CN109935866B - 一种用于液体燃料电池系统低温启动的方法 - Google Patents

一种用于液体燃料电池系统低温启动的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109935866B
CN109935866B CN201711372610.4A CN201711372610A CN109935866B CN 109935866 B CN109935866 B CN 109935866B CN 201711372610 A CN201711372610 A CN 201711372610A CN 109935866 B CN109935866 B CN 109935866B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
catalytic
inner cavity
heating
liquid fuel
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.)
Active
Application number
CN201711372610.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109935866A (zh
Inventor
孙海
麻胜南
孙公权
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 CN201711372610.4A priority Critical patent/CN109935866B/zh
Priority to EP18887054.7A priority patent/EP3624242A4/en
Priority to US16/621,354 priority patent/US11302939B2/en
Priority to PCT/CN2018/118058 priority patent/WO2019109844A1/zh
Publication of CN109935866A publication Critical patent/CN109935866A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109935866B publication Critical patent/CN109935866B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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

本发明属于液体燃料电池领域。本发明涉及一种液体燃料电池系统低温快速启动方法，其特征是采用甲醇、乙醇等有机小分子物质为燃料，在催化燃烧器中进行催化燃烧，燃烧产生的热直接或间接通过电堆加热室为电堆加热，和/或为系统内水热管理部件加热，从而实现液体燃料电池系统低温快速启动。与现有技术相比，本发明有利于液体燃料电池系统在低温下启动，提高液体燃料电池的低温环境适应性，拓展了其应用范围。

