本發(fā)明涉及燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有低溫啟動(dòng)預(yù)熱和循環(huán)冷卻功能的燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的液體循環(huán)子系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)裝置。按電解質(zhì)性質(zhì)，燃料電池可細(xì)分為有堿性燃料電池(afc)、質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)、磷酸燃料電池(pafc)、熔融碳酸鹽燃料電池(mcfc)、固態(tài)氧化物燃料電池(sofc)。從工作方式來看，燃料電池較接近與汽油或柴油發(fā)電機(jī)。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電是直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，步驟少、效率高，發(fā)電過程中沒有燃燒，所以不會(huì)產(chǎn)生污染，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)組件，所以噪音低。質(zhì)子交換膜燃料電池屬于低溫燃料電池，近年發(fā)展迅速。

固體聚合物燃料電池是基于全氟磺酸離子交換聚合物為電解質(zhì)，以鉑為電極催化劑，陽極進(jìn)行氫氣氧化反應(yīng)和陰極氧氣還原反應(yīng)的燃料電池，其具有運(yùn)行溫度低(800℃左右)、功率密度高、啟動(dòng)快和對(duì)功率需求變化匹配快等顯著優(yōu)點(diǎn)，是輕型汽車與建筑物供能的首選；固體聚合物燃料電池是目前發(fā)展的熱門技術(shù)，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、運(yùn)行噪聲低、可靠性高、維護(hù)方便、發(fā)電效率受負(fù)荷變化影響很小，非常適合于用作分散型發(fā)電裝置(作為主機(jī)組)，也適于用作電網(wǎng)的“調(diào)峰”發(fā)電機(jī)組(作為輔機(jī)組)；因此，燃料電池的這些優(yōu)勢是其他任何現(xiàn)有技術(shù)所不能與之相比的，是未來發(fā)展的必然趨勢。

燃料電池在工作的過程中，電堆中的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時(shí)的散發(fā)，那么過多的熱量積累必然導(dǎo)致電堆內(nèi)溫度升高、質(zhì)子交換膜失水、電堆的性能會(huì)下降。燃料電池堆的熱量主要來源有化學(xué)反應(yīng)熱，焦耳熱、加濕氣體帶入的熱量和吸收的環(huán)境熱量；散熱主要有電堆尾氣、熱輻射、循環(huán)水冷卻、電堆的熱平衡。

而現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池堆的液體循環(huán)系統(tǒng)，效果不理想，影響電堆性能和發(fā)電效率，而且多次循環(huán)使用后，管路中的去離子水的離子濃度超標(biāo)，影響電堆反應(yīng)，進(jìn)而影響發(fā)電效率和電堆使用壽命；還有部分燃料電堆發(fā)電系統(tǒng)不帶有低溫?zé)釂?dòng)功能，在低溫環(huán)境下不能使用，使用范圍受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的液體循環(huán)子系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)有低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)，以保證燃料電池堆在低溫環(huán)境下能正常工作啟動(dòng)，在正常工作時(shí)，燃料電池堆中產(chǎn)生的熱量被及時(shí)帶走，保證反應(yīng)溫度穩(wěn)定，避免電池堆內(nèi)溫度升高、質(zhì)子交換膜失水而導(dǎo)致電池堆的發(fā)電性能下降等問題，有助于提高燃料電池堆的發(fā)電效率和電池堆的使用壽命。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的液體循環(huán)子系統(tǒng)，其中所述燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)包括燃料電池堆、氫氣供給子系統(tǒng)、空氣供給子系統(tǒng)和液體循環(huán)子系統(tǒng)，所述氫氣供給子系統(tǒng)、空氣供給子系統(tǒng)和液體循環(huán)子系統(tǒng)分別與所述燃料電池堆相連，所述燃料電池堆的一端設(shè)有總進(jìn)水口，另一端設(shè)有總出水口；所述液體循環(huán)子系統(tǒng)包括低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)、外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)和控制器。

