CN103682403A - 具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统及方法，其中系统包括质子交换膜燃料电池的电堆和冷却剂存储箱，电堆的空气进口管道上安装有空气加热器；电堆与冷却剂存储箱之间的进水管道上安装有冷却剂加热器；电堆上还设有电堆加热器，用于对质子交换膜燃料电池的端板、绝缘板和集流板进行预热；该系统还设有用于测量电堆温度的温度传感器。本发明对燃料电池堆温度进行检测，根据燃料电池系统不同部件工质热容的不同和对启动时温度要求的不同分别对燃料电池堆不同部件进行预热升温，使燃料电池快速预热，不会导致温度梯度过大而损伤燃料电池堆，使燃料电池系统在零度以下的环境中快速启动。

Description

具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统及方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统及方法。
背景技术
燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能不经过燃烧直接转换为电能的能量转换装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)反应物为氢气和氧气，反应产物只有水，具有能量转换效率高、环境友好、不产生噪音、可靠性高、室温可快速起动，燃料（氢气）制取方式多样等优点，成为解决环境污染和能源枯竭问题的首选汽车动力源。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)很适用于便携式电源和运输工具，受到全球汽车界的积极支持，但随着商业化研究的深入，阻碍质子交换膜燃料电池商业化的问题暴露出来：成本的问题，寿命与耐久性的问题以及在低温环境下的启动问题。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)在工作后含有大量的水，包括反应生成的水、反应过程的加湿用水和电堆的冷却用水。质子交换膜燃料电池在低温环境下由于电池内部液态水结冰，影响质子的传递，无法成功启动或延长启动时间。
由于燃料电池质量较大，在低温环境时首先要加热到0                                               
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE002
以上才能正常启动运行，需要较多的热量和较长时间。
公开号为CN102386430A的中国专利申请《能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统》通过停机吹扫除水对燃料电池进行低温保存，在启动时加热冷却水小循环对燃料电池堆进行升温。该技术容易实现，但是启动速度较慢。
公开号为CN102751521A的中国专利申请《一种燃料电池低温启动的空气回流加热系统及其方法》通过循环利用含有空气泵废热的空气尾气来加热燃料电池堆空气反应界面以及其他组件。该技术容易实现，但是燃料电池堆两端和中间部位温度不一致，存在温度差，损坏燃料电池堆。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中对燃料电池堆加热不均匀或者燃料电池堆启动速度慢的缺陷，提供一种可使质子交换膜燃料电池的电堆快速安全启动的具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统，包括质子交换膜燃料电池的电堆和冷却剂存储箱， 
所述电堆的空气进口管道上安装有空气加热器；
所述电堆与所述冷却剂存储箱之间的进水管道上安装有冷却剂加热器；
所述电堆内还设有电堆加热器，用于对质子交换膜燃料电池的端板、绝缘板和集流板进行预热；
该系统还设有用于测量所述电堆温度的温度传感器。
本发明所述的系统中，所述电堆的氢气进口管道、空气排放管道以及氢气排放管道上均设有压力传感器和温度传感器。
本发明所述的系统中，所述电堆与所述冷却剂存储箱之间的出水管道上还设有一旁通管道，该旁通管道上安装有散热器。
本发明所述的系统中，所述进水管道上连接有回流管道，该回流管道直接连通所述冷却剂存储箱。
本发明所述的系统中，所述进水管道和所述出水管道上均设有温度传感器。
本发明所述的系统中，所述电堆加热器为加热片，与外接电源连接，所述加热片贴装在所述质子交换膜燃料电池的端板上。
本发明所述的系统中，所述电堆的空气排放管道的出口与所述空气进口管道的进口连接。
本发明还提供一种具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动方法，根据燃料电池系统不同部件工质热容的不同和对启动时温度要求的不同，进行分级加热及温度控制，具体包括以下步骤：
通过温度传感器检测电堆温度，根据检测确认燃料电池是否处于零度以下的启动状态；
当燃料电池处于零度以下的启动状态时，空气经由空气进口管道上的空气加热器加热后进入电堆；
电堆加热器对端板、绝缘板和集流板进行预热；
冷却剂存储箱中的冷却剂通过进水管道上的冷却剂加热器加热；
当电堆温度到达第一预定温度时，通入氢气，加载电流； 
当电堆温度到达第二预定温度时，开始冷却水循环，并检测冷却水进入电堆的进口温度和流出电堆的出口温度，根据所检测的温度调节冷却水进口流量及水温。
本发明所述的方法中，在根据所检测的温度调节冷却水进口流量及水温时，控制冷却水进入电堆的进口温度和流出电堆的出口温度的温差不大于10摄氏度。
本发明所述的方法中，所述第一预定温度在-10至0摄氏度之间，所述第二预定温度在30至50摄氏度之间。
