFC)常常作為便攜式電源用于汽車等便攜式設備中，難免要面臨低溫環境，電池不工作時，內部的水可能會發生凍結，低溫下進行冷啟動時,由于電池內部溫度低于冰點，導致沒有自由水存在，燃料電池將面臨啟動失敗。
微膠囊相變蓄熱材料是利用微膠囊制備技術將相變蓄熱材料作為內芯封裝在膠囊中制成的一種蓄熱保溫材料。其中的相變材料能根據外界環境溫度的變化，利用相變材料在相變過程中吸收或釋放大量熱量，通過自動貯熱/放熱所形成的熱緩沖作用，在一定的溫度范圍內調節周圍溫度。如果將微膠囊相變蓄熱材料涂覆在電池表面，同時在電極材料中摻混微膠囊相變蓄熱材料，將會提高電池相變蓄熱能力，從而實現對電池內部溫度的調節。
燃料電池在工作過程中會產生熱量，另外在光照條件下，光能也可以作為熱源。如果將電池產生的熱量蓄積起來在電池內部溫度較低時加以利用；同時在有光照的條件下，將光能轉化為熱能用以提高電池內部溫度，那么就可以有效延緩或防止電池內部溫度下降，延緩或防止結冰，從而實現電池冷啟動。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在于提供了一種具有低溫啟動功能的質子交換膜燃料電池。
本發明的技術方案是：具有低溫啟動功能的質子交換膜燃料電池，包括質子交換膜燃料電池主體，所述質子交換膜燃料電池主體包括按從左往右或從右往左順序連接的陽極雙極板、陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層、陰極擴散層和陰極雙極板；其特點是：在質子交換膜燃料電池主體外表面凃覆有微膠囊相變蓄熱材料，以利用電池內部反應產生的熱量來阻止或延緩電池內部溫度下降，改善電池冷啟動狀況；在涂有微膠囊相變蓄熱材料的電池外部包裹光熱轉換保溫纖維，以增大電池傳熱熱阻，減少電池內部熱量散失；在光熱轉換保溫纖維外涂覆光熱轉換材料涂層，以在有光照的條件下將太陽能轉換為熱能，提高電池外部溫度，減少電池內部熱量的損失。
本發明在質子交換膜燃料電池主體外表面凃有微膠囊相變蓄熱材料，電池內部溫度高于微膠囊相變蓄熱顆粒溫度時，膠囊內的相變物質發生相變，由固態變為液態，吸收電池內部的熱量并儲存；當電池溫度低于相變溫度時，相變顆粒凝固放熱，這樣就能保證在外界溫度較低時，電池溫度能夠較長時間的保持在零度以上，能夠延緩或阻止冰的形成。在涂有微膠囊相變蓄熱材料的電池主體外表面再包裹光熱轉換保溫纖維，當外界環境中有可見光照射時，能夠有效的將環境中的光能轉化為熱能，提高電池表面溫度，同時保溫纖維增大了傳熱熱阻，因此能夠有效減少電池內部熱量向環境擴散。在光熱轉換保溫纖維外表面凃覆光熱轉換材料涂層，一方面可以減少電池內部熱量向外傳遞，另一方面可以將光能轉化為熱能，提高電池表面溫度，減少電池內部熱量散失，以提高燃料電池冷啟動特性。采用這幾種方式疊加，能極大的提高質子交換膜燃料電池冷啟動的可靠性。
根據本發明所述的具有低溫啟動功能的質子交換膜燃料電池的優選方案，在陽極雙極板和陰極雙極板的材料中添加有微膠囊相變蓄熱材料，以進一步利用電池內部反應產生的熱量來阻止或延緩電池內部溫度下降，改善電池冷啟動狀況。因為，膠囊內的相變物質發生相變，由固態變為液態，吸收電池內部的熱量并儲存；當電池溫度低于相變溫度時，相變顆粒凝固放熱，這樣就能保證在外界溫度較低時，電池溫度能夠較長時間的保持在零度以上，能夠延緩或阻止冰的形成。
根據本發明所述的具有低溫啟動功能的質子交換膜燃料電池的優選方案，微膠囊相變蓄熱材料為采用固-液相變材料作為內芯封裝在微膠囊中。
本發明的有益效果是：本發明能有效的實現燃料電池在低溫條件下內部溫度保持在冰點以上，延緩和防止電池結冰造成膜不可逆性損壞，延長電池壽命；另外，由于蓄熱材料和光熱轉換材料均采用凃層的方式，能夠保持燃料電池的輕便性特點，同時不需要額外消耗電能，有效保持了電池的高能量密度特性，在提高電池冷啟動特性的同時有效保護電池免受低溫損害，具有良好的應用前景。
附圖說明
圖1是具有低溫啟動功能的質子交換膜燃料電池的結構示意圖。
具體實施方式
參見圖1，具有低溫啟動功能的質子交換膜燃料電池，包括質子交換膜燃料電池主體，所述質子交換膜燃料電池主體包括按從左往右或從右往左順序連接的陽極雙極板4、陽極擴散層6、陽極催化層8、質子交換膜10、陰極催化層9、陰極擴散層7和陰極雙極板5；其中，在質子交換膜燃料電池主體外表面凃覆有微膠囊相變蓄熱材料3，在微膠囊相變蓄熱材料3外部包裹有光熱轉換保溫纖維2，在光熱轉換保溫纖維2外涂覆有光熱轉換材料涂層1；同時，陽極雙極板和陰極雙極板均由含有微膠囊相變蓄熱顆粒的材料制成。
