CN113571735A - 一种提高质子交换膜燃料电池效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高质子交换膜燃料电池效率的方法，属于燃料电池技术领域。它解决了现有系统启动反应慢，电堆工作温度范围较窄等技术问题。本提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的方法包括通过在燃料电池电堆外设置相变材料层，换热介质通过冷却系统冷却后进入燃料电池电堆，在燃料电池电堆内完成换热后进入相变材料层进行换热，在相变材料层中进行换热后的换热介质再次进入冷却系统进行冷却。本发明具有减少冷启动时间，缩小温度变化范围，提高系统寿命和稳定性等优点。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别是一种提高质子交换膜燃料电池效率的方法。
背景技术
燃料电池堆是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置，其电化学反应将生成热和谁，燃料化学能通过燃料电池堆转化的电能和热能约各占50％。燃料电池内部热平衡与水平衡紧密相连、互相影响，对燃料电池的性能、寿命和运行安全起着关键作用。
目前常压的燃料电池热管理，或称水热管理，主要是对电池内部换热介质流动和传热进行控制，保持电池的热平衡和水平衡。温度升高有利于提高电化学反应速度和质子在电解质膜内的传递速度，电池性能变好。质子交换膜燃料电池堆要求温度一般在65-77℃范围内工作，而且温度越恒定对整个体系越有利，为了提升整个电堆的系统效率，通常要对进气系统的气体在进入燃料电池前进行预热加湿。然而，尤其是在冬季零下环境中，其反应生成物水会因低温而冻结，造成燃料电池性能下降，无法启动。
电堆冷启动的升温方式主要可划分为两大类，即外部加热升温方式和内部升温方式。外部升温方式主要有：电加热器加热、电堆逆向加热、催化燃烧加热；电加热器加热是目前比较常用的一种方式，通过电加热器加热换热介质，加热的换热介质流入电堆的换热介质散热流道，对电堆进行加热。电堆逆向加热即向电堆添加反向电压，使电堆进入电解水或濒临电解水反应的状态，此状态下整个电堆为电加热器，迅速升温。催化燃烧加热是使氢气与氧气在催化燃烧器中燃料发热，利用燃烧后的高热气体加热电堆组件。
内部升温方式主要有：控制电堆输出特质自升温、通过反应物饥饿自升温、通过向电堆内通入反应气体混合物自升温；通过控制电堆输出特质，实现自升温的方法可分为恒电流法和恒电压法，该类方法具有更佳的节能效果，因而被丰田的Mirai车型所采用。但是该方法的弊端在于，一旦氢气的供给量计算失误，将会导致电堆烧毁，或更加严重的事故。通过反应物饥饿自升温的原理是，反应物饥饿时，电极上将产生很高的过电位，导致内阻引起的内部发热增加。通过向电堆内通入反应气体混合物自升温是将少量燃料气体混入阴极供气端一起供入电堆内部，送入阴极的混合气体经催化层催化反应后的能量全部转化为热量，使电堆迅速升温。但是该方法会导致空气中的氮气及其他物资在阳极堆积，不适用于以空气为主要反应物的车载燃料电池系统。
从实际运行情况来看，目前国内在低温启动方面的技术称不上很好，只能说勉强“够用”，比如一家燃料电池系统企业配套的公交车在北方运行，冷启动方面问题不大，冬季车辆停机吹扫大致需要几分钟，启动时加热需要10-15分钟的加热时间。当然也有技术能力不错的企业表示能够在8分钟左右完成加热。尽管如此，冷启动预热时间仍然比较长，仍无法实现一键启动，因此，设计出一种提高质子交换膜燃料电池效率的方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种提高质子交换膜燃料电池效率的方法，解决了现有系统启动反应慢，电堆工作温度范围较窄等问题。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的方法包括通过在燃料电池电堆外设置相变材料层，换热介质通过冷却系统冷却后进入燃料电池电堆，在燃料电池电堆内完成换热后进入相变材料层进行换热，在相变材料层中进行换热后的换热介质再次进入冷却系统进行冷却。
采用以上方法，相变材料层起到热缓冲的作用，当天气极度寒冷时，相变材料层释放潜热维持燃料电池电堆内部温度恒定，减少冷启动时间，缩小温度变化范围，提高系统寿命和稳定性；换热介质进入相变材料层进行充热，维持热的状态；换热介质从相变材料层出来后，仍然有较高的温度进入冷却系统，与冷却系统内的流体进行换热，或者直接进入终端散热片，直接排入车内；这在冬季的时候，可提升冬季车内温度，在夏季的时候虽然会提升车内温度，但由于先经过了相变材料层的吸热，热量有所降低，仍可降低空调耗能，提升系统效率。
