CN110808388B - 一种自增湿燃料电池电堆无损启动系统及方法 - Google Patents

一种自增湿燃料电池电堆无损启动系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自增湿燃料电池电堆无损启动系统，包括氢气瓶、进口管路、出口管路及增湿回流管路，所述氢气瓶与进口管路的入口连通，进口管路的出口与燃料电池的氢气入口连接，燃料电池的氢气出口与出口管路的入口连接，出口管路与增湿回流管路的入口连通，增湿回流管路的出口与进口管路连通；在增湿回流管路上配置有氢气循环泵和气水分离器，气水分离器内装有去离子水，去离子水的液面高度高于进入气水分离器的入口高度。本发明还提供了一种自增湿燃料电池电堆无损启动方法。本发明的有益效果为：本发明加湿氢气，可在自增湿燃料电池电堆启动前降低电堆的内阻，实现在自增湿燃料电池电堆无损启动并正常运行。

Description

一种自增湿燃料电池电堆无损启动系统及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种自增湿燃料电池系统无损启动方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是将燃料中含有的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有操作温度低、电流密度大、启动速度快、适用于交通运输等非连续操作的优点。燃料电池的水管理问题被认为是PEMFC运行过程中的关键问题之一。燃料电池的质子交换膜在工作状态必须含有足够的水分，水对电池性能的强烈影响是由全氟磺酸(PFSA)膜的质子电导率依赖于其含水量引起的。膜的质子电导率随离聚物水化程度的增加而增加，这也是低相对湿度(RH)时氧还原反应(ORR)动力学降低的原因。因此，适当的气体加湿，可使质子交换膜能展现出较高的质子传导能力，燃料电池电堆也能极大地发挥出其高的能量转换效率。
然而，燃料电池未充分加湿时质子交换膜处于干燥状态，膜的质子传导能力会大大降低，严重时会降低电堆的性能，导致不可逆的电压损失；过分加湿时燃料电池中的水太多则会导致水淹，膜电极被淹没，导致气体无法进入催化层，阻碍了电池反应的进行。上述两种状态均会导致燃料电池电堆难以正常启动。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种自增湿燃料电池系统无损启动方法。
本发明采用的技术方案为：一种自增湿燃料电池电堆无损启动系统，包括氢气瓶、进口管路、出口管路及增湿回流管路，所述氢气瓶与进口管路的入口连通，进口管路的出口与燃料电池的氢气入口连接，燃料电池的氢气出口与出口管路的入口连接，出口管路与增湿回流管路的入口连通，增湿回流管路的出口与进口管路连通；在增湿回流管路上配置有氢气循环泵和气水分离器，气水分离器内装有去离子水，去离子水的液面高度高于进入气水分离器的入口高度。
按上述方案，在进口管路的出口处及出口管路的入口处分别配置有用于检测管路内流体温度及压力的传感器。
按上述方案，所述气水分离器内设有用于加热去离子水的加热套。
按上述方案，所述气水分离器的底部通过管路连接有储水装置，储水装置与外设管路连通，外设管路上配置有阀门。
按上述方案，所述进口管路上配置有比例阀和减压阀。
本发明还提供了一种自增湿燃料电池电堆无损启动方法，包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述无损启动系统并装配；
步骤二、向气水分离器中注入去离子水，保证去离子水的液面高度高于进入气水分离器的入口高度；
步骤三、燃料电池电堆引出外电路，外电路安装电阻仪，记录燃料电池电堆的初始内阻；
步骤四、打开各管路阀门，启动所述无损启动系统；
步骤五、调节氢气进气压力；
步骤六、调节氢气循环泵的转速，在氮气条件下对电堆进行循环加湿；
步骤七、循环加湿一段时间后，记录在不同时间下燃料电堆的内阻值；当电阻仪显示的当前示数不超过燃料电池电堆电阻的30％时，燃料电池电堆可实现无损启动。
按上述方案，在步骤二中，利用加热套加热，使去离子水的温度控制在20-70℃的范围内，且不高于燃料电池电堆的运行温度；
按上述方案，在步骤一中，所述无损启动系统装配完成后，利用氮气对所述无损启动系统进行检漏：对连接好的氢气系统采用氮气在100～150kPa的气体压力下对线路进行检漏。
按上述方案，在步骤五中，氢气进气压力控制在20-50kPa的范围内。
