CN109346748A - 一种燃料电池低温快速启动系统及启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池低温快速启动系统，包括电堆、启动电池、气体碳纳米管微型加热器、控制系统和电流控制器，所述电流控制器分别与所述电堆和控制系统连接，所述控制系统由所述启动电池供电，并通过所述电流控制器控制所述电堆间歇性放电时间以及电流大小。利用碳纳米管的红外加热功能给通过的气体进行加热。本发明中电流控制器在控制系统控制下使燃料电池电堆进行大电流放电，使电堆内部产生焦耳热，使电堆内部快速升温，进堆气体通过碳纳米管微型加热器进行加热，迅速的达到燃料电池的最佳工作温度，电堆启动后，快速达到满载功率，根据实际工况，和启动电池的荷电状态情况以及外部负载需求大小，来决定系统是否给启动电池充电。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池在低温环境下快速达到最佳性能的启动方法。
背景技术
燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，在基站电源、中小型电站、电动车、备用电源、便携电源等方面，具有广阔的应用前景。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池、生物燃料电池等。燃料电池主要由端板、集电板、双极板、膜电极等组成。为了能使燃料电池更好的适应各种环境工作，燃料电池系统主要是由燃料电池、控制系统、电力转化系统 、启动电源和其他辅助系统组成。
温度是燃料电池系统能否达到最佳性能工作的必备参数，燃料电池电堆的内部温度决定了电堆的运行工作状态，一般而言，电堆温度在60---70℃时电堆运行状态最佳，可以达到额定功率。在内部低温状态下，电堆很难达到额定功率。温度过低，燃料电池需要很长时间才能达到最佳工作性能，为了使燃料电池系统适应低温环境，通常在该系统中加入辅助加热模块，通过把启动电源的电能转化为热能，使进入电堆的气体具有合适的温度，以便于燃料电池在短时间内达到最佳性能。
目前系统辅助加热主要以下三种模式：
1、对空气进行加热。如公开号为CN103855416A公开的一种燃料电池低温快速启动系统及其启动方法。但由于空气流量大，空气尾气会带走大部分热量，致使能量消耗大，加热效率低，对整个燃料电池系统的能量输出不利，降低了燃料电池系统的效率。
2、整个电堆进行加热，需要有一个人工环境，保证电堆的温度，也存在装置过大和能源消耗问题。
3、对极板进行加热，如CN103682403A公开的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，通过电堆加热器对端板、绝缘板和集电板进行预热。但是由于电堆结构复杂，对极板进行加热的方式会影响极板电输出性能，且对极板的加工要求较高。
以上方式是常见的几种解决燃料电池启动慢的方式，利用传统的加热方式给电堆进出气和冷却液进行加热。但仍然存在能耗高，启动速度慢的缺陷，不能达到使燃料电池系统快速进行低温启动的目的。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种燃料电池低温快速启动系统，区别于传统解决燃料电池低温启动的方式，利用燃料电池大电流放电产生焦耳热，从燃料电池电堆内部进行加热，加热速度快，燃料电池低温启动速度快。
技术方案：本发明所述燃料电池低温快速启动系统，包括电堆、启动电池、加热器和控制系统，还包括电流控制器，所述电流控制器分别与所述电堆和控制系统连接，所述控制系统由所述启动电池供电，并通过所述电流控制器控制所述电堆间歇性放电，电堆间歇性放电时间以及电流大小由电流控制器控制；
所述加热器位于电堆的氢气进气管路上，所述加热器与所述控制系统连接，所述控制系统由所述启动电池供电，控制所述加热器加热。
本发明进一步优选地技术方案为，所述电堆的氢气进气管路、氢气出气管路、空气/氧气进气管路、空气/氧气出气管路、冷却液进液管路以及冷却液出液管路上均设置有电磁阀，各电磁阀与所述控制系统通讯连接，所述控制系统控制各电磁阀的通断和开度。
优选地，所述加热器为碳纳米管微型加热器，该碳纳米管微型加热器位于氢气进气管路上，氢气经由所述碳纳米管微型加热器进入所述电堆，碳纳米管对通过的气体红外加热。
本发明上述系统进行燃料电池低温快速启动方法，包括如下步骤：
（1）控制系统采集外部的环境温度和电堆的内部温度，确定电堆的放电次数、间歇时间和电流大小；
（2）控制系统控制电流控制器工作，预先开启氢气进气管路和空气/氧气进气管路，氢气和空气/氧气进入电堆内，电流控制器控制电堆间歇性大电流放电，保证电堆在放电状态下，电堆单片电压低至0.2V，电堆的放电电流由电流控制器调节控制；
（3）在电堆内部温度达到设定值以后，开启冷却液进液管路和冷却液出液管路，冷却液进入电堆，并逐步进行加载冷却电堆；
（4）电堆启动后，快速达到满载功率，根据实际工况，和启动电池的荷电状态情况以及外部负载需求大小，来决定系统是否给启动电池充电。
优选地，电堆的氢气进气管路上还设置有碳纳米管微型加热器，步骤（2）中，控制系统控制电堆放电的同时控制所述碳纳米管微型加热器加热至设定温度，氢气经由所述碳纳米管微型加热器预热后进入所述电堆内；所述碳纳米管微型加热器的电能由启动电池提供。
有益效果：（1）本发明中设置了电流控制器，电流控制器在控制系统控制下使燃料电池电堆进行大电流放电，瞬间的大电流放电使电堆单片电压低至0.2v，接近短路，由于大电流的放电使电堆内部产生焦耳热，使电堆内部快速升温，迅速的达到燃料电池的最佳工作温度，从而在较短的时间内在较低温度下达到最佳工作状态，实现燃料电池低温启动的目的；本发明燃料电池低温启动速度快，大幅度缩短了燃料电池低温启动时间，且系统低温启动能耗少，发电效率高；
