CN107425210A - 一种质子交换膜燃料电池冷启动系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池冷启动系统，包括质子交换膜燃料电池堆、燃料供给机构、空气供给机构、冷启动水循环机构以及控制器，所述质子交换膜燃料电池堆内设有堆内温度传感器；所述燃料供给机构通过第一管路与所述质子交换膜燃料电池堆连通，所述空气供给机构通过第二管路与所述质子交换膜燃料电池堆连通，所述第一管路和所述第二管路均有一段岔分成两条相互并联的支管路，且其中一条支管路上设有加湿器和第一电控开关阀，另一条支管路上设有第二电控开关阀。本发明能够提电池高冷启动变效率，提高工作效率，保护燃料电池，提高电池的性能和寿命，而且还可以分别对燃料和空气进行加湿和不加湿操作，可行性更高。

Description

一种质子交换膜燃料电池冷启动系统及工作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体地说涉及一种质子交换膜燃料电池冷启动系统及工作方法。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学装置，是继火电、水电和核电之后的第四种发电方式。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池的一种，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所。其发电过程不涉及氢氧燃烧，能量转换率高，发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。因此，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。
但是，由于质子交换膜燃料电池的电化学反应在水-气体-质子(电子)三相界面上进行，温度低于零度时启动，电池内部产生的水会产生结冰现象，同时阻塞反应区的气体通道，造成质子交换膜的破裂从而影响电池性能。因此，保证质子交换膜燃料电池的冷启动安全性是提高电池性能和寿命的一个关键问题。专利号为CN 201510176940.0的中国发明专利给出了一种质子交换膜燃料电池冷启动的途径和方法，但对于燃料电池低于零度的工作温度情况，其设计并不能快速升高电池温度，对电池内部产生的冰的处理和对燃料电池水循环的设计思路有待完善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够提电池高冷启动变效率，提高工作效率，保护燃料电池，提高电池的性能和寿命的质子交换膜燃料电池冷启动系统及其工作方法和测试湿度对燃料电池的性能影响的工作方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种质子交换膜燃料电池冷启动系统，包括质子交换膜燃料电池堆、燃料供给机构、空气供给机构、冷启动水循环机构以及控制器，所述质子交换膜燃料电池堆内设有堆内温度传感器；
所述燃料供给机构通过第一管路与所述质子交换膜燃料电池堆连通，所述空气供给机构通过第二管路与所述质子交换膜燃料电池堆连通，所述第一管路和所述第二管路均有一段岔分成两条相互并联的支管路，且两条所述支管路中的一条支管路上设有加湿器和第一电控开关阀，另一条支管路上设有第二电控开关阀；
所述冷启动水循环机构包括蓄水箱、冷却风扇以及加热器，所述蓄水箱与所述质子交换膜燃料电池堆之间设有三条进水管路和一条回水管路，且第一条所述进水管路上设有所述加热器和第三电控开关阀，第二条所述进水管路上设有所述冷却风扇和第四电控开关阀，第三条所述进水管路上设有第五电控开关阀；
所述加湿器、所述第一电控开关阀、所述第二电控开关阀、所述第三电控开关阀、所述第四电控开关阀、所述第五电控开关阀、所述加热器以及所述冷却风扇均与所述控制器连接。
进一步地，所述第一管路和所述第二管路上均设有湿度传感器，所述湿度传感器与所述控制器连接。
进一步地，所述第一管路和所述第二管路上均设有管路温度传感器，所述管路温度传感器与所述控制器连接。