Description

一种用于液体燃料电池系统低温启动的方法
技术领域
本发明属于液体燃料电池领域。具体地说是一种液体燃料电池低温启动方法。通过有机燃料的催化燃烧，利用尾气对系统内部电堆、水热管理部件进行加热来实现液体燃料电池系统的低温启动，扩大其使用范围
背景技术
液体燃料电池是将液体燃料化学能转化为电能的一种化学反应装置。由于具有理论比能量密度高、系统简单等优点，该类电池在便携式移动电源领域具有广泛的应用前景。
作为移动电源，液体燃料电池除了要有较高的放电性能以外，还需具有良好的稳定性和环境适应性。在低温条件下，一方面电极反应活性较低，电池性能显著下降。另一方面，电池反应过程中会产生水，当环境温度低于0℃时，电池内保留的水会很快结冰，致使液体燃料电池通常难以启动。
US7901823公开了一种以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)低温启动方法。该方法设有两个相互独立的液体通道。在低温启动时，其中一个通道内的液体被外部加热设备加热。
US7122259公开了一种以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)低温启动方法。该方法采用干热气体通过氢气通道、氧气通道和冷却液通道，使冰受热融化实现PEMFC启动。
CN106992307A公开了一种燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，液体循环子系统使用去离子水。该液体循环子系统包括低温启动预热子系统，专利但并没有对低温启动预热子系统进一步说明。
在甲醇燃料电池方面，US2004003397公开了一种添加二甲氧甲烷防止甲醇燃料电池低温下溶液冷冻的方法。US20060112613公开了一种添加(OH)m-R1-R2-(OH)n防止甲醇燃料电池低温下溶液冷冻的方法，其中R1和R2为茚满或茚结构的自由基。US20100310954公开了一种添加单元醇或多元醇或惰性气体吹扫等防止溶液冷冻的方法。WO2012103537公开了一种低温环境下保持甲醇燃料电池不关机以维持电池系统内部温度从而防止溶液冷冻的方法。
综合来看，目前甲醇燃料电池系统的低温启动技术鲜有涉及。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于甲醇燃料电池系统低温启动方法。该方法可以直接采用甲醇、乙醇等有机小分子原料催化燃烧放热作为系统加热热源，具有原料易于保障、操作简便等优点。
为实现上述目的，本发明提供的甲醇燃料电池系统低温启动方法，电堆具有用于加热的内腔，有机燃料经过催化燃烧后产生的热尾气流经内腔为电堆加热。
所述内腔为下述结构中的任一一种或二种以上组合，
于电堆内部的一个以上的双极板内部设有中空的密闭内腔，内腔上设有气体进口和气体出口；
于一个或二个电堆端板内部设有中空的密闭内腔，内腔上设有气体进口和气体出口；
于电堆外部设有与电堆贴接的一个以上的导热板，导热板内设有中空的密闭内腔，内腔上设有气体进口和气体出口；
于电堆外部设有与电堆贴接的导热管，导热管内部的腔室即为热尾气流经内腔，其两端为气体进口和气体出口。
有机燃料经过催化燃烧模块产生的热可通过加热管路为液体燃料电池系统内部水热管理等部件加热；
催化燃烧模块包括催化燃烧器、燃料泵、气泵和电控。催化燃烧器包括燃烧室，燃烧室内设催化剂，燃烧室上设有与燃料泵相连的燃料入口，燃烧室上设有与气泵相连的空气入口，燃烧室上设有尾气出口。
于燃烧器上设有加热丝/加热片，利用外接电池对低温下的催化燃烧器加热，使其能够在低温下进行催化燃烧。
所述催化燃烧器采用的催化剂为贵金属催化剂、过渡金属氢化物催化剂、复氧化物催化剂中的一种。
所述电堆端板采用不锈钢、铝合金等材料。
本发明中的催化燃烧器在低温条件下可采用电加热丝将其加热至0℃以上，进而能够发生催化燃烧反应。亦可采用热电池用加热药点燃放热加热催化燃烧器至0℃以上发生催化燃烧反应。
所述催化燃烧器采用的催化剂之一(常用选择)为Pt/Al2O3。
本发明解决了现有技术中无法解决的液体燃料电池低温启动的问题，有利于液体燃料电池系统在低温下启动，提高液体燃料电池的低温环境适应性，拓展了其应用范围。
附图说明
图1为本发明涉及的燃料电池低温启动连接示意图。图中，1预热用电池；2加热丝或加热片；3催化燃烧气泵；4燃料泵；5燃料罐；6电控板；7气液分离器；8燃料电池电堆；9燃料电池气泵。
1是预热用电池，用于催化燃烧器预热提供电能。2是加热丝或加热片，用于将电能转化为催化燃烧器预热的热能。3是催化燃烧气泵，为催化燃烧器提供空气。4是燃料泵，为催化燃烧提供稳定流量的燃料。5是燃料罐，用于存储催化燃烧用燃料。6是电控板，用于执行器件供电并控制其运行。7是气液分离器，将阳极物料中的二氧化碳气体分离出来，将阴极物料中的水分离出来。同时稀释添加进来的高浓度燃料或者纯燃料。8是燃料电池电堆，将储存于燃料中的化学能直接转化为电能。9是燃料电池气泵，给电堆阴极输送空气。
图2为电堆双极板加热内腔示意图。图中，10阴极双极板；11双极板加热内腔；12气体进口；13阳极双极板；14气体出口；15阳极流场。
10是阴极双极板，一侧是为阴极提供反应物的阴极流场，一侧是为催化燃烧器的热气提供换热的流场。11是双极板加热流场，为催化燃烧器的热气提供换热的流场。12是气体进口，燃烧器的热气从此口进入双极板加热流场。13是阳极双极板，与阴极双极板组成带有加热腔的双极板组件，其上有阳极流畅，用于阳极反应物的运输；14气体出口，燃烧器的热气从此口离开双极板加热流场。15是阳极流场，阳极反应物运输的通道。
图3为催化燃烧器结构示意图。图中，14催化燃烧器入口；15催化燃烧器流场；16催化燃烧器出口。
14是催化燃烧器入口，用于连接催化燃烧气泵、燃料泵和催化燃烧器。15是催化燃烧器流场，用于填充催化剂、均匀分配流体。16是催化燃烧器出口，用于连接燃料电池电堆加热腔和催化燃烧器。
具体实施方式
实施例1
