[发明专利]一种基于氢气冷却的燃料电池系统及控制策略

说明书

本发明公开了一种基于氢气冷却的燃料电池系统及控制策略，所述系统包括燃料电池发电系统、燃料电池冷却系统、燃料电池加热系统。所述燃料电池发电系统包括储氢装置或制氢装置、单向阀0、单向阀1、压力调节器1、流量控制器1、燃料电池堆、氧气装置和排水装置；所述燃料电池冷却系统包括单向阀2、压力调节器2、换热装置1、温度控制器1、燃料电池堆、单向阀3、流量控制器2、压力调节器3、节温器、换热装置2；所述燃料电池加热系统包括压力调节器2、热装置1、温度控制器1、单向阀3、流量控制器2、压力调节器3、节温器、水浴PTC。本发明一种基于氢气冷却的燃料电池系统及控制策略可有效提高燃料电池的工作效率、降低成本、缩小体积。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统领域，具体涉及一种基于氢气冷却的燃料电池系统及控制策略。

背景技术

燃料电池是一种以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将燃料的化学能直接转化为电能的电化学装置，它不受卡诺循环的限制，只要有足够的氢气和氧气，其可实现长时间连续运行，并且具有比能量高、污染小、近零排放和能量转换效率高等特点，燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效发电技术。燃料电池按其电解质的不同，可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池及固体氧化物燃料电池等。

根据据国际能源机构(IEA)统计，全球每年投入到燃料电池研发的经费大约占科技研发公共资金的12％左右。目前美国、加拿大、日本、德国、意大利及许多发展中国家相继进行了燃料电池的开发研究。中国在863计划的支持下，在燃料电池及燃料电池汽车研究方面取得了阶段性的成果，中科院大连化物所研制了50kW燃料电池发动机，上海神力公司研制了100kW燃料电池发动机，清华大学、同济大学、武汉理工大学等研制成功了不同等级的燃料电池系列。

由于不同类型燃料电池其结构及工艺亦不同，燃料电池发电系统具有在某一温度范围内工作性能最佳的特点，其最佳的工作温度窗口不尽相同，一般燃料电池最佳工作温度为60℃～75℃之间。温度是影响燃料电池效率的重要因素，当燃料电池处于低温的情况下，其化学反应进程会变慢，也就是性能会变差，加载速度变慢。当环境温度较低的时候，实现温升将很困难，尤其是在环境温度偏低且自身发出的功率较低时，更是很难达到燃料电池的最佳工作温度区域，而在低温时急剧加载和载荷过大情况下，催化剂活性较低，电压大幅下降，容易形成反极现象，膜电极发生降解，从而影响燃料电池的使用寿命。当燃料电池处于较高温度下工作时，需要对燃料电池系统进行散热，在以水冷为冷却方式的燃料电池系统中，冷却水经过水箱、散热片后进入电池，再进到水箱，形成循环。当循环水流经散热片时，风扇运转将热量吹走，循环水温度下降，从而实现冷却。

发明内容

为了克服燃料电池发电系统存在的不足，申请号为201310199865.0的专利，研究了当环境温度较低时，利用加热系统为燃料电池系统加热的方法，该专利申请了一种燃料电池快速升温系统及控制方法，其研究了小循环加热系统，该系统包括燃料电池堆、温度传感器、水箱、水泵、节温器、三通和电加热器等组成，其工质为水，加热方式为电加热。公开号为CN1279644C的专利和申请号为201410784070.0的专利，研究了当环境温度较高时的冷却方法。公开号为CN1279644C的专利，所设计的燃料电池冷却方法是使用间断工作的泵根据工况将冷却液间断的循环，但当电池温度升高过快时，可能使系统冷却效果下降甚至无法降温；另外，间歇性的启停泵，对泵本身的性能影响很大。申请号为201410784070.0的专利，公布了一种燃料电池系统的冷却子系统启动方法，其解决的是燃料电池冷却系统因电流过大而导致的无法启动问题，或干扰整个系统运行的问题。

针对现有燃料电池发电系统存在的不足，本发明提供了一种基于氢气冷却的燃料电池系统及控制策略，包括燃料电池发电系统、燃料电池冷却系统、燃料电池加热系统。