进一步地，所述第一管路和所述第二管路上均设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器连接。
进一步地，所述第一管路和所述第二管路上均设有流量传感器，所述流量传感器与所述控制器连接。
进一步地，所述第一管路和所述第二管路上均设有通断阀和电控减压阀，所述电控减压阀与所述控制器连接。
所述质子交换膜燃料电池冷启动系统的工作方法，包括以下步骤：
将燃料和空气传输到质子交换膜燃料电池堆内部进行反应，堆内温度传感器将检测到的质子交换膜燃料电池堆的温度值传输给控制器，控制器将接收的质子交换膜燃料电池堆的温度值与预设温度值进行对比，然后根据对比结果进行如下操作：
若质子交换膜燃料电池堆的温度值低于预设温度值，则通过所述控制器，打开各第一电控开关阀，开启各加湿器，闭合各第二电控开关阀，打开第三电控开关阀，开启加热器，闭合第四电控开关阀，关闭冷却风扇，闭合第五电控开关阀，直至质子交换膜燃料电池堆的温度值等于预设温度值；
若质子交换膜燃料电池堆的温度值高于预设温度值，则通过所述控制器，闭合各第一电控开关阀，关闭各加湿器，打开各第二电控开关阀，闭合第三电控开关阀，关闭加热器，打开第四电控开关阀，开启冷却风扇，闭合第五电控开关阀，直至质子交换膜燃料电池堆的温度值等于预设温度值；
若质子交换膜燃料电池堆的温度值等于预设温度值，则通过所述控制器，闭合各第一电控开关阀，关闭各加湿器，打开各第二电控开关阀，闭合第三电控开关阀，关闭加热器，闭合第四电控开关阀，关闭冷却风扇，打开第五电控开关阀。
一种基于所述质子交换膜燃料电池冷启动系统的测试湿度对燃料电池的性能影响的工作方法，包括以下步骤：
(1)通过所述控制器，闭合各第一电控开关阀，关闭各加湿器，打开各第二电控开关阀，使燃料从质子交换膜燃料电池堆的阳极进入，空气从质子交换膜燃料电池堆的阴极进入；
(2)在燃料和空气稳定传输后，保持其它变量不变，通过控制器，打开各第一电控开关阀，开启各加湿器，闭合各第二电控开关阀，分别对燃料和空气进行不同湿度的加湿操作，每次加湿操作完成后，待质子交换膜燃料电池堆工作达到稳定时，记录各变量以及质子交换膜燃料电池堆的发电特性数据。
进一步地，其它变量包括燃料温度、燃料压力、空气温度、空气压力。
本发明的有益效果体现在：
本发明在低温下启动时，控制器会控制冷启动水循环机构工作，开启第三电控开关阀，并使加热器工作，进而提高质子交换膜燃料电池堆温度，使质子交换膜燃料电池堆内部因低于零度而产生的冰融化消失，减少低温对质子交换膜的损坏并使电池达到最佳工作温度，提高电池性能和寿命。
本发明能够提电池高冷启动变效率，提高工作效率，保护燃料电池，提高电池的性能和寿命，而且还可以分别对燃料和空气进行加湿和不加湿操作，可行性更高。
本发明测试湿度对燃料电池的性能影响的工作方法在稳定其它变量的过程中，可以对燃料和空气进行非对称加湿，交叉变换湿度，从而能够测试燃料电池在在阴阳极非对称加湿条件下对质子交换膜燃料电池的性能影响，更全面了解燃料电池堆性能，而且该方法操作简单，实施方便，可以实现自动控制。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图。
附图中各部件的标记为：1燃料供给机构，2空气供给机构，3通断阀，4电控减压阀，5压力传感器，6温度传感器，7流量传感器，8湿度传感器，91第一电控开关阀，92第二电控开关阀，93第三电控开关阀，94第四电控开关阀，95第五电控开关阀，10加湿器，11质子交换膜燃料电池模块，12加热器，13冷却风扇，14蓄水箱，15控制器、a第一管路、b第二管路、n支管路、c进水管路、d回水管路。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1。
本发明质子交换膜燃料电池冷启动系统，包括质子交换膜燃料电池堆11、燃料供给机构1、空气供给机构2、冷启动水循环机构以及控制器15，所述质子交换膜燃料电池堆11内设有堆内温度传感器；
所述燃料供给机构1通过第一管路a与所述质子交换膜燃料电池堆11连通，所述空气供给机构2通过第二管路b与所述质子交换膜燃料电池堆11连通，所述第一管路a和所述第二管路b均有一段岔分成两条相互并联的支管路n，且两条所述支管路n中的一条支管路n上设有加湿器10和第一电控开关阀91，另一条支管路n上设有第二电控开关阀92；