按上述方案，步骤六、调节氢气循环泵的转速为400-3000r/min。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所述自增湿燃料电池电堆无损启动系统及方法利用氢气循环泵和气水分离器内的去离子水加湿氢气，可在自增湿燃料电池电堆启动前降低电堆的内阻，实现在自增湿燃料电池电堆无损启动并正常运行。
(2)本发明所述无损启动系统不增加额外的辅助部件，不会增加系统的体积功率密度，保证了该系统较高的可操作性。
(3)本发明所述无损启动系统采用加湿和气水分离两用的气水分离器，既能在正常运行阶段起到分离液态水的作用，也能在自增湿燃料电池系统中增加循环气体的湿度。
附图说明
图1为本发明中自增湿氢气循环系统的示意图。
图2为实施例1中燃料电池电堆内阻随时间的变化曲线图。
图3为实施例2中燃料电池电堆内阻随时间的变化曲线图。
其中：1、氢气瓶；2、进口管路；3、出口管路；4、增湿回流管路；5、氢气循环泵；6、气水分离器；7、燃料电池电堆；8、传感器；9、单向阀；10、比例阀；11、减压阀；12、第一电磁阀；13、第二电磁阀；14、第三电磁阀；15、第四电磁阀。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种自增湿燃料电池电堆无损启动系统，包括氢气瓶1、进口管路2、出口管路3及增湿回流管路4，所述氢气瓶1与进口管路2的入口连通，进口管路2的出口与燃料电池的氢气入口连接，燃料电池的氢气出口与出口管路3的入口连接，出口管路3与增湿回流管路4的入口连通，增湿回流管路4的出口与进口管路2连通；在增湿回流管路4上配置有氢气循环泵5和气水分离器6，气水分离器6内装有去离子水，去离子水的液面高度高于进入气水分离器6的入口高度，以增湿管路内的气体经过去离子水加湿。本实施例中，装有去离子水的气水分离器6同时起到增湿和分离的作用。
优选地，在进口管路2的出口处及出口管路3的入口处分别配置有用于检测管路内流体温度及压力的传感器8。
优选地，所述气水分离器6内设有用于加热去离子水的加热套。
优选地，所述气水分离器6的底部通过管道连接有一储水装置，储水装置与外设管路连通，外设管路上配置有第五电磁阀；通过控制第五电磁阀，可调节气水分离器内去离子水的液面高度，既可加湿循环气，又可分离液态水。
优选地，所述增湿回流管路4上配置有单向阀9，沿流体流动方向，单向阀9、气水分离器6和氢气循环泵5依次安装于增湿回流管路4上。
本发明中，在进口管路2上沿流体流动方向依次配置有第一电磁阀12、减压阀11、比例阀10和第二电磁阀13；所述增湿回流管路4与进口管路2的连接点位于比例阀10和第二电磁阀13之间(增湿回流管路4通过三通接头与进口管路2连通)。在出口管路3上沿流体流动方向依次配置有第三电磁阀14和第四电磁阀15，所述增湿回流管路4与出口管路3的连接点位于第三电磁阀14和第四电磁阀15之间(增湿回流管路4通过三通接头与出口管路3相连)。
本发明中，所使用的自增湿燃料电池电堆7的双极板为金属双极板，由100-200个单电池组成。
一种自增湿燃料电池电堆无损启动方法，包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述无损启动系统并装配；并利用氮气对所述无损启动系统进行检漏：对连接好的氢气系统采用氮气在100～150kPa的气体压力下对线路进行检漏，在不泄露的条件下调到初始状态以进行后续步骤。
步骤二、向气水分离器6中注入去离子水，保证去离子水的液面高度高于进入气水分离器6的入口高度；并利用加热套加热，使去离子水的温度控制在20-70℃的范围内，且不高于燃料电池电堆7的运行温度；
步骤三、燃料电池电堆7引出外电路，外电路安装电阻仪，记录燃料电池电堆7的初始内阻；
步骤四、打开管路阀门，启动所述无损启动系统；本发明中的第四电磁阀15一般情况下是关闭的，仅在泄压和正常发电时间断性的排水才会打开，自增湿时是关闭的；
步骤五、利用比例阀10调节氢气进气压力，使其控制在20-50kPa的范围内；
步骤六、调节氢气循环泵5的转速为400-3000r/min，在氮气条件下(采用氮气检漏)对电堆进行循环加湿；
步骤七、循环加湿一段时间后(一般为5-20min)，记录在不同时间下燃料电堆的内阻值；当电阻仪显示的当前示数不超过燃料电池电堆7电阻的30％时，燃料电池电堆7达到无损启动的标准。
本发明中，自增湿燃料电池电堆7的初始内阻为800-1500mΩ，加湿后燃料电池电堆7的内阻为100-300mΩ，电堆内阻降低幅度为＞75％；且利用本发明所述系统加湿后燃料电池电堆7的内阻低于能够自启动的相对湿度60％空气加湿后的内阻。
