CN101587961A - 一种质子交换膜燃料电池低温启动系统及启动方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池低温启动系统及启动方法 Download PDF

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徐洪峰
明平文
侯中军
孙基文
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Abstract

一种质子交换膜燃料电池低温启动系统，由燃料电池堆、燃料供给子系统、氧化剂供给子系统、冷却系统和控制与电能输出系统构成，其中冷却系统包括冷却剂储厢、散热器和冷却剂循环泵，其特征在于所述冷却系统还包括储热装置，所述储热装置包括置于冷却剂储厢内的冷却剂中的热袋和该热袋触发器的控制机构。本发明的优点是：充分利用燃料电池工作时产生的废热，在燃料电池低温下再启动时对燃料电池进行加热，不需要另外添加加热装置；冷却系统的冷却剂在燃料电池开始工作之前已经过加热，在对燃料电池进行冷却时，不会造成燃料电池温度突然急剧下降，导致燃料电池性能突降；系统结构简单，方法易行，节省能源。

Description

一种质子交换膜燃料电池低温启动系统及启动方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池低温启动方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)直接把储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，不受卡诺循环限制，可以获得高的能量效率，没有环境污染，因此比常规的内燃机有许多优点。PEMFC设计简单，操作噪音低，经济独立，因此，可以用在缺少电网基础设施的发展中国家作为区域发电站，交通运输工具动力源和通讯设备便携电源。
PEMFC发电系统用于汽车等交通运输，在冬天工作时，会处于0℃以下的环境，甚至是-40℃的低温。在这样低的温度下，燃料电池内催化剂活性很低，其中的水分会结冰，很难启动发电向外输出电能。专利United States Patent6103410公开了一种采用把氧化剂与少量的燃料，如氢气混合引入到燃料电池的阴极腔，在阴极催化剂的作用下，燃料和氧化剂发生化学反应生成水和放出热量，从而把燃料电池内冰融化为水并加热燃料电池到达一个可以操作的温度。该方法的不足是：1、在催化剂上发生化学反应容易烧结催化剂和膜，降低催化剂的电化学活性或造成膜破损，同时浪费燃料和氧化剂，消耗电能。2、低温时，燃料电池即使采用专利United States Patent 6103410的方法启动了，由于冷却系统的冷却剂温度很低，为了防止燃料电池局部过热而启动冷却剂循环时，冷却剂会吸收燃料电池内大量的热量，使燃料电池在输入循环冷却剂时温度突然急剧下降，导致燃料电池性能突降。
发明内容
本发明目的是提供一种利用燃料电池工作时产生的废热，在燃料电池低温下再启动时对燃料电池进行加热的低温启动系统。
本发明的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池低温启动系统，由燃料电池堆、燃料供给子系统、氧化剂供给子系统、冷却系统和控制与电能输出系统构成，其中冷却系统包括冷却剂储厢、散热器和冷却剂循环泵，其特征在于所述冷却系统还包括储热装置，所述储热装置包括置于冷却剂储厢内的冷却剂中的热袋和该热袋触发器的控制机构。
本发明所述的热袋触发器的控制机构是机械控制机构或者电控制机构，在冷却剂箱外控制热袋触发器。
本发明所述的热袋内的储热材料是受冲击而结晶并产生热的有机低温相变储热材料，有机低温相变储热材料的相变温度在60～75℃范围内，相变热在70～180kJ/kg。
本发明所述的有机低温相变储热材料是分子式为CH3(CH2)nCOOH的饱和脂肪酸和分子式为CnH2n+2的直链烷烃，饱和脂肪酸的分子式中的n为14，16，18或20，直链烷烃分子式中的n为30到60之间的整数。
本发明的质子交换膜燃料电池低温启动系统的启动方法包括：燃料电池停止工作后又在低温下重新启动时，首先启动冷却剂储厢内的热袋触发器，使热袋内的储热材料发生相变放热，加热冷却剂储厢内的冷却剂；然后启动冷却剂循环泵把加热了的冷却剂输入到燃料电池的冷却腔内，对燃料电池进行循环加热，直到达到燃料电池可工作温度；燃料电池工作后，热袋被冷却剂加热，热袋内的储热材料发生相变后吸热并储热，为下一次启动储备热量。
本发明是利用燃料电池工作时冷却剂储厢内的冷却剂的热量将低温相变材料加热，使低温相变材料发生相变，储存热量。当燃料电池在低温下启动时，将储热材料进行逆向相变，用相变释放的热量加热冷却剂，用加热的冷却剂加热燃料电池到燃料电池可工作温度。燃料电池工作时，冷却剂温度可以达到60-80℃，这一温度可以使低温相变材料发生固-液相变，吸收热量，把热量储存起来。燃料电池停止工作后，低温相变材料储存着一定的热量。当燃料电池在低温下启动时，首先启动低温相变材料的触发器，使储热材料发生由液态向固态的相变，发生凝固，释放出相变热，这些热量直接加热冷却剂储厢内的冷却剂，再通过循环泵把加热了的冷却剂输入到燃料电池的冷却腔内，循环加热燃料电池到操作温度。燃料电池工作后，储热材料重新储热为下一次启动储备热量，循环反复使用。
本发明的优点是：
1、充分利用燃料电池工作时产生的废热，在燃料电池低温下再启动时对燃料电池进行加热，不需要另外添加加热装置。
2、冷却系统的冷却剂在燃料电池开始工作之前已经过加热，在对燃料电池进行冷却时，不会造成燃料电池温度突然急剧下降，导致燃料电池性能突降。
3、系统结构简单，方法易行，节省能源。
附图说明
本发明有附图一幅，是本发明的低温启动系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
实施例1是一台50Kw的燃料电池发动机，燃料电池发动机重50kg，由不锈钢双极板、碳纸和电解质膜构成，其比热为0.3kJ/kg·K，把这个燃料电池堆由-10℃加热到10℃，需要热量为：50×0.3×(10+10)＝300kJ，以饱和脂肪酸为储热材料，饱和脂肪酸相变储热材料的相变热为150kJ/kg，，需要的饱和脂肪酸材料为：300/150＝2kg。
将2kg饱和脂肪酸置于热袋内，热内的饱和脂肪酸中设有触发器，热袋置于冷却剂储厢内的冷却剂中，热袋内的饱和脂肪酸中的触发器与置于冷却剂储厢表面的触发器按钮连接。在燃料电池工作时，冷却剂温度可以达到60-80℃，使饱和脂肪酸发生从固体转变到液体的相变。液态饱和脂肪酸储存着一定的热量。当燃料电池停机后再次启动时，首先按下置于冷却剂储厢的表面的触发器按钮，使液态饱和脂肪酸向固态转变，释放出相变热，这些热量加热冷却剂储厢内的冷却剂，循环泵把加热了的冷却剂输入到燃料电池的冷却腔内，循环加热燃料电池到可工作温度。燃料电池工作后，储热材料重新储热为下一次启动储备热量，循环反复使用。
实例2：
实施例2的燃料电池发动机与实施例1相同，把这样一个燃料电池堆由-20℃加热到10℃需要热量为：50×0.3×(10+20)＝450kJ
用支链烷烃材料作储热材料，支链烷烃相变储热材料的相变热为100kJ/kg，则需要的储热材料为：
450/100＝4.5kg。
储热材料的使用与实施例1相同。

