CN115548383A - 一种醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，包括：燃料存储组件、醇水混合组件、循环组件、防护组件、甲醇燃料电池电堆、调控组件，燃料存储组件用于存储醇类燃料，醇水混合组件用于混合醇燃料和回收的废液，并输出醇水混合物溶液；循环组件用于输送各种反应物以及生成物，给生成物降温分离；保护组件包括温度保护罩、稳定器；温度保护罩用于系统保温；稳定器用于在燃料电池系统颠簸、倾斜时，保证醇水混合器保持竖直状态；调控组件用于采集控制信号并控制醇燃料是否进入醇水混合器；该系统贮存时，不必耗能发热维持温度的前提下，控制系统内甲醇溶液的浓度，保证系统内的液体在低温下高于自身冰点，不被冻结，低碳环保。

Description

一种醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统及方法
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统及方法。
背景技术
目前，醇类燃料电池（可以是甲醇、乙醇等为燃料）的低温环境下快速冷启动、低温下停机贮存的难题。冷启动与停机冷保护问题是决定燃料电池车能否在高寒地区应用的重要技术瓶颈。
以常见的直接甲醇燃料电池（DMFC）为例，直接甲醇燃料电池是以质子交换膜为电解质，以甲醇为燃料的一种新型燃料电池。它直接将甲醇能作为燃料通过电化学反应产生电能。DMFC工作时，甲醇和水的混合物进入燃料电池阳极，在催化剂的作用下发生氧化反应生成二氧化碳，并释放出电子和质子。其中质子经质子交换膜迁移至阴极区，电子经外电路做功后到达阴极区。在阴极区，电子和质子与氧气（或空气）在阴极催化剂的作用下发生电化学还原反应生成水。直接甲醇燃料电池属于液体燃料电池，其中阳极燃料不能直接使用甲醇，需将其用水稀释后才可进入电堆使用，因此甲醇燃料电池系统电堆及内部流道中含有大量水分，所以，目前直接甲醇燃料电池系统一般不能放置于零下环境中进行储存。当温度过低时，系统内部热量散失快，难以保证最佳的工作温度，导致电堆电压大幅度下降，利用率低或无法正常工作。
现有技术中，针对直接甲醇燃料电池的低温工作，大部分研究着重于甲醇燃料电池系统的低温启动性能，研究方向多是系统的内部改进，主要包括两大方向：
一是开发新型燃料介质，将其添加至直接甲醇燃料电池系统的燃料中，降低混合溶液的冰点，防止内部液体发生凝固(美国Odgaard专利2010/0310954 US20100310954A1Method for frost protection in a direct methanol fuel cell)；例如通过添加冰点抑制剂可以避免甲醇溶液在低温-40℃下发生凝固，目前该技术的操作方法是在低温贮存前预先加入冰点抑制剂，但所使用的冰点抑制剂在燃料中均会参与反应，影响系统性能，所以在低温贮存后，使用常规缓冲溶液替换掉系统中带冰点抑制剂的溶液，并用惰性气体清洗，才能进行系统启动，否则会对系统性能产生不可恢复的影响，该方法操作复杂，费时费力，使用要求严格，难以满足大批量或紧急状况下使用。二是保证直接甲醇燃料电池系统在低温下不被冻结。通常是在直接甲醇燃料电池系统外安装保温或蓄热装置。这种方法虽然可以保证直接甲醇燃料电池的低温运行，但无法保证燃料电池低温贮存问题，因为在低温存储阶段，在热量持续散失又没有热源的情况下，产品内的水分仍会逐渐凝固，导致燃料电池无法启动。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足。在贮存时不必通过耗能发热来维持系统温度的前提下，控制系统内甲醇溶液的浓度，保证系统内的液体在低温下不被冻结，使得停机时不必保温，从而减少能耗，低碳环保。其次，在启动时，直接甲醇燃料电池电堆可以快速高效地升温，达到工作温度，实现快速冷启动。最后，在停机时，将电堆内的大部分水分排出，避免结冰过多，损伤内部结构。最后，系统具有控制系统内溶液浓度的功能，实现低温下存储不结冰。
