[发明专利]一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池的低温启动技术。

背景技术

国外燃料电池低温启动较先进，其中巴拉德公司已经能够实现30KW电堆的零下30度启动；本田公司的燃料汽车能够实现野外零下20度的启动，并且其FCX Clarity已经下线，在9S内即可从0到60英里的加速，最大时速100英里，并且能够实现零下20度的启动；通用公司推出的Sequel燃料电池汽车具有优秀的冷启动性能，在零下20度的低温下30S即可提供动力。国内能够实现燃料电池的零下20度低温启动，但是启动时间较长，启动速度较慢。

目前燃料电池的低温冷启动策略主要集中在电堆冷冻前使用惰性气体对电池进行除水吹扫处理，使燃料电池的电极保持较好的水平衡。从而既能保证电池在冷冻过程中没有或有较少固态冰形成，又能保证电池在低温启动的初始阶段有足够的液态水实现H+的传导；启动前依靠外加辅助热源预热电堆，使电池温度上升到一定温度，从而保证低温启动的初始阶段不会有大量的冰或液态水覆盖MEA膜和堵塞流场。

现有技术的主要缺点包括：

（1）连接外接加热电源加热电池系统，增加了系统的复杂性。

（2）连接外接电源，增加了系统的能耗，降低了系统的效率。

（3）燃料电池低温性能提升有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统。

本发明的技术方案是：一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统，包括电池系统、控制台、空入加热带、空气进气阀、内循环开关、水泵、外循环散热器、水箱加热器、氢气进气阀、外循环开关、水箱加热继电器、三通、空气增湿罐、增湿罐开关和水箱，循环水泵、空入加热带、水箱加热继电器、水箱加热器、空气进气阀和氢气进气阀均由控制台控制，水箱加热器安放在水箱中，水箱、三通、内循环开关、水泵和电池系统构成内循环；水箱、三通、外循环开关、水泵、外循环散热器和电池系统构成外循环，其特征在于所述质子交换膜燃料电池系统还包括高分子聚合物板、外接直流电源和外接直流电源继电器，所述高分子聚合物板安装在电池系统的电堆端电池与电堆端板之间；所述外接直流电源连接在电池系统的输出端子上，外接直流电源继电器与控制台相连，控制台通过控制外接直流电源继电器控制外接直流电源的通断。

本发明所述一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统，其特征在于所述安装在电堆端电池与电堆端板之间的高分子聚合物板是聚苯乙烯板、聚氯乙烯板和尼龙板中的一种。

本发明所述一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统，其特征在于所述安装在电堆端电池与电堆端板之间的高分子聚合物板的厚度为40～70mm。

本发明所述一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统，其特征在于所述外接直流电源电压为1～10V。

本发明所述一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统的低温启动方法，包括按常规方法启动燃料电池系统，其特征在于所述低温启动方法还包括：

1）控制外接直流电源的通断，所述控制外接直流电源的通断是：控制台通过控制外接直流电源继电器控制外接直流电源的通断，控制条件为：当电池系统的最低温度高于-10℃时，关闭外接直流电源；最低温度低于-10℃时，直流电源接通。

2）在按常规方法启动燃料电池系统之前先向燃料电池空气系统供应经预热的干空气，预热干空气的进气量为：179L/min～223L/min；

3）当电池系统平均温度达到-10±2℃时，启动电池系统，外接直流电源关闭。

本发明的原理是：高分子聚合物板的热导率为0.08w/m·k～0.24w/m·k远远小于现有通用的环氧玻璃布层压板的热导率0.46w/m·k，高分子聚合物板安装在电池系统的电堆端电池与电堆端板之间，能够起到很好的绝热作用。预热过程中外接直流电源能够起到“拖拽”作用，短时间内可以使电池内部产生一定的热量。2A/S～4A/S的加载速度既可以保证电池保持良好地水/热平衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）能够明显缩短电池的冷启动时间，提高电池的低温性能。

（2）结构简单，辅助单元较少，操作简单，可靠性较高。

附图说明

本发明共有一幅附图。

图1是-20℃快速启动的质子交换膜燃料电池系统示意图