CN101170187A - 一种燃料电池低温启动的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池低温快速启动的方法，直流电源(蓄电池或电容)与燃料电池串联，双向开关控制器可选择燃料电池与负载或直流电源相连。燃料电池低温启动时，燃料电池与直流电源相连，氢气、空气分别通入阳极与阴极，调节电流、电压控制器使一定的电流通过燃料电池。氢泵作用，氢气在阴极产生，氢气与空气中的氧气反应放热，使膜电极快速升温达到燃料电池能正常启动运行温度。此方法推动了燃料电池的应用，特别是在交通运输方面的应用。

Description

一种燃料电池低温启动的方法及装置

技术领域

本发明涉及燃料电池系统及其低温快速启动，具体地说是及能使燃料电池低温快速启动的方法及装置。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)，具有无污染、噪音低、启动快、功率密度大、效率高、寿命长等许多优点。因此，它在交通工具中有着广泛的应用前景。燃料电池装置的内部核心是膜电极。在膜电极的阳极端，燃料可以通过透穿过多孔性材料，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，变成带正电的离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂的气体，通过透穿过多孔性材料，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。膜电极两端用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电路回路。

质子交换膜含有一定的水，质子才能通过到达阴极。当环境温度低于0℃时，质子交换膜中的水结成冰，其电阻增加2到3个数量级。同时，阴、阳多孔性材料(炭纸)中的水也结冰，阻碍气体扩散到催化剂表面上发生电化学反应。同时，在低温时反应生成的水结成冰，阻碍了反应气体向催化剂扩散。

目前燃料电池在0℃以上才能正常启动运行。因此，在低温情况下，燃料电池首先要本加热到0℃以上，由于燃料电池质量较大，故需要较多热量和较长时间。

而解决这一问题的方法有用外热加热冷剂、反应气，然后加热电池；美国专利NO.6127056、NO.6103410提出了少量氢气加入空气，在阴极催化剂反应放热来加热电池，美国专利NO.6358638提出少量氢气混入空气、少量空气混入氢气，分别在阴极、阳极反应放热来加热电池。以上方法的缺点是加热区域是气体入口部分，同时还需要气体混合设备。美国专利US2004/0013915A1提出了氢气与氧气在阴极、阳极反应放热来加热电池的方法，阴极的氢气与阳极的氧气来自于电解水，但加在每节电池两端的电压达到2.4伏，这就需要外加蓄电池有比较大的功率，而在低温时电池性能较低。专利WO2005101561A2提出了电池与直流电源串联，正极送氧气，负极送入氢气，但是控制单节电池两端外加电压不超过0.4伏。由于各单电池的性能不同，较“弱”单电池两端的电压会超过0.4伏，因此控制较困难，且由于每次启动时电池、电池温度不同，启动时间有时可能较长。

发明内容

本发明提供一种燃料电池低温快速启动的方法及装置。通过本发明能实现燃料电池低温的快速启动，且克服以上方法的缺点，即不需要增加额外的设备同时只需要比较小的外加电能。直流电源(电池或电容等)与燃料电池串联，即电源正极与电池阳极相连，电源负极与电池阴极相连，电池的阴极、阳极分别通入空气与氢气，氢气在电池阴极产生(氢泵原理)，氢气与空气中的氧气反应放热使电池温度快速升高，达到能启动运行温度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种燃料电池低温快速启动的方法，其特征在于：当燃料电池处于-5～20℃条件下启动时，在启动的同时，于燃料电池的两端串联直流电源，直流电源对燃料所加载的电流为相当于燃料电池电流密度的200-600毫安/平方厘米；

当燃料电池的温度达到0℃时，或燃料电池两端电压达到其正常的工作电压时，断掉外加电源，燃料电池启动完成，可进行正常工作。

所述的燃料电池在停车时，其阳极与阴极流场应采用N₂气体吹扫；直流电源可为蓄电池或电容；燃料电池为质子交换膜燃料电池。

应用上述方法的专用装置，其可为如下结构：

所述燃料电池为一个燃料电池组或单节燃料电池，每节电池都有阳极、燃料通过的流场及燃料源；燃料源与燃料流场管道连接，管道上设有燃料控制阀，燃料控制阀用来控制燃料向燃料电池阳极供应燃料；每节电池都有阴极、氧气通过的流场及氧气源，氧气源与氧气流场管道连接，管道上设有氧气控制阀，氧气控制阀用来控制向燃料电池阴极供应氧气；

