CN109301288B - 一种燃料电池电堆系统及启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆系统及启动方法，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术中的辅助启动措施升温不均匀，能量利用率低，系统红外特征差的问题。本发明的燃料电池电堆系统，包括第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆，第一燃料电池电堆的工作温度低于第二燃料电池电堆的工作温度，第一燃料电池电堆以一种以上的方式为第二燃料电池电堆的启动提供热量。本发明的燃料电池电堆启动方法，第一燃料电池电堆发生电化学反应产生的能量从进气、冷却循环和电加热三种方式，辅助启动第二燃料电池电堆。本发明实现了高温电池电堆的快速启动，而且电池温升均匀，系统能量利用率显著提高，红外特性好。

Description

一种燃料电池电堆系统及启动方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆系统及启动方法。

背景技术

高温质子交换膜燃料电池工作温度在100℃以上，较高的工作温度使得其电化学反应速度更快、水热管理系统更简单、余热回收效率更高、CO耐受性更强，是未来重要的能源解决方案。

然而较高的工作温度使得其启动过程较为漫长，限制了其应用范围。因此，需要辅助措施，加快高温质子交换膜燃料电池启动。现有技术方案主要有三种方式：1)内阻加热，增大电池内阻，利用电阻热效应，加快其启动过程；2)使用进气燃烧器，将燃烧后的氢气和空气通入电池进气流道中，来加热电池；3)加热冷却剂，来加热电池。

上述三种方案都有其不足之处。方案1：加大电池内阻后，电池启动过程中，电流较小，温升不明显；方案2和3使用燃烧的方式，虽然升温速度较快，但存在电池升温不均匀，能量利用率低，系统红外特征差等缺点。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种燃料电池电堆系统及启动方法，用以解决现有辅助启动措施升温不均匀，能量利用率低，系统红外特征差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明公开了一种燃料电池电堆系统，包括第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆，所述第一燃料电池电堆的工作温度低于所述第二燃料电池电堆的工作温度，所述第一燃料电池电堆以一种以上的方式为所述第二燃料电池电堆的启动提供热量。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述第一燃料电池电堆包括电能输出口，所述第二燃料电池电堆包括加热板；所述电能输出口输出的电能用于加热所述第二燃料电池电堆的加热板。

进一步，所述第一燃料电池电堆还包括第一氢气进气口、氢气出气口、第一空气进气口和空气出气口；所述第二燃料电池电堆还包括第二氢气进气口和第二空气进气口；

所述氢气出气口与所述第二氢气进气口连接，所述空气出气口与所述第二空气进气口连接。

进一步，所述燃料电池电堆启动系统还包括热交换装置，所述热交换装置用于第一燃料电池电堆冷却剂与第二燃料电池电堆冷却剂的热量交换。

进一步，所述热交换装置包括金属挡板，所述第一燃料电池电堆的冷却剂和所述第二燃料电池电堆的冷却剂分别从所述金属挡板的两侧流过。

进一步，所述热交换装置内设有散热器，所述第一燃料电池电堆的冷却剂从所述散热器内流动通过，所述第二燃料电池电堆的冷却剂从所述散热器外流动通过。

进一步，所述燃料电池电堆系统还包括储氢罐和空气压缩机，为所述第一燃料电池电堆和所述第二燃料电池电堆提供氢气和空气。

进一步，所述储氢罐和所述第一氢气进气口之间、所述空气压缩机和所述第一空气进气口之间均设有阀体。

进一步，所述第二燃料电池电堆与所述热交换装置之间设有阀体。

另一方面，本发明还公开了一种燃料电池电堆启动方法，包括以下步骤：氢气和空气进入第一燃料电池电堆发生电化学反应，输出电能，加热第二燃料电池电堆；发生电化学反应产生的热量，加热过量的氢气和空气，被加热的氢气和空气进入第二燃料电池电堆；发生电化学反应产生的其他热量通过热交换装置传递给第二燃料电池电堆。

除此之外，本发明的燃料电池电堆系统在第一燃料电池电堆的冷却剂出口和所述第二燃料电池电堆的冷却剂出口均设有温度传感器。

为了加快冷却剂的冷热交换，本发明的燃料电池电堆系统在所述第一燃料电池电堆与所述热交换装置之间、所述第二燃料电池电堆与所述热交换装置之间均设有泵。

本发明有益效果如下：

(1)本发明的燃料电池电堆系统中的第一燃料电池电堆(常温电堆)以一种以上的方式为第二燃料电池电堆(高温电堆)的启动提供热量，使得第二燃料电池电堆的温升均匀，有利于电堆性能的稳定。

(2)高温电堆启动过程的前半段，即电堆温度由室温升高至80℃的过程，高温电堆电化学反应速率缓慢，所以，此段时间占据了全部启动时间的2/3以上，采用常温电堆可以辅助高温电堆迅速度过前半段较为困难的启动过程，将启动时间降低至原来的1/3至1/2。