所述冷启动水循环机构包括蓄水箱14、冷却风扇13以及加热器12，所述蓄水箱14与所述质子交换膜燃料电池堆11之间设有三条进水管路c和一条回水管路d，且第一条所述进水管路c上设有所述加热器12和第三电控开关阀93，第二条所述进水管路c上设有所述冷却风扇13和第四电控开关阀94，第三条所述进水管路c上设有第五电控开关阀95；
所述加湿器10、所述第一电控开关阀91、所述第二电控开关阀92、所述第三电控开关阀93、所述第四电控开关阀94、所述第五电控开关阀95、所述加热器12以及所述冷却风扇13均与所述控制器15连接。
具体实施中，燃料供给机构1采用装有燃料的燃料罐，因燃料电池多以氢能源为主，因此根据实际情况可选用氢气罐；空气供给机构2一般也选用空气罐即可；控制器15可以选用计算机(computer)，能够接受和发出信号，处理信号，进行计算，具有存储记忆功能。
正常工作时，氢气由氢气罐供给，传输到燃料电池内部反应，氧气由空气罐供给，传输到燃料电池内部反应。第一电控开关阀和第二电控开关阀只会开启一个，都由控制器控制，可以分别对燃料和空气进行加湿和不加湿操作。
质子交换膜燃料电池堆刚开始工作时，堆内温度传感器会感测电池堆的工作温度，并将工作温度转换为电气信号，并传输至控制器，控制器进行温度状态判断，温度状态判断有一个温度预设值，控制器通过比较实际值与温度预设值，判断质子交换膜燃料电池堆是否处于低温(低于零点温度)状态。当燃料电池在零度以下冷启动时，该控制器打开第一电控开关阀，控制加湿器工作，使燃料气体和空气达到反应最佳条件，同时，控制器会控制冷启动水循环机构工作，开启第三电控开关阀，并使加热器工作，进而提高质子交换膜燃料电池堆温度，使质子交换膜燃料电池堆内部因低于零度而产生的冰融化消失，减少低温对质子交换膜的损坏并使电池达到最佳工作温度，提高电池性能。
本发明质子交换膜燃料电池冷启动系统的工作方法，包括以下步骤：
将燃料和空气传输到质子交换膜燃料电池堆11内部进行反应，堆内温度传感器将检测到的质子交换膜燃料电池堆11的温度值传输给控制器15，控制器15将接收的质子交换膜燃料电池堆11的温度值与预设温度值(可以是0摄氏度)进行对比，然后根据对比结果进行如下操作：
若质子交换膜燃料电池堆11的温度值低于预设温度值，则通过所述控制器15，打开各第一电控开关阀91，开启各加湿器10，闭合各第二电控开关阀92，打开第三电控开关阀93，开启加热器12，闭合第四电控开关阀94，关闭冷却风扇13，闭合第五电控开关阀95，直至质子交换膜燃料电池堆11的温度值等于预设温度值；
若质子交换膜燃料电池堆11的温度值高于预设温度值，则通过所述控制器15，闭合各第一电控开关阀91，关闭各加湿器10，打开各第二电控开关阀92，闭合第三电控开关阀93，关闭加热器12，打开第四电控开关阀94，开启冷却风扇13，闭合第五电控开关阀95，直至质子交换膜燃料电池堆11的温度值等于预设温度值；
若质子交换膜燃料电池堆11的温度值等于预设温度值，则通过所述控制器15，闭合各第一电控开关阀91，关闭各加湿器10，打开各第二电控开关阀92，闭合第三电控开关阀93，关闭加热器12，闭合第四电控开关阀94，关闭冷却风扇13，打开第五电控开关阀95。
这种工作方法既实现了燃料电池工作时的冷启动，又提高了燃料电池的性能和寿命。
在一实施例中，所述第一管路a和所述第二管路b上均设有湿度传感器8，所述湿度传感器8与所述控制器15连接。
在一实施例中，所述第一管路a和所述第二管路b上均设有管路温度传感器6，所述管路温度传感器6与所述控制器15连接。
在一实施例中，所述第一管路a和所述第二管路b上均设有压力传感器5，所述压力传感器5与所述控制器15连接。
在一实施例中，所述第一管路a和所述第二管路b上均设有流量传感器7，所述流量传感器7与所述控制器15连接。
湿度传感器是将检测得的湿度状态转化为电气信号的电气装置，用于检测通入电池堆内部的燃料气体和空气的温度；管道温度传感器是将检测得的温度状态转化为电气信号的电气装置，用于检测通入电池堆内部的燃料气体和空气的湿度，从而辅助湿度调节；压力传感器是将检测得的压力状态转化为电气信号的电气装置，用于检测通入电池堆内部的燃料气体和空气的压力；流量传感器是将检测得的流量状态转化为电气信号的电气装置，用于检测通入电池堆内部的燃料气体和空气的流量。温度传感器，流量传感器，湿度传感器，压力传感器会将测得数值转化为电气信号，并传输给控制器。
