專利名稱：一種-20℃快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池的低溫啟動技術(shù)。
背景技術(shù)：
國外燃料電池低溫啟動較先進(jìn)，其中巴拉德公司已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)30KW電堆的零下30度啟動；本田公司的燃料汽車能夠?qū)崿F(xiàn)野外零下20度的啟動，并且其FCX Clarity已經(jīng)下線，在9S內(nèi)即可從O到60英里的加速 ，最大時(shí)速100英里，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零下20度的啟動；通用公司推出的Sequel燃料電池汽車具有優(yōu)秀的冷啟動性能，在零下20度的低溫下30S即可提供動力。國內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池的零下20度低溫啟動，但是啟動時(shí)間較長，啟動速度較慢。目前燃料電池的低溫冷啟動策略主要集中在電堆冷凍前使用惰性氣體對電池進(jìn)行除水吹掃處理，使燃料電池的電極保持較好的水平衡。從而既能保證電池在冷凍過程中沒有或有較少固態(tài)冰形成，又能保證電池在低溫啟動的初始階段有足夠的液態(tài)水實(shí)現(xiàn)H+的傳導(dǎo)；啟動前依靠外加輔助熱源預(yù)熱電堆，使電池溫度上升到一定溫度，從而保證低溫啟動的初始階段不會有大量的冰或液態(tài)水覆蓋MEA膜和堵塞流場?，F(xiàn)有技術(shù)的主要缺點(diǎn)包括(I)連接外接加熱電源加熱電池系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。(2)連接外接電源，增加了系統(tǒng)的能耗，降低了系統(tǒng)的效率。(3)燃料電池低溫性能提升有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種_20°C快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種-20°C快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，包括電池系統(tǒng)、控制臺、空入加熱帶、空氣進(jìn)氣閥、內(nèi)循環(huán)開關(guān)、水泵、外循環(huán)散熱器、水箱加熱器、氫氣進(jìn)氣閥、外循環(huán)開關(guān)、水箱加熱繼電器、三通、空氣增濕罐、增濕罐開關(guān)和水箱，循環(huán)水泵、空入加熱帶、水箱加熱繼電器、水箱加熱器、空氣進(jìn)氣閥和氫氣進(jìn)氣閥均由控制臺控制，水箱加熱器安放在水箱中，水箱、三通、內(nèi)循環(huán)開關(guān)、水泵和電池系統(tǒng)構(gòu)成內(nèi)循環(huán)；水箱、三通、外循環(huán)開關(guān)、水泵、外循環(huán)散熱器和電池系統(tǒng)構(gòu)成外循環(huán)，其特征在于所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)還包括高分子聚合物板、外接直流電源和外接直流電源繼電器，所述高分子聚合物板安裝在電池系統(tǒng)的電堆端電池與電堆端板之間；所述外接直流電源連接在電池系統(tǒng)的輸出端子上，外接直流電源繼電器與控制臺相連，控制臺通過控制外接直流電源繼電器控制外接直流電源的通斷。本發(fā)明所述一種-20°c快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述安裝在電堆端電池與電堆端板之間的高分子聚合物板是聚苯乙烯板、聚氯乙烯板和尼龍板中的一種。
本發(fā)明所述一種-20°C快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述安裝在電堆端電池與電堆端板之間的高分子聚合物板的厚度為40 70_。本發(fā)明所述一種-20°C快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述外接直流電源電壓為I 10V。本發(fā)明所述一種-20°C快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的低溫啟動方法，包括按常規(guī)方法啟動燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述低溫啟動方法還包括I)控制外接直流電源的通斷，所述控制外接直流電源的通斷是控制臺通過控制外接直流電源繼電器控制外接直流電源的通斷，控制條件為當(dāng)電池系統(tǒng)的最低溫度高于-10°C時(shí)，關(guān)閉外接直流電源；最低溫度低于-10°C時(shí)，直流電源接通。2)在按常規(guī)方法啟動燃料電池系統(tǒng)之前先向燃料電池空氣系統(tǒng)供應(yīng)經(jīng)預(yù)熱的干 空氣，預(yù)熱干空氣的進(jìn)氣量為179L/min 223L/min ；3)當(dāng)電池系統(tǒng)平均溫度達(dá)到_10±2°C時(shí)，啟動電池系統(tǒng)，外接直流電源關(guān)閉。