(3)本发明利用常温电堆发生电化学反应产生的热量来辅助启动高温电堆，系统温度不超过80℃，而使用燃烧的方式产生的热量来辅助启动高温电堆，系统温度超过200℃，本系统的红外特征更好，优势明显。

(4)常温电堆发生电化学反应产生的热量通过多种方式为高温电堆的启动提供热量，系统能量利用率高。

(5)本发明启动高温电堆所需要的热量通过电化学反应产生，无特殊的运动部件，系统噪音小于70分贝，噪音特性好。

(6)本发明提供的启动方法不仅可以完成高温电堆的快速启动，而且方案简单、成本低。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的燃料电池电堆系统启动过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种燃料电池电堆系统，包括常温电堆和高温电堆，常温电堆的工作温度低于高温电堆的工作温度，常温电堆以一种以上的方式为高温电堆的启动提供热量。

实施时，打开阀1、阀2、阀3、阀4，关闭阀5、阀6，使得低温氢气和低温空气先经过常温电堆反应。常温电堆工作温度较低，启动性能好，氢气和空气在常温电堆发生电化学反应之后通过一种以上的方式加热高温电堆。

与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池电堆系统的有益效果如下：

(1)本实施例的燃料电池电堆系统中的常温电堆以一种以上的方式为高温电堆的启动提供热量，使得高温电堆的温升均匀，有利于电堆性能的稳定。

(2)高温电堆启动过程的前半段，即电堆温度由室温升高至80℃的过程，高温电堆电化学反应速率缓慢，所以，此段时间占据了全部启动时间的2/3以上，采用常温电堆可以辅助高温电堆迅速度过前半段较为困难的启动过程，将启动时间降低至原来的1/3至1/2。

(3)本实施例的燃料电池电堆系统利用常温电堆发生电化学反应产生的热量来辅助启动高温电堆，系统温度不超过80℃，而使用燃烧的方式产生的热量来辅助启动高温电堆，系统温度超过200℃，本系统的红外特征更好，优势明显。

(4)本实施例的燃料电池电堆系统中常温电堆发生电化学反应产生的热量通过多种方式为高温电堆的启动提供热量，系统能量利用率高。

(5)本实施例的燃料电池电堆系统启动高温电堆所需要的热量通过电化学反应产生，无特殊的运动部件，系统噪音小于70分贝，噪音特性好。

具体来说，常温电堆包括电能输出口，高温电堆包括加热板；电能输出口输出的电能用于加热高温电堆的加热板。由于高温电堆设有电加热板，因此，常温电堆内部氢气与空气发生电化学反应输出的电能，供应到电加热板上，通过电阻热效应，加热高温电堆。这样，通过电能加热电加热板系统温度低，红外特征好。

此外，本实施例中，电加热板的数量为多个，分别设置在高温电堆内部及上下端部，不同位置设置的多个电加热板，使得高温电堆温升均匀。

考虑到在电堆内部发生电化学反应的是氢气和空气中的氧气，为了加快高温电堆的启动，本实施例的常温电堆还包括第一氢气进气口、氢气出气口、第一空气进气口和空气出气口；高温电堆还包括第二氢气进气口和第二空气进气口；氢气出气口与第二氢气进气口连接，空气出气口与第二空气进气口连接。由于常温电堆发生电化学反应后产生热量，过量的低温氢气和低温空气经过常温电堆预热后变为高温氢气和高温空气，然后，分别通入高温电堆氢气进气流道和空气进气流道中。这样，高温氢气和高温空气与电堆交换热量，从而加热高温电堆，进而加速高温电堆的启动。

值得注意的是，电堆工作过程中会产生大量热量，为了防止电堆温度过高，电堆通常设有冷却循环系统，通过在冷却循环系统中通入冷却剂来降低电堆的温度。本实施例的常温电堆和高温电堆均设有冷却循环系统。为了提高能量利用率，本实施例的燃料电池电堆系统还包括热交换装置，热交换装置用于常温电堆冷却剂与高温电堆冷却剂的热量交换。

示例性地，热交换装置可以为金属挡板，常温电堆的冷却剂和高温电堆的冷却剂分别从金属挡板的两侧流过。或者，热交换装置内设有散热器，常温电堆的冷却剂从散热器内流动通过，高温电堆的冷却剂从散热器外流动通过。同样地，也可以为常温电堆的冷却剂从散热器外流动通过，高温电堆的冷却剂从散热器内流动通过。这样，当常温电堆的冷却剂流经热交换装置时，将热量换热到高温电堆的冷却循环系统中，从而加热高温电堆，进而加速高温电堆的启动。