具体实施中，冷启动水循环机构水循环路径流经极板两侧。
控制器能通过控制加热器功率来改变加热水循环的温度变化速率。
控制器控制第三、四、五电控开关阀的张开大小，进而控制水循环的水，进而调节燃料电池内部温度变化速率。
在一实施例中，所述第一管路a和所述第二管路b上均设有通断阀3和电控减压阀4，所述电控减压阀4与所述控制器15连接。通断阀用于控制第一管路和第二管路的通断。电控减压阀可在控制器的控制下调整燃料气体和空气的压力。
具体实施中，除空气罐、氢气罐和开关阀，其他装置都连接控制器。
本系统的燃料电池可以作为便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源等使用。也可以工作在汽车、火车、船舶等交通工具上。同时，燃料电池生成的电还可供车载其它电器设备使用，用于驾驶室制冷、座椅加热、音响等。
本发明还提供一种基于质子交换膜燃料电池冷启动系统的测试湿度对燃料电池的性能影响的工作方法，包括以下步骤：
(1)通过所述控制器15，闭合各第一电控开关阀91，关闭各加湿器10，打开各第二电控开关阀92，使燃料从质子交换膜燃料电池堆11的阳极进入，空气从质子交换膜燃料电池堆11的阴极进入；
(2)在燃料和空气稳定传输后，保持其它变量不变，通过控制器15，打开各第一电控开关阀91，开启各加湿器10，闭合各第二电控开关阀92，分别对燃料和空气进行不同湿度的加湿操作，每次加湿操作完成后，待质子交换膜燃料电池堆11工作达到稳定时，记录各变量以及质子交换膜燃料电池堆11的发电特性数据。
其它变量包括燃料温度、燃料压力、空气温度、空气压力。
上述方法在稳定其它变量的过程中，可以对燃料和空气进行非对称加湿，交叉变换湿度，从而能够测试燃料电池在在阴阳极非对称加湿条件下对质子交换膜燃料电池的性能影响，更全面了解燃料电池堆性能，而且该方法操作简单，实施方便，可以实现自动控制。
应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种质子交换膜燃料电池冷启动系统，其特征在于：包括质子交换膜燃料电池堆(11)、燃料供给机构(1)、空气供给机构(2)、冷启动水循环机构以及控制器(15)，所述质子交换膜燃料电池堆(11)内设有堆内温度传感器；
所述燃料供给机构(1)通过第一管路(a)与所述质子交换膜燃料电池堆(11)连通，所述空气供给机构(2)通过第二管路(b)与所述质子交换膜燃料电池堆(11)连通，所述第一管路(a)和所述第二管路(b)均有一段岔分成两条相互并联的支管路(n)，且两条所述支管路(n)中的一条支管路(n)上设有加湿器(10)和第一电控开关阀(91)，另一条支管路(n)上设有第二电控开关阀(92)；
所述冷启动水循环机构包括蓄水箱(14)、冷却风扇(13)以及加热器(12)，所述蓄水箱(14)与所述质子交换膜燃料电池堆(11)之间设有三条进水管路(c)和一条回水管路(d)，且第一条所述进水管路(c)上设有所述加热器(12)和第三电控开关阀(93)，第二条所述进水管路(c)上设有所述冷却风扇(13)和第四电控开关阀(94)，第三条所述进水管路(c)上设有第五电控开关阀(95)；
所述加湿器(10)、所述第一电控开关阀(91)、所述第二电控开关阀(92)、所述第三电控开关阀(93)、所述第四电控开关阀(94)、所述第五电控开关阀(95)、所述加热器(12)以及所述冷却风扇(13)均与所述控制器(15)连接。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池冷启动系统，其特征在于：所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上均设有湿度传感器(8)，所述湿度传感器(8)与所述控制器(15)连接。
