CN109686996A - 一种燃料电池的快速冷启动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的快速冷启动装置及方法，在燃料电池电堆每片双极板上的两侧分别设置两套燃料电池巡检仪接线端口，两套接线端口相互独立，锂电池组通过燃料电池巡检仪与双极板连接。本发明能够在不改变燃料电池结构的情况下，使燃料电池电堆内部的每片双极板快速、均匀加热，实现燃料电池电堆在低温环境下能够快速冷启动。

Description

一种燃料电池的快速冷启动装置及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池的快速冷启动装置及方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的化学装置。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；此外，燃料电池没有机械传动部件，噪音小，不排放有害气体。从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有前途的发电技术。
燃料电池主要由端板、集电板、双极板、膜电极等组成。温度是影响燃料电池工作性能的重要因素之一，当燃料电池低于0℃启动时，反应生成的水将受低温环境影响，以固态冰的形式出现在膜电极和双极板流道中，堵塞燃料和氧化剂的通道，造成燃料电池电堆启动失败。严重时大量的水结冰，体积发生剧烈膨胀，会破坏膜电极和双极板的结构，进而导致燃料电池永久性损伤。因此，低温冷启动问题是燃料电池发展过程中的瓶颈技术之一。
专利CN106784922A中公开了一种利用石墨板通直流电加热质子交换膜燃料电池冷启动装置。该装置在相邻的两个燃料电池片之间设置铝片，通过铝片对石墨板通电加热到合适的温度。由于在燃料电池片之间增添了铝片，破坏了燃料电池片的密封性，存在燃料泄露的风险；且铝片嵌入在电堆内部，当燃料电池正常工作时，增加了电池的内部欧姆阻抗，降低燃料电池性能；此外燃料电池片很薄，增添的铝片之间容易在外部碰撞或冲击下接触导致短路，影响燃料电池的安全运行。
目前，常见的燃料电池冷启动问题有以下几种解决方案：1、在燃料电池片内设置加热电阻丝；2、对燃料电池的端板进行加热；3、在燃料电池外部增加循环水加热系统。4、在燃料电池的燃料供应管路设置歧管混入氧化剂，燃料气和氧化剂混合后通入电池内部，在膜电极出发生化学催化氧化反应，生成的热直接加热电堆。方法1在燃料电池内部设置电阻丝，改变了燃料电池的结构，增加了燃料电池的内阻，且加工难度大；方法2对燃料电池端板加热，存在端板附近温度高，燃料电池内部温度低，加热不均匀，且由于膜电极的热阻大，燃料电池电堆预热慢；方法3中加热循环水，加热速度相对较慢，效率不高。方法4对燃料气和氧化剂的比例、混合总量和混合时间等参数的控制精度要求特别高，且生成的热量大量地集中在不耐高温的膜电极附近，此外电堆燃料气进口处的热量分布严重不均衡。此种方法在低温启动操作稍有不慎，聚集的热量将融穿膜电极，燃料电池电堆内部气体互窜，极易导致燃料电池起火燃烧。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种燃料电池的快速冷启动装置及方法，能够在不改变燃料电池结构的情况下，使燃料电池电堆内部的每片双极板快速、均匀加热，确保燃料电池在低温环境下的快速冷启动。
一种燃料电池的快速冷启动装置，包括用于连接燃料电池电堆内每个双极板的两个燃料电池巡检仪，所述的燃料电池巡检仪内设有与双极板对应的通道和开关单元，以实现每片双极板的串联或并联，还包括与两个燃料电池巡检仪连接的电池控制器和与电池控制器连接的锂电池组，所述的锂电池组内置双向直流变换单元，锂电池组可同时与燃料电池电堆连接。
