专利名称：一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统的制作方法
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O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(I)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°C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°C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°c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°C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 70_。本发明所述一种-20°C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I 10V。本发明所述一种-20°C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I)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°C时，关闭外接直流电源；最低温度低于-10°C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°C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O. 08w/m · k O. 24w/m · k远远小于现有通用的环氧玻璃布层压板的热导率O. 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至IJ “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(I)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。
本发明共有一幅附图。图1是_20°C快速启动的质子交换膜燃料电池系统示意图附图中，1、电堆模块，2、外接直流电源，3、高分子聚合物板，4、空入加热带，5、直流电源继电器，6、控制台7、空气进气阀，8、内循环开关，9、水泵，10、外循环散热器，11、水箱加热器，12、氢气进气阀，13、外循环开关，14、水箱加热器继电器，15、三通，16、空气增湿罐，17、增湿罐开关，18水箱。
具体实施例方式下面结合附图的实施例对本发明作进一步说明。燃料电池系统包括电池系统1、控制台6、空入加热带4、空气进气阀7、内循环开关8、水泵9、外循环散热器10、水箱加热器11、氢气进气阀12、外循环开关13、水箱加热继电器14、三通15、空气增湿罐16、增湿罐开关17和水箱18，循环水泵9、空入加热带4、水箱加热继电器14、水箱加热器11、空气进气阀7和氢气进气阀12均由控制台6控制，水箱加热器11安装在水箱18中，水箱18、三通15、内循环开关8、水泵9和电池系统I构成内循环。水箱18、三通15、外循环开关8、水泵9、外循环散热器10和电池系统I构成外循环，燃料电池系统还包括高分子聚合物板3、外接直流电源2和外接直流电源继电器5，高分子聚合物板3安装在电池系统I的电堆端电池与电堆端板之间；外接直流电源2连接在电池系统I的输出端子上，外接直流电源继电器5与控制台6相连，控制台6通过控制外接直流电源继电器5控制外接直流电源2的通断。高分子聚合物板3是聚苯乙烯板、聚氯乙烯板和尼龙板中的一种。高分子聚合物板3的厚度为40 70mm。外接直流电源2电压为I 10V。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，还包括I)控制外接直流电源2的通断，所述控制外接直流电源2的通断是控制台通过控制外接直流电源继电器5控制外接直流 电源2的通断，控制条件为当电池系统I的最低温度高于-1o°c时，关闭外接直流电源；最低温度低于-1o°c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I平均温度达到_10±2°C时，启动电池系统I。实施例实施例的电堆为由十节单电池组成的电池组，单电池为常规电池，单节电池活性面积为312cm2,电池流场为石墨流场，高分子聚合物板为聚苯乙烯板(PS),板厚度为50mm,外接直流电源的电压为6V，电池组内部安装有热电偶，热电偶将电池组的温度信号传到控制台，控制台将温度信号转化为电信号，控制台上的电磁阀根据电信号的有无控制直流电源的开关。低温启动过程电池组在_20°C时启动，此时，外接直流电源开启，加热空气进气管道和内循环水水箱，开启空气进气阀和内循环水泵预热电池组，预热空气的进气量为179L/min，是未增湿的干空气；当电池内部的热电偶检测到电池组的温度达到-10°C时，控制台启动电池组，从_20°C时加热空气进气管道和内循环水水箱开始到启动电池组止,此过程约需要3min。电池组启动后，开始对电池组加载，加载速度为3A/S,加载时间20S,加载结束后稳定运行30S，在加载及稳定运行过程中未出现单节电压低于O.1V现象，电池组启动成功。从_20°C时开始启动到启动成功,本实施例所用时间约为4min。用十节单电池组成的常规电池组，即不加高分子聚合物板和外接直流电源的电池组做同样的低温启动，其从_20°C到电池组启动成功所有时间为6min。本发明的燃料电池组与常规的燃料电池组相比，从-20°C时开始启动到启动成功所有时间相差2min。
权利要求
1.一种-20°c快速启动质子交换膜燃料电池系统，包括电池系统(I)、控制台(6)、空入加热带(4)、空气进气阀(7)、内循环开关(8)、水泵(9)、外循环散热器(10)、水箱加热器(11)、氢气进气阀(12)、外循环开关(13)、水箱加热继电器(14)、三通(15)、空气增湿罐(16)、增湿罐开关(17)和水箱(18)，循环水泵(9)、空入加热带(4)、水箱加热继电器(14)、水箱加热器(11)、空气进气阀(7 )和氢气进气阀(12 )均由控制台(6 )控制，水箱加热器(11)安装在水箱(18)中，水箱(18)、三通(15)、内循环开关(8)、水泵(9)和电池系统(I)构成内循环，水箱(18)、三通(15)、外循环开关(8)、水泵(9)、外循环散热器(10)和电池系统(I)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(3)、外接直流电源(2 )和外接直流电源继电器(5 )，所述高分子聚合物板(3 )安装在电池系统(I)的电堆端电池与电堆端板之间；所述外接直流电源(2)连接在电池系统(I)的输出端子上，外接直流电源继电器(5 )与控制台(6 )相连，控制台(6 )通过控制外接直流电源继电器(5 )控制外接直流电源(2)的通断。
2.根据权利要求1所述一种-20°C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(3)是聚苯乙烯板、聚氯乙烯板和尼龙板中的一种。
3.根据权利要求1所述一种-20°C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(3)的厚度为40 70_。
4.根据权利要求1所述一种-20°C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(2)电压为I 10V。
5.权利要求1所述一种-20°C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(2)的通断，所述控制外接直流电源(2 )的通断是控制台通过控制外接直流电源继电器(5)控制外接直流电源(2)的通断，控制条件为当电池系统(I)的最低温度高于-10°C时，关闭外接直流电源(2);最低温度低于-10°C时，接通外接直流电源(2)； .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(I)平均温度达到-10 ± 2°C时，启动电池系统(I)，外接直流电源(2 )关闭。
全文摘要
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，还包括安装在电池系统的电堆端电池与电堆端板之间高分子聚合物板和连接在电池系统的输出端子上的外接直流电源，控制台通过外接直流电源继电器控制外接直流电源的通断。本发明的有益效果是能够明显缩短电池的冷启动时间，提高电池的低温性能；结构简单，辅助单元较少，操作简单，可靠性较高。
文档编号H01M8/04GK103022540SQ201210539730
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者崔士涛, 李丹, 单金环, 姜炜, 刘常福, 侯中军, 明平文 申请人:新源动力股份有限公司