3.如权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池冷启动系统，其特征在于：所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上均设有管路温度传感器(6)，所述管路温度传感器(6)与所述控制器(15)连接。
4.如权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池冷启动系统，其特征在于：所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上均设有压力传感器(5)，所述压力传感器(5)与所述控制器(15)连接。
5.如权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池冷启动系统，其特征在于：所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上均设有流量传感器(7)，所述流量传感器(7)与所述控制器(15)连接。
6.如权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池冷启动系统，其特征在于：所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上均设有通断阀(3)和电控减压阀(4)，所述电控减压阀(4)与所述控制器(15)连接。
7.如权利要求1至6中任一项所述的质子交换膜燃料电池冷启动系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
将燃料和空气传输到质子交换膜燃料电池堆(11)内部进行反应，堆内温度传感器将检测到的质子交换膜燃料电池堆(11)的温度值传输给控制器(15)，控制器(15)将接收的质子交换膜燃料电池堆(11)的温度值与预设温度值进行对比，然后根据对比结果进行如下操作：
若质子交换膜燃料电池堆(11)的温度值低于预设温度值，则通过所述控制器(15)，打开各第一电控开关阀(91)，开启各加湿器(10)，闭合各第二电控开关阀(92)，打开第三电控开关阀(93)，开启加热器(12)，闭合第四电控开关阀(94)，关闭冷却风扇(13)，闭合第五电控开关阀(95)，直至质子交换膜燃料电池堆(11)的温度值等于预设温度值；
若质子交换膜燃料电池堆(11)的温度值高于预设温度值，则通过所述控制器(15)，闭合各第一电控开关阀(91)，关闭各加湿器(10)，打开各第二电控开关阀(92)，闭合第三电控开关阀(93)，关闭加热器(12)，打开第四电控开关阀(94)，开启冷却风扇(13)，闭合第五电控开关阀(95)，直至质子交换膜燃料电池堆(11)的温度值等于预设温度值；
若质子交换膜燃料电池堆(11)的温度值等于预设温度值，则通过所述控制器(15)，闭合各第一电控开关阀(91)，关闭各加湿器(10)，打开各第二电控开关阀(92)，闭合第三电控开关阀(93)，关闭加热器(12)，闭合第四电控开关阀(94)，关闭冷却风扇(13)，打开第五电控开关阀(95)。
8.一种基于如权利要求1至6中任一项所述的质子交换膜燃料电池冷启动系统的测试湿度对燃料电池的性能影响的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)通过所述控制器(15)，闭合各第一电控开关阀(91)，关闭各加湿器(10)，打开各第二电控开关阀(92)，使燃料从质子交换膜燃料电池堆(11)的阳极进入，空气从质子交换膜燃料电池堆(11)的阴极进入；
(2)在燃料和空气稳定传输后，保持其它变量不变，通过控制器(15)，打开各第一电控开关阀(91)，开启各加湿器(10)，闭合各第二电控开关阀(92)，分别对燃料和空气进行不同湿度的加湿操作，每次加湿操作完成后，待质子交换膜燃料电池堆(11)工作达到稳定时，记录各变量以及质子交换膜燃料电池堆(11)的发电特性数据。
9.如权利要求8所述的测试湿度对燃料电池的性能影响的工作方法，其特征在于：其它变量包括燃料温度、燃料压力、空气温度、空气压力。
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