本發(fā)明的原理是高分子聚合物板的熱導(dǎo)率為O. 08w/m · k O. 24w/m · k遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有通用的環(huán)氧玻璃布層壓板的熱導(dǎo)率O. 46w/m · k，高分子聚合物板安裝在電池系統(tǒng)的電堆端電池與電堆端板之間，能夠起到很好的絕熱作用。預(yù)熱過程中外接直流電源能夠起至IJ “拖拽”作用，短時(shí)間內(nèi)可以使電池內(nèi)部產(chǎn)生一定的熱量。2A/S 4A/S的加載速度既可以保證電池保持良好地水/熱平衡。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(I)能夠明顯縮短電池的冷啟動時(shí)間，提高電池的低溫性能。(2)結(jié)構(gòu)簡單，輔助單元較少，操作簡單，可靠性較高。


本發(fā)明共有一幅附圖。圖1是_20°C快速啟動的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)示意圖附圖中，1、電堆模塊，2、外接直流電源，3、高分子聚合物板，4、空入加熱帶，5、直流電源繼電器，6、控制臺7、空氣進(jìn)氣閥，8、內(nèi)循環(huán)開關(guān)，9、水泵，10、外循環(huán)散熱器，11、水箱加熱器，12、氫氣進(jìn)氣閥，13、外循環(huán)開關(guān)，14、水箱加熱器繼電器，15、三通，16、空氣增濕罐，17、增濕罐開關(guān)，18水箱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。燃料電池系統(tǒng)包括電池系統(tǒng)1、控制臺6、空入加熱帶4、空氣進(jìn)氣閥7、內(nèi)循環(huán)開關(guān)8、水泵9、外循環(huán)散熱器10、水箱加熱器11、氫氣進(jìn)氣閥12、外循環(huán)開關(guān)13、水箱加熱繼電器14、三通15、空氣增濕罐16、增濕罐開關(guān)17和水箱18，循環(huán)水泵9、空入加熱帶4、水箱加熱繼電器14、水箱加熱器11、空氣進(jìn)氣閥7和氫氣進(jìn)氣閥12均由控制臺6控制，水箱加熱器11安裝在水箱18中，水箱18、三通15、內(nèi)循環(huán)開關(guān)8、水泵9和電池系統(tǒng)I構(gòu)成內(nèi)循環(huán)。水箱18、三通15、外循環(huán)開關(guān)8、水泵9、外循環(huán)散熱器10和電池系統(tǒng)I構(gòu)成外循環(huán)，燃料電池系統(tǒng)還包括高分子聚合物板3、外接直流電源2和外接直流電源繼電器5，高分子聚合物板3安裝在電池系統(tǒng)I的電堆端電池與電堆端板之間；外接直流電源2連接在電池系統(tǒng)I的輸出端子上，外接直流電源繼電器5與控制臺6相連，控制臺6通過控制外接直流電源繼電器5控制外接直流電源2的通斷。高分子聚合物板3是聚苯乙烯板、聚氯乙烯板和尼龍板中的一種。高分子聚合物板3的厚度為40 70mm。外接直流電源2電壓為I 10V。燃料電池系統(tǒng)的低溫啟動方法，包括按常規(guī)方法啟動燃料電池系統(tǒng)，還包括I)控制外接直流電源2的通斷，所述控制外接直流電源2的通斷是控制臺通過控制外接直流電源繼電器5控制外接直流 電源2的通斷，控制條件為當(dāng)電池系統(tǒng)I的最低溫度高于-1o°c時(shí)，關(guān)閉外接直流電源；最低溫度低于-1o°c時(shí)，直流電源接通。2)在按常規(guī)方法啟動燃料電池系統(tǒng)之前先向燃料電池空氣系統(tǒng)供應(yīng)經(jīng)預(yù)熱的干空氣，預(yù)熱干空氣的進(jìn)氣量為179L/min 223L/min ；3)當(dāng)電池系統(tǒng)I平均溫度達(dá)到_10±2°C時(shí)，啟動電池系統(tǒng)I。實(shí)施例實(shí)施例的電堆為由十節(jié)單電池組成的電池組，單電池為常規(guī)電池，單節(jié)電池活性面積為312cm2,電池流場為石墨流場，高分子聚合物板為聚苯乙烯板(PS),板厚度為50mm,外接直流電源的電壓為6V，電池組內(nèi)部安裝有熱電偶，熱電偶將電池組的溫度信號傳到控制臺，控制臺將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，控制臺上的電磁閥根據(jù)電信號的有無控制直流電源的開關(guān)。低溫啟動過程電池組在_20°C時(shí)啟動，此時(shí)，外接直流電源開啟，加熱空氣進(jìn)氣管道和內(nèi)循環(huán)水水箱，開啟空氣進(jìn)氣閥和內(nèi)循環(huán)水泵預(yù)熱電池組，預(yù)熱空氣的進(jìn)氣量為179L/min，是未增濕的干空氣；當(dāng)電池內(nèi)部的熱電偶檢測到電池組的溫度達(dá)到-10°C時(shí)，控制臺啟動電池組，從_20°C時(shí)加熱空氣進(jìn)氣管道和內(nèi)循環(huán)水水箱開始到啟動電池組止,此過程約需要3min。電池組啟動后，開始對電池組加載，加載速度為3A/S,加載時(shí)間20S,加載結(jié)束后穩(wěn)定運(yùn)行30S，在加載及穩(wěn)定運(yùn)行過程中未出現(xiàn)單節(jié)電壓低于O.1V現(xiàn)象，電池組啟動成功。從_20°C時(shí)開始啟動到啟動成功,本實(shí)施例所用時(shí)間約為4min。用十節(jié)單電池組成的常規(guī)電池組，即不加高分子聚合物板和外接直流電源的電池組做同樣的低溫啟動，其從_20°C到電池組啟動成功所有時(shí)間為6min。本發(fā)明的燃料電池組與常規(guī)的燃料電池組相比，從-20°C時(shí)開始啟動到啟動成功所有時(shí)間相差2min。
