CN109585882A - 一种燃料电池零下启动方法及装置 - Google Patents

一种燃料电池零下启动方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109585882A
CN109585882A CN201811347849.0A CN201811347849A CN109585882A CN 109585882 A CN109585882 A CN 109585882A CN 201811347849 A CN201811347849 A CN 201811347849A CN 109585882 A CN109585882 A CN 109585882A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
hydrogen
subzero
pole
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811347849.0A
Other languages
English (en)
Inventor
张剑波
司德春
温君宁
小野圭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201811347849.0A priority Critical patent/CN109585882A/zh
Priority to PCT/CN2018/116636 priority patent/WO2020097961A1/zh
Publication of CN109585882A publication Critical patent/CN109585882A/zh
Priority to US17/319,105 priority patent/US11831050B2/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04649—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04949—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04952—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提出一种燃料电池零下启动的方法及装置，属于燃料电池技术领域。本方法在零下启动时，为燃料电池间断或持续提供含氢气的氛围，然后对燃料电池施加电流或电压控制，来加热电池，实现电池温度的快速提升。本装置包括燃料电池、供氢装置及电流发生装置，供氢装置的出气口同时与燃料电池的氢气极和空气极连通，或者供氢装置的出气口与燃料电池的氢气极和空气极中的任意一极连通、并将燃料电池的氢气极和空气极用管道连通。本发明是针对燃料电池零下启动耗能大、生成水结冰降低电池性能与寿命等问题而提出，特别适用于燃料电池商用车的零下启动。

Description

一种燃料电池零下启动方法及装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说是一种燃料电池零下启动方法及装置。
背景技术
燃料电池能够将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的发展前景。其中质子交换膜燃料电池功率密度高、启动快、对负载变化响应快，成为交通运输领域能源重要发展方向。质子交换膜燃料电池作为车用动力必须要经受高电位、大电流、频变载、零下启动、空气杂质等复杂工况和严苛环境的考验，其中零下启动能力是燃料电池汽车在冬季运行面临的最大挑战，也是燃料电池汽车在温寒带推广的主要障碍之一。
针对燃料电池零下启动问题，学界与业界开展了大量研究工作，在提升燃料电池乘用车零下启动能力方面取得了重要进展。如在2008年，丰田汽车公司的燃料电池乘用车FCHV-adv在野外-37℃启动成功(Kojima K,Morita T.Development of fuel cell hybridvehicle in TOYOTA[J].ECS Transactions,2008,16(2):185-198.)。尽管汽车公司在改善燃料电池乘用车零下启动能力方面取得了突破性进展，但是国际上燃料电池商用车尚不具备零下自启动能力。为了达到商用车的寿命要求，宜采用耐久性更好的石墨基双极板，而非广泛用于乘用车的金属基双极板。石墨基双极板因加工性能不如金属基双极板，石墨基双极板厚度较厚，会成倍地增大电堆热容，给快速加热燃料电池电堆、解决零下启动问题带来了更大的挑战。
针对燃料电池零下启动开发的方法，尤其是商用车的零下启动问题，一般采用的零下启动方法包括产热和保温两种。其中产热也可以分为外部加热和系统自产热两种方式。采用外部加热的方式有：燃料电池双极板或端板加热、进气加热和冷却液加热。采用内部加热的方式目前报道的有：催化燃烧，储氢放热和相变材料三种方式。
采用的外部加热方式需要加热电堆，使其升温到零上，这种方式一般需要消耗大量外部能源，且装置较为复杂。加拿大巴拉德公司开发的搭载FCveloCity动力模块的燃料电池客车，就采用外部保温和车载电池进行加热的方法来进行零下启动。专利(CN201720137213.8)采用在双极板增加电阻丝的方式来对电堆进行加热，这种方式虽然加热效果较好，但是需要破坏燃料电池原有结构，同时面向燃料电池电堆应用时其成本较大。专利(CN201720047171.9)采用微波加热的方式来对电堆进行加热，这种方法避免了对电池原有结构的破坏，但是需要增加微波产生装置，而且微波加热的效率和位置难以控制。
采用系统自产热的方式一般通过系统自身携带的燃料或者其他材料提供零下启动的能量，这种方式能够减少外部能源的消耗，并且一般不需要破坏电池的原有结构。专利(CN201510600125.2)采用氢气燃烧的方式来加热冷却液，从而加热电堆，这种方法需要增加氢气的燃烧装置，由于需要对冷却液加热，一般零下启动时间较长。发明专利(CN200610134075.4)介绍了一种利用阴极反应放热来加热电池的方法。该专利发明要点为：在-5℃～-20℃环境中，阴阳极气体氛围分别为氢气、氧气(空气)，通过直流电源加载大电流，在阴极生成氢气，生成氢气与氧气在催化剂作用下发生反应放热，来进行冷启动。由于零下启动气体中基本无加湿，因此在大电流情况下极易发生膜干。此外，由于在阴极氢气与氧气反应会产生水，生成水可能会结冰，结冰带来的体积膨胀可能会破坏电池结构，引发电池老化。
发明内容
本发明目的在于为了克服燃料电池在零下启动过程中因自产热而产水结冰、装置复杂成本高及耗能大等不足，提供了一种燃料电池零下启动方法及装置。零下启动时，为燃料电池间断或持续提供含氢气的氛围，然后对燃料电池施加交变电流或电压控制，充分利用单池的欧姆产热、浓度过电势产热及反应热来加热电池，实现电池温度的快速提升。该零下启动方法效率高，同时可避免水结冰带来的问题。
为了实现上述目的，本发明提出一种燃料电池零下启动方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)提供含氢氛围：在零下50℃到0℃的条件下，向燃料电池提供含氢氛围，氢气浓度为5％～100％；
2)施加电流或电压控制：在步骤1)提供的含氢氛围下，向燃料电池施加电流或电压控制，利用燃料电池的欧姆产热、反应热及浓度过电势产热使燃料电池升至所需温度或到达设定时间，完成燃料电池零下启动。
进一步地，所述向燃料电池提供含氢氛围的方式为持续或间断提供，间断提供可以节省氢气用量。
进一步地，步骤2)中施加的电流或电压为直流或者交流，优选交变电流或交变电压。
进一步地，所述交变电流或电压选用对称波形的交变电流或电压，或者非对称波形的交变电流或电压。
进一步地，所述交变电压的幅值绝对值平均每片范围在0.1～1.4V之间，考虑到减少高电位下运行引起的老化，电压幅值绝对值平均每片优选为小于0.85V的。
进一步地，所述交变电流的幅值绝对值根据燃料电池内阻和负载量程确定，电流密度在0.2A/cm2～6A/cm2。
进一步地，所述交变电流或电压的频率范围在0.01Hz-100Hz。
进一步地，所述交变电流或电压波形采用方波、正弦波、三角波或阶梯式波中的任意一种或多种。
进一步地，在启动过程中，交变电压的幅值和频率根据以下方法进行调整：在不超过电源、燃料电池及其附件的最大电流量程下，若燃料电池内阻降低，则降低交变电压的幅值绝对值、增加频率，若燃料电池内阻增加，则增加交变电压的幅值绝对值、降低频率来增大产热速率。
进一步地，在启动过程中，交变电流的幅值和频率根据以下方法进行调整：在不超过电源、燃料电池及其附件的最大电流量程下，若燃料电池内阻降低，则降低交变电流的幅值绝对值、增加频率，若燃料电池内阻增加，则增加交变电流的幅值绝对值、降低频率来增大产热速率。
进一步地，本方法还包括：在燃料电池进行进入零下环境前，先通过气体吹扫燃料电池来控制其平均每片的内阻在0.2Ωcm2～8Ωcm2。
进一步地，本方法还包括：零下启动结束后通过气体吹扫，或者通过控制燃料电池的电流或电压来降低空气极内氢气浓度。
进一步地，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池。
本发明还提出一种基于上述方法的零下启动装置，其特征在于：包括燃料电池、供氢装置及电流发生装置；其中，所述供氢装置的出气口同时与所述燃料电池的氢气极和空气极连通，或者供氢装置的出气口与所述燃料电池的氢气极和空气极中的任意一极连通、并将燃料电池的氢气极和空气极用管道连通，用于为所述燃料电池提供含氢氛围；所述电流发生装置的正负极分别与所述燃料电池的氢气极和空气极相连，用于为所述燃料电池施加电流或电压控制。
进一步地，所述供氢装置的氢气来源为氢气瓶、金属储氢装置或者电解产氢装置。
