利用石墨板通直流电加热质子交换膜燃料电池冷启动装置的制作方法

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池冷启动及加热装置。

背景技术：

日益增加的能源消耗需求与日益枯竭的化石能源之间的矛盾近年来越发凸显。燃料电池作为一种清洁能源转化装置,将化学能直接转化为电能，因而具有较高的能源转化效率。在众多燃料电池中，质子交换膜燃料电池具有能量密度高、工作温度低、无污染物排放等优点，成为世界各国研究的热点。但是，质子交换膜燃料电池的冷启动能力是其商业化进程中的主要瓶颈技术之一。目前质子交换膜燃料电池冷启动问题的解决方案主要有以下几种：1.在电池内部布置电加热丝，例如把电加热丝布置在膜电极表面或集流板外侧；2.在电池外部加循环水加热系统，在冷启动之前或启动过程中对电池进行加热；3.充分利用电池内电化学反应释放的热量，实现燃料电池的自启动。就前两种方法而言，一是需要对电池结构进行改造，二是电加热丝的布置会增加电池内阻，降低电池性能，甚至破坏膜电极。针对第三种方法，研究表明利用电化学反应热的冷启动方式只能在较高温度(约-5-0℃)下启动成功，这种启动方式在燃料电池实际应用方面是不能满足要求的。因此，提高质子交换膜燃料电池冷启动能力的技术还有待开发。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明提供一种利用石墨板通直流电加热质子交换膜燃料电池冷启动装置，能够在不改变电池结构的情况下，实现电池在较低温度下冷启动成功。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种利用石墨板通直流电加热质子交换膜燃料电池冷启动装置，包括锂电池组、燃料电池堆和锂电池变压片充电器，所述锂电池组与所述燃料电池堆连接；所述燃料电池堆由多个层叠布置的燃料电池片构成；所述燃料电池堆中相邻的两个燃料电池片中，其中一个燃料电池片的正极石墨板上带有水槽的一面与另一个燃料电池片的负极石墨板的光滑面之间设有水槽密封垫片，所述水槽密封垫片的两侧分别设有一铝片，所述铝片的一部分夹在两个燃料电池片之间，所述铝片的另一部分外露于燃料电池片，在所述铝片的外露部分上设有接线柱孔；所述正极石墨板上固定有一热电偶，所述热电偶连接至一温控器，所述温控器为热敏电阻继电器控制器，所述热敏电阻继电器控制器包括电磁继电器，所述热电偶用以测量所述正极石墨板的温度变化，起到控制所述电磁继电器吸合或释放；所述锂电池组与所述热敏电阻继电器控制器之间设有手动控制旁路，该手动控制旁路上设有手动控制开关；所述燃料电池堆通过两个铝片与所述锂电池组和热敏电阻继电器控制器串联后形成第一回路；所述燃料电池堆、锂电池变压片充电器和所述热敏电阻继电器控制器串联后形成第二回路；所述锂电池变压片充电器连接在所述燃料电池堆和所述锂电池组之间。

进一步讲，本发明中，所述铝片上设置的接线柱孔用以和导线用螺栓挤压连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

以往在研究质子交换膜燃料电池冷启动过程中，针对如何快速给燃料电池加热，主要考虑到的是加热丝和热水的方式，由于需要改变电池结构增加了电阻，另外，通过发热介质加热燃料电池的速度比较慢。本发明从质子交换膜燃料电池冷启动过程的实际解决方案出发，充分利用燃料电池的石墨板本身就是一块理想的发热元器件，通过实验测试石墨板的电阻值和导线的电阻值，设计出本发明所特有的自动控制电路。同时，用锂电池组给液氮冷却后的石墨板通电加热，使得石墨板的温升很快，由此证明了本发明装置的可行性。实现本发明技术方案无需改变电池自身结构，不影响电池工作状况，添加少许的廉价器件，改造成锂电通直流电给石墨板产生欧姆热对冷启动过程中的燃料电池加热，从而实现电池在较低温度下冷启动成功。适用于车载燃料电池冷启动及其它燃料电池启动的应用。

附图说明

图1为本发明质子交换膜燃料电池冷启动装置的示意图；

图2为本发明中铝片插入燃料电池片后的立体示意图；

图3是图所示铝片插入燃料电池片后的俯视图。

图中：1-燃料电池堆，2-热电偶，3-热敏电阻继电器控制器，4-手动控制开关，5-锂电池组，6-锂电池变压片充电器，7-接线柱孔，8-铝片，91-正极石墨板，92-负极石墨板，10-水槽密封垫片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的设计思路是，燃料电池中不可或缺的一个组件是流道石墨板，它用来供应氢气或者空气并且传导电流和热量。因此，作为导体，石墨板的电阻比较小，但是相比于铜线铝线这类良导体，在串联电路中，石墨板依然可以作为具有阻值的发热元件。而且由于石墨板的电阻值比较小，所以在一定的电压下产生的发热功率相对较大。在燃料电池的实际应用中，给石墨板直接通直流电，可以快速方便的实现冷启动。其一，由于发热元件采用燃料电池部件，因此不需要改动燃料电池结构，具有简单高效的优势。其二，加热方式所需要的附件便宜易得，降低了燃料电池冷启动的成本。其三，可以由燃料电池通过锂电池变压片充电器给锂电池组充电，实现燃料电池系统的自主性。