權(quán)利要求
1.一種-20°c快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，包括電池系統(tǒng)(I)、控制臺(6)、空入加熱帶(4)、空氣進(jìn)氣閥(7)、內(nèi)循環(huán)開關(guān)(8)、水泵(9)、外循環(huán)散熱器(10)、水箱加熱器(11)、氫氣進(jìn)氣閥(12)、外循環(huán)開關(guān)(13)、水箱加熱繼電器(14)、三通(15)、空氣增濕罐(16)、增濕罐開關(guān)(17)和水箱(18)，循環(huán)水泵(9)、空入加熱帶(4)、水箱加熱繼電器(14)、水箱加熱器(11)、空氣進(jìn)氣閥(7 )和氫氣進(jìn)氣閥(12 )均由控制臺(6 )控制，水箱加熱器(11)安裝在水箱(18)中，水箱(18)、三通(15)、內(nèi)循環(huán)開關(guān)(8)、水泵(9)和電池系統(tǒng)(I)構(gòu)成內(nèi)循環(huán)，水箱(18)、三通(15)、外循環(huán)開關(guān)(8)、水泵(9)、外循環(huán)散熱器(10)和電池系統(tǒng)(I)構(gòu)成外循環(huán)，其特征在于所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)還包括高分子聚合物板(3)、外接直流電源(2 )和外接直流電源繼電器(5 )，所述高分子聚合物板(3 )安裝在電池系統(tǒng)(I)的電堆端電池與電堆端板之間；所述外接直流電源(2)連接在電池系統(tǒng)(I)的輸出端子上，外接直流電源繼電器(5 )與控制臺(6 )相連，控制臺(6 )通過控制外接直流電源繼電器(5 )控制外接直流電源(2)的通斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種-20°C快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述安裝在電堆端電池與電堆端板之間的高分子聚合物板(3)是聚苯乙烯板、聚氯乙烯板和尼龍板中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種-20°C快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述安裝在電堆端電池與電堆端板之間的高分子聚合物板(3)的厚度為40 70_。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種-20°C快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述外接直流電源(2)電壓為I 10V。
5.權(quán)利要求1所述一種-20°C快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的低溫啟動方法，包括按常規(guī)方法啟動燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述低溫啟動方法還包括 .1)控制外接直流電源(2)的通斷，所述控制外接直流電源(2 )的通斷是控制臺通過控制外接直流電源繼電器(5)控制外接直流電源(2)的通斷，控制條件為當(dāng)電池系統(tǒng)(I)的最低溫度高于-10°C時(shí)，關(guān)閉外接直流電源(2);最低溫度低于-10°C時(shí)，接通外接直流電源(2)； .2)在按常規(guī)方法啟動燃料電池系統(tǒng)之前先向燃料電池空氣系統(tǒng)供應(yīng)經(jīng)預(yù)熱的干空氣，預(yù)熱干空氣的進(jìn)氣量為179L/min 223L/min ； .3 )當(dāng)電池系統(tǒng)(I)平均溫度達(dá)到-10 ± 2°C時(shí)，啟動電池系統(tǒng)(I)，外接直流電源(2 )關(guān)閉。
全文摘要
一種-20℃快速啟動質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，包括電池系統(tǒng)、控制臺、空入加熱帶、空氣進(jìn)氣閥、內(nèi)循環(huán)開關(guān)、水泵、外循環(huán)散熱器、水箱加熱器、氫氣進(jìn)氣閥、外循環(huán)開關(guān)、水箱加熱繼電器、三通、空氣增濕罐、增濕罐開關(guān)和水箱，還包括安裝在電池系統(tǒng)的電堆端電池與電堆端板之間高分子聚合物板和連接在電池系統(tǒng)的輸出端子上的外接直流電源，控制臺通過外接直流電源繼電器控制外接直流電源的通斷。本發(fā)明的有益效果是能夠明顯縮短電池的冷啟動時(shí)間，提高電池的低溫性能；結(jié)構(gòu)簡單，輔助單元較少，操作簡單，可靠性較高。
文檔編號H01M8/04GK103022540SQ201210539730
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者崔士濤, 李丹, 單金環(huán), 姜煒, 劉常福, 侯中軍, 明平文 申請人:新源動力股份有限公司