所述的相变材料层内部呈复合蜂窝结构，复合蜂窝结构采用铜材质，可以起到增强换热作用。
所述的复合蜂窝结构内设置有相变材料。
所述的相变材料采用焦磷酸钠，也可采用八水氢氧化钡或者熔点介于70-78℃之间的石蜡。
所述的相变材料层表面具有相变材料保温绝热层。
所述的相变材料保温绝热层采用STP超薄保温绝热板，也可采用VIP真空绝热板。
所述的相变材料层与燃料电池电堆之间具有相变材料导热层，相变材料导热层与燃料电池电堆的端板相抵靠，相变材料导热层采用电子导热胶。
所述的相变材料层内布置有导热管，导热管采用紫铜材质，导热管内具有能进行换热的换热介质。
所述的换热介质采用水，也可以为低沸点介质，比如冷冻液。
所述的冷却系统采用板式换热器，板式换热器具有一次侧入口、一次侧出口、二次侧入口和二次侧出口，一次侧入口为经相变材料层换热后，一次侧换热介质进入板式换热器的入口；一次侧出口为一次侧换热介质经板式换热器换热后，回流电堆的出口；二次侧入口为二次侧换热介质的入口；二次侧出口为二次侧换热介质的出口。
采用以上结构，一次侧换热介质经相变材料层换热后由一次侧入口进入板式换热器，经与二次侧进行换热后，由一次侧出口处回流入燃料电池电堆重新进行换热，二次侧由二次侧入口进入冷却系统与一次侧换热后，由二次侧出口出，进入末端(比如散热片)进行散热，在冬季使用时，散出的热量可以提升车内温度，降低空调耗能。
现有国内外技术中，燃料电池电堆系统仅是将自身产生的热量通过冷却液散发掉，一方面不利于系统能效的提升，另一方面温度波动大，对系统会造成一定的冲击。本方案添加相变材料层后，可以起到有效控温，预热的作用，这在寒冷的冬季效果更加明显。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过添加相变材料层后，可以起到有效控温，预热的作用，从而达到减少冷启动时间，缩小温度变化范围，提高系统寿命和稳定性。
2、换热介质从相变材料层出来后，仍然有较高的温度进入冷却系统，与冷却系统内的流体进行换热，或者直接进入终端散热片，直接排入车内；这在冬季的时候，可提升冬季车内温度，在夏季的时候虽然会提升车内温度，但由于先经过了相变材料层的吸热，热量有所降低，仍可降低空调耗能，提升系统效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的相变材料层的结构示意图。
图3是本发明的板式换热器的结构示意图。
图4是本发明的相变材料吸热控温原理示意图。
图中，1、燃料电池电堆；2、相变材料层；3、冷却系统；4、复合蜂窝结构；5、相变材料；6、相变材料保温绝热层；7、相变材料导热层；8、端板；9、导热管；10、一次侧入口；11、一次侧出口；12、二次侧入口；13、二次侧出口。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1-4所示，本提高质子交换膜燃料电池效率的方法，在本实施例中，方法包括通过在燃料电池电堆1外设置相变材料层2，换热介质通过冷却系统3冷却后进入燃料电池电堆1，在燃料电池电堆1内完成换热后进入相变材料层2进行换热，在相变材料层2中进行换热后的换热介质再次进入冷却系统3进行冷却。
采用以上方法，相变材料层2起到热缓冲的作用，当天气极度寒冷时，相变材料层2释放潜热维持燃料电池电堆1内部温度恒定，减少冷启动时间，缩小温度变化范围，提高系统寿命和稳定性；换热介质进入相变材料层2进行充热，维持热的状态；换热介质从相变材料层2出来后，仍然有较高的温度进入冷却系统3，与冷却系统3内的流体进行换热，或者直接进入终端散热片，直接排入车内；这在冬季的时候，可提升冬季车内温度，在夏季的时候虽然会提升车内温度，但由于先经过了相变材料层2的吸热，热量有所降低，仍可降低空调耗能，提升系统效率。
相变材料层2内部呈复合蜂窝结构4，复合蜂窝结构4采用铜材质，可以起到增强换热作用。
复合蜂窝结构4内设置有相变材料5。
相变材料5采用焦磷酸钠，也可采用八水氢氧化钡或者熔点介于70-78℃之间的石蜡。
在本实施例中，以八水氢氧化钡为例，其相变温度为78℃，如图4所示，横坐标为时间，纵坐标为温度，曲线为材料的相变步冷曲线，左边曲线出现的一个恒定温度的平台，材料发生相变吸热，右侧的平台，为材料水冷时的凝固相变温度。在燃料电池电堆1系统中，冷却液从燃料电池电堆1吸热后，热源温度通常会超过80℃，足以使相变层吸热，当燃料电池电堆1停止工作时，相变材料5在空气中缓慢单向朝电堆释放热量，维持电堆的最佳运行温度。同时冷却液经相变层吸热后，末端散热的用电功率将会降低，提升系统的效率，散出的热量在冬季仍然可以一定程度上提高车内的空气温度。综上两点，在冬季可以有效降低冷启动时间，提高燃料电池电堆1热稳定性。
