CN109921066A - 一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109921066A
CN109921066A CN201711315725.XA CN201711315725A CN109921066A CN 109921066 A CN109921066 A CN 109921066A CN 201711315725 A CN201711315725 A CN 201711315725A CN 109921066 A CN109921066 A CN 109921066A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
temperature
low
oxygen
battery
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.)
Granted
Application number
CN201711315725.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN109921066B (zh
Inventor
俞红梅
裴昱
孙树成
郑利民
邵志刚
徐洪峰
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.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
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 Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN201711315725.XA priority Critical patent/CN109921066B/zh
Publication of CN109921066A publication Critical patent/CN109921066A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109921066B publication Critical patent/CN109921066B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • 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

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池零度以下的启动方法，确切的说是一种不依靠外加加热装置进行质子交换膜燃料电池低温启动的方法。电池在常温下停车后，利用氮气进行吹扫。之后采用均衡加载的方式对燃料电池进行加热从而使燃料电池能够达到正常启动温度。此方法能够使得质子交换膜燃料电池能在低温下启动成功，有利于质子交换膜燃料电池的实际应用。

Description

一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池低温启动的方法，具体的说就是一种不依靠外加加热装置进行的一种低温启动方法。该方法无需额外的加热装置，不但节省了燃料的消耗，而且减少了燃料电池操作成本，无需对燃料电池系统结构进行复杂化改造，从而推动了燃料电池的发展。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有结构简单、能量密度较高、可快速启动无污染，噪音低等优点，在车用电源方面有着广阔的前景。
虽然燃料电池电动汽车从概念设计到演示运行都已被证明是可行的，可其距离真正实用化尚有差距，这其中有很多的问题亟待解决。其中温度对于燃料电池影响就是一个相当大的挑战。根据质子交换膜燃料电池的工作原理可知电池阴极催化层既是电池电化学反应进行的场所，也是反应的产物水产生的场所。在低于0℃的环境中，水在电池阴极产生并向外传输，此时由于电池中的水会结冰，无法从电池内除去，而在电池内部产生堆积，如长时间积累可能损伤电池内部结构，导致电极内催化剂分层、扩散层的破损等，对电池的寿命和性能产生很大的影响。
现有的专利中涉及到此类问题的方法多为外部利用加热装置对电池升温，如美国专利NO6358638中利用少量的氢气混入空气中在阴极反应或者少量的空气混入氢气中在阳极反应放热；如中国专利201420163582.0中利用加热片优先加热电池入口和中间部位，并通过温控仪调节燃料电池的加热温度，加热片布局于印记短板一侧的气体入口和电池中部，随着燃料电池内部电化学反应的进行，反应的持续放热会使得电池内部持续升温，达到工作状态；如美国专利No.6756143B2中利用温暖的冷却水给燃料电池进行加热，可以保持这个体系的温度，可以使燃料电池系统在低温下启动。以上方法都是利用了附加装置或者需要气体混合设备或者加热设备，而附加设施的体积和造价无疑会对安装的需求以及可操作性产生很大的负面影响，从而影响燃料电池的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池低温以下的启动方法。通过本发明能实现燃料电池低温的平稳启动，且克服以上方法的缺点，既不需要增加额外的设备就可以实现启动。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法，当燃料电池处于-25～0℃条件下启动时，接通负载，采用均衡加载的方式为电池加热，燃料电池均衡加载方法为加载40～50S，停载10～20S，使得反应生成的水不会结冰；
当燃料电池温度达到0℃时，缓慢提高电流密度，电堆内部温度稳定后时，打开循环冷剂开关，电堆内温度随冷剂加入会有下降，然后回升，待电堆内部温度重新升高时视为燃料电池电堆完全启动成功。
所述的燃料电池在停车时，其阳极与阴极流场应采用N2进行吹扫；
应用上述方法的专用装置，其结构为每节的电池上都有阳极、气体所通过的流场以及气源；气源与流场管路相连接，管路上都设置有燃料控制阀，气体控制阀用来控制气体向燃料电池阳极供应；每节电池都有阴极、氧气通过的流场以及氧气源，氧气源与氧气流场管路相连，管路上设置有氧气控制阀，氧气控制阀用来控制向燃料电池的阴极供应氧气。
