CN108232247A - 一种高温燃料电池系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温燃料电池系统及其运行方法，所述高温燃料电池系统，包括高温燃料电池电堆、导热油预热器，导热油预热器内部设置有一具有进口和出口的第一导热油流通通道；单电池双极板内部设置有第二导热油流通通道；第一导热油流通通道与第二导热油流通通道连通后形成导热油闭合回路；所述导热油闭合回路上设置有流体流动驱动部件和流量调节部件。所述运行方法，包括通过一加热装置为所述导热油预热器加热，通过被加热后的导热油为高温燃料电池电堆加热；通过一电堆温度检测部件实时检测高温燃料电池电堆温度，待所述电堆温度达到设定值T1时，启动高温燃料电池电堆。本发明可有效解决燃料电池启动过程中电加热导致的加热不均匀的问题。

Description

一种高温燃料电池系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说涉及一种具有预热功能的高温燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将储存在化合物燃料中的化学能直接转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池通常由阳极、阴极及质子交换膜组成。在电池运行过程中，燃料在阳极催化剂表面发生氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，氧气在阴极催化剂表面与质子发生还原反应生成水，电子则通过外电路做功到达阴极。
高温燃料电池系统启动过程需将电池电堆加热至工作温度方可进行电池放电，但由于其工作温度较高，电池电堆均匀高效地加热对燃料电池电堆的性能和寿命具有重要的影响，而用传统的电加热的方法会导致高温燃料电池在启动过程中电池电堆内部温度存在较大差异，加速材料的机械老化，从而使高温燃料电池系统的性能和寿命受到影响。
而在高温燃料电池系统运行过程中，由于在高功率下运行时系统放出大量的热，而采用传统风扇散热的方法会因风扇本身性能受限和风量过大导致电池中磷酸流失严重等问题导致系统不能有效散热或性能产生急剧衰减。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，发明了一种包含有预热处理器的高温燃料电池系统，该预热处理器在系统启动阶段通过导热油为燃料电池电堆预热，在系统达到额定功率以后的运行阶段通过风扇冷却导热油，并由导热油直接对高温燃料电池电堆进行散热。
本发明采用以下具体方式来实现：
一种高温燃料电池系统，包括高温燃料电池电堆，所述高温燃料电池电堆包括两个端板和置于两个端板间N节以上的单电池，N为大于等于2的自然数；高温燃料电池电堆包括依次层叠的端板、极板、膜电极、极板、端板，以及极板、膜电极之间的一组以上的层叠的膜电极、双极板；
所述高温燃料电池系统还包括导热油预热器，所述导热油预热器为一块体，其内部设置有一具有进口和出口的第一导热油流通通道；
于所述双极板内部设置有第二导热油流通通道；所述第一导热油流通通道的进口和出口分别与第二导热油流通通道的二端连通后形成导热油闭合回路；所述导热油闭合回路上设置有流体流动驱动部件和流量调节部件，用于导热油闭合回路中导热油的流动及流动速率的调节。
所述燃料电池电堆端板和/或极板内部设置有第三导热油流通通道；所述第一导热油流通通道的进口和出口分别与第三导热油流通通道的二端连通后 形成导热油闭合回路；所述导热油闭合回路上设置有流体流动驱动部件和流量调节部件，用于导热油闭合回路中导热油的流动及流动速率的调节；使所述第二导热油流通通道与所述第三导热油流通通道并联连接。
