[发明专利]适合低温启动的无端板燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及一种适合低温启动的无端板燃料电池堆。

背景技术

燃料电池低温冷启动和低温下运行是国际上一项比较前沿的课题，因为燃料电池冷启动性能直接影响燃料电池的实用化程度，影响其使用范围。

对于常规燃料电池发电系统而言，燃料电池运行需要水增湿，而且燃料电池堆的冷却都需要水冷却。因而在温度低于零度的情况下，燃料电池的低温冷启动变得非常困难。如果燃料电池的水管理不好，在温度低于零度下启动，往往会造成电池系统不能正常启动。零度下，电池系统内易结冰，有的情况下会给系统造成永久性的损害。

美国专利6699612中提出了一种电池系统，该系统中有一个循环的防冻液乙二醇冷却燃料电池产生的热量。同时冷冻液还在热交换器中同燃料气混合，移去燃料中的水分。系统中还有除水机构以及时除去冷冻液中的水，用来保证冷冻液的浓度。不难看出，该系统非常复杂。

美国专利6727013中提出了一种保持燃料电池温度的方法，该方法主要是利用燃料电池设备在待机状态时的温度维持，该方法是利用外加热系统给燃料电池堆加热的。主要采用电阻负载加热，然后通过风扇将热风吹到燃料电池堆上面。可以看出，为了保证燃料电池堆的温度，系统中应不断消耗能量。专利中并没有涉及燃料电池的低温启动情况。

美国专利6746789中提出了一种方案，主要是利用外接催化反应器，在低温下，将氢气和空气直接冷燃烧产生热量和水分然后提供给燃料电池的空气阴极或阳极。燃料电池系统采用空气做氧化剂和冷却剂，因而可以简化电池系统，并提高燃料电池的低温启动性，不过系统也比较复杂。

美国专利7014935中提出了一种解决燃料电池堆中的两个端电池存在的问题的方法。在电池运行过程中，尤其是低温启动运行过程中，燃料电池堆中的两个端电池因为水热等因素的影响，容易出现水热不均问题。专利中提出对两端的电池进行处理，提高电池的抗腐蚀性，从而提高电池堆的低温可操作性。专利中只是提高端电池的抗腐蚀性，并没有从根本上解决燃料电池堆中的两个端电池的水热不均问题。

美国专利6764786中提到了一种燃料电池堆特殊燃料引线板和端板。专利中指出，燃料电池堆的端板常常是厚的金属板，比较笨重和比较昂贵，而且有高的热容和容易散失热量。在燃料电池堆在运行温度比较低或者在低温启动时，端板处的电池散热容易，性能较差，影响燃料电池的低温启动速度，而且低温下启动时容易反压，造成永久性损伤。专利中提出了一种高强度、低热容低散热端板，部分解决了燃料电池堆在低温启动和低温运行时所产生的问题。

美国专利6824901中提出了在燃料电池堆的端电池和端板之间加上多孔热绝缘板的方法解决燃料电池低温快速冷启动所带来的问题。专利中提到的热绝缘板为多孔石墨板，空隙率为50-75％。但毕竟采用多孔石墨板隔热效果有限，只是部分阻隔了端电池向端板的传热，因而该方法只是部分解决了燃料电池系统的低温快速启动。

在美国专利5595834提出了一种圆筒形电池堆，其特征在于每个电池的极板都是圆形的片，而且电池有隔板延伸一定的距离用来散热。体积比较大，而且端面电池同内部电池存在水热不平衡，尤其在比较低的温度下更是这样。

美国专利5470671描述了一种圆筒形燃料电池堆，其中电池的所有阴极侧布置在电池装置的圆周上，向大气散热。该技术缺点在于不能采用传统电池堆结构，体积大，而且电池电压比较低。电池功率比较小。

美国专利5595834描述了一个圆筒型燃料电池，体积非常紧凑。是由电池极板同电池叠在一起而成的。因为散热等问题，该电池很难在比较高的环境温度下运行。因为该电池堆中存在两端电池，因而该电池低温下启动也会存在端电池水热不均衡等问题而影响其低温启动性能。

综观上述燃料电池的专利技术，可以看出燃料电池低温启动主要有：换用抗冻介质；靠外部加热；对电池堆中的端电池进行特殊处理或提高整个电池堆的水热管理，尤其是端电池水热均衡情况对燃料电池的快速低温冷启动影响比较大。

对于燃料电池低温冷启动而言，最简单而且比较理想的方法是将燃料氢气和空气直接加入到燃料电池系统中，对电池在比较低的电压下运行，使电池本身产生的热量迅速加热燃料电池堆，实现燃料电池堆的低温冷启动。不必借助外在的辅助加热装置。实际上，降低燃料电池系统增湿是一种非常好的低温启动的方法。如美国专利6746789中提到的情况，降低增湿，采用空气冷却燃料电池可以降低燃料电池系统复杂程度。