燃料电池直接与负载相连接；
在燃料电池上设置有测量每节电池电压的巡检线；
在燃料电池上设置有用于测量电池内部温度的热电偶；
在燃料电池上设置有电流传感器以及电压传感器；
所述氧气源应为高纯氧气或者空气；气源为纯氧气或富含氢气的气体；
循环冷剂为乙二醇与水混合。
燃料电池的低温能否启动成功，可以通过对燃料电池的比热容的测定计算出燃料电池的发热功率，如果燃料电池的发热功率大于燃料电池由低温升至0℃所需功率，则判断理论上燃料电池自启动可以进行；
比热容的测定方法为：
(1)对短堆，以及管路进行保温，
(2)测定循环水的流速进而确定循环水的质量，
(3)使用一定质量一定温度的循环水经过电池的水腔，在一定时间内测短堆的升温以及循环水的降温。
本发明具有如下优点
1.成本低，本发明不需要过多的外加设备，只需控制负载就可以实现实验操作。
2.在上述启动策略下，各节单池电压波动较小，温度上升速率基本一致，启动过程较平稳，利于电堆操作。
3.方法操作较为简易，只需要均衡加载即可实现燃料电池在-25～0℃的低温启动。
附图说明
图1为-10℃条件下的低温启动时间温度曲线
图2为-20℃条件下的低温启动时间温度曲线
图3为燃料电池电堆-10℃自启动的时间-温度曲线
具体实施方式
实施实例1
如图1所示，在-10℃条件下进行低温启动：
在低温环境中，先按常规方法关闭电池；在电池关闭后，在电池温度降低到冰点之前，将进气切换至干燥氮气通道，调节阴阳极两侧的压力平衡，均维持在0.1MPa，以除去这些部分残留的水分。当电池温度到达-10℃，利用负载对燃料电池进行均衡加载。
实施实例2
如图2所示，在-20℃条件下进行低温启动：
测出5节燃料电池电堆的比热容为2014J.kg-1K-1；
与燃料电池发热功率(1000W)进行比较计算，当电池需要升温时，当空气计量比为0.1Acm-2下的2.5倍时，Q＝(mCpN2+mCpO2)(T-Tenv)＝moutCp(T-Tenv),-20℃升温到0℃需要的总功率为688W，小于电池的发热功率1000W。说明理论上自启动可以进行。在低温环境中，先按常规方法关闭电池；在电池关闭后，在电池温度降低到冰点之前，将近期切换至干燥氮气通道，调节阴阳极两侧的压力平衡，均维持在0.1MPa，以除去这些部分残留的水分。当电池温度到达-20℃，利用负载对燃料电池进行均衡加载。
实施实例3
如图3.启动方案：实验条件参数设置，空气计量比：3，氢气计量比：2，加载方式：一个循环(加载50s，停载10s)，均衡加载直至电堆内部温度升至0℃以上；将电流密度缓慢加载至额定电流密度，电堆内部温度升至55℃以上时，打开循环冷剂开关，电堆内温度随冷剂加入会有下降，然后回升，待电堆内部温度重新升高至55℃时视为电堆完全启动成功。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法，其特征在于：当燃料电池处于-25～0℃条件下启动的同时，打开负载对燃料电池进行均衡加载；
当均衡加载直至燃料电池电堆内部温度升到0℃以上时，将电流密度缓慢加载，燃料电池电堆内部温度稳定后，打开循环冷剂开关，燃料电池电堆的温度随冷剂的加入会有所降低，之后回升，待燃料电池电堆温度重新上升时可以视为燃料电池电堆启动成功。
2.根据权利要求1所述的低温启动方法，其特征在于：-25～0℃启动时，燃料电池均衡加载方法为加载40～50S，停载10～20S，使得反应生成的水不会结冰。
3.根据权利要求1所述的低温启动方法，其特征在于：所述燃料电池为一个燃料电池组，每节的电池上都有阳极、气体所通过的流场以及气源；气源与流场管路相连接，管路上都设置有燃料控制阀，气体控制阀用来控制气体向燃料电池阳极供应；每节电池都有阴极、氧气通过的流场以及氧气源，氧气源与氧气流场管路连接，管路上设置有氧气控制阀，氧气控制阀用来控制向燃料电池的阴极供应氧气；
燃料电池直接与负载相连接；
在燃料电池上设置有测量每节电池电压的巡检线；
在燃料电池上设置有用于测量电池内部温度的温度传感器；
在燃料电池上设置有电流传感器以及电压传感器。
4.根据权利要求3所述低温启动方法，其特征在于：所述氧气源应为氧气或者空气；气源为纯氢气或富含氢气的气体。
5.根据权利要求1所述的低温启动方法，其特征在于：所述燃料电池电堆内部温度稳定是指燃料电池电堆温度升高至50℃以上即认为燃料单纯电堆内部温度稳定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的循环冷剂为乙二醇与水混合。
7.根据权利要求1所述的低温启动方法，其特征在于：所述燃料电池的低温能否启动成功，可以通过对燃料电池的比热容的测定计算出燃料电池的发热功率，如果燃料电池的发热功率大于燃料电池由低温升至0℃所需功率，则判断理论上燃料电池自启动可以进行；
其中，所述燃料电池电堆比热容的测定方法为：
(1)对短堆以及管路进行保温；
(2)测定循环水的流速进而确定循环水的质量；
(3)使用一定质量一定温度的循环水经过电池的水腔，在一定时间内测短堆的升温以及循环水的降温。
CN201711315725.XA 2017-12-12 2017-12-12 一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法 Active CN109921066B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711315725.XA CN109921066B (zh) 2017-12-12 2017-12-12 一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711315725.XA CN109921066B (zh) 2017-12-12 2017-12-12 一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109921066A true CN109921066A (zh) 2019-06-21
CN109921066B CN109921066B (zh) 2022-03-15