所述第一导热油流通通道、第二导热油流通通道、第三导热油流通通道分别为直线形、折线形、截面渐阔形、流道截面循环变化形、仿生形、微通道形、点状、网状、曲线形或分形流场中的一种或二种以上结构；于所述块体或板体内形成流体流场，流场结构包括同一平面内的直线形流场、折线形流场、截面渐阔形流场、流道截面循环变化形流场、仿生形流场、微通道形流场、点状流场、网状流场、曲线形流场或分形流场中的一种或二种以上，或者上述流场中的一种或二种以上组合的立体交错结构或多层结构中的一种或二种以上。
所述导热油预热器加热装置为电加热器或为燃料重整器；
所述高温燃料电池电堆为带燃料重整器的高温质子交换膜电池电堆；所述导热油预热器与燃料重整器的外壁面相贴接，由燃料重整器为其提供热量，和/或所述导热油预热器与燃料重整器尾气排出管相贴接，由尾气废热为其提供热量；
或，所述导热油预热器由一电加热器提供热量，电加热器为电加热片、电加热管、电加热棒、电加热丝或电加热带中的一种或二种以上。
导热油预热器外部设有散热装置，散热装置为散热片、热管、风扇或风机中的一种或二种以上。
所述导热油的沸点温度高于高温燃料电池系统的工作温度。
所述导热油为L-QB、L-QC、L-QD中的一种。
所述高温燃料电池系统的运行方法，包括以下步骤，
1)通过一加热装置为所述导热油预热器加热，开启所述导热油闭合回路上的流体流动驱动部件，通过被加热后的导热油为高温燃料电池电堆加热；
2)通过一电堆温度检测部件实时检测高温燃料电池电堆温度，待所述电堆温度达到设定值T1时，启动高温燃料电池电堆；
3)待所述电堆温度达到设定值T2时，停止步骤1)中所述加热装置为所述导热油预热器加热；
4)通过一为导热油预热器散热的装置和/或导热油闭合回路上的流量调节部件控制所述电堆温度在T2-T3之间；所述流量调节部件为阀门和/或流量计；
所述T2大于T1，所述T3大于等于T2。
步骤1)所述加热装置为所述导热油预热器加热装置为电加热器或为燃料重整器；所述高温燃料电池电堆为带燃料重整器的高温质子交换膜电池电堆；所述导热油预热器与燃料重整器的外壁面相贴接，由燃料重整器为其提供热量，和/或所述导热油预热器与燃料重整器尾气排出管相贴接，由尾气废热为其提供热量。
步骤2)所述电堆温度检测部件为温度传感器中的一种。
步骤4)所述为导热油预热器散热的装置为风扇、风机或热管或散热片中 的一种。
所述导热油在常温常压下的沸点高于T3。
所述高温燃料电池系统还包括一控制器，所述控制器通过接受所述电堆温度检测信号控制所述加热装置、为导热油预热器散热的装置以及流量调节部件的动作，从而实现电堆的稳定运行；所述控制器为单片机或PLC控制器等。
根据本发明设计，可以有效解决燃料电池启动过程中电加热导致的加热不均匀的问题。提高高温燃料电池启动过程中电池内部升温速率的一致性，避免了电加热导致的电池内部各处温度相差较大而引起的材料受热不均。材料的受热不均会导致各处材料形变不同，从而加速电池电堆内部材料的机械老化。对于电堆本身而言，受热不均会导致电池内部各处电压不同，使电池的均匀性和一致性变差，影响电池性能与寿命。使用加热油为电池进行加热，可有效减小电池电堆内部材料的老化速度，从而减小由于材料性能衰减而导致的电池电堆性能衰减，以及提高电堆的均匀性与一致性，延长电池电堆寿命。
附图说明
图1为双极板示意图；
1、双极板；2、膜电极装配；3、燃料电池电堆；4、导热油加热装置。
图2为膜电极装配MEA图；
图3为燃料电池电堆示意图；
图4.a为导热油加热装置示意图之一,图4.b为导热油加热装置示意图之一；
图5为燃料电池电堆与导热油加热装置的组装方式示意图；
图6为系统运行过程中导热油工作控制方案图。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的具体实施方式。
具体实施方式包括：
双极板1，用于流体分配与导热油的流通；膜电极装配2，燃料电池电堆的组成单元；燃料电池电堆3，用于将燃料转化为电能；导热油加热装置4，为燃料电池电堆系统中流动的导热油进行加热；导热油驱动泵，驱动导热油在系统中的流动。
工作原理：