相变材料层2表面具有相变材料保温绝热层6。
相变材料保温绝热层6采用STP超薄保温绝热板，也可采用VIP真空绝热板。
相变材料层2与燃料电池电堆1之间具有相变材料导热层7，相变材料导热层7与燃料电池电堆1的端板8相抵靠，相变材料导热层7采用电子导热胶。
相变材料层2内布置有导热管9，导热管9采用紫铜材质，导热管9内具有能进行换热的换热介质。
换热介质采用水，也可以为低沸点介质，比如冷冻液。
冷却系统3采用板式换热器，板式换热器具有一次侧入口10、一次侧出口11、二次侧入口12和二次侧出口13，一次侧入口10为经相变材料层2换热后，一次侧换热介质进入板换的入口；一次侧出口11为一次侧换热介质经板换换热后，回流电堆的出口；二次侧入口12为二次侧换热介质的入口；二次侧出口13为二次侧换热介质的出口。
采用以上结构，一次侧换热介质经相变材料层2换热后由一次侧入口10进入板式换热器，经与二次侧进行换热后，由一次侧出口11处回流入燃料电池电堆1重新进行换热，二次侧由二次侧入口12进入冷却系统3与一次侧换热后，由二次侧出口13出，进入末端(比如散热片)进行散热，在冬季使用时，散出的热量可以提升车内温度，降低空调耗能。
现有国内外技术中，燃料电池电堆1系统仅是将自身产生的热量通过冷却液散发掉，一方面不利于系统能效的提升，另一方面温度波动大，对系统会造成一定的冲击。本方案添加相变材料层2后，可以起到有效控温，预热的作用，这在寒冷的冬季效果更加明显。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的方法包括通过在燃料电池电堆(1)外设置相变材料层(2)，换热介质通过冷却系统(3)冷却后进入燃料电池电堆(1)，在燃料电池电堆(1)内完成换热后进入相变材料层(2)进行换热，在相变材料层(2)中进行换热后的换热介质再次进入冷却系统(3)进行冷却。
2.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的相变材料层(2)内部呈复合蜂窝结构(4)，复合蜂窝结构(4)采用铜材质。
3.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的复合蜂窝结构(4)内设置有相变材料(5)。
4.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的相变材料(5)采用焦磷酸钠。
5.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的相变材料层(2)表面具有相变材料保温绝热层(6)。
6.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的相变材料保温绝热层(6)采用STP超薄保温绝热板。
7.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的相变材料层(2)与燃料电池电堆(1)之间具有相变材料导热层(7)，相变材料导热层(7)与燃料电池电堆(1)的端板(8)相抵靠，相变材料导热层(7)采用电子导热胶。
8.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的相变材料层(2)内布置有导热管(9)，导热管(9)采用紫铜材质，导热管(9)内具有能进行换热的换热介质。
9.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的换热介质采用水。
10.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池效率的方法，其特征在于，所述的冷却系统(3)采用板式换热器，板式换热器具有一次侧入口(10)、一次侧出口(11)、二次侧入口(12)和二次侧出口(13)，一次侧入口(10)为经相变材料层(2)换热后，一次侧换热介质进入板式换热器的入口；一次侧出口(11)为一次侧换热介质经板式换热器换热后，回流电堆的出口；二次侧入口(12)为二次侧换热介质的入口；二次侧出口(13)为二次侧换热介质的出口。
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