Family

ID=66957444

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711315725.XA Active CN109921066B (zh) 2017-12-12 2017-12-12 一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109921066B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110911715A (zh) * 2019-10-31 2020-03-24 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池堆冷启动方法
CN111769309A (zh) * 2020-06-23 2020-10-13 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池快速活化方法
CN112310438A (zh) * 2019-08-02 2021-02-02 上海汽车集团股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池系统低温自启动方法及装置
CN113285097A (zh) * 2021-05-13 2021-08-20 上海捷氢科技有限公司 一种燃料电池低温启动控制方法
CN113299946A (zh) * 2021-05-17 2021-08-24 北京格睿能源科技有限公司 燃料电池停机工况热管理方法及装置
CN116130707A (zh) * 2022-12-28 2023-05-16 上海氢晨新能源科技有限公司 燃料电池系统的控制方法、装置和燃料电池系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101051696A (zh) * 2007-05-14 2007-10-10 华南理工大学 自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统
CN101170187A (zh) * 2006-10-27 2008-04-30 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
US20080118788A1 (en) * 2006-11-22 2008-05-22 Gm Global Technology Operations, Inc. Supplemental coolant heating for fuel cells with metal plates
EP2645461A1 (de) * 2012-03-30 2013-10-02 Siemens Aktiengesellschaft Kühlkreislauf zum Kühlen einer elektrochemischen Zelle sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlkreislaufs
CN105390715A (zh) * 2015-11-04 2016-03-09 北京氢璞创能科技有限公司 一种低温冷启动燃料电池系统及利用方法
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
CN106340659A (zh) * 2016-08-31 2017-01-18 中国东方电气集团有限公司 能源供给系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101170187A (zh) * 2006-10-27 2008-04-30 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
US20080118788A1 (en) * 2006-11-22 2008-05-22 Gm Global Technology Operations, Inc. Supplemental coolant heating for fuel cells with metal plates
CN101051696A (zh) * 2007-05-14 2007-10-10 华南理工大学 自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统
EP2645461A1 (de) * 2012-03-30 2013-10-02 Siemens Aktiengesellschaft Kühlkreislauf zum Kühlen einer elektrochemischen Zelle sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlkreislaufs
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
CN105390715A (zh) * 2015-11-04 2016-03-09 北京氢璞创能科技有限公司 一种低温冷启动燃料电池系统及利用方法
CN106340659A (zh) * 2016-08-31 2017-01-18 中国东方电气集团有限公司 能源供给系统

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112310438A (zh) * 2019-08-02 2021-02-02 上海汽车集团股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池系统低温自启动方法及装置
CN110911715A (zh) * 2019-10-31 2020-03-24 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池堆冷启动方法
CN111769309A (zh) * 2020-06-23 2020-10-13 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池快速活化方法
CN113285097A (zh) * 2021-05-13 2021-08-20 上海捷氢科技有限公司 一种燃料电池低温启动控制方法
WO2022237522A1 (zh) * 2021-05-13 2022-11-17 上海捷氢科技股份有限公司 燃料电池低温启动控制方法
CN113299946A (zh) * 2021-05-17 2021-08-24 北京格睿能源科技有限公司 燃料电池停机工况热管理方法及装置
CN116130707A (zh) * 2022-12-28 2023-05-16 上海氢晨新能源科技有限公司 燃料电池系统的控制方法、装置和燃料电池系统
CN116130707B (zh) * 2022-12-28 2024-01-12 上海氢晨新能源科技有限公司 燃料电池系统的控制方法、装置和燃料电池系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN109921066B (zh) 2022-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109921066A (zh) 一种质子交换膜燃料电池的低温启动方法
CN105702979B (zh) 一种燃料电池电堆零度以下环境的启动方法
CN105390715B (zh) 一种低温冷启动燃料电池系统及利用方法
CN110414157A (zh) 质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法
CN110957503A (zh) 一种燃料电池低温启动的空气加热回流系统及控制方法
JP2003151601A (ja) 燃料電池システム及びその停止方法
CN102386430B (zh) 能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统
CN102496730A (zh) 一种燃料电池发电系统低温启动的热管理系统及其方法
CN105161741A (zh) 燃料电池的吹扫系统及其吹扫方法
JP2010186599A (ja) 燃料電池システムおよび該システムにおける始動時制御方法
CN109585882A (zh) 一种燃料电池零下启动方法及装置
CN108963301A (zh) 用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法和燃料电池发电系统
CN107492673B (zh) 一种冷启动分级预热的pem电堆及系统
CN103022540A (zh) 一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统
CN102769144A (zh) 一种燃料电池低温启动的空气加热系统及其控制方法
CN208423062U (zh) 一种一体化质子交换膜燃料电池车温控系统
KR20180068159A (ko) 연료전지 시스템
CN114171761A (zh) 一种质子交换膜燃料电池快速低温启动方法
CN206574800U (zh) 一种基于液态有机储氢的燃料电池冷启动系统
CN110534767A (zh) 一种质子交换膜燃料电池低温启动的方法
CN207558831U (zh) 一种热电制冷蓄热蓄冷电池
CN103022533A (zh) 供电装置
KR100802749B1 (ko) 차량용 연료전지 시스템
CN114122467B (zh) 一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置及供电方法
CN106450377B (zh) 燃料电池热电联产系统及其操作方法

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant