CN101207215A - 燃料电池系统的防冻装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池系统的防冻装置和方法，该防冻装置包括水箱(2′)、出水管、回水管、水泵(3′)、电热器(4)、温度探测器(5)、控制器(6)和供电装置(7)；所述温度探测器(5)被配置为探测燃料电池系统外界环境温度；所述控制器(6)被配置为检测燃料电池(1)的工作状态，并根据检测到的燃料电池(1)的工作状态和温度探测器(5)检测到的外界环境温度来启动或停止供电装置(7)；所述供电装置(7)被配置为在控制器(6)的控制下对水泵(3′)和电热器(4)供电。本发明通过将水箱中的水经过电热器加热后传送到燃料电池(1)内部，从而在燃料电池(1)停机并且外界环境温度过低的情况下仍能保持燃料电池(1)内部的水温正常，不会结冻，保证了发动机的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，更具体地说，涉及一种燃料电池系统的防冻装置和方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，它具有效率高，污染少和噪声低等特点。适合用作电子电器、发电装置和车用动力电源。燃料电池的应用很广泛。在实际使用时，为了获得更高的电压和功率，经常将单体燃料电池串联起来组成燃料电池堆的形式，例如每个单体燃料电池的功率是100瓦，400个这样的单体燃料电池组成燃料电池堆时，输出功率将达到40千瓦，这样可用做机动车用发动机。
但是，将燃料电池用作需要在室外工作的电源时，如将其用做机动车用发动机时，还需要克服低温防冻的问题。
燃料电池正常工作时，温度约60-80℃，在燃料电池内部将会有大量的液态水生成。这些液态水一般源自以下三个原因：
1)在燃料电池工作时，在阴极会产生大量的液态水，由于浓度差的原因这些液态水通过质子交换膜向燃料电池的阳极反扩散，导致在燃料电池的阳极也含有大量的液态水；
2)在燃料电池工作时，为防止质子交换膜失水，还必须对燃料电池的进气进行增湿，增湿也带来大量的液态水；
3)在燃料电池工作时，会产生大量的热量，一般采用水冷的方式对燃料电池进行散热，这也会带来大量的液态水。
然而当燃料电池停止工作时，如果燃料电池处于低温，如在北方冬天的环境下，温度将会降到零下40℃，燃料电池将会损坏。导致燃料电池损坏的一方面是上述反应产生的水、增湿带来的水和散热带来的水将在燃料电池内部大量地聚集，由于较低温度而结冰膨胀进而破坏燃料电池，如石墨双极板将会破裂。此外，由于堵车或因为其他原因导致机动车在户外需要长时间停放时，燃料电池发动机必须克服低温存放冻结的问题。
现有的用于燃料电池发动机低温防冻的措施主要有以下三种：
1)加强保温。但保温的方法只能解决短时间的问题，但是如要防止几小时甚至几天的低温存放冻结则是不够的。
2)燃料电池不停机。即保持燃料电池发动机低功率输出来保证燃料电池内部的温度，但因为车携带的能源或车载蓄电池毕竟有限，这种方法也不能从根本上解决燃料电池发动机长时间低温存放冻结的问题。
3)采用防冻剂。如公开号为CN1484872A的专利申请中公开的一种用于在燃料电池发电装置中形成的水循环路径的防冻设备，该专利申请的技术方案在燃料电池堆不工作时，通过利用防冻剂释放/再生机构在水循环路径中释放防冻剂而达到防冻的目的。但是，这种防冻设备一方面整个设备比较烦琐，另一方面由于防冻剂往往对电极有损坏作用，防冻剂不能进入燃料电池的阳极和阴极，所以只能使燃料电池冷却水流道中的水防冻，而存在阳极和阴极中的水以及被质子交换膜吸附的水在低温下仍然会结冰凝固，所以这种方法在实际操作时可行性不大。
发明内容