进一步地，所述的电流发生装置，其特征在于：所述的电流发生装置可以实现燃料电池的电流控制，控制方式可以采用电压控制、电流控制或功率控制。
进一步地，可以增加用于估算施加电流与电压幅值的装置，在所述燃料电池的氢气极和空气极之间还连接有交流阻抗测量装置，用于测量所述燃料电池的内阻。
进一步地，在所述燃料电池内部设有温度监测装置，用于监测所述燃料电池的膜电极组件或者双极板温度；或者在所述燃料电池的氢气极和空气极间连接开路电压监测装置，用于监测所述燃料电池的开路电压；进而判别所述燃料电池的零下启动过程。
本发明的特点及有益效果：
1)本发明提出的零下启动方法适用温度范围广，可成功实现-50℃-0℃温度的零下启动。
2)本发明提出的零下启动方法利用电池自产热，不需要额外装置，产热效率高。本发明方法中所采用的阴阳极(即氢气极和空气极)气体氛围均为含氢气氛围，交直流电源均可加载，产热来源于为电流的欧姆产热、反应热及浓度过电势产热。
3)零下启动过程中发生的反应为氢气的生成与消耗，不产生水，避免了生成水结冰导致的老化问题。
4)本发明能够利用原有燃料电池动力装置的部件，成本低，可望大规模商业化；特别是其不产水、快速的升温方式解决了目前无法对商用车燃料电池进行零下启动的难题。
附图说明
图1是本发明一个实施例的装置示意图。
图2是本发明一个实施例的零下启动产热原理示意图。
图3是本发明一个实施例的湿吹过程中高频阻抗的变化图。
图4是本发明实施例1的氢泵产热效果图。
图5是本发明实施例2的氢泵产热效果图。
具体实施方式
下面详述本发明的实施例，通过参考附图描述的实施例旨在用于解释发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出了燃料电池零下启动方法和装置，下面参考附图描述本发明实施例的零下启动方法具体过程，本发明以质子交换膜燃料电池为实施例，但本方法不仅限于质子交换膜燃料电池，也可用于磷酸燃料电池等各类质子交换型燃料电池。
实施例1
本发明的一个实施例为对车用质子交换膜电池单体电池零下启动过程，所述的燃料电池零下启动方法包括以下步骤：
1)提供含氢氛围：在-30℃条件下，在燃料电池两侧通入浓度为高纯氢气(浓度接近100％)约5min，流量为0.05L/min。
2)施加交变电压控制：在步骤1)提供的含氢氛围下，向单体燃料电池施加交变电压方波信号(此外，还可选择能充分利用能量的其他波形，如正弦波、三角波或阶梯式波的任意一种或多种)，电压的幅值绝对值为1.0V，频率为2.5Hz，采用交变电压(或交变电流)可避免膜干现象。在施加交变电压的同时，为了提高产热效率和节省氢气消耗，采用对燃料电池间断通入氢气的方式。利用燃料电池的反应热及浓度过电势产热使燃料电池升至0℃，完成燃料电池零下启动。
通过图1所示零下启动装置实现上述方法，该零下启动装置包括燃料电池2、供氢装置及电流发生装置5。其中，供氢装置的氢气来源为氢气瓶1(此外，金属储氢装置或者电解产氢装置也可实现相同效果)，该氢气瓶1的出气口通过依次设有减压阀3和阀门7的管道后形成两支路，两支路均设有一流量计4并分别与燃料电池2的氢气极和空气极连通，同时在两支路间通过设有阀门6的管道将燃料电池2的氢气极和空气极连通，用于为燃料电池2提供含氢氛围(可以为纯氢或者含氢气的混合气体),氢气瓶1、减压阀3、2个流量计4、阀门6和7共同构成供氢装置；本实施例燃料电池2的氢气极和空气极还分别通过带有阀门(8、9)的管道与外部的尾气处理装置连通，用于排出氢气；通入氢气时，打开阀门7，关闭阀门6(即分别通过管道直接向燃料电池氢气极和空气极提供含氢氛围)，然后在燃料电池2的氢气极和空气极通入氢气约2min后，使得在燃料电池2的氢气极和空气极均处于含氢氛围下。电流发生装置5(例如采用Biologic公司生产的VMP 2000)的正负极分别与燃料电池2的氢气极和空气极相连，用于为燃料电池施加电流或电压控制。
进一步地，在燃料电池2的氢气极和空气极之间还连接有交流阻抗测量装置(本实施例中采用的是Biologic公司生产的VMP 2000)，用于测量所述燃料电池的内阻,通过监测燃料电池内阻，来对交变电压或电流进行设置，并可以在启动过程灵活调整交变电压的幅值和频率，从而充分增大产热效果。
进一步地，在燃料电池2内部设有温度监测装置，用于监测燃料电池的膜电极组件或者双极板温度；或者在燃料电池的氢气极和空气极间连接开路电压监测装置，用于监测所述燃料电池的开路电压。本实施例中将微型热电偶置于燃料电池空气侧膜电极与双极板中间的密封垫上，当温度升至零上时，停止施加交变电压或电流。
本实施例产热过程示意图如图2所示，通过施加交变电压或者电流，在一侧催化剂层内消耗氢气，在另一侧侧催化剂层内生成氢气，整个反应过程不产水，利用电流的欧姆产热、反应热及浓度过电势产热来对电池升温。
