[发明专利]具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统及方法。

背景技术

燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能不经过燃烧直接转换为电能的能量转换装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)反应物为氢气和氧气，反应产物只有水，具有能量转换效率高、环境友好、不产生噪音、可靠性高、室温可快速起动，燃料（氢气）制取方式多样等优点，成为解决环境污染和能源枯竭问题的首选汽车动力源。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)很适用于便携式电源和运输工具，受到全球汽车界的积极支持，但随着商业化研究的深入，阻碍质子交换膜燃料电池商业化的问题暴露出来：成本的问题，寿命与耐久性的问题以及在低温环境下的启动问题。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在工作后含有大量的水，包括反应生成的水、反应过程的加湿用水和电堆的冷却用水。质子交换膜燃料电池在低温环境下由于电池内部液态水结冰，影响质子的传递，无法成功启动或延长启动时间。

由于燃料电池质量较大，在低温环境时首先要加热到0                                               以上才能正常启动运行，需要较多的热量和较长时间。

公开号为CN102386430A的中国专利申请《能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统》通过停机吹扫除水对燃料电池进行低温保存，在启动时加热冷却水小循环对燃料电池堆进行升温。该技术容易实现，但是启动速度较慢。

公开号为CN102751521A的中国专利申请《一种燃料电池低温启动的空气回流加热系统及其方法》通过循环利用含有空气泵废热的空气尾气来加热燃料电池堆空气反应界面以及其他组件。该技术容易实现，但是燃料电池堆两端和中间部位温度不一致，存在温度差，损坏燃料电池堆。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中对燃料电池堆加热不均匀或者燃料电池堆启动速度慢的缺陷，提供一种可使质子交换膜燃料电池的电堆快速安全启动的具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动系统，包括质子交换膜燃料电池的电堆和冷却剂存储箱， 

所述电堆的空气进口管道上安装有空气加热器；

所述电堆与所述冷却剂存储箱之间的进水管道上安装有冷却剂加热器；

所述电堆内还设有电堆加热器，用于对质子交换膜燃料电池的端板、绝缘板和集流板进行预热；

该系统还设有用于测量所述电堆温度的温度传感器。

本发明所述的系统中，所述电堆的氢气进口管道、空气排放管道以及氢气排放管道上均设有压力传感器和温度传感器。

本发明所述的系统中，所述电堆与所述冷却剂存储箱之间的出水管道上还设有一旁通管道，该旁通管道上安装有散热器。

本发明所述的系统中，所述进水管道上连接有回流管道，该回流管道直接连通所述冷却剂存储箱。

本发明所述的系统中，所述进水管道和所述出水管道上均设有温度传感器。

本发明所述的系统中，所述电堆加热器为加热片，与外接电源连接，所述加热片贴装在所述质子交换膜燃料电池的端板上。

本发明所述的系统中，所述电堆的空气排放管道的出口与所述空气进口管道的进口连接。

本发明还提供一种具有分级式温度控制的燃料电池低温快速启动方法，根据燃料电池系统不同部件工质热容的不同和对启动时温度要求的不同，进行分级加热及温度控制，具体包括以下步骤：

通过温度传感器检测电堆温度，根据检测确认燃料电池是否处于零度以下的启动状态；

当燃料电池处于零度以下的启动状态时，空气经由空气进口管道上的空气加热器加热后进入电堆；

电堆加热器对端板、绝缘板和集流板进行预热；

冷却剂存储箱中的冷却剂通过进水管道上的冷却剂加热器加热；

当电堆温度到达第一预定温度时，通入氢气，加载电流； 

当电堆温度到达第二预定温度时，开始冷却水循环，并检测冷却水进入电堆的进口温度和流出电堆的出口温度，根据所检测的温度调节冷却水进口流量及水温。

本发明所述的方法中，在根据所检测的温度调节冷却水进口流量及水温时，控制冷却水进入电堆的进口温度和流出电堆的出口温度的温差不大于10摄氏度。