所述燃料電池堆的總進(jìn)水口處連接第一總管，所述燃料電池堆的總出水口處連接第二總管，所述第二總管的末端分支成第一支管和第二支管，所述第一支管和所述第二支管的末端匯集成所述第一總管的首端。

第一支管上按照液體流向依次設(shè)有加熱器、第一循環(huán)泵和第一單向閥。

第二支管上按照液體流向依次設(shè)有熱交換器、第二循環(huán)泵和第二單向閥。

第一總管上按照液體流向依次設(shè)有離子交換器、電導(dǎo)率傳感器、第一溫度傳感器和壓力傳感器。

第二總管上且位于所述燃料電池堆的總出水口處設(shè)有第二溫度傳感器。

所述第一支管、加熱器、第一循環(huán)泵、第一單向閥、第一總管、離子交換器、電導(dǎo)率傳感器、第一溫度傳感器和壓力傳感器、第二總管和第二溫度傳感器組成所述低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)。

所述第二支管、熱交換器、第二循環(huán)泵、第二單向閥、第一總管、離子交換器、電導(dǎo)率傳感器、第一溫度傳感器和壓力傳感器、第二總管和第二溫度傳感器組成所述外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)。

所述第一溫度傳感器、所述第二溫度傳感器、所述電導(dǎo)率傳感器和所述壓力傳感器分別與所述控制器信號(hào)連接，所述加熱器、所述第一循環(huán)泵和所述第二循環(huán)泵分別與所述控制器電連接。

進(jìn)一步地說，所述熱交換器自帶儲(chǔ)水容器，且所述儲(chǔ)水容器內(nèi)設(shè)有液位傳感器，所述液位傳感器與所述控制器電連接。

進(jìn)一步地說，還包括報(bào)警裝置，所述報(bào)警裝置與所述控制器電連接，且所述報(bào)警裝置為燈光提醒和聲音提醒中的至少一種。

進(jìn)一步地說，所述報(bào)警裝置包括液位報(bào)警單元和電導(dǎo)率報(bào)警單元，所述液位報(bào)警單元和所述電導(dǎo)率報(bào)警單元分別與所述控制器電連接。

進(jìn)一步地說，所述燃料電池堆的總進(jìn)水口處的去離子水的電導(dǎo)率維持在≤200μs/cm。

進(jìn)一步地說，所述燃料電池堆的總進(jìn)水口處的去離子水的壓力維持在10-50kpa。

進(jìn)一步地說，所述燃料電池堆的總進(jìn)水口處的去離子水的溫度維持在65-70℃，且所述燃料電池堆的總出水口處的去離子水的溫度維持在75-80℃。

進(jìn)一步地說，所述控制器為單片機(jī)或電子控制單元。

進(jìn)一步地說，所述第一支管、第二支管與所述第一總管的匯集處設(shè)有三通。

進(jìn)一步地說，所述第二總管與所述第一支管和第二支管的分支處設(shè)有三通。

本發(fā)明的有益效果是：

在啟動(dòng)燃料電池堆系統(tǒng)發(fā)電時(shí)，先啟動(dòng)低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)使燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到需要的工作溫度，一般為80-85℃，然后控制器控制第一循環(huán)泵和加熱器停止工作，即關(guān)閉低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)；同時(shí)啟動(dòng)氫氣供給子系統(tǒng)、空氣供給子系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)，使氫氣和空氣同時(shí)進(jìn)入燃料電池堆，氫氣和空氣在燃料電池堆內(nèi)經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能、熱能和水，其中電能是要利用的部分，給外部電路提供電能；熱能是通過外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)排出，反應(yīng)產(chǎn)生的水由空氣循環(huán)子系統(tǒng)排出；從而燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)正常工作；至少具有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

一、本發(fā)明設(shè)有低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)，能夠滿足燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)在低溫環(huán)境下正常使用的條件，即燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的適用范圍廣；