（2）本发明在氢气进气管路上设置了碳纳米管微型加热器，碳纳米管材料制成微型加热器，体积小，加热效率高，能耗少，氢气通过碳纳米管制备的微型加热器时，利用碳纳米管的热效应进行红外加热后进入燃料电池电堆，通过两种加热方式结合，进一步缩短燃料电池达到最佳工况的时间；
（3）本发明的系统可以根据外界温度的情况，调整燃料电池大电流放电电流和碳纳米管微型加热器的加热时间和温度，并通过程序固化到燃料电池控制程序里面，低温启动模块紧凑，控制精确，模块化、智能化程度高，成本低，使整个燃料电池系统更紧凑，便于批量化生产。
附图说明
图1为本发明所述启动系统的结构示意图；
图中，1-碳纳米管微型加热器；2-电堆；3-电流控制器；4-控制系统；5-启动电池；6-空气/氧气进气管路；7-空气/氧气出气管路；8-冷却液进液管路；9-冷却液出液管路；10-氢气进气管路；11-氢气出气管路。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种燃料电池低温快速启动系统，包括电堆2、启动电池5、控制系统4和电流控制器3，电流控制器3分别与电堆2和控制系统4连接，控制系统4由启动电池5供电，并通过电流控制器3控制电堆2间歇性放电。
电堆2的氢气进气管路10、氢气出气管路11、空气/氧气进气管路6、空气/氧气出气管路7、冷却液进液管路8以及冷却液出液管路9上均设置有电磁阀，各电磁阀与控制系统4通讯连接，控制系统4控制各电磁阀的通断和开度。
电堆2的氢气进气管路10上还设置有碳纳米管微型加热器1，氢气经由碳纳米管微型加热器1进入电堆2。碳纳米管微型加热器1与控制系统4连接，控制系统4由启动电池5供电，控制加热器加热。
该系统进行燃料电池低温快速启动方法，包括如下步骤：
（1）控制系统4采集外部的环境温度和电堆2的内部温度，确定电堆2的放电次数、间歇时间和电流大小；
（2）控制系统4控制电流控制器3工作，预先开启氢气进气管路10和空气/氧气进气管路6，氢气和空气/氧气进入电堆2内；电流控制器3控制电堆2间歇性大电流放电时间和放电电流，保证电堆2在放电状态下，电堆单片电压低至0.2V，同时控制系统4控制碳纳米管微型加热器1加热至设定温度；电堆2的放电电流和碳纳米管微型加热器1的电能由启动电池5提供。
（3）在电堆2内部温度达到设定值以后，开启冷却液进液管路8和冷却液出液管路9，冷却液进入电堆2，并逐步进行加载冷却电堆2；并通过氢气出气管路11和空气/氧气出气管路7进行排气排水。
（4）电堆启动后，快速达到满载功率，根据实际工况，和启动电池的荷电状态情况以及外部负载需求大小，来决定系统是否给启动电池充电。
本系统中启动电源的电能将碳纳米管微型加热器1加热到指定温度的时间为3~5s，能耗低，效率高；整个燃料电池系统在20s内快速启动，远低于传统燃料电池达到最佳工况的时间。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (5)
1.一种燃料电池低温快速启动系统，包括电堆、启动电池、加热器和控制系统，其特征在于，还包括电流控制器，所述电流控制器分别与所述电堆和控制系统连接，所述控制系统由所述启动电池供电，并通过所述电流控制器控制所述电堆间歇性放电；
所述加热器位于电堆的氢气进气管路上，所述加热器与所述控制系统连接，所述控制系统由所述启动电池供电，控制所述加热器加热。
2.根据权利要求1所述的燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述电堆的氢气进气管路、氢气出气管路、空气/氧气进气管路、空气/氧气出气管路、冷却液进液管路以及冷却液出液管路上均设置有电磁阀，各电磁阀与所述控制系统通讯连接，所述控制系统控制各电磁阀的通断和开度。
3.根据权利要求2所述的燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述加热器为碳纳米管微型加热器，该碳纳米管微型加热器位于氢气进气管路上，氢气经由所述碳纳米管微型加热器进入所述电堆，碳纳米管对通过的气体红外加热。
4.一种权利要求1的系统进行燃料电池低温快速启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）控制系统采集外部的环境温度和电堆的内部温度，确定电堆的放电次数、间歇时间和电流大小；
（2）控制系统控制电流控制器工作，预先开启氢气进气管路和空气/氧气进气管路，氢气和空气/氧气进入电堆内，电流控制器控制电堆间歇性大电流放电，保证电堆在放电状态下，电堆单片电压低至0.2V，电堆的放电电流大小由电流控制器调节控制；
（3）在电堆内部温度达到设定值以后，开启冷却液进液管路和冷却液出液管路，冷却液进入电堆，并逐步进行加载冷却电堆；
（4）电堆启动后，快速达到满载功率，根据实际工况，和启动电池的荷电状态情况以及外部负载需求大小，来决定系统是否给启动电池充电。
5.根据权利要求4所述的启动方法，其特征在于，电堆的氢气进气管路上还设置有碳纳米管微型加热器，步骤（2）中，控制系统控制电堆放电的同时控制所述碳纳米管微型加热器加热至设定温度，氢气经由所述碳纳米管微型加热器预热后进入所述电堆内；所述碳纳米管微型加热器的电能由启动电池提供。
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