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，包括：燃料存储组件、醇水混合组件、循环组件、防护组件、甲醇燃料电池电堆、调控组件，其特征在于：
燃料存储组件用于存储醇类燃料，其包括至少一个甲醇燃料桶，所述甲醇燃料桶至少有一个出口用于连接管路并向外输出燃料；
醇水混合组件用于混合醇燃料和回收的废液，废液主要是水分，并输出醇水混合物溶液；其包括至少一个的醇水混合器，醇水混合器拥有废物回收进口、燃料进口和燃料出口；
循环组件用于输送各种反应物以及生成物，给生成物降温分离，回收利用有用组分，排出无用组分；
保护组件包括温度保护罩、稳定器；温度保护罩用于系统保温；稳定器用于在燃料电池系统颠簸、倾斜时，保证醇水混合器保持竖直状态；
调控组件用于采集控制信号并控制醇燃料是否进入醇水混合器；
进一步地，循环组件包括第一液泵、第二液泵、第一电磁阀、第二电磁阀、管路、空压机、散热器、气液分离器；
第一液泵用于将甲醇燃料桶内燃料供给至醇水混合器的入口；
第二液泵用于将醇水混合器内的醇溶液供给至给甲醇燃料电池电堆的阳极；
第一电磁阀控制甲醇燃料桶到第一液泵管路流道的开闭；
第二电磁阀可控制醇水混合器的出口到第二液泵管路流道的开闭；
空压机用于向甲醇燃料电池电堆阴极输送反应物空气；
散热器用于给甲醇燃料电池电堆排出的尾气降温。
气液分离器用于分离降温后的状态为气液混合物的尾气，并将废气排出燃料电池系统，液体回收到醇水混合器中。
进一步地，调控组件包括控制器、自加热电池、电堆温度检测装置、自加热电池温度检测装置、电线、浓度检测装置、醇水混合器的液位监测装置、第一加热器、第二加热器；
电堆温度检测装置用于检测甲醇燃料电池电堆的温度，并通过电线将温度信号传给控制器；
自加热电池温度检测装置用于检测自加热电池的温度，并通过电线将温度信号传递给控制器；
浓度检测装置用于检测醇水混合器内的浓度，并通过电线将浓度信号传递给控制器；
液位监测装置用于监测醇水混合器内的液位高度，并通过电线将液位信号传递给控制器；
第一加热器用于加热甲醇燃料电池电堆；
第二加热器用于加热甲醇燃料电池电堆的阴极反应物空气；
所述控制器用于接收冷启动指令，根据所述自加热电池的温度控制所述自加热电池进行自加热状态或输出电能状态；根据所述燃料电池的温度，控制所述自加热电池向所述第一加热器、第二加热器提供电能；
所述控制器根据所述醇水混合器的液位和浓度信号控制醇燃料进入醇水混合器或停止醇燃料进入醇水混合器；
所述控制器控制稳定器，保证醇水混合器保持竖直状态，防止漏液；
进一步地，甲醇燃料桶经管路与第一液泵的进口连接，管路上有第一电磁阀；第一液泵的出口与醇水混合器的燃料入口通过管路连接；
醇水混合器的燃料出口通过管路与第二液泵通过管路连接，管路上有第二电磁阀；第二液泵的出口通过管路与甲醇燃料电池电堆的阳极入口相连接；
进一步地，空压机的入口为空气，出口通过管路与甲醇燃料电池电堆的阴极入口相连接；
进一步地，甲醇燃料电池电堆的阴极出口与散热器进口通过管路相连接；气体经散热器降温后经散热器出口排出，进入醇水混合器的废物回收进口；甲醇燃料电池电堆的阳极出口与散热器进口通过管路相连接；气体经散热器降温后进入气液分离器，气体经气液分离器气体出口连接的管路排出燃料电池系统进入环境中；管路上有防止管路冻结的第三加热器；
进一步地，气液分离器分离出的液体经气液分离器的液体出口排出，进入醇水混合器的废物回收进口；