以直接甲醇燃料电池(DMFC)为例，按照图1方式连接各个部件。其中，1是预热用电池，用于催化燃烧器预热提供电能。2是加热丝或加热片，用于将电能转化为催化燃烧器预热的热能。3是催化燃烧气泵，为催化燃烧器提供空气。4是燃料泵，为催化燃烧提供稳定流量的燃料。5是燃料罐，用于存储催化燃烧用燃料。6是电控板，用于执行器件供电并控制其运行。7是气液分离器，将阳极物料中的二氧化碳气体分离出来，将阴极物料中的水分离出来。同时稀释添加进来的高浓度燃料或者纯燃料。8是燃料电池电堆，将储存于燃料中的化学能直接转化为电能。9是燃料电池气泵，给电堆阴极输送空气。10是阴极双极板，一侧是为阴极提供反应物的阴极流场，一侧是为催化燃烧器的热气提供换热的流场。11是双极板加热流场；于电堆内部的双极板上，双极板内部设有中空的密闭内腔(作为加热流场)，内腔上设有气体进口和气体出口，为催化燃烧器的热气提供换热的流场。12是气体进口，燃烧器的热气从此口进入双极板加热流场。13是阳极双极板，与阴极双极板组成带有加热腔的双极板组件，其上有阳极流畅，用于阳极反应物的运输；14气体出口，燃烧器的热气从此口离开双极板加热流场。15是阳极流场，阳极反应物运输的通道。14是催化燃烧器入口，用于连接催化燃烧气泵、燃料泵和催化燃烧器。15是催化燃烧器流场，用于填充催化剂、均匀分配流体。16是催化燃烧器出口，用于连接燃料电池电堆加热腔和催化燃烧器。
气泵可以选择YLKTECH公司DA50EE；燃料泵可以选择KNF公司的NF11；加热片可以选择12VDC，50W型号；锂电池可以选择3串6并18650磷酸铁锂组。燃料电池冷冻前，将系统内水溶液抽出，置换成多元醇的水溶液。冷冻完成后，闭合催化燃烧模块开关，系统自动进行催化燃烧器预热和启动，待燃料电池电堆温度到达30℃时，置换多元醇水溶液为水溶液并重复多次置换操作，保证多元醇含量低于1％，开启燃料电池开关即可实现低温启动。待燃料电池电堆温度到达60℃左右时，关闭催化燃烧模块。
实施例2
以直接甲醇燃料电池(DMFC)为例，按照图1和实施例1的方式连接各个部件。其中，气泵可以选择YLKTECH公司DA50EE；燃料泵可以选择KNF公司的NF11；加热片可以选择12VDC，50W型号；锂电池可以选择3串6并18650磷酸铁锂组。燃料电池冷冻前，将系统内水溶液抽出，用氮气对电堆进行吹扫，只留下少量水。冷冻完成后，闭合燃料电池系统开关并开启调试模式，只让液泵工作。闭合催化燃烧模块开关，系统自动进行催化燃烧器预热和启动，待燃料电池电堆温度到达30℃时，向系统内注入水溶液，开启燃料电池开关即可实现低温启动。待燃料电池电堆温度到达60℃左右时，关闭催化燃烧模块。
以上所述的实施例只是为更好地阐明本发明而给出的较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本方案范围内进行的细节、步骤、材料、部件的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种液体燃料电池系统低温启动方法，其特征在于：电堆具有用于加热的内腔，有机燃料经过催化燃烧后产生的热尾气流经内腔为电堆加热;
所述内腔为下述结构中的任一一种或二种以上组合，
于电堆内部的一个以上的双极板内部设有中空的密闭内腔，内腔上设有气体进口和气体出口；
于一个或二个电堆端板内部设有中空的密闭内腔，内腔上设有气体进口和气体出口；
于电堆外部设有与电堆贴接的一个以上的导热板，导热板内设有中空的密闭内腔，内腔上设有气体进口和气体出口；
于电堆外部设有与电堆贴接的导热管，导热管内部的腔室即为热尾气流经内腔，其两端为气体进口和气体出口；有机燃料经过催化燃烧模块产生的热通过加热管路为液体燃料电池系统内部水热管理部件加热；
催化燃烧模块包括催化燃烧器、燃料泵、气泵和电控；催化燃烧器包括燃烧室，燃烧室内设催化剂，燃烧室上设有与燃料泵相连的燃料入口，燃烧室上设有与气泵相连的空气入口，燃烧室上设有尾气出口；
于燃烧器上设有加热丝/加热片，利用外接电池对低温下的催化燃烧器加热，使其能够在低温下进行催化燃烧。
2.如权利要求1所述的低温启动方法，其特征在于：
所述催化燃烧器采用的催化剂为贵金属催化剂、过渡金属氢化物催化剂、复氧化物催化剂中的一种。
3.如权利要求1所述的低温启动方法，其特征在于：
所述电堆端板采用不锈钢、铝合金材料。
CN201711372610.4A 2017-12-04 2017-12-19 一种用于液体燃料电池系统低温启动的方法 Active CN109935866B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711372610.4A CN109935866B (zh) 2017-12-19 2017-12-19 一种用于液体燃料电池系统低温启动的方法
EP18887054.7A EP3624242A4 (en) 2017-12-04 2018-11-29 DEVICE FOR DIRECT LIQUID FUEL CELL POWER GENERATION
US16/621,354 US11302939B2 (en) 2017-12-04 2018-11-29 Direct liquid fuel cell power generation device
PCT/CN2018/118058 WO2019109844A1 (zh) 2017-12-04 2018-11-29 一种直接液体燃料电池发电装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711372610.4A CN109935866B (zh) 2017-12-19 2017-12-19 一种用于液体燃料电池系统低温启动的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109935866A CN109935866A (zh) 2019-06-25
CN109935866B true CN109935866B (zh) 2022-01-28