燃料电池通过一双向开关控制器分别与直流电源及负载相连，双向开关控制器控制燃料电池选择的与直流电源或负载相连；

在燃料电池的上设有用来测量每节电池电压的巡检；

在燃料电池的上设有用于测量电池内部温度的温度传感器；

在燃料电池一端的电路上设有用来测量通过燃料电池电流的电流传感器；

在燃料电池二端的电路上设有用来测量通过燃料电池电压的电压传感器；

电流、电压控制器调节直流电源输出电流或电压。

所述氧气源为纯氧气或空气；燃料为纯氢气或富含氢气的气体；

其中所述双向开关控制器，在燃料电池低温开始启动时，与直流电源相连；温度传感器检测电池的温度，当燃料电池达到正常运行的温度时，开启冷剂循环泵，使冷剂通过燃料电池，使燃料电池在其正常的温度范围内工作。

向燃料电池中通入的燃料中的氢气量超过通过燃料电池电流所需要氢气的量；通入的氧气量为超过通过燃料电池电流所需要氧气的量；所述的向燃料电池通入氧气是在通入燃料后或与燃料同时通入。

当燃料电池达到能运行的温度时，双向开关控制器断开直流电源，接通负载；接通负载后，燃料电池不能正常运行，则断开负载，重新连接直流电源；所述的燃料电池不能正常运行，是指燃料电池两端的电压逐步降低，同时巡检检测的每节电池的电压也在降低。

其中所述燃料控制阀包括阀门和流量控制装置。阀门在控制单元的控制下选择性的打开或关闭燃料排出装置；流量控制装置为调节燃料排出的流量；所述氧气源为由风机或空气压缩机提供的空气中的氧气。

电压传感器检测燃料电池两端的电压，巡检检测每节电池的电压。

本发明具有如下优点：

1.操作成本低。本发明不需要过多的外加设备，只需一直流电源即可完成启动操作，需要的外加能量少。

2.可行性好。本发明燃料电池的升温比较均匀，对燃料电池损害较小。

3.启动迅速。本发明不需要增加额外的设备，同时只需要比较小的外加电能即可实现电池的低温快速启动。

附图说明

图1为本发明的方法系统示意图。

图2为本发明的过程产热原理示意图。

图3为燃料电池低温启动过程中电池温度随时间变化情况。

图4为燃料电池低温启动过程中某较“弱”单电池电压随时间变化情况。

具体实施方式

在下面的详细描述中，本发明的某些实施例通过图解示出并描述。那些熟悉本领域的人员会认识到，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以对所描述的实施例进行各种修改。因而，图解和描述本质上应当作举例说明的而非限制性的。图1是采用本发明的燃料电池系统示意图。

具体的燃料电池低温快速启动方法具体如下：

(1)依据本发明，当燃料电池在低温环境运行时，停车时，用气体吹扫阳极腔与阴极腔，电池中的冷剂放至冷剂箱内。

(2)当燃料电池在低温启动时，直流电源与燃料电池串联，即电源正极与电池阳极相连，电源负极与电池阴极相连，直流电源可以是蓄电池或电容，电路中串联可变电阻，用来调节通过燃料电池电流大小。而燃料电池的负载断开。直流电源与电池相连的同时，氢气或含有氢气的燃料气送入阳极腔，氧气或空气送入阴极腔。一种情况是氢气与空气同时送入燃料电池阳极、阴极腔；另一种情况是，空气一定时间后送入阴极腔。

(3)调节可变电阻使通过电池的电流在一定范围内，电流密度约在200-600mASC，送入电池相应于此电流密度的过量氢气、空气量。在此电流密度下，性能较差的电池两端电压为负，产生电流是由于氢泵原理，即氢气在一定电压与催化剂条件下解离为质子和电子，质子经过质子交换膜至阴极，其过程见反应式(1)，氢气解离电压约0.1伏，因此只需要较小的电能。在阴极质子与电子结合成氢气。见反应式(2)。