进一步地，醇水混合器内放置醇水混合器的液位监测装置和浓度检测装置；温度保护罩包裹所述燃料电池系统，允许气液分离器；自加热电池经电线与第一加热器、第二加热器和第三加热器相连接；
本发明还公开了一种醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、冷启动开始后，自加热电池监测到自身温度低于某一给定温度T1时，进入自加热状态，自加热电池快速升温至给定温度T1；然后，自加热电池进入低内阻模式；
步骤2、当甲醇燃料电池电堆的温度低于给定温度T2时，自加热电池给甲醇燃料电池电堆内的加热器通电，加热甲醇燃料电池电堆至给定温度T2；
步骤4、第二电磁阀打开，第二液泵开始工作，醇水混合器的气孔打开，醇水混合器内的浓甲醇溶液被通入甲醇燃料电池电堆内；空压机工作，空气或氧气被通入阴极。阳极废液和尾气经散热器降温后，通入醇水混合器。阴极废液废气经降温后通入醇水混合器。在醇水混合器中，液态的甲醇和水被回收起来，氮气和二氧化碳等废气被从气孔排出；
步骤5、醇水混合器内溶液浓度继续降低至某一给定值时，第一电磁阀和第一液泵工作，通甲醇进入醇水混合器，维持容器内浓度在某一较佳浓度或者控制甲醇浓度在最佳范围内变化，浓度传感器监测浓度，当浓度低于给定值c1时，控制器控制通入醇，当浓度高于给定值c2时，停止通入；
步骤6、电堆温度到达给定值T2，同时醇水混合器内浓度大于C1且小于C2，甲醇燃料电池电堆正常工作，输出电能，阳极废液和尾气经散热器降温后，通入醇水混合器；阴极废液废气经降温后通入醇水混合器；在醇水混合器中，液态的甲醇和水被回收起来，氮气和二氧化碳等废气被从气孔排出；
进一步地，燃料电池系统接受到停机指令时，第一电磁阀和第二电磁阀关闭，第一液泵和第二液泵停止工作；
空压机继续工作，空气被继续压入阴极和阳极入口，将残留在甲醇燃料电池电堆内的废液吹出，进入醇水混合器内；
吹扫到达给定时间t1，空压机关闭，吹扫停止。
阳极进行了空气的吹扫，待下一次低温启动，阳极通入甲醇时便可启动系统。
本发明的有益效果：
（1）系统内没有专门存储水的罐子，降低系统复杂度，防止低温冻结，可快速冷启动。
（2）在贮存时不必耗能发热维持温度的前提下，控制系统内甲醇溶液的浓度，保证系统内的液体在低温下高于自身冰点，不被冻结，低碳环保。
（3）在启动时，直接甲醇燃料电池电堆可以快速高效地升温，达到工作温度，实现快速冷启动。
（4）在停机时，将电堆内的大部分水分排出，避免结冰过多，损伤内部结构。使得醇类燃料电池更能适应极端低温的环境，扩大其应用范围。
附图说明
图1为温度检测逻辑图；
图2是醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统的示意图；
图3是醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统启动工作示意图；
图4是燃料电池系统接受到停机指令后的流程示意图；
其中：1-甲醇燃料桶，2-第一电磁阀，3-第二电磁阀、4-第一液泵，5-第二液泵，6-醇水混合器，7-散热器，8-第一加热器、9-第二加热器、10-甲醇燃料电池电堆，11-空压机，12-自加热电池，13-保温罩，14-电堆温度检测装置，15-醇水混合器的液位监测装置，16-浓度检测装置，17-控制器，18-第三加热器，19-气液分离器，20-稳定器，21-自加热电池温度检测装置。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图1-4及实施例对本发明做进一步详细说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，该实施例提供了一种燃料电池系统包括的主要功能组件：燃料存储组件、醇水混合组件、循环组件、防护组件、甲醇燃料电池电堆、调控组件。