Family

ID=66983510

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711372610.4A Active CN109935866B (zh) 2017-12-04 2017-12-19 一种用于液体燃料电池系统低温启动的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109935866B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111342085A (zh) * 2020-02-20 2020-06-26 浙江锋源氢能科技有限公司 燃料电池低温冷启动组件、燃料电池控制系统及控制方法
CN114628748B (zh) * 2020-12-10 2023-12-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种广谱燃料电池电堆尾气处理系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6746789B1 (en) * 2000-06-13 2004-06-08 Hydrogenics Corporation Catalytic humidifier and heater for the fuel stream of a fuel cell
JP2005285403A (ja) * 2004-03-29 2005-10-13 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム及びその凍結防止方法
CN101997126A (zh) * 2009-08-21 2011-03-30 中国科学院大连化学物理研究所 用于以液体燃料进料的燃料电池系统的燃料浓度控制方法
CN103887545A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种高温液体燃料电池系统启动方法
CN105762382A (zh) * 2014-12-16 2016-07-13 中国科学院大连化学物理研究所 一种直接液体燃料电池系统长期存储后的启动方法
KR101666200B1 (ko) * 2015-12-22 2016-10-13 엘아이지넥스원 주식회사 저온 시동 직접 메탄올 연료전지 시스템

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7666539B2 (en) * 2003-06-27 2010-02-23 Ultracell Corporation Heat efficient portable fuel cell systems
JP2008257945A (ja) * 2007-04-03 2008-10-23 Hitachi Ltd 燃料電池の起動方法および燃料電池発電システム
CN104716370B (zh) * 2013-12-15 2017-01-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种高温液体燃料电池系统
CN104078693B (zh) * 2014-06-18 2016-06-22 华南理工大学 一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池
KR101655303B1 (ko) * 2014-12-31 2016-09-22 국방과학연구소 저온 구동 연료전지 시스템 및 그 구동방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6746789B1 (en) * 2000-06-13 2004-06-08 Hydrogenics Corporation Catalytic humidifier and heater for the fuel stream of a fuel cell
JP2005285403A (ja) * 2004-03-29 2005-10-13 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム及びその凍結防止方法
CN101997126A (zh) * 2009-08-21 2011-03-30 中国科学院大连化学物理研究所 用于以液体燃料进料的燃料电池系统的燃料浓度控制方法
CN103887545A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种高温液体燃料电池系统启动方法
CN105762382A (zh) * 2014-12-16 2016-07-13 中国科学院大连化学物理研究所 一种直接液体燃料电池系统长期存储后的启动方法
KR101666200B1 (ko) * 2015-12-22 2016-10-13 엘아이지넥스원 주식회사 저온 시동 직접 메탄올 연료전지 시스템

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
催化燃烧辅助供热的燃料电池低温启动过程;郑俊生 等;《同济大学学报（自然科学版）》;20130607;第41卷(第6期);第911-912页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109935866A (zh) 2019-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6727012B2 (en) Method and apparatus for generating hydrogen inside of a fuel cell
CN100379065C (zh) 可在低温环境下启动与运行的燃料电池发电系统
US11302939B2 (en) Direct liquid fuel cell power generation device
CN100459263C (zh) 燃料电池系统
EP1679758B1 (en) Burner assembly for a reformer of a fuel cell system
KR101009453B1 (ko) 열적 자립운전이 가능한 고체 산화물 연료전지 시스템
CN104106166B (zh) 利用高温燃料电池系统的再循环的方法和装置
EP2573045B1 (en) Burner reformer for fuel cell power generating system
CA2367134A1 (en) Method for cold-starting of a fuel cell battery, and a fuel cell battery which is suitable for this purpose
CN101356681B (zh) 燃料电池系统及操作方法
CN106887630B (zh) 高温燃料电池电堆及燃料电池系统和系统控制方法
CN101682065B (zh) 燃料电池系统及其运行方法
CN109935866B (zh) 一种用于液体燃料电池系统低温启动的方法
CN201238067Y (zh) 一种燃料电池电堆活化系统
US20070148528A1 (en) Fuel cell generating system
EP1808926B1 (en) Fuel Cell System
CN111326772B (zh) 一种基于广谱燃料的燃料电池系统及其运行方法
US8343678B2 (en) Fuel cell system to preheat fuel cell stack
US8883360B2 (en) Burner reformer for fuel cell power generating system
US20100112411A1 (en) Fuel cell system
CN115679346A (zh) 固体氧化物电解池系统及其温度自适应调节方法
KR102316741B1 (ko) 선박용 연료전지 시스템
KR102624449B1 (ko) 발열체에 의한 승온이 적용되는 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(sofc) 시스템, 및 이의 작동방법
KR102548739B1 (ko) 열효율이 우수한 연료전지 시스템
KR100818488B1 (ko) 연료 개질 방법과 개질기

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