如图1所示，本发明提出的一种利用石墨板通直流电加热质子交换膜燃料电池冷启动装置，包括锂电池组5、燃料电池堆1、热电偶2、温控器和手动控制开关4，以及燃料电池堆1为锂电池组5充电的锂电池变压片充电器6，所述锂电池组5与所述燃料电池堆1连接。所述燃料电池堆1由多个层叠布置的燃料电池片构成。所述燃料电池堆1中相邻的两个燃料电池片中，其中一个燃料电池片的正极石墨板91上带有水槽的一面与另一个燃料电池片的负极石墨板92的光滑面之间设有水槽密封垫片10，所述水槽密封垫片10的两侧分别设有一铝片8，所述铝片8的一部分夹在两个燃料电池片之间，所述铝片8的另一部分外露于燃料电池片，如图2所示，为了减少接触电阻，在铝片8的外露部分上开一个接线柱孔7，将铜导线和铝片8用螺栓挤压到一起，同时为了减少导线的电阻，铜导线不宜过长。如图3所示，本发明中，采用电阻比石墨板电阻小的铝片8，在装配燃料电池堆1时，将铝片8和水槽密封垫片10挤压在相邻两个燃料电池片的正极石墨板91和负极石墨板92之间。这两块石墨板不是一组燃料电池片空气流道石墨板和氢气流道石墨板而是相邻两块燃料电池片的空气流道石墨板(正极石墨板91)和氢气流道石墨板(负极石墨板92)。这样做的目的是为了防止铝片8造成同一燃料电池片的正负极短接产生的危害。如图1所示，所述热电偶2与所述正极石墨板91固定，所述热电偶2连接至所述温控器，所述温控器为热敏电阻继电器控制器3，所述热敏电阻继电器控制器3包括电磁继电器，所述热电偶2用以测量所述正极石墨板91的温度变化，起到控制所述电磁继电器吸合或释放。所述锂电池组5与所述热敏电阻继电器控制器3之间设有手动控制旁路，所述手动控制开关4设置在该手动控制旁路上。所述燃料电池堆1通过上述两个铝片8与所述锂电池组5和热敏电阻继电器控制器3串联后形成第一回路，如图1中的双点划线所示；所述燃料电池堆1、锂电池变压片充电器6和所述热敏电阻继电器控制器3串联后形成第二回路，如图1中的虚线和与虚线连接的双点划线所示；所述锂电池变压片充电器6连接在所述燃料电池堆1和所述锂电池组5之间，如图1中的实线所示。本发明中，考虑到热电偶2测温过冷度的问题并且结合热敏电阻继电器控制器3测温精度0.5℃的问题，设定热敏电阻继电器控制器3的工作低温温度1℃并同时考虑到加热的石墨板(正极石墨板91)向其他石墨板和环境散热的问题，设定温控器的高温断开温度为10℃。经实验测量单片石墨板的电阻为2Ω，单片锂电池的工作电压为3.2V，两块锂电池串联工作电压6.4V。根据P＝U²/R,计算得发热功率为20.48W，实验测试石墨板的温升速度为0.8℃/s。

本发明利用石墨板通直流电加热质子交换膜燃料电池冷启动装置的工作过程如下：

采用锂电池组5与燃料电池堆1中某几片燃料电池片石墨板(一个燃料电池片中的一个正极石墨板91和与该燃料电池片相邻的燃料电池片中负极石墨板92)和温控器(采用包括有电磁继电器的敏电阻继电器控制器)及手动控制开关4串联。先闭合手动控制开关4，锂电池组5和热敏电阻继电器控制器3形成闭合回路，检测到燃料电池堆1的温度低于燃料电池正常启动温度，温控器的电磁继电器吸合，使得燃料电池堆1中的石墨板和电池堆成闭合电路，石墨板被通电后产生欧姆热，加热石墨板。当热电偶检测到石墨板的加热温度高于热敏电阻继电器控制器设定温度时，热敏电阻继电器控制器的电磁继电器释放，断开石墨板的通电电路。通电加热后的石墨板造成的燃料电池环境温度高于燃料电池正常启动的温度。被加热的某些片燃料电池片成功启动后，燃料电池化学反应自我产生的热量继续加热整个燃料电池堆1，直到燃料电池堆1成功启动。而燃料电池堆1产生的电能又会通过锂电池变压片充电器6给锂电池组5充电，便于下一次冷启动。

本发明从质子交换膜燃料电池冷启动过程的实际解决方案出发，不改变电池自身结构，不影响电池工作状况，添加少许的廉价器件，改造成锂电通直流电给石墨板产生欧姆热对冷启动过程中的燃料电池加热。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。