燃料存储组件用于存储醇类燃料，可以存储包括但不限于甲醇、乙醇等高纯度醇类燃料。其包括至少一个甲醇燃料桶1，所述甲醇燃料桶1至少有一个出口用于连接管路并向外输出燃料。
醇水混合组件用于混合醇燃料和回收的废液，废液主要是水分，并输出醇水混合物溶液。其包括至少一个的醇水混合器6。醇水混合器6拥有废物回收进口、燃料进口和燃料出口。醇水混合器6上拥有气孔，可用于平衡内外气压、排除多余废气、修正内部溶液浓度。
修正内部溶液浓时，手动打开气孔，向醇水混合器注入或抽出液体以修正内部液位和浓度。
具体的，当醇水混合器内甲醇由于密封不严挥发，从而浓度下降到某一给定浓度Cmin时，控制器接收到浓度信号低于预警值Cmin，报警。控制器控制第一电磁阀2打开，第一液泵开始工作，从甲醇燃料桶内供给甲醇至醇水混合器内，直到报警信息停止。
另外，当醇水混合器内的水分体积含量表达式为V水= V总×（1-C甲醇），当水分体积含量低于某给定下限体积Vmin时，控制器接收信号报警，可手动打开气孔，从气孔注入水分，直到报警信息停止。
甲醇燃料电池电堆10用于利用所述反应物进行反应发电，并向外供电，例如向新能源汽车的电动机供电或蓄电池供电；甲醇燃料电池电堆有阳极进口，阳极出口，阴极进口和阴极出口。
循环组件用于输送各种反应物以及生成物，给生成物降温分离，回收利用有用组分，排出无用组分。
如图2所示，循环组件包括第一液泵4、第二液泵5、第一电磁阀2、第二电磁阀3、管路、空压机11、散热器7、气液分离器19。
第一液泵4用于将甲醇燃料桶内燃料供给至醇水混合器6的入口。
第二液泵5用于将醇水混合器内的醇溶液供给至给甲醇燃料电池电堆的阳极。
第一电磁阀2控制甲醇燃料桶1到第一液泵4管路流道的开闭。
第二电磁阀3可控制醇水混合器6的出口到第二液泵5管路流道的开闭。
空压机11用于向甲醇燃料电池电堆10阴极输送反应物空气。
散热器7用于给甲醇燃料电池电堆10排出的尾气降温。
气液分离器19用于分离降温后的状态为气液混合物的尾气，并将废气排出燃料电池系统，液体回收到醇水混合器6中。
保护组件包括温度保护罩13、稳定器20。温度保护罩13用于系统保温，防止热量散失过快，从而降低功耗。稳定器20用于在燃料电池系统颠簸、倾斜时，保证醇水混合器保持竖直状态，防止漏液。
调控组件用于采集控制信号并控制醇燃料是否进入醇水混合器。
调控组件包括控制器17、自加热电池12、电堆温度检测装置14、自加热电池温度检测装置21、电线、浓度检测装置16、醇水混合器的液位监测装置15、第一加热器8、第二加热器9。
电堆温度检测装置14用于检测甲醇燃料电池电堆10的温度，并通过电线将温度信号传给控制器17。
自加热电池温度检测装置21用于检测自加热电池12的温度，并通过电线将温度信号传递给控制器17。
浓度检测装置16用于检测醇水混合器内的浓度，并通过电线将浓度信号传递给控制器17。
液位监测装置15用于监测醇水混合器内的液位高度，并通过电线将液位信号传递给控制器17。
第一加热器8用于加热甲醇燃料电池电堆10。
第二加热器9用于加热甲醇燃料电池电堆10的阴极反应物空气。
所述控制器17用于接收冷启动指令，根据所述自加热电池12的温度控制所述自加热电池12进行自加热状态或输出电能状态；根据所述燃料电池的温度，控制所述自加热电池12向所述第一加热器8、第二加热器9提供电能。
所述控制器17根据所述醇水混合器的液位和浓度信号控制醇燃料进入醇水混合器或停止醇燃料进入醇水混合器。
所述控制器17可以控制稳定器20，保证醇水混合器保持竖直状态，防止漏液。
如图2所示，甲醇燃料桶1经管路与第一液泵4的进口连接，管路上有第一电磁阀2。第一液泵4的出口与醇水混合器6的燃料入口通过管路连接。