本发明针对上述现有技术中用于机动车用发动机的燃料电池的防冻装置和方法没有解决长时间低温存放的问题或者实际操作可行性不大的缺点，提供一种能够解决长时间低温存放、可行性强的燃料电池系统的防冻装置和方法。
本发明的发明人考虑到燃料电池系统的散热装置通常采用水冷的方式对燃料电池进行散热，传统的这种具有散热装置的燃料电池系统如图1(图中双线箭头标示水流方向)所示，包括燃料电池1、水箱2，燃料电池1和水箱2之间通过出水管和回水管构成回路，即水冷散热回路，还包括设置在出水管上的水泵3，这样水泵3将水箱2中的冷水泵入燃料电池1内部，冷水经过燃料电池1内部后携带热量经由回水管流回到水箱2。需要说明的是，将从水箱2流向燃料电池1的管道定义为“出水管”，将从燃料电池1流向水箱2的管道定义为“回水管”，以下遵从此约定。发明人想到可以以现有的这种散热装置的结构为基本模式，将冷水加热并输送到燃料电池1的内部，以达到防冻的目的，从而设计出一种燃料电池系统的防冻装置和方法。
本发明提供的燃料电池系统的防冻装置包括水箱、出水管、回水管、水泵、电热器、温度探测器、控制器和供电装置；水箱内部与出水管和回水管连通，水泵和电热器都设置在出水管上，控制器分别与燃料电池、温度探测器的输出端和供电装置的输入端连接，供电装置的输出端分别与水泵和电热器连接；所述温度探测器被配置为探测燃料电池系统外界环境温度；所述控制器被配置为检测燃料电池的工作状态，并根据检测到的燃料电池的工作状态和温度探测器检测到的外界环境温度来启动或停止供电装置，当燃料电池处于停机状态并且外界环境温度低于预定温度时，控制器启动供电装置，当燃料电池处于开机状态或者外界环境温度高于预定温度时，控制器停止供电装置；所述供电装置被配置为在控制器的控制下对水泵和电热器供电。
本发明提供的燃料电池系统的防冻方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
检测燃料电池的工作状态和外界环境温度；
当燃料电池处于停机状态并且外界环境温度低于预定温度时，将热量传输进燃料电池内部；
当燃料电池处于开机状态或者外界环境温度高于预定温度时，停止将热量传输进燃料电池内部。
本发明所提供的燃料电池系统的防冻装置借鉴了散热装置的结构，通过将水箱中的水泵出并经过电热器加热然后传送到燃料电池内部，从而在燃料电池停机并且外界环境温度过低的情况下仍能保持燃料电池内部的水温正常，不会结冻。这样能够保证该燃料电池系统用作机动车用发动机时处在户外长期低温的情况下，燃料电池内部中的大量液态水不会结冻，不会损害燃料电池，保证了发动机的稳定性。而在燃料电池开机或外界环境温度较高的情况下，燃料电池内部温度较高，也不存在液态水结冻的问题，这时可以停止泵出出水管中的水并停止对出水管中的水加热，降低能耗。本发明提供的燃料电池系统的防冻方法将热量传输至燃料电池内部以防止燃料电池内部的大量液态水结冻。并且，本发明由于没有采用防冻剂，所以不会污染损坏燃料电池。此外，本发明所提供的防冻装置结构简单，易于实施，在优选的实施方式中更可以利用燃料电池系统中可能存在的散热装置而更加简单实施，可行性强。
附图说明
图1为传统的具有散热装置的燃料电池系统的示意图；
图2为具有根据本发明第一实施方式的防冻装置的燃料电池系统的示意图；
图3为具有根据本发明第二实施方式的防冻装置的燃料电池系统的示意图；
图4为具有根据本发明第三实施方式的防冻装置的燃料电池系统的示意图；
图5为具有根据本发明第四实施方式的防冻装置的燃料电池系统的示意图；
图6为本发明所提供的防冻装置中部分组件的框图；
图7为本发明所提供的防冻装置中控制器所执行的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
