CN102386430B

CN102386430B - 能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统

Info

Publication number: CN102386430B
Application number: CN201110349637.8A
Authority: CN
Inventors: 涂正凯; 付为国; 余意; 詹志刚; 潘牧
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2031-11-08
Also published as: CN102386430A

Abstract

一种能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，包括质子交换膜燃料电池的电堆，电堆的空气进口和氢气进口通过空气循环泵和第一电加热丝由管道连通，电堆的空气出口和氢气出口通过干燥剂由管道连通，用于构成空气循环泵、第一电加热丝、电堆和干燥剂的密闭循环；电堆的入水口和出水口通过第一水泵和设有第二电加热丝的小水箱由管道连通，用于构成小水箱、第一水泵和电堆的密闭循环；电堆的入水口和出水口还通过第二水泵和设有第三电加热丝的大水箱由管道连通，用于构成大水箱、第二水泵和电堆的密闭循环，大水箱的顶端连有管道，用于可控的与大气连通。本发明可同时实现质子交换膜燃料电池电堆的低温保存和快速低温启动且设备简单易操作。

Description

能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体地指一种能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种电化学发电装置，由于它能量转化效率高(50％～70％)、环境友好、噪音低等突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。在各种类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)很适用于便携式电源和运输工具。大多数汽车公司开发的燃料电池也大都着重于PEMFC。

质子交换膜燃料电池除了具有其他普通燃料电池的优点外，还有其他燃料电池所不具备的优点，如：工作温度低、无污染、噪音小、结构简单、比功率大、启动迅速等，已经成为最有可能取代化石燃料能量转换装置的一种电化学装置。但是随着质子交换膜燃料电池商业化研究的深入，一些阻碍质子交换膜燃料电池商业化的问题暴露出来，如：(1)质子交换膜燃料电池的电堆在低温下的保存与启动问题；(2)质子交换膜燃料电池的寿命与耐久性问题；(3)材料的成本问题。

质子交换膜燃料电池的冷启动是其商业化过程中一个不能回避的问题。若环境温度降低至零摄氏度以下，在电堆停止运行后如不采取任何保护措施，电堆内的残留水就很有可能结冰，对电堆造成一系列的破坏，主要表现在：(1)堵塞流道，导致气体流动受阻；(2)覆盖催化层，导致反应气体无法与催化剂接触，影响电池的运行；(3)由于水结冰导致体积增大，可能对膜及其内部组件造成物理损伤，导致膜破裂，有害应力增加，密封结构破坏，电堆漏气、窜气等。

目前，国内外的很多研究所和大型汽车公司都在研究质子交换膜燃料电池的冷启动措施，日本的本田公司早在2004年就已经能够实现-20℃的启动，国内的新源动力股份有限公司也在冷启动方面取得了很大的进展，能够实现-7℃的启动，但是与国外的差距还比较大。

公开号为CN 101447580A的中国专利申请《一种0℃以下快速启动的质子交换膜燃料电池》，通过将电加热丝分布在端板内，在启动时给电堆加热，从而使电堆温度升至0℃以上，实现质子交换膜燃料电池的低温启动。但是该技术方案没有提及电堆的低温保存，同时电堆内的温度分布仍然存在梯度而不是均匀分布，容易导致电堆局部受力不均。

公开号为US 6777115的美国专利和公开号为WO 04025752的国际专利是美国UTC燃料电池公司提出的冷启动专利，该专利使用一个外接电源，再串联一个电阻，在低温时给电堆加热，以实现燃料电池电堆的低温启动。这种方法容易实现，但是启动速度较慢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，能够实现质子交换膜燃料电池电堆的低温保存和快速低温启动，且设备简单、容易操作。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，包括质子交换膜燃料电池的电堆，其特别之处在于：所述电堆的空气进口和氢气进口通过空气循环泵和第一电加热丝由管道连通，电堆的空气出口和氢气出口通过干燥剂由管道连通，用于构成空气循环泵、第一电加热丝、电堆和干燥剂的密闭循环；所述电堆的入水口和出水口通过第一水泵和设有第二电加热丝的小水箱由管道连通，用于构成小水箱、第一水泵和电堆的密闭循环；所述电堆的入水口和出水口还通过第二水泵和设有第三电加热丝的大水箱由管道连通，用于构成大水箱、第二水泵和电堆的密闭循环，所述大水箱的顶端连有管道，用于可控的与大气连通。

上述技术方案中，所述电池系统的管道上设有若干阀门，用于控制各管道的接通和断开。

上述技术方案中，所述小水箱内设有水位传感器。

进一步地，所述水位传感器为1～10个。

上述技术方案中，所述第一电加热丝、第二电加热丝和第三电加热丝的功率分别为20～2000W。

上述技术方案中，所述第一水泵和第二水泵的功率分别为20～2000W。

上述技术方案中，所述小水箱和大水箱的容积分别为0.05～50L。

与现有技术相比，本发明依靠电堆设置气体流道的密闭循环以及水流道的两个循环，无需添加其他设备，即可同时实现质子交换膜燃料电池电堆的低温保存和快速低温启动，且设备简单易操作。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为图1系统在低温保存工况下的运行示意图；

图3为图1系统在低温启动工况下系统整体温度未达到零摄氏度时的运行示意图；

图4为图1系统在低温启动工况下系统整体温度达到零摄氏度以上时的运行示意图；

图中：1～14-阀门，15-空气循环泵，16-第一水泵，17-第二水泵，18-第一电加热丝，19-第二电加热丝，20-第三电加热丝，21-小水箱，22-大水箱，23-水位传感器，24～29-热电偶，30-干燥剂。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例做进一步地详细描述：