醇水混合器6的燃料出口通过管路与第二液泵5通过管路连接，管路上有第二电磁阀3。第二液泵5的出口通过管路与甲醇燃料电池电堆10的阳极入口相连接。
空压机11的入口为空气，出口通过管路与甲醇燃料电池电堆的阴极入口相连接。
甲醇燃料电池电堆10的阴极出口与散热器7进口通过管路相连接。气体经散热器降温后经散热器出口排出，进入醇水混合器6的废物回收进口。甲醇燃料电池电堆10的阳极出口与散热器7进口通过管路相连接。气体经散热器降温后进入气液分离器，气体经气液分离器气体出口连接的管路排出燃料电池系统进入环境中。管路上有防止管路冻结的第三加热器18。
气液分离器19分离出的液体经气液分离器19的液体出口排出，进入醇水混合器6的废物回收进口。
醇水混合器6内放置醇水混合器的液位监测装置15和浓度监测16装置。醇水混合器6外有稳定器20用于稳定醇水混合器6倾角。温度保护罩13包裹所述燃料电池系统，允许气液分离器。自加热电池12经电线与第一加热器8、第二加热器9和第三加热器18相连接。
控制器17经电线与自加热电池12、电堆温度检测装置14、自加热电池温度检测装置21、浓度检测装置16、醇水混合器的液位监测装置15、稳定器20连接。
第三加热器18，用于加热气液分离器排气管路，防止管结冰堵塞,甲醇燃料桶1储存高纯度甲醇燃料，通常可使用浓度大于99.9%的甲醇。
醇水混合器6上端开有可以关闭的气孔，燃料电池系统工作时，气孔打开以排出来自甲醇燃料电池电堆10产物中的废气。燃料电池系统停机结束时，气孔关闭以防止醇水混合器内的溶液挥发。
自加热电池12有两种模式，当自加热电池12在低温下启动时（例如-40度），首先自加热电池12会进入高内阻模式，给自身加热到一定温度，例如10度。这一过程非常迅速，通常能在几十秒内完成。自加热电池12还可以进入低内阻的输出模式，对外供电。
自加热电池12包含有自加热电池温度检测装置21，可将自加热电池12的温度反馈给控制器。
甲醇溶液通入甲醇燃料电池电堆10阳极进口，在流道内反应后，未反应的甲醇，水，与产生的二氧化碳一起从阳极出口排出。空气或氧气从阴极进口进入，反应后从阴极出口排出。
控制器17控制第一电磁阀2和第二电磁阀3开闭，控制甲醇燃料桶1到醇水混合器6的甲醇供给量、醇水混合器6到甲醇燃料电池电堆10阴极入口的甲醇溶液供给量。所述控制器可根据电堆温度检测装置14、自加热电池温度检测装置21、浓度检测装置16、醇水混合器的液位监测装置15反馈的值输出相应的控制信号。
如图3所示，该实施例还提供了一种醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护方法。
甲醇进料浓度对DMFC性能有影响，一般文献里面认为，阳极通入的甲醇浓度为0.5-3 mol/L直接甲醇燃料电池性能最佳。此时的甲醇溶液浓度低于10%，冰点高于-8℃ 左右。所以，只要低于这一温度，溶液就会结冰，妨碍燃料电池系统启动和工作。因此，限制了燃料电池必须在此温度之上启动、工作、贮存。
本发明在停机、贮存时保证燃料电池系统内所有甲醇溶液液体浓度在50%左右，因此可以耐受零下50度的极端低温。大大扩大了燃料电池的应用场景。
冷启动开始前，甲醇燃料桶内储存高纯度的甲醇。甲醇冰点为-97.8度，是一种常见的防冻剂，甲醇在零下四十度环境不存在结冰问题。醇水混合器内有少量高浓度甲醇溶液，一般为50%左右的浓度。在此浓度下，甲醇溶液的冰点可以低于-40度，也不会结冰。如图3所示，冷启动其具体包括以下步骤：
步骤1、冷启动开始后，自加热电池12监测到自身温度低于某一给定温度T1时，例如5度，进入自加热状态，自加热电池12快速升温至给定温度T1。然后，自加热电池12进入低内阻模式。