本发明产生的有益效果是：本发明对燃料电池堆温度进行检测，根据燃料电池系统不同部件及工质热容的不同和对启动时温度要求的不同，进行分级加热及温度控制，分别使用空气加热部分，端板、绝缘板和集流板加热部分以及冷却剂加热部分对燃料电池堆不同部件进行预热升温，使燃料电池快速预热，在不导致温度梯度过大而损伤燃料电池堆的条件下，使燃料电池堆在零度以下的环境中快速启动。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统的结构示意图；
图2是本发明实施例具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
PEM燃料电池在低温环境下启动时，电流及水分首先产生于催化层内，启动过程的一段时间内不需要冷却剂循环去冷却电堆；整个燃料电池系统不同部位的部件及材料热容相差巨大，对温升的时间要求也不相同，因此对不同部位温升进行分级调控，可以进行低温环境下的快速启动。
本发明实施例的具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统主要包括气体加热部分，端板、绝缘板和集流板加热部分以及冷却剂加热部分。气体加热部分加热空气以对MEA和双极板进行升温。气体被加热后进入电堆扩散到MEA上，可以快速使MEA温度升到要求值，之后加载电流进行启动。对端板、绝缘板和集流板进行升温的加热装置可安装于端板上，加热装置对该部分部件进行加热升温；冷却剂加热部分主要通过泵出口处加热器2循环加热储存箱里面的冷却液。
本发明实施例中，可根据系统中不同部件工质热容的不同和对启动时温度要求的不同，进行分级加热及温度控制，不同部位处具体的加热方式并没有限制，可以是电加热或氢气燃烧加热等等。
本发明实施例具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统，如图1所示，包括质子交换膜燃料电池的电堆和冷却剂存储箱19，电堆上连接有空气进口管道、氢气进口管道、空气排放管道和氢气排放管道。另外，电堆与冷却剂存储箱19之间还形成有冷却循环通道。冷却剂存储箱19中的冷却液（如液态水）在水泵18的作用下通过进水管道进入电堆，电堆中的水再经过出水管道回流到冷却剂存储箱19中。
如图1所示，为了分级对系统进行加热，在所述电堆的空气进口管道上安装有空气加热器1；空气经空气加热器1加热后进入燃料电池的电堆，扩散到加热MEA和双极板上，可以快速使MEA和双极板的温度升到要求值。
所述电堆与所述冷却剂存储箱19之间的进水管道上安装有冷却剂加热器2； 
所述电堆端板上设有电堆加热器，用于对质子交换膜燃料电池的端板、绝缘板和集流板进行预热；所述电堆加热器可为加热片21-26，与外接电源连接，所述加热片21-26贴装在所述质子交换膜燃料电池的端板上。主要对端板、绝缘板和集流板进行加热，同时使靠近端板部位的单电池的温度和中间部位电池的温度基本保持一致，不存在温度梯度。
该系统还设有用于测量所述电堆温度（主要为内部双极板及MEA的温度）的温度传感器5。
为了对各部分温度进行更好的控制，本发明实施例中，在所述电堆的氢气进口管道、空气排放管道以及氢气排放管道上均设有压力传感器和温度传感器。在所述进水管道和所述出水管道上均设有温度传感器。
如图2所示，氢气进口管道上设有压力传感器12和温度传感器7。空气排放管道上安装压力传感器11和温度传感器6，在空气排放管道上还设有单向阀14，以控制控制空气排放的速度。氢气排放管道上安装压力传感器13和温度传感器8，氢气排放管道上也设有单向阀15。进水管道上设有温度传感器16，出水管道上设有温度传感器10。
如图1所示，所述电堆与所述冷却剂存储箱之间的出水管道上还设有一旁通管道，与出水管道之间可通过三通阀17（或流量控制阀）连接，该旁通管道上安装有散热器。在燃料电池正常运行后为保证电堆温度不致过高，电堆中的水经出水管道排出时，可以通过调节三通阀17使水流经过旁通管道的散热器散热后再回流到冷却剂储存箱19。
本发明的一个实施例中，所述进水管道上连接有回流管道，与进水管道之间可通过三通阀16（或流量控制阀）连接，该回流管道直接连通所述冷却剂存储箱。当电堆温度达到第二预定温度要求冷却剂循环、而冷却剂箱内温度仍然偏低时，可以使得水泵出口进入电堆的冷却剂流量得到调节，保证电堆进出口温差不致过大。
基于上述系统，本发明实施例具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动方法，包括以下步骤：
S1、通过温度传感器5检测电堆温度，根据检测确认燃料电池是否处于零度以下的启动状态；
S2、当燃料电池处于零度以下的启动状态时，空气经由空气进口管道上的空气加热器1加热后进入电堆；
S3、电堆加热器对端板、绝缘板和集流板进行预热；
S4、冷却剂存储箱19中的冷却剂通过进水管道上的冷却剂加热器2加热；
燃料电池堆各组件温度上升到
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE004
所需热量为：
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE006
因此加热所需时间为           
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE008
 
其中：为热量（kJ）, 为各组件的热容（
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE014
）,
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE016
为各组件的重量（kg）,为温度上升的温度差（
Figure 523327DEST_PATH_IMAGE002
），
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE020