进一步地，本实施例在零下启动过程开始前，还包括提供零下启动环境，具体过程如下：首先通过气体吹扫来调节燃料电池内阻(这个步骤能够将燃料电池内阻保持在一定范围，有利于对施加交变电压或电流幅值的确定)，将活性面积为4cm2的单体燃料电池温度升到80℃，采用相对湿度为66％的氮气进行湿吹，调整燃料电池的内阻在0.25Ωcm2左右，吹扫过程中的燃料电池内阻(以高频阻抗来表示，高频阻抗为测量频率为1000Hz的阻抗)变化如图3所示。将单体燃料电池置于恒温箱中，使电池温度降至-30℃。然后进行如上述步骤所述的启动过程。
进一步地，本实施例在零下启动过程结束后，还包括气体吹扫过程来降低空气极的氢气浓度。采用高纯氮气，流量为0.1L/min，持续吹扫20min。
记录本实施例中燃料电池升温过程，从零下30℃升至零摄氏度时间为420s左右。整个冷启动过程如图4所示，黑色实线为燃料电池空气侧膜电极与双极板中间的密封垫的温度，成功达到0℃。
实施例2
本发明的一个实施例为对车用质子交换膜电池单体电池零下启动过程，与实施例1的不同之处在于：
步骤1)之前提供的零下启动环境包括：将活性面积为4cm2的单体燃料电池温度升到80℃，采用相对湿度为58％的氮气进行湿吹，调整燃料电池的内阻在0.35Ωcm2左右；
步骤2)中，向单体燃料电池施加的交变电压方波信号的电压幅值绝对值为1.4V，频率为0.1Hz。
其余均与实施例1相同，此处不再赘述。
记录本实施例中燃料电池升温过程，从零下30℃升至零摄氏度时间为460s左右。整个冷启动过程如图5所示，黑色实线为燃料电池空气侧膜电极与双极板中间的密封垫的温度，成功达到0℃。
实施例3
本发明的一个实施例为对车用质子交换膜电池单体电池零下启动过程，所述的燃料电池零下启动方法包括以下步骤：
1)提供含氢氛围：在-30℃条件下，在燃料电池两侧通入浓度为高纯氢气(浓度接近100％)约5min，流量为0.05L/min。
2)施加交变电压控制：在步骤1)提供的含氢氛围下，向单体燃料电池施加直流电压，电压的幅值绝对值为1.0V(相比于交变电压，施加直流电压也能实现本发明目的，但所需时间稍长)。在施加直流电压的同时，为了提高产热效率和节省氢气消耗，采用对燃料电池单侧通入氢气的方式，同时利用管道将燃料电池的氢气极和空气极相连，形成氢气的闭环通路。利用燃料电池的反应热及浓度过电势产热使燃料电池升至0℃，完成燃料电池零下启动。
本实施通过图1所示零下启动装置实现上述方法，该零下启动装置包括燃料电池2、供氢装置、及电流发生装置5。其中，供氢装置的氢气来源为氢气瓶1(此外，金属储氢装置或者电解产氢装置也可实现相同效果)，该氢气瓶1的出气口通过依次设有减压阀3和阀门7的管道后形成两支路，两支路均设有一流量计4并分别与燃料电池2的氢气极和空气极连通，同时在两支路间通过设有阀门6的管道将燃料电池2的氢气极和空气极连通，用于为燃料电池2提供含氢氛围(可以为纯氢或者含氢气的混合气体)；本实施例燃料电池2的氢气极和空气极还分别通过带有阀门(8、9)的管道与外部的尾气处理装置连通，用于排出氢气；通入氢气时，打开阀门7，关闭阀门6，然后在燃料电池2的氢气极和空气极通入氢气约2min后，使得在燃料电池2的氢气极和空气极均处于含氢氛围下接下来，关闭阀门7,8,9，打开阀门6。电流发生装置5(例如采用Biologic公司生产的VMP 2000)的正负极分别与燃料电池2的氢气极和空气极相连，用于为燃料电池施加电流或电压控制。
进一步地，在燃料电池2的氢气极和空气极之间还连接有交流阻抗测量装置，用于测量所述燃料电池的内阻,通过监测燃料电池内阻，来对直流电压或电流进行设置，并可以在启动过程灵活调整直流电压的幅值，从而充分增大产热效果。(本实施例中采用的是Biologic公司生产的VMP 2000)。
进一步地，在燃料电池2内部设有温度监测装置，用于监测燃料电池的膜电极组件或者双极板温度；或者在燃料电池的氢气极和空气极间连接开路电压监测装置，用于监测所述燃料电池的开路电压。本实施例中将微型热电偶置于燃料电池空气侧膜电极与双极板中间的密封垫上，当温度升至零上时，停止施加电压或电流。
本实施原理与实施例1相同。
进一步地，本实施例在零下启动过程开始前，还包括提供零下启动环境，具体过程如下：首先通过气体吹扫来调节燃料电池内阻，这个步骤能够将燃料电池内阻保持在一定范围，有利于对施加交变电压或电流幅值的确定。将活性面积为4cm2的单体燃料电池温度升到80℃，采用相对湿度为58％的氮气进行湿吹，调整燃料电池的内阻在0.35Ωcm2左右。将单体燃料电池置于恒温箱中，使电池温度降至-30℃。然后进行如上述步骤所述的启动过程。
进一步地，本实施例在零下启动过程结束后，还包括气体吹扫过程来降低空气极的氢气浓度。采用高纯氮气，流量为0.1L/min，持续吹扫20min。
记录本实施例中燃料电池升温过程，从零下30℃升至零摄氏度时间为1350s左右。
实施例4
本发明的一个实施例为对车用质子交换膜电池单体电池零下启动过程，与实施例1的不同之处在于：
步骤1)中，提供的含氢氛围为：在-30℃条件下，在燃料电池两侧通入浓度为浓度为5％氢气约5min，流量为0.05L/min；