步骤2、当甲醇燃料电池电堆10的温度低于给定温度T2时，自加热电池给甲醇燃料电池电堆10内的加热器通电，加热甲醇燃料电池电堆10至给定温度T2，例如35度。
步骤3、第二电磁阀3打开，第二液泵开始工作，醇水混合器的气孔打开，醇水混合器内的浓甲醇溶液（50%）被通入甲醇燃料电池电堆内。空压机工作，空气或氧气被通入阴极。阳极废液和尾气经散热器降温后，通入醇水混合器6。阴极废液废气经降温后通入醇水混合器。在醇水混合器中，液态的甲醇和水被回收起来，氮气和二氧化碳等废气被从气孔排出。
由于直接甲醇燃料电池一般正常工作时阳极通入的甲醇浓度为5%-20%时，其输出性能最佳。所以刚开始通入50%的溶液时，燃料电池性能未达最佳工作状态。并且，甲醇浓度较高会促进甲醇透过膜电极从阳极向阴极扩散，泄露过去的甲醇会在阴极与阳极进行直接的氧化反应，直接放出热量。虽然这一过程会白白消耗一部分甲醇生热，在燃料电池正常工作时是要避免这一现象的，但是，这一过程对于冷启动阶段的燃料电池的升温是有很大帮助的。从开始送液到液体浓度达到最佳浓度范围，这个过程可以在短短几十秒实现。可在冷启动阶段利用这一点。阴极和阳极的产物内还有很多生成的水分，又最终被通入到醇水混合器内，以便被再次利用。醇水混合器内的甲醇溶液浓度在这一过程中不断降低，最终浓度进入最佳工作浓度范围3%-20%。同时，燃料电池的温度也继续升高，达到60~80度的最佳工作温度范围，燃料电池的输出特性达到较佳水平。
调整起始时醇水混合器内浓溶液的体积，可以控制浓度降低的时间、反应产热量。根据公式，反应产热量 Q=m×h，m 为反应物质量，h 为反应焓，当醇水混合器内起始浓度相同时，起始溶液体积较少时，反应物质量m小，总产热量小。不同起始溶液体积下，当电堆启动时功率相同，通入电堆的反应物溶液流量相同，且回收的水分流率相同，所以，起始溶液体积小的情况下可以更快的降低浓度至最佳工作浓度范围。起始溶液的浓度不同，体积相同时，原理近似。
步骤4、醇水混合器内溶液浓度继续降低至某一给定值时，例如低于5%时，电磁阀1和液泵1工作，通甲醇进入醇水混合器，维持容器内浓度在某一较佳浓度或者控制甲醇浓度在最佳范围内变化，浓度传感器监测浓度，当浓度低于给定值c1时，控制器控制通入醇，当浓度高于给定值c2时，停止通入。
步骤5、电堆温度到达给定值T2，同时醇水混合器内浓度大于C1且小于C2，甲醇燃料电池电堆10正常工作，输出电能，阳极废液和尾气经散热器降温后，通入醇水混合器。阴极废液废气经降温后通入醇水混合器。在醇水混合器中，液态的甲醇和水被回收起来，氮气和二氧化碳等废气被从气孔排出。
工作过程中，实时监测醇水混合器内温度，电堆工作放热会带动醇水混合器内温度。自加热电池12给第三加热器通电，加热气液分离器排气管路，防止管路结冰。控制器拥有算法，可以综合液位、浓度、温度、工作状态自动计算、预测和调整醇水混合器内浓度、液面、或者加热。可决定废液是否回收，若液面过高时，废液不回收，气液分离器内组分直接经气体出口排出系统。
如图4所示，燃料电池系统接受到停机指令时，电磁阀1和电磁阀2关闭，液泵1和液泵2停止工作。空压机继续工作，空气被继续压入阴极和阳极入口，将残留在甲醇燃料电池电堆10内的废液吹出，进入醇水混合器内。吹扫到达给定时间t1，空压机11关闭，吹扫停止。由于阳极进行了空气的吹扫，待下一次低温启动，阳极通入甲醇时便可启动系统。
因为电堆阳极残留有上一次吹扫的空气会形成空气/甲醇混合物，直接在阳极催化层进行反应放热（该过程持续时间短，低温下对电堆几乎没有影响），有利于低温下加速甲醇燃料电池电堆10温度的升高。
在以上吹扫过程中，若甲醇燃料电池电堆10温度低于某一给定值，例如（10度），自加热电池12给加热器2通电，加热吹扫气体。维持电堆温度，防止水分凝固，直到吹扫结束。