一种燃料电池的快速冷启动装置的启动方法，用于由多个燃料电池片构成的燃料电池电堆，所述的燃料电池片由双极板和膜电极组成，包括如下步骤：
步骤1，提供燃料电池巡检仪，在燃料电池巡检仪内设置多个与双极板对应的通道和开关单元；提供一个内置双向直流变换单元的锂电池组，使锂电池组通过燃料电池巡检仪与双极板连接，从而可直接对燃料电池电堆内部的每片双极板快速、均匀加热，实现燃料电池电堆在低温环境下的快速冷启动；提供一个电池控制器，用于实时采集燃料电池电堆的内部温度，并判断温度是否低于0℃；
步骤2，当燃料电池电堆在低温环境中启动时，若监测的内部温度高于0℃，燃料电池电堆正常启动；若内部温度低于0℃，电池控制器控制燃料电池巡检仪内部的开关单元开启，实现多片双极板的串联或并联，此时燃料电池电堆本身并不供应燃料和氧化剂而且不对外发电；
步骤3，电池控制器控制锂电池组通过燃料电池巡检仪的通道和开关单元向双极板通电；
步骤4，此时串联或并联的双极板和锂电池组构成一个加热回路，双极板中流过电流并开始加热；
步骤5，当燃料电池电堆内部温度高于0℃后，电池控制器控制燃料电池巡检仪内部的开关单元断开/闭合状态，实现燃料电池巡检仪监测燃料电池电堆电压，燃料电池电堆开始按正常流程启动并进行正常放电工作。
进一步，所述的燃料电池巡检仪有两个，与燃料电池电堆的每个双极板的两套接线端口独立连接。
更进一步，所述的燃料电池巡检仪通过开关单元的开启/闭合状态的组合，实现燃料电池电堆的每个双极板在低温启动时的串联或并联。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1，本发明通过两套内部通道之间包含开关单元的燃料电池巡检仪，将燃料电池电堆的双极板串联或并联起来，利用锂电池组给双极板供电加热，没有改变燃料电池的结构；
2，流过串联或并联的双极板中的电流是均匀的，燃料电池内部的双极板材质、面积、厚度和结构基本一致，其内阻也基本一致，不同的双极板通电后发热量也基本一致，燃料电池电堆受热均匀；
3，由于低温冷启动设置的装置不在燃料电池电堆内部，当燃料电池正常工作时，不会增加电池的内部欧姆阻抗；
4，由于是对燃料电池电堆内部的双极板直接通电加热，加热效率高，电堆达到冷启动的条件时间短，利于燃料电池的快速冷启动。
本发明的冷启动方法，能够在不改变燃料电池结构的情况下，使燃料电池电堆内部的每片双极板快速、均匀加热，确保燃料电池在低温环境下的快速冷启动。
附图说明
图1为本发明燃料电池快速冷启动装置的结构示意图。
图2为本发明冷启动快速加热时的双极板串联连接加热回路示意图；
图3为本发明冷启动快速加热时的双极板并联连接加热回路示意图；
图4为本发明冷启动快速加热时的控制流程示意图；
各附图标记为：1—燃料电池电堆，2—燃料电池巡检仪，3—锂电池组，4—电池控制器，5、501、502～50n—双极板，6、601、602～60n—膜电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细说明。本实施例是以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1至图3所示，实施本发明方法的一种燃料电池快速冷启动的装置，包括用于连接燃料电池电堆1内每个双极板5的两个燃料电池巡检仪2，所述的燃料电池巡检仪2内设有通道和开关单元，以实现每片双极板5的串联或并联，还包括与两个燃料电池巡检仪2连接的电池控制器4和与电池控制器4连接的锂电池组3，所述的锂电池组3内置双向直流变换单元。用于启动的燃料电池电堆1由多个燃料电池片构成，燃料电池片由双极板5（501、502～50n）和膜电极6（601、602～60n）组成。在燃料电池电堆1每片双极板5上的两侧分别设置两套燃料电池巡检仪接线端口，两套接线端口相互独立。燃料电池巡检仪2内设有多个与双极板5对应的通道和开关单元，燃料电池巡检仪2通过控制每个开关单元的开启或闭合状态，将多片双极板5串联或并联起来，冷启动快速加热时的双极板5串联连接如图2所示，双极板并联连接如图3所示，图中虚线表示控制线。所述的锂电池组3通过燃料电池巡检仪2的通道和开关单元与双极板5连接，所述的电池控制器4通过检测燃料电池电堆1内部温度。
本发明的一种燃料电池的快速冷启动方法，流程图如图4所示，包括如下步骤：
步骤S10，设置两个燃料电池巡检仪，内设多个与双极板对应的通道和开关单元；设置一个含有内置的双向直流变换单元的锂电池组，通过两个燃料电池巡检仪与双极板连接；设置一个电池控制器，用于实时采集燃料电池电堆的内部温度，并判断温度是否低于0℃；
步骤S11，当燃料电池电堆在低温环境中启动时，若监测的内部温度高于0℃，燃料电池电堆正常启动。若内部温度低于0℃，电池控制器控制两个燃料电池巡检仪内部的开关单元开启/闭合状态，实现多片双极板的串联或并联。此时燃料电池电堆本身并不供应燃料和氧化剂且不对外发电；
步骤S12，电池控制器4控制锂电池组3，通过燃料电池巡检仪2的通道和开关单元向双极板5通电；
步骤S13，此时串联或并联的双极板和锂电池组构成一个加热回路，双极板中流过电流并开始加热；
步骤S14，当燃料电池电堆内部温度高于0℃后，电池控制器控制两个燃料电池巡检仪内部的开关单元断开/闭合状态，实现燃料电池巡检仪监测燃料电池电堆电压，
步骤S15，燃料电池电堆开始正常按正常启动流程并放电工作。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种燃料电池的快速冷启动装置，其特征在于：包括用于连接燃料电池电堆（1）内每个双极板（5）的两个燃料电池巡检仪（2），所述的燃料电池巡检仪（2）内设有通道和开关单元，以实现每片双极板（5）的串联或并联，还包括与两个燃料电池巡检仪（2）连接的电池控制器（4）和与电池控制器（4）连接的锂电池组（3），所述的锂电池组（3）内置双向直流变换单元。
2.一种如权利要求1所述燃料电池的快速冷启动装置的启动方法，用于由多个燃料电池片构成的燃料电池电堆（1），所述的燃料电池片由双极板（5）和膜电极（6）组成，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，提供燃料电池巡检仪（2），在燃料电池巡检仪（2）内设置多个与双极板（5）对应的通道和开关单元；提供一个内置双向直流变换单元的锂电池组（3），使锂电池组（3）通过燃料电池巡检仪（2）与双极板（5）连接；提供一个电池控制器（4），用于实时采集燃料电池电堆（1）的内部温度；
步骤2，当燃料电池电堆（1）在低温环境中启动时，若监测的内部温度高于0℃，燃料电池电堆（1）正常启动；若内部温度低于0℃，电池控制器（4）控制燃料电池巡检仪（2）内部的开关单元开启，实现多片双极板（5）的串联或并联，此时燃料电池电堆（1）本身并不供应燃料和氧化剂而且不对外发电；
步骤3，电池控制器（4）控制锂电池组（3）通过燃料电池巡检仪（2）的通道和开关单元向双极板（5）通电；
步骤4，串联或并联的双极板（5）和锂电池组（3）构成一个加热回路，双极板（5）中流过电流并开始加热；
步骤5，当燃料电池电堆（1）内部温度高于0℃后，电池控制器（4）控制燃料电池巡检仪（2）内部的开关单元断开/闭合，燃料电池巡检仪（2）监测燃料电池电堆（1）电压，燃料电池电堆（1）开始按正常流程启动并进行正常放电工作。
3.根据权利要求2所述的快速冷启动方法，其特征在于，所述的燃料电池巡检仪（2）有两个，与燃料电池电堆（1）的每个双极板（5）的两接线端口独立连接。
4.根据权利要求2所述的快速冷启动方法，其特征在于，所述的燃料电池巡检仪（2）通过开关单元的开启/闭合状态的组合，实现燃料电池电堆（1）的双极板（5）在低温启动时的串联或并联。
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