步骤2)中，向单体燃料电池施加的交变电压方波信号的电压幅值绝对值为1.0V，频率为100Hz。
其余均与实施例1相同，此处不再赘述。
记录本实施例中燃料电池升温过程，从零下30℃升至零摄氏度时间为430s左右。
实施例5
本发明的一个实施例为对车用质子交换膜电池单体电池零下启动过程，与实施例1的不同之处在于：
步骤2)中，向单体燃料电池施加交变电压方波信号的电压幅值绝对值为1.0V，频率为0.01Hz。其余均与实施例1相同，此处不再赘述。
记录本实施例中燃料电池升温过程，从零下30℃升至零摄氏度时间为690s左右。
实施例6
本发明的一个实施例为对车用质子交换膜电池单体电池零下启动过程，与实施例1的不同之处在于：
步骤1)中，零下启动的开始温度为-50℃；
步骤2)中，向单体燃料电池施加交变电压方波信号的电压幅值绝对值为1.0V，频率为2.5Hz。
其余均与实施例1相同，此处不再赘述。
记录本实施例中燃料电池升温过程，从零下50℃升至零摄氏度时间为3170s左右。
综上，本发明方法及装置可有效解决目前燃料电池零下启动耗能大、生成水结冰降低电池性能与寿命等问题。

Claims (18)

1.一种燃料电池零下启动方法，其特征在于：所述的方法包括：
1)提供含氢氛围：在零下50℃到0℃的条件下，向燃料电池提供含氢氛围，氢气浓度为5％～100％；
2)施加电流或电压控制：在步骤1)提供的含氢氛围下，向燃料电池施加电流或电压控制，利用燃料电池的欧姆产热、反应热及浓度过电势产热使燃料电池升至所需温度或到达设定时间，完成燃料电池零下启动。
2.根据权利要求1所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：所述向燃料电池提供含氢氛围的方式为持续或间断提供。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：步骤2)中施加的电流或电压为直流或者交流。
4.根据权利要求3所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：步骤2)中施加的电流或电压为交变电流或交变电压。
5.根据权利要求4所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：所述交变电流或电压选用对称波形的交变电流或电压，或者非对称波形的交变电流或电压。
6.根据权利要求5所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：所述交变电压的幅值绝对值平均每片范围在0.1～1.4V。
7.根据权利要求5所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：所述交变电流的幅值绝对值根据燃料电池内阻和负载量程确定，电流密度绝对值在0.2A/cm2～6A/cm2。
8.根据权利要求5所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：所述交变电流或电压的频率范围在0.01Hz-100Hz。
9.根据权利要求5所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：所述交变电流或电压波形采用方波、正弦波、三角波或阶梯式波中的任意一种或多种。
10.根据权利要求6所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：在启动过程中，交变电压的幅值和频率根据以下方法进行调整：在不超过电源、燃料电池及其附件的最大电流量程下，若燃料电池内阻降低，则降低交变电压的幅值绝对值、增加频率，若燃料电池内阻增加，则增加交变电压的幅值绝对值、降低频率。
11.根据权利要求7所述的燃料电池零下启动方法，其特征在于：在启动过程中，交变电流的幅值和频率根据以下方法进行调整：在不超过电源、燃料电池及其附件的最大电流量程下，若燃料电池内阻降低，则降低交变电流的幅值绝对值、增加频率，若燃料电池内阻增加，则增加交变电流的幅值绝对值、降低频率。
12.根据权利要求1所述的零下启动方法，其特征在于：在燃料电池进行进入零下环境前，先通过气体吹扫燃料电池来控制其平均每片内阻在0.2Ωcm2～8Ωcm2。
13.根据权利要求1所述的零下启动方法，其特征在于：零下启动结束后通过气体吹扫，或者通过控制燃料电池的电流或电压来降低空气极内氢气浓度。
14.根据权利要求1所述的零下启动方法，其特征在于：所述燃料电池为质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池。
15.一种基于权利要求1～14中任意一项所述方法的零下启动装置，其特征在于：包括燃料电池、供氢装置及电流发生装置；其中，所述供氢装置的出气口同时与所述燃料电池的氢气极和空气极连通，或者供氢装置的出气口与所述燃料电池的氢气极和空气极中的任意一极连通、并将燃料电池的氢气极和空气极用管道连通，用于为所述燃料电池提供含氢氛围；所述电流发生装置的正负极分别与所述燃料电池的氢气极和空气极相连，用于为所述燃料电池施加电流或电压控制。