需要说明的是，在高温电堆启动起来之后，不再需要常温电堆来预热氢气和空气，所以，本实施例在储氢罐和第一氢气进气口之间、空气压缩机和第一空气进气口之间均设有阀体。示例性地，在储氢罐和第一氢气进气口之间设有阀1和阀3、空气压缩机和第一空气进气口之间设有阀2和阀4、阀1和第二氢气进气口之间设有阀5、阀2和第二空气进气口之间设有阀6。这样，在高温电堆启动过程中，打开阀1、阀2、阀3、阀4，关闭阀5、阀6，使得低温氢气和低温空气先经过常温电堆反应，预热后进入高温电堆。在高温电堆工作过程中，打开阀1、阀2、阀5、阀6，关闭阀3、阀4，低温氢气和低温空气无需经过常温电堆预热，直接进入高温电堆反应。通过设置阀体，可以方便地实现需要辅助启动模式和不需要辅助启动模式二者之间的切换。

考虑到在高温电堆启动起来之后，不再需要热交换装置来实现常温电堆冷却剂和高温电堆冷却剂的热量交换。因此，本实施例在高温电堆与热交换装置之间设有阀体。示例性地，在高温电堆与热交换装置之间设有阀8。打开阀8，实现常温电堆冷却剂和高温电堆冷却剂的热量交换；关闭阀8，常温电堆冷却剂和高温电堆冷却剂不进行热量交换。通过设置阀体，并通过控制阀体的开启或关闭，可以方便地控制常温电堆冷却剂和高温电堆冷却剂的热量交换。

本实施例中，高温电堆的冷却循环系统中设有阀7和散热器。高温电堆启动过程中，打开阀8，关闭阀7。关闭阀7的目的是关闭高温电堆的散热通路，减少散热损失。打开阀8的目的是将常温电堆电化学反应产生的其余热量，通过热交换装置换热给高温电堆的冷却剂，从而加热高温电堆。高温电堆工作过程中，关闭阀8，打开阀7，打开高温电堆的散热通路，增加散热；因为不需要常温电堆为高温电堆提供热量，所以关闭阀8。通过设置阀7和阀8，并通过控制阀7和阀8的开启或关闭，可以方便地实现高温电堆的冷却剂是增加散热还是减少散热损失，从而有利于高温电堆的快速启动。

考虑到随着冷热交换的进行，高温电堆冷却剂温度逐渐升高，当高温电堆冷却剂的温度高于常温电堆冷却剂的温度时，如果再继续进行冷热交换，则高温电堆冷却剂的热量会交换给常温电堆，从而造成高温电堆额外的热损失。因此，本实施例在常温电堆的冷却剂出口和高温电堆的冷却剂出口均设有温度传感器。这样，当高温电堆冷却剂的温度等于常温电堆冷却剂的温度时，关闭阀8，从而防止高温电堆额外的热损失，进而加快高温电堆的启动过程。

为了加快冷却剂的流动速度，本实施例在常温电堆和热交换装置之间设有液体泵。示例性地，设置的液体泵为泵2。通过设置泵2，可以加快冷却剂在管路中的流动速度，进而加快冷却剂的冷热交换，有利于加速高温电堆的启动速度。

同样地，高温电堆的冷却循环系统中也设有液体泵。示例性地，设置的液体泵为泵1。在高温电堆工作过程中，通过设置泵1，可以加快冷却剂的流速，从而增加散热效果，有效降低高温电堆的温度，从而延长高温电堆的使用寿命。

本发明的另一个具体实施例，公开了一种燃料电池电堆启动方法，包括以下步骤：氢气和空气进入常温电堆发生电化学反应，输出电能，加热高温电堆；发生电化学反应产生的热量，加热过量的氢气和空气，被加热的氢气和空气进入高温电堆；发生电化学反应产生的其他热量通过热交换装置传递给高温电堆。

高温电堆启动过程中，打开阀1、阀2、阀3、阀4和阀8，关闭阀5、阀6和阀7，常温电堆处于工作状态，氢气和空气进入常温电堆发生电化学反应，产生的能量从进气、冷却循环和电加热三种方式，辅助启动高温电堆。

高温电堆工作过程中，打开阀1、阀2、阀5、阀6和阀7，关闭阀3、阀4和阀8，常温电堆不工作，氢气和空气进入高温电堆发生电化学反应，产生电能。打开阀7，即打开了高温电堆的散热通路，增加散热，从而避免高温电堆的温度过高，进而延长高温电堆的使用寿命。