首先介绍本发明提供的燃料电池系统的防冻装置，参见图2，本发明提供的燃料电池系统的防冻装置包括水箱2′、出水管、回水管、水泵3′、电热器4、温度探测器5、控制器6和供电装置7；水箱2′内部与出水管和回水管连通，水泵3′和电热器4都设置在出水管上，控制器6分别与燃料电池1、温度探测器5的输出端和供电装置7的输入端连接，供电装置7的输出端分别与水泵3′和电热器4连接；所述温度探测器5被配置为探测燃料电池系统外界环境温度；所述控制器6被配置为检测燃料电池1的工作状态，并根据检测到的燃料电池1的工作状态和温度探测器5检测到的外界环境温度来启动或停止供电装置7，当燃料电池1处于停机状态并且外界环境温度低于预定温度时，控制器6启动供电装置7，当燃料电池1处于开机状态或者外界环境温度高于预定温度时，控制器6停止供电装置7；所述供电装置7被配置为在控制器6的控制下对水泵3′和电热器4供电。
本发明的防冻装置所应用到的燃料电池系统中可能具有散热装置，基于本发明所述的防冻装置与散热装置结构上的相似性，防冻装置中一些部件可以与散热装置中的一些部件共用，例如在图3的第二实施方式中共用水箱2和回水管，在图4的第三实施方式中共用水箱2、部分出水管和回水管，在图5的第四实施方式中共用水箱2、水泵3、出水管和回水管，这都将在下文中描述。这样的共用并不影响散热装置和防冻装置的工作，这是因为散热装置的工作时间为燃料电池开机期间，而防冻装置的工作时间为燃料电池停机且外界环境温度低于预定温度的期间，这两者并不冲突，所以散热装置和防冻装置可以交替工作，并不影响各自的工作情况，并且降低了系统的复杂性，可以降低成本。这两个装置可以共用的部件包括：水箱2、水泵3以及连接在燃料电池1和水箱2之间的出水管和回水管，在下文会详细说明。
所述水箱2′可以选用各种储水容器，具有与储水容器内部连通的出水口和回水口，分别用于与出水管和回水管连接。所述水箱2′可以为用于防冻装置的独立的水箱(如图2中的水箱2′，图2中没有图示散热装置)，也可以为用于散热装置的水箱(如图3、图4和图5中的水箱2)。优选情况下水箱2′外壁包覆有保温层，以防止其与外界环境热交换。所述保温层由各种可用于保温的材料制成。
出水管和回水管均采用常规的水管，用于连接燃料电池1和水箱2′，以构成回路。优选情况下，出水管和回水管外壁包覆有保温层，以防止其与外界环境热交换。所述保温层由各种可用于保温的材料制成。其中出水管和回水管可以为用于防冻装置的独立的出水管和回水管(如图2)，也可以为用于散热装置的部分或全部出水管和回水管(如图3-图5)，图3是共用全部回水管，图4是共用部分出水管以及全部回水管，图5是共用全部出水管和全部回水管。如图4所示，在这种情况下，即当用于防冻装置的出水管和用于散热装置的出水管共用与燃料电池1相连接的端口时，所述燃料电池系统还包括第一阀门8和第二阀门9，分别设置在用于散热装置的出水管和用于防冻装置的出水管上，两个阀门的开关状态始终保持相反，也就是不同时开启，用于防止其中一个出水管中流出的水经由另一个出水管回流到水箱2或2′。
所述第一阀门8和第二阀门9可以选用各种常规阀门，例如球阀、闸阀、截止阀等。
所述水泵3′由直流电机驱动，直流电机由供电装置7供电。所述水泵3′可以为用于防冻装置的独立的水泵(如图2-图4中的水泵3′)，也可以为用于散热装置的水泵3(如图5中的水泵3)。但是，由于用于散热装置的水泵3通常功率较大，例如2千瓦，而用于防冻装置的水泵3′所需功率较小，例如50瓦，所以当散热装置和防冻装置共用一个水泵3时，需要在散热时间段(燃料电池开机期间)控制水泵3以较大的预定散热功率运行，在防冻时间段(燃料电池停机并且外界环境温度低于预定温度期间)控制水泵3以较小的预定防冻功率运行。水泵功率的控制对于本领域普通技术人员是公知的。
所述电热器4可以直接加热流经电热器4处出水管的介质(水)，也可以通过对电热器4处的出水管加热后间接对出水管中的介质进行加热，也就是说，该电热器4可以为内置在出水管内的插入式加热棒或者外置在出水管外的加热带，优选为插入式加热棒，这样可以使得加热热量利用得更加充分，效率更高。所述电热器4的安装位置优选靠近燃料电池1，这样被电热器4加热后的介质携带的热量不容易在传输过程中损失，利用更充分。