为时间（t），
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE022
为加热功率（kW）。
分级控制的各个组件加热功率可以根据其加热需求Q及温升时间
Figure 502784DEST_PATH_IMAGE020
确定加热功率w。
S5、当电堆温度到达第一预定温度t1时，通入氢气，加载电流，也即开始启动电堆； 第一预定温度t1在-10至0摄氏度之间。
S6、当电堆温度到达第二预定温度t2时，开始冷却水循环，并检测冷却水进入电堆的进口温度和流出电堆的出口温度，根据所检测的温度调节冷却水进口流量及水温。其中，第二预定温度t2在30至50摄氏度之间。
本发明的实施例中，在根据所检测的温度调节冷却水进口流量及水温时，控制冷却水进入电堆的进口温度T6和流出电堆的出口温度T7的温差不大于10摄氏度。
冷却水流量及温度的控制方程式：
冷却剂进出口温度差满足：
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE024
燃料电池堆余热与冷却剂流量满足：
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE026
冷却剂带走电池堆余热W的同时，还需要保证电池堆在正常温度范围内运行。
以1kW和30kW燃料电池堆为例，估算从
Figure 2013107206655100002DEST_PATH_IMAGE028
加热到
Figure 344838DEST_PATH_IMAGE004
所需热量：
实施例 电堆功率（KW） 端板、绝缘板和集流板所需热量（kJ） 金属双极板所和MEA需热量（kJ） 冷却剂（kJ）
1 1 135.8 14.83 420
2 30 135.8 222.4 1260
实施例1KW电堆单电池10片，用冷却水5L；30KW电堆单电池150片，用冷却水15L。
由上表可见，1kW电堆MEA及双极板组件温度上升到
Figure 740048DEST_PATH_IMAGE004
所需的热量和其他组件的相比，只占很小比例。因此按本发明进行分级式加热及温度控制，可以大大缩短其加热时间，快速加载。端板、绝缘板和集流板组件以及冷却剂所需热量大很多，但它们升温的时间可以较长。这样进行分级式温度控制，可以达到快速安全的启动，显示出优越性。
对于30kW电堆，MEA及双极板组件、端板组件以及冷却剂温度上升到
Figure 554420DEST_PATH_IMAGE004
所需的热量占整个系统所需热量的比例分别为13.7%，8.4%，77.9%。因此按本发明进行分级式加热及温度控制，也可以缩短启动时间，显示出优越性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统，包括质子交换膜燃料电池的电堆和冷却剂存储箱，其特征在于：
所述电堆的空气进口管道上安装有空气加热器；
所述电堆与所述冷却剂存储箱之间的进水管道上安装有冷却剂加热器；
所述电堆上还设有电堆加热器，用于对质子交换膜燃料电池的端板、绝缘板和集流板进行预热；
该系统还设有用于测量所述电堆温度的温度传感器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电堆的氢气进口管道、空气排放管道以及氢气排放管道上均设有压力传感器和温度传感器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电堆与所述冷却剂存储箱之间的出水管道上还设有一旁通管道，该旁通管道上安装有散热器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进水管道上连接有回流管道，该回流管道直接连通所述冷却剂存储箱。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述进水管道和所述出水管道上均设有温度传感器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电堆加热器与外接电源连接，所述电堆加热器安装在所述质子交换膜燃料电池的端板上。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电堆的空气排放管道的出口与所述空气进口管道的进口连接。
8.一种具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动方法，其特征在于，根据燃料电池系统不同部件工质热容的不同和对启动时温度要求的不同，进行分级加热及温度控制，具体包括以下步骤：
通过温度传感器检测电堆温度，根据检测确认燃料电池是否处于零度以下的启动状态；
当燃料电池处于零度以下的启动状态时，空气经由空气进口管道上的空气加热器加热后进入电堆；
电堆加热器对端板、绝缘板和集流板进行预热；
冷却剂存储箱中的冷却剂通过进水管道上的冷却剂加热器加热；
当电堆温度到达第一预定温度时，通入氢气，加载电流； 
当电堆温度到达第二预定温度时，开始冷却水循环，并检测冷却水进入电堆的进口温度和流出电堆的出口温度，根据所检测的温度调节冷却水进口流量及水温。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在根据所检测的温度调节冷却水进口流量及水温时，控制冷却水进入电堆的进口温度和流出电堆的出口温度的温差不大于10摄氏度。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一预定温度在-10至0摄氏度之间，所述第二预定温度在30至50摄氏度之间。
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