高温质子交换膜燃料电池使用的是PBI或TBS膜，其质子传输不依靠水的作用，因而其可在较高温度的情况下使用，本实施方法采用流动的导热油为电池电堆3进行加热，流动的导热油在导热油加热装置中进行加热后进入电池电堆3为电池电堆3进行加热。该导热油流动过程中能在导热油预热装置4中进行充分换热，使导热油主体温度一致，达到为电池电堆3均匀加热的目的。该导热油沸点温度要高于电池电堆3的最高操作温度200℃，以免电池电堆3运行过程中发生导热油的汽化。
在高温燃料电池启动过程中，由于传统的电池电堆3加热方式采用电加 热(加热片或加热带)，其加热速率较慢且由于其只能在外部进行加热，从而导致加热不均匀等问题。为解决以上问题，本发明采用导热油加热器4为导热油进行加热后使其在电池电堆3内部进行流动，为电池电堆3进行加热。导热油加热装置4紧贴燃料电池电堆3放置，以减少热损失。
对比实施例：本实施方式中采用加热片为电池电堆3进行加热，采用增加阴极气量的方式为电池电堆3进行散热，其中加热片置于电池电堆3两侧端板上，本实施例中所述电池电堆3为3KW电堆。电池启动所需升至的温度为120℃，电加热所需时间为43min，此时电堆端板与电堆中间单池温度差异达43℃，电池内部出现严重的温度分布不均问题，此时为实现电池内部温度的均匀性需在加热片间歇工作情况下实现电堆内部热量传导，此时所需时间为1.3小时，即电池电堆3实现启动需要所需时间为2小时，严重制约了系统在某些领域的应用。电池电堆实现正常运行后，由于电堆运行过程中产生大量的热导致电堆内部温度快速上升，此时采用加大阴极气量的方式进行散热。伴随着气量的加大，阴极气体供应所需附件电能消耗增加，同时由于气量的加大电池性能出现较大的波动。除此之外，电池内部仍然出现温度的迅速上升，出于电堆寿命的考虑，电堆升温至200℃后停止电堆的运行。本实施方式表明采用电加热方式电池加热速率过慢严重制约电池系统的应用，而采用加大阴极气量的方式进行散热除了造成电池性能衰减外，由于电池产生的热量不能及时散出导致电池飞温，使系统不能正常运行。
具体实施方式一：导热油加热装置4采用蛇形流场结构，以保证导热油在导热油加热装置4中的停留时间，达到充分换热的效果。导热油加热装置4采用电加热的方式进行加热，导热油采用导热油驱动泵促使导热油的循环流动。温度较低的导热油在驱动泵的驱动下进入导热油加热装置4进行加热，加热后的导热油进入燃料电池电堆3为燃料电池电堆3进行加热。在燃料电池电堆3中进行充分换热并流出燃料电池电堆3的导热油在导热油驱动泵的驱动下再次进入导热油加热装置4进行加热，如此形成循环，实现燃料电池电堆3启动过程中为燃料电池电堆3的加热过程。
具体实施方式二：导热油加热装置4采用平行流场结构，流道直径尺寸为1mm，以保证导热油各处受热均匀。导热油加热装置4采用重整器高温尾气为其进行加热，导热油采用导热油驱动泵促使导热油的循环流动。温度较低的导热油在驱动泵的驱动下进入导热油加热装置4进行加热，加热后的导热油进入燃料电池电堆3为燃料电池电堆3进行加热。在燃料电池电堆3中进行充分换热并流出燃料电池电堆3的导热油在导热油驱动泵的驱动下再次进入导热油加热装置4进行加热，如此形成循环，实现燃料电池电堆3启动过程中为燃料电池电堆3的加热过程。
本实施方式，可以有效解决燃料电池启动过程中电加热导致的加热不均匀的问题。提高高温燃料电池启动过程中电池内部升温速率的一致性，避免了电加热方式导致的电池内部各处温度差异大而引起的材料受热不均。材料的受热不均会导致各处材料形变不同，从而加速电池电堆内部材料的机械老 化。使用导热油为电池进行加热，可有效提高电池电堆内部材料的使用寿命，从而减小由于材料性能衰减而导致的电池电堆性能衰减，延长电池电堆寿命。

Claims (10)

1.一种高温燃料电池系统，包括高温燃料电池电堆，所述高温燃料电池电堆包括两个端板和置于两个端板间N节以上的单电池，N为大于等于2的自然数；高温燃料电池电堆包括依次层叠的端板、极板、膜电极、极板、端板，以及极板、膜电极之间的一组以上的层叠的膜电极、双极板；
其特征在于：