如图1所示，本发明的一种质子交换膜燃料电池系统，包括质子交换膜燃料电池的电堆，若干阀门1～14，空气循环泵15，水泵16、17，电加热丝18～20和水箱21、22，在电堆外构成三个循环：第一、电堆的空气进口和氢气进口通过空气循环泵15和第一电加热丝18由管道连通，电堆的空气出口和氢气出口通过干燥剂30由管道连通，构成空气循环泵15、第一电加热丝18、电堆和干燥剂30的密闭循环；第二、电堆的入水口和出水口通过第一水泵16和设有第二电加热丝19的小水箱21由管道连通，构成小水箱21、第一水泵16和电堆的小循环；第三、电堆的入水口和出水口还通过第二水泵17和设有第三电加热丝20的大水箱22由管道连通，构成大水箱22、第二水泵17和电堆的大循环，上述大水箱22的顶端连有管道，管道上设有阀门10，用于使大水箱22可控的与大气连通。

本燃料电池系统中，阀门1～14设置于各管道上，用于控制各管道的接通和断开。在小水箱23上设有1～10个水位传感器23。根据电堆的规格，本实施例中在电堆内均匀设置了六个热电偶24～29，能够监测电堆内各处的温度；第一电加热丝18、第二电加热丝19和第三电加热丝20的功率分别在20～2000W内选取，第一水泵16和第二水泵17的功率分别在20～2000W内选取，小水箱21和大水箱22的容积分别在0.05～50L内选取。下表一是其中几种规格的燃料电池系统。

表一

本发明的工作原理如下：

1)质子交换膜燃料电池的低温保存：如图2的虚线部分所示，系统停机后，先用空气通过阀门5吹扫水流道内的水，将水吹入大水箱22中，达到除水的目的。而空气流道用空气吹扫，氢气流道用氮气吹扫，一段时间之后停止吹扫并关闭阀门1、3、6、7、8、11、14，关闭三个电加热丝18、19、20。然后，开启阀门2、4、5、9、10、12、13，并开启空气循环泵15和第一水泵16。电加热丝18、空气循环泵15、干燥剂30、空气流道和氢气流道组成一个密闭循环，使流道和管壁内的水在空气循环泵15的作用下被干燥剂30吸收。

2)质子交换膜燃料电池的低温启动：系统低温启动时，如图3的虚线部分所示，关闭阀门1、3、5、6、9、11、14，开启阀门2、4、7、8、12、13，开启空气循环泵15和第一水泵16，开启第一电加热丝18和第二电加热丝19。电加热丝18、空气循环泵15、干燥剂30、空气流道和氢气流道组成一个密闭循环，气体在第一电加热丝18的作用下加热，并通过空气循环泵15在密闭循环内循环。小水箱21内的水用第二电加热丝19加热，通过第一水泵16使其在水流道内循环，用以加热电堆。通过电堆上的热电偶24～29监测电堆温度。

当电堆温度整体上升至10摄氏度以上，如图4的虚线部分所示，关闭阀门2、5、6、9、10、12、13，关闭空气循环泵15，关闭第一电加热丝18和第三电加热丝20，开启阀门1、3、4、7、8、11、14，开启第一水泵16，开启第二电加热丝19。此时小循环工作，确保电堆平稳升温。

本发明的核心在于通过设置气体流道的密闭循环以及水流道的两个循环，在质子交换膜燃料电池的低温保存时，有效去除系统内的水分，而在低温启动时快速、均匀加热其电堆。所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：系统中阀门的设置不限于实施例所述，其具体数量和位置以控制各管道的通断为准；水位传感器23的个数，电加热丝18、19、20的规格，水泵16、17的规格，小水箱21和大水箱22的规格均不限于某具体值，而是依照所应用的电堆规格而定等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，包括质子交换膜燃料电池的电堆，其特征在于：所述电堆的空气进口和氢气进口通过空气循环泵（15）和第一电加热丝（18）由管道连通，电堆的空气出口和氢气出口通过干燥剂（30）由管道连通，用于构成空气循环泵（15）、第一电加热丝（18）、电堆和干燥剂（30）的密闭循环；所述电堆的入水口和出水口通过第一水泵（16）和设有第二电加热丝（19）的小水箱（21）由管道连通，用于构成小水箱（21）、第一水泵（16）和电堆的密闭循环；所述电堆的入水口和出水口还通过第二水泵（17）和设有第三电加热丝（20）的大水箱（22）由管道连通，用于构成大水箱（22）、第二水泵（17）和电堆的密闭循环，所述大水箱（22）的顶端连有管道，用于可控的与大气连通。

2.根据权利要求1所述的能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述电池系统的管道上设有若干阀门（1~14），用于控制各管道的接通和断开。

3.根据权利要求1或2所述的能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述小水箱（21）内设有水位传感器（23）。

4.根据权利要求3所述的能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述水位传感器（23）为1~10个。

5.根据要求1或2所述的能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述第一电加热丝（18）、第二电加热丝（19）和第三电加热丝（20）的功率分别为20~2000W。

6.根据权利要求3所述的能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述第一电加热丝（18）、第二电加热丝（19）和第三电加热丝（20）的功率分别为20~2000W。

7.根据要求1或2所述的能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述第一水泵（16）和第二水泵（17）的功率分别为20~2000W。

8.根据权利要求3所述的能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述第一水泵（16）和第二水泵（17）的功率分别为20~2000W。

9.根据要求1或2所述的能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述小水箱（21）和大水箱（22）的容积分别为0.05~5L和5~50L。

10.根据权利要求3所述的能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述小水箱（21）和大水箱（22）的容积分别为0.05~5L和5~50L。