二、本發(fā)明設(shè)有外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)，燃料電池堆發(fā)電過程中產(chǎn)生的大量的熱量可通過外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)散出，保證燃料電池堆的溫度始終在工作范圍內(nèi)，避免質(zhì)子交換膜失水，保證燃料電池堆的性能不會(huì)下降，同時(shí)也提高燃料電池堆的使用壽命和發(fā)電效率的作用；

三、本發(fā)明設(shè)有離子交換器，由于低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)中使用的都是去離子水，而且隨著使用的時(shí)間，水中離子的濃度會(huì)增高，故設(shè)有的離子交換器，能夠有效去除循環(huán)水中的離子，使其循環(huán)液體保持良好的絕緣性能；

四、本發(fā)明設(shè)有的第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和壓力傳感器能夠?qū)⑺南嚓P(guān)各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸給控制器，控制器根據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)行反饋控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)去離子水的水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將循環(huán)水的總進(jìn)水口溫度控制在68℃左右，而總出水溫度控制在78℃左右，將循環(huán)水的電導(dǎo)率控制在200μs/cm以下，為燃料電池堆的反應(yīng)提供有力的保障，提高其性能和發(fā)電效率；

五、本發(fā)明的外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)的熱交換器自帶水箱，且設(shè)有液位傳感器，液位過低會(huì)傳輸信號(hào)給控制器，控制器會(huì)控制報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)加水，保證燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的去離子水的供應(yīng)，進(jìn)而保證燃料電池堆的反應(yīng)溫度。

本發(fā)明的上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的管道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的控制原理示意圖；

附圖中各部分標(biāo)記如下：

燃料電池堆1、總進(jìn)水口2、總出水口3、控制器4、加熱器5、第一循環(huán)泵6、第一單向閥7、離子交換器8、第一溫度傳感器9、第二溫度傳感器10、電導(dǎo)率傳感器11、壓力傳感器12、第二總管13、第一支管14、熱交換器15、第二循環(huán)泵16、第二單向閥17、第二支管18、液位傳感器19、三通20、報(bào)警裝置21、液位報(bào)警單元211、電導(dǎo)率報(bào)警單元212和第一總管22。

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及功效。本發(fā)明也可以其它不同的方式予以實(shí)施，即，在不背離本發(fā)明所揭示的范疇下，能予不同的修飾與改變。

實(shí)施例：一種燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)的液體循環(huán)子系統(tǒng)，如圖1、圖2和圖3所示，其中所述燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)包括燃料電池堆1、氫氣供給子系統(tǒng)、空氣供給子系統(tǒng)和液體循環(huán)子系統(tǒng)，所述燃?xì)錃夤┙o子系統(tǒng)、空氣供給子系統(tǒng)和液體循環(huán)子系統(tǒng)分別與所述燃料電池堆相連，所述燃料電池堆的一端設(shè)有總進(jìn)水口2，另一端設(shè)有總出水口3；所述液體循環(huán)子系統(tǒng)包括低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)、外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)和控制器4；

所述燃料電池堆的總進(jìn)水口處連接第一總管22，所述燃料電池堆的總出水口處連接第二總管13，所述第二總管的末端分支成第一支管14和第二支管18，所述第一支管和所述第二支管的末端匯集成所述第一總管的首端；

第一支管上按照液體流向依次設(shè)有加熱器5、第一循環(huán)泵6和第一單向閥7；

第二支管上按照液體流向依次設(shè)有熱交換器15、第二循環(huán)泵16和第二單向閥17；

第一總管上按照液體流向依次設(shè)有離子交換器8、電導(dǎo)率傳感器11、第一溫度傳感器9和壓力傳感器12；

第二總管上且位于所述燃料電池堆的總出水口處設(shè)有第二溫度傳感器10；

所述第一支管14、加熱器5、第一循環(huán)泵6、第一單向閥7、第一總管、離子交換器8、電導(dǎo)率傳感器11、第一溫度傳感器9和壓力傳感器12、第二總管18和第二溫度傳感器10組成所述低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)；