16.根据权利要求15所述的零下启动装置，其特征在于：所述供氢装置的氢气来源为氢气瓶、金属储氢装置或者电解产氢装置。
17.根据权利要求15所述的零下启动装置，其特征在于：在所述燃料电池的氢气极和空气极之间还连接有交流阻抗测量装置，用于测量所述燃料电池的内阻。
18.根据权利要求15所述的零下启动装置，其特征在于：在所述燃料电池内部设有温度监测装置，用于监测所述燃料电池的膜电极组件或者双极板温度；或者在所述燃料电池的氢气极和空气极间连接开路电压监测装置，用于监测所述燃料电池的开路电压；进而判别所述燃料电池的零下启动过程。
CN201811347849.0A 2018-11-13 2018-11-13 一种燃料电池零下启动方法及装置 Pending CN109585882A (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811347849.0A CN109585882A (zh) 2018-11-13 2018-11-13 一种燃料电池零下启动方法及装置
PCT/CN2018/116636 WO2020097961A1 (zh) 2018-11-13 2018-11-21 一种燃料电池零下启动方法及装置
US17/319,105 US11831050B2 (en) 2018-11-13 2021-05-13 Method and apparatus for subzero start-up of fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811347849.0A CN109585882A (zh) 2018-11-13 2018-11-13 一种燃料电池零下启动方法及装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109585882A true CN109585882A (zh) 2019-04-05

Family

ID=65922349

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811347849.0A Pending CN109585882A (zh) 2018-11-13 2018-11-13 一种燃料电池零下启动方法及装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11831050B2 (zh)
CN (1) CN109585882A (zh)
WO (1) WO2020097961A1 (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110429303A (zh) * 2019-07-03 2019-11-08 深圳国氢新能源科技有限公司 氢燃料电池发动机冷启动方法
CN111082094A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 潍柴动力股份有限公司 冷启动装置、燃料电池发动机及冷启动方法
CN111613811A (zh) * 2020-05-13 2020-09-01 苏州弗尔赛能源科技股份有限公司 一种氢燃料电池低温冷启动方法及系统
CN111740132A (zh) * 2020-05-19 2020-10-02 广东国鸿氢能科技有限公司 一种燃料电池电堆的低温启动方法
CN112909300A (zh) * 2021-01-26 2021-06-04 新源动力股份有限公司 一种燃料电池停机吹扫的判定方法
CN113745587A (zh) * 2021-07-27 2021-12-03 东风汽车集团股份有限公司 一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法及系统
CN115172815A (zh) * 2022-07-11 2022-10-11 中汽创智科技有限公司 一种燃料电池的冷启动控制系统及方法
CN115332580A (zh) * 2022-09-01 2022-11-11 清华大学 燃料电池零下启动的气体控制方法和系统
CN115395057A (zh) * 2022-09-01 2022-11-25 清华大学 燃料电池零下启动的电控方法与系统

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114188570B (zh) * 2021-10-26 2023-09-12 东风汽车集团股份有限公司 一种燃料电池电堆的冷启动方法、装置及车辆