所述温度探测器5用于探测外界环境温度，并将探测到的温度数据发送到控制器6。所述温度探测器5可以选用温度传感器(例如PT100)、热电偶等。所述温度探测器5安装在燃料电池系统的外部，更具体说是安装在机动车外部。
如图6所示，所述控制器6包括燃料电池检测单元61、外界温度判断单元62和控制输出单元63，控制器6所执行的流程图如图7所示。
其中燃料电池检测单元61与燃料电池1连接，并且被配置为检测燃料电池1的工作状态，所述工作状态包括开机和停机，当检测到的工作状态为开机时燃料电池检测单元61直接通知控制输出单元63停止供电装置7，当检测到的工作状态为停机时继续执行外界温度判断单元62。所述燃料电池检测单元61可以通过本领域人员公知的各种方式获取燃料电池1的工作状态，例如利用电流表检测燃料电池1的输出电流、从燃料电池1的主控制器中获取燃料电池1的工作状态信息等等。所以燃料电池检测单元61可以连接到燃料电池1的输出端，也可以与燃料电池1的主控制器连接。
外界温度判断单元62与温度探测器5的输出端连接，并且被配置为当燃料电池检测单元61检测到的燃料电池1的工作状态为停机时，判断温度探测器5探测到的外界环境温度是高于或低于预定温度，并输出对应的外界环境温度高于预定温度或外界环境温度低于预定温度的信号到控制输出单元63。所述预定温度可以人为设定，通常设为0℃。
控制输出单元63的输入端分别与燃料电池检测单元61和外界温度判断单元62的输出端连接，输出端与供电装置7的输入端连接，并且被配置为当燃料电池检测单元61检测到的燃料电池1的工作状态为开机时、或者当燃料电池检测单元61检测到的燃料电池1的工作状态为停机且外界温度判断单元62输出外界环境温度高于预定温度的信号时，停止供电装置7，而当燃料电池检测单元61检测到的燃料电池1的工作状态为停机且外界温度判断单元62输出外界环境温度低于预定温度的信号时，启动供电装置7。所述“启动或停止供电装置7”是指使供电装置7对外供电或停止对外供电，例如导通或切断供电装置7的对外输出电路。
所述控制器6的各个单元可以集成为集成电路芯片，或者利用单片机来实现。
所述供电装置7可以为用于防冻装置的独立的蓄电池、车载太阳能电池或者车载太阳能电池和车载主蓄电池的组合。优选为车载太阳能电池和车载主蓄电池的组合，即采用太阳能电池先给车载主蓄电池充电，然后再由车载主蓄电池给水泵3′和电热器4供电。这样实施的好处在于采用太阳能而不消耗车载蓄电池的能量，具有稳定可靠、容易实现、保障时间长的特点。
如果选用太阳能电池，优选的是转换效率高的太阳能电池，例如单晶硅电池和多晶硅电池。所述车载太阳能电池的具体安装位置不作限定，可以安装在机动车辆的车顶部或周围，具体根据太阳能电池的特点安装在适合的位置。
所述供电装置7可以通过供电来控制水泵3′和电热器4的启动、停止。
本发明所提供的燃料电池系统的防冻装置可以应用到各种燃料电池1(例如氢空型质子交换膜燃料电池)上以构成燃料电池系统，其中燃料电池1可以为单体燃料电池或者多个单体燃料电池组成的燃料电池堆，通常用于机动车用发动机的燃料电池1为燃料电池堆。所述燃料电池1的结构为本领域人员所公知，在此不对其进行详细描述。
下面介绍本发明提供的燃料电池系统的防冻方法，该方法包括以下步骤：
检测燃料电池1的工作状态和外界环境温度；
当燃料电池1处于停机状态并且外界环境温度低于预定温度时，将热量传输进燃料电池1内部；
当燃料电池1处于开机状态或者外界环境温度高于预定温度时，停止将热量传输进燃料电池1内部。
其中，检测燃料电池1的工作状态可以通过检测燃料电池1的输出电流实现或者直接从燃料电池1的主控制器中获取工作状态信息。检测外界环境温度可以通过置于外界环境中的温度探测器5来实现。