所述高温燃料电池系统还包括导热油预热器，所述导热油预热器为一块体，其内部设置有一具有进口和出口的第一导热油流通通道；
于所述双极板内部设置有第二导热油流通通道；所述第一导热油流通通道的进口和出口分别与第二导热油流通通道的二端连通后形成导热油闭合回路；所述导热油闭合回路上设置有流体流动驱动部件和流量调节部件，用于导热油闭合回路中导热油的流动及流动速率的调节。
2.如权利要求1所述高温燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池电堆端板和/或极板内部设置有第三导热油流通通道；所述第一导热油流通通道的进口和出口分别与第三导热油流通通道的二端连通后形成导热油闭合回路；所述导热油闭合回路上设置有流体流动驱动部件和流量调节部件，用于导热油闭合回路中导热油的流动及流动速率的调节；使所述第二导热油流通通道与所述第三导热油流通通道并联连接。
3.如权利要求1或2所述高温燃料电池系统，其特征在于：所述第一导热油流通通道、第二导热油流通通道、第三导热油流通通道分别为直线形、折线形、截面渐阔形、流道截面循环变化形、仿生形、微通道形、点状、网状、曲线形或分形流场中的一种或二种以上结构；于所述块体或板体内形成流体流场，流场结构包括同一平面内的直线形流场、折线形流场、截面渐阔形流场、流道截面循环变化形流场、仿生形流场、微通道形流场、点状流场、网状流场、曲线形流场或分形流场中的一种或二种以上，或者上述流场中的一种或二种以上组合的立体交错结构或多层结构中的一种或二种以上。
4.如权利要求1或2所述高温燃料电池系统，其特征在于：
所述导热油预热器加热装置为电加热器或为燃料重整器；
所述高温燃料电池电堆为带燃料重整器的高温质子交换膜电池电堆；所述导热油预热器与燃料重整器的外壁面相贴接，由燃料重整器为其提供热量，和/或所述导热油预热器与燃料重整器尾气排出管相贴接，由尾气废热为其提供热量；
或，所述导热油预热器由一电加热器提供热量，电加热器为电加热片、电加热管、电加热棒、电加热丝或电加热带中的一种或二种以上。
5.如权利要求1或2所述高温燃料电池系统，其特征在于：导热油预热器外部设有散热装置，散热装置为散热片、热管、风扇或风机中的一种或二种以上。
6.如权利要求1或2所述高温燃料电池系统，其特征在于：所述导热油的沸点温度高于高温燃料电池系统的工作温度。
7.如权利要求1-6任一所述高温燃料电池系统的运行方法，其特征在于：包括以下步骤，
1)通过一加热装置为所述导热油预热器加热，开启所述导热油闭合回路上的流体流动驱动部件，通过被加热后的导热油为高温燃料电池电堆加热；
2)通过设置于电堆内的温度检测部件实时检测高温燃料电池电堆温度，待所述电堆温度达到设定值T1时，启动高温燃料电池电堆；
3)待所述电堆温度达到设定值T2时，停止步骤1)中所述加热装置为所述导热油预热器加热；
4)通过一为导热油预热器散热装置和/或设置于导热油闭合回路上的流量调节部件控制所述电堆温度在T2-T3之间；
所述T2大于T1，所述T3大于等于T2。
8.如权利要求7所述高温燃料电池系统的运行方法，其特征在于：步骤1)所述加热装置为电加热装置、或重整器废热加热或利用重整器燃烧反应放热为其加热中的一种；步骤2)所述电堆温度检测部件为温度传感器；步骤4)所述为导热油预热器散热的装置为风扇、风机或热管或散热片中的一种。
9.如权利要求7所述高温燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述高温燃料电池系统还包括一控制器，所述控制器通过接受所述电堆温度检测信号控制所述加热装置、为导热油预热器散热的装置以及流量调节部件的动作，从而实现电堆的稳定运行。
10.如权利要求7所述高温燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述导热油在常温常压下的沸点高于T3。
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