H₂→2H⁺+2e^-       (1)

2H⁺+2e^-→H₂       (2)

(4)因此，此过程没有水产生，且不受膜电极中冰的影响。此过程的目的是在启动的开始在阴极产生氢气。氢气与送入燃料电池阴极腔中的氧气反应放热，使膜电极温度快速升高，达到燃料电池能够达到反应温度，见图2。

(5)燃料电池在低温启动过程中，冷剂循环泵并没有打开，只有到燃料电池温度达到一定温度时，才打开冷剂循环泵，移走燃料电池放的热，使燃料电池温度不致过高。

实施例1

燃料电池为由5节单电池组成，每节电池活化面积为128平方厘米，质子交换膜为Nafion112。燃料气为纯氢气，氧气由风机提供空气。

燃料电池在停车前经过N₂气吹扫。

用铂电阻测量电池内部的温度。

燃料电池于零下20度启动，打开氢气控制阀，氢气流量满足电流密度为500毫安每平方厘米；双向开关控制器接通直流电源，调节电流、电压控制器，使通过电池的电流密度为500毫安每平方厘米；打开风机调节风量，使氧气满足500毫安每平方厘米电流密度所需要氧气。

燃料电池内部温度达到零度后，双向开关控制器断开直流电源，与负载相连；如发现燃料电池电压下降，断开负载，再次接通直流电源。

或燃料电池电压达到一定正电压时，如平均单电压为0.4伏时，断开直流电源，接通负载。如发现燃料电池电压下降，断开负载，再次接通直流电源。

图3为燃料电池零下20度启动时，燃料电池温度随时间变化情况。

燃料电池温度达到一定温度时，打开冷剂循环泵，移走燃料电池放的热，使燃料电池温度不致过高。

实施例2

燃料电池为10节单电池，单电池活化面积为25平方厘米，质子交换膜为Nafion112。燃料气为纯氢气，氧气由风机提供空气。

燃料电池在停车前经过N₂气体吹扫。

温度传感器测量电池内部的温度。

在零下20度环境条件下启动，打开氢气控制阀，氢气流量满足电流密度为400毫安每平方厘米；双向开关控制器接通直流电源，调节电流、电压控制器，使通过电池的电流密度为400毫安每平方厘米；打开风机调节风量，使氧气满足400毫安每平方厘米电流密度所需要氧气。

电池两端电压由负逐渐变正，较“弱”电池两端电压负值较大，在外加电流的作用下，也逐步变为正值，图4为某较“弱”节电池电压随时间变化情况。燃料电池电压达到一定正电压时，如平均单电压为0.4伏时，断开直流电源，接通负载。如发现燃料电池电压下降，断开负载，再次接通直流电源。

燃料电池温度达到一定温度时，打开冷剂循环泵，移走燃料电池放的热，使燃料电池温度不致过高。

实施例3

燃料电池为单电池，单电池活化面积为25平方厘米，质子交换膜为Nafion112。燃料气为纯氢气，氧气为纯氧气。

燃料电池置于低温环境前经过N₂气体吹扫。

温度传感器测量电池内部的温度。

在零下15度环境条件下启动，打开氢气控制阀，氢气流量满足电流密度为400毫安每平方厘米；双向开关控制器接通直流电源，调节电流、电压控制器，使通过电池的电流密度为400毫安每平方厘米；氧气满足400毫安每平方厘米电流密度所需要氧气。

电池两端电压由负逐渐变正，在外加电流的作用下，也逐步变为正值，电池温度逐渐升高，达到零度以上。60秒电压达到0.2伏，温度在110秒达到零度以上。

实施例4

燃料电池为10节单电池，单电池活化面积为130平方厘米，质子交换膜为Nafion112。燃料气为纯氢气，氧气为由风机提供空气。

燃料电池在停车前经过N₂气体吹扫。

温度传感器测量电池内部的温度。

在零下10度环境条件下启动，打开氢气控制阀，氢气流量满足电流密度为200毫安每平方厘米；双向开关控制器接通直流电源，调节电流、电压控制器，使通过电池的电流密度为200毫安每平方厘米；打开风机调节风量，使氧气满足200毫安每平方厘米电流密度所需要氧气。