Claims (5)

1、一种质子交换膜燃料电池低温启动系统，由燃料电池堆、燃料供给子系统、氧化剂供给子系统、冷却系统和控制与电能输出系统构成，其中冷却系统包括冷却剂储厢、散热器和冷却剂循环泵，其特征在于所述冷却系统还包括储热装置，所述储热装置包括置于冷却剂储厢内的冷却剂中的热袋和该热袋触发器的控制机构。
2、根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池低温启动系统，其特征在于所述的热袋触发器的控制机构是机械控制机构或者电控制机构，在冷却剂箱外控制热袋触发器。
3、根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池低温启动系统，其特征在于所述热袋内的储热材料是受冲击而结晶并产生热的有机低温相变储热材料，有机低温相变储热材料的相变温度在60～75℃范围内，相变热在70～180kJ/kg。
4、根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池低温启动系统，其特征在于所述有机低温相变储热材料是分子式为CH3(CH2)nCOOH的饱和脂肪酸和分子式为CnH2n+2的直链烷烃，饱和脂肪酸的分子式中的n为14，16，18或20，直链烷烃分子式中的n为30到60之间的整数。
5、权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池低温启动系统的启动方法，其特征在于所述启动方法包括：燃料电池停止工作后又在低温下重新启动时，首先启动冷却剂储厢内的热袋触发器，使热袋内的储热材料发生相变放热，加热冷却剂储厢内的冷却剂；然后启动冷却剂循环泵把加热了的冷却剂输入到燃料电池的冷却腔内，对燃料电池进行循环加热，直到达到燃料电池可工作温度；燃料电池工作后，热袋被冷却剂加热，热袋内的储热材料发生相变后吸热并储热，为下一次启动储备热量。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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