当检测到燃料电池1的工作状态和外界环境温度之后，可以分别判断燃料电池1的工作状态是停机还是开机以及外界环境温度是高于还是低于预定温度，并当符合上述条件是，对应地将热量传输进燃料电池1内部或停止热量传输进燃料电池1内部。
所述热量通过加热流入燃料电池1内部的水而产生。通过上面对防冻装置的描述，本领域技术人员可以了解如何通过水箱2′、水泵3′和电热器4产生热量并经由出水管将热水传输进燃料电池的内部。
所述将热量传输进燃料电池1内部或停止将热量传输进燃料电池1内部可以通过启动或停止为水泵3′和电热器4供电的供电装置7来实现。
该方法的具体实施可以参考上述的防冻装置而实施，具体实施的流程图可以参见图7。
下面以具体实施例为例具体说明本发明。
实施例1
本实施例用于说明本发明所提供的燃料电池系统的防冻装置。
按图4的第三实施方式构成具有本发明所提供的防冻装置的用作轿车发动机的燃料电池系统A。其中，燃料电池1为氢空型质子交换膜燃料电池，其输出功率为40千瓦。水箱2的容积2升。水泵3′为由直流电机驱动，输入电压为24伏、电流为2安，水泵流量为1升/分钟。电热器4为加热带，在24伏输入电压的情况下功率为100瓦，电热器4靠近燃料电池1。温度探测器5为型号为PT100的温度传感器，置于车外部。控制器6为ATMEL公司生产的型号为AT89S51的单片机。供电装置7为车载太阳能电池与蓄电池的组合。其中车载太阳能电池为单晶硅电池，安装在车顶部，安装面积为0.8平方米，转换效率为16％，峰值功率为48Wp，输出电压为18伏、电流为2.7安。蓄电池的额定电压为12伏，标称容量为40安培时。第一阀门8为球阀，第二阀门9为球阀。
实施例2
本实施例用于说明本发明所提供的燃料电池系统的防冻装置。
按图4的第三实施方式构成具有本发明所提供的防冻装置的用作大巴车发动机的燃料电池系统B。其中，燃料电池1为氢空型质子交换膜燃料电池，其输出功率为100千瓦。水箱2的容积15升。水泵3′为由直流电机驱动，输入电压为48伏、电流为4安，水泵流量为6升/分钟。电热器4为加热带，在48伏输入电压的情况下功率为200瓦，电热器4靠近燃料电池1。温度探测器5为型号为PT100的温度传感器，置于车外部。控制器6为ATMEL公司生产的型号为AT89S51的单片机。供电装置7为车载太阳能电池与蓄电池的组合。其中车载太阳能电池为单晶硅电池，安装在车顶部，安装面积为5平方米，转换效率为16％，峰值功率为800Wp，输出电压为100伏、电流为8安。蓄电池的额定电压为12伏，标称容量为60安培时。第一阀门8为截止阀，第二阀门9为截止阀。
实施例3
本实施例用于说明本发明所提供的燃料电池系统的防冻装置。
按图4的第三实施方式构成具有本发明所提供的防冻装置的用作轿车发动机的燃料电池系统C。其中，各个组件的选用与实施例1相同，不同在于所述电热器4为插入式加热棒，加热功率为80瓦。
实施例4
本实施例用于说明本发明所提供的燃料电池系统的防冻装置的性能。
使上述实施例1-3中的燃料电池系统A、B、C中的燃料电池停机6小时，并处于环境温度为-10℃的外界环境中，在防冻装置的回水管处利用型号为PT100温度传感器探测回水水温，A、B、C系统中的回水水温均大于6℃，表明燃料电池1内部温度处于安全水平，大量液态水不会结冻。
Claims (8)