实施例1
一种自增湿燃料电池电堆7无损启动方法，包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述无损启动系统并装配；
步骤二、向气水分离器6中注入去离子水，保证去离子水的液面高度高于进入气水分离器6的入口高度；并利用加热套加热，使去离子水的温度控制在20-70℃的范围内，且不高于燃料电池电堆7的运行温度；
利用氮气对所述无损启动系统进行检漏：对连接好的氢气系统采用氮气在100～150kPa的气体压力下对线路进行检漏，在不泄露的条件下调到初始状态以进行后续步骤。
步骤三、燃料电池电堆7引出外电路，外电路安装电阻仪，测得该燃料电池电堆7的初始内阻为1108mΩ；
步骤四、打开各管路阀门，启动所述无损启动系统；
步骤五、利用比例阀10调节氢气进气压力，使其控制在20的范围内；
步骤六、调节氢气循环泵5的转速为600r/min，在氮气条件下对电堆进行循环加湿；
步骤七、循环加湿同时开始计时，记录在不同时间下燃料电堆的内阻值，直至加湿时长达到20min。
经过20min的循环加湿后，燃料电池电堆7的内阻从1108mΩ降低到270mΩ，内阻下降率为75.6％；而且明显观察到电堆内阻下降速率随着时间的延长而下降，前5min电堆内阻就已经下降了53.8％，所以该方法能显著降低电堆内阻，达到无损启动电堆的目的。
实施例2
采用与实施例1相同的实验处理方法，除以下设置：该燃料电池电堆7的初始内阻为1162mΩ；氢气循环泵5的转速为2000r/min。
如图3所示，20min的循环加湿后燃料电池电堆7的内阻从1162mΩ降低到246mΩ，内阻下降率为78.2％，低于60％的利用空气加湿后电堆的内阻值(<300mΩ)，前5min电堆内阻已下降了62.4％。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自增湿燃料电池电堆无损启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、提供无损启动系统并装配；所述无损启动系统包括氢气瓶、进口管路、出口管路及增湿回流管路，所述氢气瓶与进口管路的入口连通，进口管路的出口与燃料电池电堆的氢气入口连接，燃料电池电堆的氢气出口与出口管路的入口连接，出口管路与增湿回流管路的入口连通，增湿回流管路的出口与进口管路连通；在增湿回流管路上配置有氢气循环泵和气水分离器；并利用氮气对所述无损启动系统进行检漏；
步骤二、向气水分离器中注入去离子水，保证去离子水的液面高度高于进入气水分离器的入口高度；
步骤三、燃料电池电堆引出外电路，外电路安装电阻仪，记录燃料电池电堆的初始内阻；
步骤四、打开各管路阀门，启动所述无损启动系统；
步骤五、调节氢气进气压力；
步骤六、调节氢气循环泵的转速，在氮气条件下对电堆进行循环加湿；
步骤七、循环加湿一段时间后，记录在不同时间下燃料电池电堆的内阻值；当电阻仪显示的当前示数不超过燃料电池电堆初始内阻的30％时，燃料电池电堆无损启动。
2.如权利要求1所述的自增湿燃料电池电堆无损启动方法，其特征在于，在步骤二中，利用加热套加热，使去离子水的温度控制在20-70℃的范围内，且不高于燃料电池电堆的运行温度。
3.如权利要求1所述的自增湿燃料电池电堆无损启动方法，其特征在于，在步骤一中，采用氮气在100～150kPa的气体压力下对所述无损启动系统进行检漏。
4.如权利要求1所述的自增湿燃料电池电堆无损启动方法，其特征在于，在步骤五中，氢气进气压力控制在20-50kPa的范围内。
5.如权利要求1所述的自增湿燃料电池电堆无损启动方法，其特征在于，步骤六、调节氢气循环泵的转速为400-3000r/min。
6.如权利要求1所述的自增湿燃料电池电堆无损启动方法，其特征在于，在进口管路的出口处及出口管路的入口处分别配置有用于检测管路内流体温度及压力的传感器。
7.如权利要求1所述的自增湿燃料电池电堆无损启动方法，其特征在于，所述气水分离器内设有用于加热去离子水的加热套。
8.如权利要求1所述的自增湿燃料电池电堆无损启动方法，其特征在于，所述气水分离器的底部通过管路连接有储水装置，储水装置与外设管路连通，外设管路上配置有阀门。
9.如权利要求1所述的自增湿燃料电池电堆无损启动方法，其特征在于，所述进口管路上配置有比例阀和减压阀。
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