[发明专利]一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，按照燃料电池的低温贮存和控制燃料电池阴极散热器温度步骤进行：燃料电池的阴极散热器上设临界温度控制装置，燃料电池在‑40℃低温环境中运行时，控制散热器在工作时温度不低于25℃～35℃的临界温度。本发明的优点是燃料电池贮存和运行是均在保温装置内，保温装置由柔性保温材料和自发热相变复合保温材料制作，避免燃料电池在‑40℃下长时间贮存后内部液体发生凝固，正常启动后可在低温工作时正常通风；临界温度控制装置对燃料电池阴极散热器的温度进行控制保证散热器中部的温度不低于临界温度，维持正常水热管理，保证阴极气路通畅和水分的正常回收，操作便捷，技能要求低。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池系统是将甲醇燃料的化学能直接转变为电能的一种电化学反应装置。甲醇在阳极催化剂的作用下氧化生成二氧化碳，并释放出电子和质子，其中质子经电解质膜传导至阴极区，电子则通过外路做功放电，并传递至阴极区，在阴极区电子和质子与氧气在阴极电催化剂的作用下发生电化学还原反应，并生成水。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进行发电，需将其稀释至一定浓度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。

直接甲醇燃料电池系统在常温常压环境下其最佳工作温度在60℃～80℃之间，启动时间约10min～15min，至电堆温度达到60℃以上时才能进入最佳供电状态。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。目前直接甲醇燃料电池系统低温贮存温度通常最低为1℃，当其在经过-40℃低温环境长时间贮存后，系统内部溶液中的大量水分极易发生凝固，导致系统启动困难，甚至凝固后会损坏电堆中的关键组件，使系统失效。此外当系统在-40℃低温环境启动后工作时，由于产品启动温度低，升温跨度大，系统中的液体在贮存时发生凝固，热量损失快，水热管理功能维持困难，温度持续降低将会导致水热管理失衡，直至系统停机或故障报警。

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：一方面，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)；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，使用要求严格，难以满足大批量或紧急状况下使用；另一方面，进行直接甲醇燃料电池系统的热管理优化，在系统内部集成加热装置，对流体进行预热，使其在低温启动时快速提升电堆温度，该技术的主要路线是将加热装置集成在热管理模块中，通过电控调节，在启动时对燃料进行加热，实现快速升温启动，同时运行过程中对反应后流体的热量进行回收利用，提高运行效率,该技术增加了部分装置，提高了产品成本，可以实现低温快速启动,但仅适用于-10℃较低温度贮存后的情况，不能解决直接甲醇燃料电池系统在-40℃下长时间贮存后内部液体凝固的现象。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，燃料电池在-40℃低温环境下长时间贮存后内部溶液不发生凝固，在-40℃低温环境中正常启动运行时能够维持稳定的水热平衡，持续对外输出供电。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，其特点是按照如下步骤进行：

步骤一燃料电池的保温：

将燃料电池置于保温装置内，燃料电池在-40℃低温环境下长时间贮存时内部溶液不发生凝固；