此外，整套系统有一个保温罩13。吹扫时，热量不会因为温暖气体排出系统而大量耗散。吹扫停止后，监测醇水混合器内浓度，控制器17根据监测值计算浓度上升至给定值（例如50%）时所需的甲醇的量，第一电磁阀2打开，液泵1（流量泵）将所述质量的甲醇通入醇水混合器内。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，包括：燃料存储组件、醇水混合组件、循环组件、防护组件、甲醇燃料电池电堆、调控组件，其特征在于：
燃料存储组件用于存储醇类燃料，其包括至少一个甲醇燃料桶(1)，所述甲醇燃料桶(1)至少有一个出口用于连接管路并向外输出燃料；
醇水混合组件用于混合醇燃料和回收的废液，并输出醇水混合物溶液；其包括至少一个的醇水混合器(6)，醇水混合器(6)具有废物回收进口、燃料进口和燃料出口；
循环组件用于输送反应物以及生成物，给生成物降温分离，回收利用有用组分，排出无用组分；
保护组件包括温度保护罩(13)、稳定器(20)；温度保护罩(13)用于系统保温；稳定器(20)用于在燃料电池系统颠簸、倾斜时，保证醇水混合器保持竖直状态；
调控组件用于采集控制信号并控制醇燃料是否进入醇水混合器。
2.根据权利要求1所述的醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，其特征在于：
循环组件包括第一液泵(4)、第二液泵(5)、第一电磁阀(2)、第二电磁阀(3)、管路、空压机(11)、散热器(7)和气液分离器(19)；
第一液泵(4)用于将甲醇燃料桶内燃料供给至醇水混合器(6)的入口；
第二液泵(5)用于将醇水混合器内的醇溶液供给至给甲醇燃料电池电堆(10)的阳极；
第一电磁阀(2)控制甲醇燃料桶(1)到第一液泵(4)管路流道的开闭；
第二电磁阀(3)能够控制醇水混合器(6)的出口到第二液泵(5)管路流道的开闭；
空压机(11)用于向甲醇燃料电池电堆(10)阴极输送反应物空气；
散热器(7)用于给甲醇燃料电池电堆(10)排出的尾气降温；
气液分离器(19)用于分离降温后的状态为气液混合物的尾气，并将废气排出燃料电池系统，液体回收到醇水混合器(6)中。
3.根据权利要求1所述的醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，其特征在于：调控组件包括控制器(17)、自加热电池(12)、电堆温度检测装置(14)、自加热电池温度检测装置(21)、浓度检测装置(16)、醇水混合器的液位监测装置(15)、第一加热器(8)和第二加热器(9)；
电堆温度检测装置(14)用于检测甲醇燃料电池电堆(10)的温度，并通过电线将温度信号传给控制器(17)；
自加热电池温度检测装置(21)用于检测自加热电池(12)的温度，并通过电线将温度信号传递给控制器(17)；
浓度检测装置(16)用于检测醇水混合器内的浓度，并通过电线将浓度信号传递给控制器(17)；
液位监测装置(15)用于监测醇水混合器内的液位高度，并通过电线将液位信号传递给控制器(17)；
第一加热器(8)用于加热甲醇燃料电池电堆(10)；
第二加热器(9)用于加热甲醇燃料电池电堆(10)的阴极反应物空气；
控制器(17)用于接收冷启动指令，根据自加热电池(12)的温度控制自加热电池(12)进行自加热状态或输出电能状态；根据燃料电池的温度，控制自加热电池(12)向第一加热器(8)、第二加热器(9)提供电能；
控制器(17)根据醇水混合器的液位和浓度信号控制醇燃料进入醇水混合器或停止醇燃料进入醇水混合器。
4.根据权利要求2所述的醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，其特征在于：