电池中较“弱”单电池两端电压负值较大，在外加电流的作用下，也逐步变为正值。燃料电池电压达到一定正电压时，如平均单电压为0.4伏时，断开直流电源，接通负载；30秒内电池达到额定功率的30％。

燃料电池温度达到一定温度时，打开冷剂循环泵，移走燃料电池放的热，使燃料电池温度不致过高。

根据上述本发明的实施例，燃料电池在低温环境下可以快速的启动，且消耗较少的电能，从而推动了燃料电池的应用。

以上描述了本发明及实施例，本领域的技术人员应该理解，本发明不限于实施例，而是覆盖包括了所附权利要求的精神和范围内的各种改进。

Claims (9)

1.一种燃料电池低温启动的方法，其特征在于：当燃料电池处于-5～-20℃条件下启动时，在启动的同时，于燃料电池的两端串联直流电源，直流电源对燃料所加载的电流为相当于燃料电池电流密度的200-600毫安/平方厘米；

当燃料电池的温度达到0℃时，或燃料电池两端电压达到其正常的工作电压时，断掉外加电源，燃料电池启动完成，可进行正常工作。

2.根据权利要求1所述的燃料电池低温启动的方法，其特征在于：所述的燃料电池在停车时，其阳极与阴极流场应采用N₂气体吹扫。

3.根据权利要求1所述的燃料电池低温启动的方法，其特征在于：所述直流电源为蓄电池或电容；所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。

4.一种权利要求1所述方法的专用装置，其特征在于：

所述燃料电池为一个燃料电池组或单节燃料电池，每节电池都有阳极、燃料通过的流场及燃料源；燃料源与燃料流场管道连接，管道上设有燃料控制阀，燃料控制阀用来控制燃料向燃料电池阳极供应燃料；每节电池都有阴极、氧气通过的流场及氧气源，氧气源与氧气流场管道连接，管道上设有氧气控制阀，氧气控制阀用来控制向燃料电池阴极供应氧气；

燃料电池通过一双向开关控制器分别与直流电源及负载相连，双向开关控制器控制燃料电池选择的与直流电源或负载相连；

在燃料电池的上设有用来测量每节电池电压的巡检；

在燃料电池的上设有用于测量电池内部温度的温度传感器；

在燃料电池一端的电路上设有用来测量通过燃料电池电流的电流传感器；

在燃料电池二端的电路上设有用来测量通过燃料电池电压的电压传感器；

电流、电压控制器调节直流电源输出电流或电压。

5.根据权利要求4所述方法的专用装置，其特征在于：所述氧气源为纯氧气或空气；燃料为纯氢气或富含氢气的气体。

6.根据权利要求4所述方法的专用装置，其特征在于：其中所述双向开关控制器，在燃料电池低温开始启动时，与直流电源相连；

向燃料电池中通入的燃料中的氢气量超过通过燃料电池电流所需要氢气的量；通入的氧气量为超过通过燃料电池电流所需要氧气的量；所述的向燃料电池通入氧气是在通入燃料后或与燃料同时通入。

7.根据权利要求4所述方法的专用装置，其特征在于：当燃料电池达到能运行的温度时，双向开关控制器断开直流电源，接通负载；接通负载后，燃料电池不能正常运行，则断开负载，重新连接直流电源。

8.根据权利要求7所述方法的专用装置，其特征在于：所述的燃料电池不能正常运行，是指燃料电池两端的电压逐步降低，同时巡检检测的每节电池的电压也在降低。

9.根据权利要求4所述方法的专用装置，其特征在于：温度传感器检测电池的温度，当燃料电池达到正常运行的温度时，开启冷剂循环泵，使冷剂通过燃料电池，使燃料电池在其正常的温度范围内工作。

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