CN116238391A (zh) * 2023-01-31 2023-06-09 中国第一汽车股份有限公司 燃料电池的控制方法及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103825037A (zh) * 2014-03-14 2014-05-28 江苏绿遥燃料电池系统制造有限公司 一种燃料电池冷启动快速加热系统及方法
US20160141666A1 (en) * 2014-11-19 2016-05-19 Hyundai Motor Company System for controlling low-temperature starting of fuel cell vehicle and method for the same
CN105702979A (zh) * 2014-11-27 2016-06-22 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池电堆零度以下环境的启动方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6727012B2 (en) 2001-11-09 2004-04-27 Hydrogenics Corporation Method and apparatus for generating hydrogen inside of a fuel cell
CN100527510C (zh) * 2006-10-27 2009-08-12 新源动力股份有限公司 一种燃料电池低温启动的方法及装置
CN203800126U (zh) * 2014-02-28 2014-08-27 上海汽车集团股份有限公司 可在低温环境下启动的燃料电池系统
CN207426027U (zh) * 2018-01-31 2018-05-29 安徽明天氢能科技股份有限公司 一种带集成加热功能的燃料电池供氢系统
CN208111580U (zh) 2018-02-06 2018-11-16 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池用低温启动运行组件
CN108400367B (zh) * 2018-02-06 2024-03-29 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池用低温启动运行组件

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103825037A (zh) * 2014-03-14 2014-05-28 江苏绿遥燃料电池系统制造有限公司 一种燃料电池冷启动快速加热系统及方法
US20160141666A1 (en) * 2014-11-19 2016-05-19 Hyundai Motor Company System for controlling low-temperature starting of fuel cell vehicle and method for the same
CN105702979A (zh) * 2014-11-27 2016-06-22 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池电堆零度以下环境的启动方法

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110429303A (zh) * 2019-07-03 2019-11-08 深圳国氢新能源科技有限公司 氢燃料电池发动机冷启动方法
CN111082094A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 潍柴动力股份有限公司 冷启动装置、燃料电池发动机及冷启动方法
CN111613811A (zh) * 2020-05-13 2020-09-01 苏州弗尔赛能源科技股份有限公司 一种氢燃料电池低温冷启动方法及系统
CN111613811B (zh) * 2020-05-13 2021-12-24 苏州弗尔赛能源科技股份有限公司 一种氢燃料电池低温冷启动方法及系统
CN111740132A (zh) * 2020-05-19 2020-10-02 广东国鸿氢能科技有限公司 一种燃料电池电堆的低温启动方法
CN111740132B (zh) * 2020-05-19 2021-06-18 广东国鸿氢能科技有限公司 一种燃料电池电堆的低温启动方法
CN112909300B (zh) * 2021-01-26 2022-02-15 新源动力股份有限公司 一种燃料电池停机吹扫的判定方法
CN112909300A (zh) * 2021-01-26 2021-06-04 新源动力股份有限公司 一种燃料电池停机吹扫的判定方法