实施例1

高温电堆启动过程中，打开阀1、阀2、阀3、阀4，关闭阀5、阀6，使得低温氢气和低温空气先经过常温电堆反应。常温电堆工作温度较低，启动性能好，氢气和空气在常温电堆发生反应之后通过以下三种方式加热高温电堆：(1)常温电堆内部，氢气与空气发生电化学反应，输出电能，供应到安装在高温电堆内部及端部的电加热板上，通过电阻热效应，加热高温电堆；(2)通过常温电堆内部的氢气与空气过量系数较大，反应之后，电化学反应产生的热量，将会加热剩余的氢气与空气，然后将加热产生的高温氢气和高温空气，分别通入高温电堆氢气进气流道和空气进气流道中，通过高温进气与电堆交换热量，加热电堆；(3)在高温电堆冷却循环中，加入一个换热分路，在高温电堆启动过程中，打开阀8，关闭阀7，关闭高温电堆的散热通路，减少散热损失。同时将常温电堆反应产生的其余热量，通过冷却循环系统中的换热器，将常温电堆冷却剂中的热量换热到高温电堆冷却循环中。待高温电堆温度与常温电堆温度相同时，关闭阀8，防止额外的热损失。

高温电堆工作过程中，打开阀1、阀2、阀5、阀6和阀7，关闭阀3、阀4和阀8，常温电堆不工作，氢气和空气进入高温电堆发生电化学反应，产生电能。同时关闭阀8、打开阀7。打开阀7即打开了高温电堆的散热通路，增加散热，从而避免高温电堆的温度过高，进而延长高温电堆的使用寿命。关闭阀8，常温电堆的冷却剂不与高温电堆的冷却剂进行冷热交换。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种燃料电池电堆系统，其特征在于，包括第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆，所述第一燃料电池电堆的工作温度低于所述第二燃料电池电堆的工作温度，利用所述第一燃料电池电堆发生电化学反应产生的能量从进气、冷却循环和电加热三种方式为所述第二燃料电池电堆的启动提供热量；

所述第一燃料电池电堆包括电能输出口，所述第二燃料电池电堆包括加热板；所述电能输出口输出的电能用于加热所述第二燃料电池电堆的加热板；

所述加热板的数量为多个，分别设置在第二燃料电池电堆内部及上下端部；

所述第一燃料电池电堆还包括第一氢气进气口、氢气出气口、第一空气进气口和空气出气口；所述第二燃料电池电堆还包括第二氢气进气口和第二空气进气口；

所述氢气出气口与所述第二氢气进气口连接，所述空气出气口与所述第二空气进气口连接；

所述燃料电池电堆启动系统还包括热交换装置，所述热交换装置用于第一燃料电池电堆冷却剂与第二燃料电池电堆冷却剂的热量交换；

所述热交换装置包括金属挡板，所述第一燃料电池电堆的冷却剂和所述第二燃料电池电堆的冷却剂分别从所述金属挡板的两侧流过；

或者，所述热交换装置内设有散热器，所述第一燃料电池电堆的冷却剂从所述散热器内流动通过，所述第二燃料电池电堆的冷却剂从所述散热器外流动通过；

所述燃料电池电堆系统还包括储氢罐和空气压缩机，为所述第一燃料电池电堆和所述第二燃料电池电堆提供氢气和空气；

所述储氢罐和所述第一氢气进气口之间、所述空气压缩机和所述第一空气进气口之间均设有阀体；

所述储氢罐和所述第一氢气进气口之间依次设有第一阀体和第三阀体，所述空气压缩机和所述第一空气进气口之间依次设有第二阀体和第四阀体；

所述第一阀体和所述第二氢气进气口之间设有第五阀体，所述第二阀体和所述第二空气进气口之间设有第六阀体；

所述第二燃料电池电堆与所述热交换装置之间设有阀体；

所述第一燃料电池电堆的冷却剂出口和所述第二燃料电池电堆的冷却剂出口均设有温度传感器；

所述第一燃料电池电堆与所述热交换装置之间、所述第二燃料电池电堆与所述热交换装置之间均设有泵；

所述第二燃料电池电堆的冷却循环系统中设有第七阀体和散热器，所述第二燃料电池电堆和所述热交换装置之间设有第八阀体。

2.一种燃料电池电堆启动方法，其特征在于，使用权利要求1所述的系统启动第二燃料电池电堆，包括以下步骤：氢气和空气进入第一燃料电池电堆发生电化学反应，输出电能，加热第二燃料电池电堆；发生电化学反应产生的热量，加热过量的氢气和空气，被加热的氢气和空气进入第二燃料电池电堆；发生电化学反应产生的其他热量通过热交换装置传递给第二燃料电池电堆；

第二燃料电池电堆启动过程中，打开第一阀体、第二阀体、第三阀体、第四阀体和第八阀体，关闭第五阀体、第六阀体和第七阀体；第二燃料电池电堆工作过程中，打开第一阀体、第二阀体、第五阀体、第六阀体和第七阀体，关闭第三阀体、第四阀体和第八阀体。

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