甲醇燃料桶(1)经管路与第一液泵(4)的进口连接，管路上有第一电磁阀(2)；第一液泵(4)的出口与醇水混合器(6)的燃料入口通过管路连接；
醇水混合器(6)的燃料出口与第二液泵(5)连接，管路上有第二电磁阀(3)；第二液泵(5)的出口与甲醇燃料电池电堆(10)的阳极入口相连接。
5.根据权利要求2所述的醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，其特征在于：
空压机(11)出口与甲醇燃料电池电堆的阴极入口相连接。
6.根据权利要求2所述的醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，其特征在于：
甲醇燃料电池电堆(10)的阴极出口与散热器(7)进口相连接；气体经散热器降温后经散热器出口排出；甲醇燃料电池电堆(10)的阳极出口与散热器(7)进口连接；气体经散热器降温后进入气液分离器，气体经气液分离器气体出口连接的管路排出燃料电池系统进入环境中；管路上有防止管路冻结的第三加热器(18)。
7.根据权利要求2所述的醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，其特征在于：
气液分离器(19)分离出的液体经气液分离器(19)的液体出口排出，进入醇水混合器(6)的废物回收进口。
8.根据权利要求3所述的醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护系统，其特征在于：
醇水混合器(6)内放置醇水混合器的液位监测装置(15)和浓度检测装置(16)；温度保护罩(13)包裹燃料电池系统，允许气液分离器的气体出口经管路伸出保护罩外；自加热电池(12)经电线与第一加热器(8)、第二加热器(9)和第三加热器(18)相连接。
9.一种醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、冷启动开始后，自加热电池(12)监测到自身温度低于某一给定温度T1时，进入自加热状态，自加热电池(12)快速升温至给定温度T1；然后，自加热电池(12)进入低内阻模式；
步骤2、当甲醇燃料电池电堆(10)的温度低于给定温度T2时，自加热电池给甲醇燃料电池电堆内的加热器通电，加热甲醇燃料电池电堆(10)至给定温度T2；
步骤3、第二电磁阀(3)打开，第二液泵开始工作，醇水混合器的气孔打开，醇水混合器内的甲醇溶液被通入甲醇燃料电池电堆内；空压机工作，空气或氧气被通入阴极；阳极废液和尾气经散热器降温后，通入醇水混合器(6)；阴极废液废气经降温后通入醇水混合器；在醇水混合器中，液态的甲醇和水被回收，氮气和二氧化碳废气从气孔排出；
步骤4、醇水混合器内溶液浓度继续降低至某一给定值时，第一电磁阀(2)和第一液泵(4)工作，通甲醇进入醇水混合器，维持容器内浓度在某一浓度或者控制甲醇浓度在一定范围内变化，浓度传感器监测浓度，当浓度低于给定值c1时，控制器控制通入醇，当浓度高于给定值c2时，停止通入；
步骤5、电堆温度到达给定值T2，同时醇水混合器内浓度大于C1且小于C2，甲醇燃料电池电堆正常工作。
10.根据权利要求9所述的醇类燃料电池的快速冷启动与停机冷保护的方法，其特征在于：
燃料电池系统接受到停机指令时，第一电磁阀(2)和第二电磁阀(3)关闭，第一液泵(4)和第二液泵(5)停止工作；
空压机继续工作，空气被继续压入阴极和阳极入口，将残留在燃料电池电堆内的废液吹出，进入醇水混合器内；
吹扫到达给定时间t1，空压机(11)关闭，吹扫停止；阳极进行了空气的吹扫，待下一次低温启动，阳极通入甲醇时，与阳极残留的空气催化反应放热，并启动系统。
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