所述第二支管18、熱交換器15、第二循環(huán)泵16、第二單向閥17、第一總管13、離子交換器8、電導(dǎo)率傳感器11、第一溫度傳感器9和壓力傳感器12、第二總管22和第二溫度傳感器10組成所述外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)；

所述第一溫度傳感器9、所述第二溫度傳感器10、所述電導(dǎo)率傳感器11和所述壓力傳感器12分別與所述控制器4信號(hào)連接，所述加熱器5、所述第一循環(huán)泵6和所述第二循環(huán)泵16分別與所述控制器4電連接。

所述熱交換器15自帶儲(chǔ)水容器，且所述儲(chǔ)水容器內(nèi)設(shè)有液位傳感器19，所述液位傳感器與所述控制器4電連接。

還包括報(bào)警裝置21，所述報(bào)警裝置與所述控制器電連接，且所述報(bào)警裝置為燈光提醒和聲音提醒中的至少一種。

所述報(bào)警裝置21包括液位報(bào)警單元211和電導(dǎo)率報(bào)警單元212，所述液位報(bào)警單元和所述電導(dǎo)率報(bào)警單元分別與所述控制器電連接。

所述燃料電池堆1的總進(jìn)水口處的去離子水的電導(dǎo)率維持在≤200μs/cm。

所述燃料電池堆1的總進(jìn)水口處的去離子水的壓力維持在10-50kpa。

所述燃料電池堆1的總進(jìn)水口處的去離子水的溫度維持在65-75℃，且所述燃料電池堆的總出水口處的去離子水的溫度維持在75-80℃。

所述控制器4為單片機(jī)或電子控制單元(ecu)。

所述第一支管14、第二支管18與所述第一總管13的匯集處設(shè)有三通20。

所述第二總管22與所述第一支管14和第二支管18的分支處設(shè)有三通20。

本實(shí)施例中，所述電導(dǎo)率傳感器采用鉑熱電阻。

所述壓力傳感器的工作電壓為10-30vdc(直流電壓)。

所述第一單向閥和所述第二單向閥皆為不銹鋼閥。

所述第一支管、第二支管、第一總管和第二總管皆為耐溫管，優(yōu)選為硅橡膠管，但不限于此。

所述第一循環(huán)泵和所述第二循環(huán)泵皆為耐熱水泵。

本發(fā)明的工作原理和工作過程如下：

在啟動(dòng)燃料電池堆系統(tǒng)發(fā)電時(shí)，先啟動(dòng)低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)使燃料電池堆系統(tǒng)達(dá)到需要的工作溫度，一般為80-85℃，然后控制器控制第一循環(huán)泵和加熱器停止工作，即關(guān)閉低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)；同時(shí)啟動(dòng)氫氣供給子系統(tǒng)、空氣供給子系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)，使氫氣和空氣同時(shí)進(jìn)入燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)，氫氣和空氣在燃料電池堆內(nèi)經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能、熱能和水，其中電能是要利用的部分，給外部電路提供電能；熱能是通過外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)排出，反應(yīng)產(chǎn)生的水由空氣循環(huán)子系統(tǒng)排出；從而燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)正常工作；

此過程中，低溫啟動(dòng)預(yù)熱子系統(tǒng)和外循環(huán)冷卻子系統(tǒng)中使用的都是去離子水，而且隨著使用的時(shí)間，水中離子的濃度會(huì)增高，故設(shè)有離子交換器，用來去除水中的離子，使其循環(huán)液體保持良好的絕緣性能；

而且設(shè)有的第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和壓力傳感器能夠?qū)⑷ルx子水的相關(guān)各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸給控制器，控制器根據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)行反饋控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)去離子水的質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為燃料電池堆的反應(yīng)提供有力的保障。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。