1.一种燃料电池系统的防冻装置，其特征在于，该防冻装置包括水箱(2′)、出水管、回水管、水泵(3′)、电热器(4)、温度探测器(5)、控制器(6)和供电装置(7)；水箱(2′)内部与出水管和回水管连通，水泵(3′)和电热器(4)都设置在出水管上，控制器(6)分别与燃料电池(1)、温度探测器(5)的输出端和供电装置(7)的输入端连接，供电装置(7)的输出端分别与水泵(3′)和电热器(4)连接；所述温度探测器(5)被配置为探测燃料电池系统外界环境温度；所述控制器(6)被配置为检测燃料电池(1)的工作状态，并根据检测到的燃料电池(1)的工作状态和温度探测器(5)检测到的外界环境温度来启动或停止供电装置(7)，当燃料电池(1)处于停机状态并且外界环境温度低于预定温度时，控制器(6)启动供电装置(7)，当燃料电池(1)处于开机状态或者外界环境温度高于预定温度时，控制器(6)停止供电装置(7)；所述供电装置(7)被配置为在控制器(6)的控制下对水泵(3′)和电热器(4)供电。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的防冻装置，其特征在于，所述电热器(4)为内置在出水管内的插入式加热棒或者外置在出水管外的加热带。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的防冻装置，其特征在于，所述电热器(4)的安装位置靠近燃料电池(1)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统的防冻装置，其特征在于，所述控制器(6)包括燃料电池检测单元(61)、外界温度判断单元(62)和控制输出单元(63)，其中，
燃料电池检测单元(61)与燃料电池(1)连接，并且被配置为：检测燃料电池(1)的工作状态，当检测到的工作状态为开机时燃料电池检测单元(61)直接通知控制输出单元(63)停止供电装置(7)，当检测到的工作状态为停机时继续执行外界温度判断单元(62)；
外界温度判断单元(62)与温度探测器(5)的输出端连接，并且被配置为：当燃料电池检测单元(61)检测到的燃料电池(1)的工作状态为停机时，判断温度探测器(5)探测到的外界环境温度是高于或低于预定温度，并输出对应的外界环境温度高于预定温度或外界环境温度低于预定温度的信号到控制输出单元(63)；
控制输出单元(63)的输入端分别与燃料电池检测单元(61)和外界温度判断单元(62)的输出端连接，输出端与供电装置(7)的输入端连接，并且被配置为：当燃料电池检测单元(61)检测到的燃料电池(1)的工作状态为开机时、或者当燃料电池检测单元(61)检测到的燃料电池(1)的工作状态为停机且外界温度判断单元(62)输出外界环境温度高于预定温度的信号时，停止供电装置(7)，而当燃料电池检测单元(61)检测到的燃料电池(1)的工作状态为停机且外界温度判断单元(62)输出外界环境温度低于预定温度的信号时，启动供电装置(7)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统的防冻装置，其特征在于，所述控制器(6)的各个单元集成为集成电路芯片，或者利用单片机来实现。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统的防冻装置，其特征在于，所述供电装置(7)为独立的蓄电池、车载太阳能电池、或者车载太阳能电池和车载主蓄电池的组合。
7.一种燃料电池系统的防冻方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
检测燃料电池(1)的工作状态和外界环境温度；
当燃料电池(1)处于停机状态并且外界环境温度低于预定温度时，将热量传输进燃料电池(1)内部；
当燃料电池(1)处于开机状态或者外界环境温度高于预定温度时，停止将热量传输进燃料电池(1)内部。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统的防冻方法，其特征在于，所述热量通过加热流入燃料电池(1)内部的水而产生。
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