本專利把微膠囊相變蓄熱材料涂覆在電池主體表面，同時在電極材料中摻混微膠囊相變蓄熱材料用以存儲電池產熱，在電池內部溫度下降并低于相變材料的相變溫度時釋放熱量，可以提高電池溫度。同時，在電池表面包裹光熱轉換保溫纖維能夠提高電池表面溫度，有效抑制電池內部熱量向外遞。兩種方案同時采用，理論上將有效延緩電池內部溫度的降低和冰的形成，以提高電池內部溫度。從而實現有膜燃料電池成功冷啟動。
在具體實施例中，本發明中的光熱轉換保溫纖維可以采用含有碳化鋯、三氧化二鋁、六硼化鑭等光熱轉換材料的聚丙烯纖維，研究表明這種纖維具有較大的近紅外線吸收功能，近紅外線照射下的升溫速度明顯大于普通丙綸。光熱轉換保溫纖維作為一種新型的保暖性功能纖維，可以選擇性地吸收太陽光線并將其轉換為熱能，從而有效提高保溫效果。當電池在低溫下靜置時，由于電池主體外表面覆蓋這種光熱轉換保溫纖維，能有效抑制電池溫度持續降低；光熱轉換材料涂層可以采用氧化鋯、三氧化二鋁、六硼化鑭等光熱轉換材料，當陽光照射時，涂層將光能轉化為熱能，能有效提升電池表面溫度，抑制內部溫度降低。
微膠囊相變蓄熱材料可以采用具有合適相變溫度的固-液相變材料作為內芯，再采用微囊包封技術封裝在微膠囊中制成。本發明中可以采用己酸、正十三烷、正十四烷等材料作為內芯，其相變溫度分別為-7.8℃，-5.4℃，1.4℃。當環境溫度高于相變溫度時，內芯由固相變為液相，并將熱量儲存在微膠囊中，當環境溫度低于相變溫度時，內芯由液態變為固態，同時釋放相變潛熱，提升周圍溫度。
本發明具有如下作用：
(一)延緩甚至阻止冰的形成
本發明在電池外部裹覆光熱轉換保溫纖維，由于光熱轉換保溫纖維中含有氧化鋯、三氧化二鋁、六硼化鑭等光熱轉換材料，在可見光照射下能夠有效的將環境中的光能轉化為熱能，提高電池表面溫度，同時保溫纖維增大了傳熱熱阻，因此能夠有效減少電池內部熱量向環境擴散；在電池表面涂刷以及在雙極板材料中添加微膠囊相變蓄熱顆粒，電池內部溫度高于相變蓄熱材料的相變溫度時，膠囊內的相變物質發生相變由固態變為液態，吸收電池內部的熱量并儲存，當電池溫度低于相變溫度時，相變顆粒凝固放熱。在外界溫度較低時，電池溫度能夠較長時間的保持在冰點以上，能夠延緩或阻止冰的形成。
(二)使電池能成功快速低溫啟動
在外界溫度較低情況下，電池由于保溫層和蓄熱層的作用，內部溫度能夠保持在一個較高溫度，這樣的話電池冷啟動相對比較容易，能夠在低溫條件下快速啟動。
(三)無外加裝置，結構簡單輕便，
由于裝置只是改變了電極的材料，并且在外部裹覆光熱轉換保溫纖維，并沒有外加復雜的機械裝置，電池重量的體積沒有很大的改變，對電池的便攜性沒有造成影響。由于結構簡單，因此電池運行穩定性好，維護簡單，成本低。
(四)減少電池冷啟動損失
相較于現有的一些燃料電池冷啟動裝置而言，本發明所述裝置由于沒有外加機械裝置，有效利用電池產生的熱量，減少了電池冷啟動損失。
(五)提高電池效率
質子交換膜燃料電池的能量轉換效率隨著溫度的提高，會有一定的提高，因此無論是在冷啟動時或者正常工作時，電池效率都會提高，在夏季陽光充足時，所述光熱轉換材料更是能有效的將光能轉化為太陽能，以提高電池工作溫度，使電池效率得以提高。
(六)、預防低溫結冰膨脹對膜造成的物理傷害
由于裝置能夠有效延緩或阻止冰的形成，那么膜由于結冰導致的損傷聚合物膜結構，致膜鼓脹、破裂、穿孔的現象出現幾率就會大大減小。
(七)、具有普遍適用性
本發明所述的方案具有普遍適用性，并不只是針對某一種膜燃料電池，對于所有的質子交換膜燃料電池的冷啟動都能起到良好的改善作用。除此之外，對于需要進行防凍的其它電池，采用以上方案，也是行之有效的。
本發明能夠成功實現冷啟動的關鍵在于采用了光熱轉化、保暖、相變蓄熱三種維持電池內部溫度的措施。當環境溫度較低時，光熱轉化和保暖措施能有效延緩電池溫度下降速度，延長電池可在低溫下靜置的許用時間，延緩電池內部結冰。當電池在低溫環境中啟動時，如果電池內部溫度低于微膠囊相變蓄熱材料的相變溫度，那么此時相變材料就會發生相變，釋放熱量，會使電池內部溫度升高而不至于結冰或者結太多冰以至于將陰極催化層覆蓋，由此能夠成功實現電池的低溫啟動。