CN113745587A (zh) * 2021-07-27 2021-12-03 东风汽车集团股份有限公司 一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法及系统
CN115172815A (zh) * 2022-07-11 2022-10-11 中汽创智科技有限公司 一种燃料电池的冷启动控制系统及方法
CN115172815B (zh) * 2022-07-11 2024-04-05 中汽创智科技有限公司 一种燃料电池的冷启动控制系统及方法
CN115332580A (zh) * 2022-09-01 2022-11-11 清华大学 燃料电池零下启动的气体控制方法和系统
CN115395057A (zh) * 2022-09-01 2022-11-25 清华大学 燃料电池零下启动的电控方法与系统
CN115332580B (zh) * 2022-09-01 2024-03-19 清华大学 燃料电池零下启动的气体控制方法和系统
CN115395057B (zh) * 2022-09-01 2024-03-19 清华大学 燃料电池零下启动的电控方法与系统

Also Published As

Publication number Publication date
US20210265644A1 (en) 2021-08-26
US11831050B2 (en) 2023-11-28
WO2020097961A1 (zh) 2020-05-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109585882A (zh) 一种燃料电池零下启动方法及装置
Jensen et al. Hydrogen and synthetic fuel production from renewable energy sources
CN105702979B (zh) 一种燃料电池电堆零度以下环境的启动方法
WO2017000780A1 (zh) 一种甲醇水重整制氢机及其制氢方法
US20220205121A1 (en) Electrolysis system with controlled thermal profile
CN104577168A (zh) 一种甲醇水制氢发电系统及制氢发电方法
CN109921066B (zh) 一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法
JP2019183258A (ja) 電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの運転方法
EP2175051A1 (en) Hydrogen-oxygen electrolyzing device and carbon paper electrodes thereof with material-changed outer surfaces
CN106992307B (zh) 燃料电池堆发电系统的液体循环子系统
CN101682054A (zh) 燃料电池系统
CN204289609U (zh) 一种氢气发电系统
CN104577163A (zh) 一种氢气发电系统及其发电方法
CN105514464A (zh) 燃料电池汽车的dc-dc升压转换器控温系统及方法
CN105720283A (zh) 一种燃料电池混合动力系统及其工作方法
CN107819139A (zh) 一种基于可再生燃料电池/膨胀机混合循环的冷热电联供系统
CN113555581A (zh) 燃料电池及其加热方法
Zhang et al. Experimental analysis of the performance of the air supply system in a 120ákW polymer electrolyte membrane fuel cell system
KR100893431B1 (ko) 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법
Migliardini et al. Hydrogen and proton exchange membrane fuel cells for clean road transportation
CN205489554U (zh) 基于甲醇水重整制氢发电系统的削峰填谷供电系统
JP2020090695A (ja) 電気化学式水素圧縮システム
CN204400604U (zh) 一种燃料电池汽车
CN104716338A (zh) 一种液流电池用电极的处理方法
CN204011605U (zh) 一种燃料电池冷启动加热装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190405

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication