用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法和燃料电池发电系统技术方案

本申请公开了一种用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法，包括：在质子交换膜燃料电池不能正常启动时，准备进入冷启动程序，包括下述步骤：步骤a：向质子交换膜燃料电池的阳极的气体入口提供氢气，并向阴极的气体入口提供过量的空气；步骤b：向阴极的气体入口提供氢气；步骤c：检测是否出现退出状况，如果出现，则结束冷启动程序；如果未出现，则返回执行步骤a；退出状况选自质子交换膜燃料电池的内部温度大于零度和质子交换膜燃料电池的阻值接近质子交换膜燃料电池在零度下内部无冰状态时的阻值中的至少一个条件。本申请还公开了一种燃料电池发电系统。

【技术实现步骤摘要】
用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法和燃料电池发电系统
本申请涉及一种用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法和一种燃料电池发电系统。
技术介绍
质子交换膜燃料电池作为一种清洁、高效的能量转换装置，非常具有前景。质子交换膜燃料电池的低温启动问题是其是否具有低温环境适应性的关键。为了提高质子交换膜燃料电池的冷启动能力，通用的策略包括如下几种方式：一是选用低比热容的燃料电池组件材料，从而使燃料电池在升至相同的温度时所需的热量降低；二是在燃料电池停机时尽量将燃料电池内部残留的水分吹扫或者以别的手段去除掉，使水分只在质子交换膜中以不可冻水的状态存在；三是启动时让燃料电池在低电效率下工作，从而大部分能量会转化为热量以加热燃料电池。尽管上述措施可以明显改善质子交换膜燃料电池的冷启动特性，但是当温度极低时(如低至零下30度)时，以上措施仍不能满足冷启动的需要。此时，就需要快速加热的方式。目前的快速加热方法主要有外部加热法，如利用外部氢气催化燃烧加热的方法；利用压缩空气进行加热的方法；有利用外部电池供电极性加热的方法；如利用燃料电池本身所发的电进行加热的方法；对于外部加热法和燃料电池自身发电加热法不但需要单独增加额外的设备，而且无法满足使燃料电池在几秒内快速升高的温度的要求。另外还可以采用内部加热法，如氢气和氧气直接在内部接触反应，在燃料电池阴极内掺氢气是燃料电池阴极侧发生氢氧反应产热。但氢气和氧气(空气)的混合反应，很容易产生爆炸现象，因而如何有效控制氢气和氧气的浓度，在保证安全的同时，不降低加热的效果，一直是内部加热法的难点。因此，需要一种即使在较低温度的工作环境中也能使质子交换膜燃料电池顺利启动且完成正常的电流输出的用于冷启动质子交换膜燃料电池的有效方法。还需要一种燃料电池发电系统。
技术实现思路
本申请的一个目的是提供一种用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法。本申请的另一个目的是提供一种燃料电池发电系统。本申请的一种用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法，包括：在所述质子交换膜燃料电池不能正常启动时，准备进入冷启动程序，包括下述步骤：步骤a：向所述质子交换膜燃料电池的阳极的气体入口提供氢气，并向阴极的气体入口提供过量的空气；步骤b：向所述阴极的气体入口提供氢气；步骤c：检测是否出现退出状况，如果出现，则结束所述冷启动程序；如果未出现，则返回执行步骤a；所述退出状况选自所述质子交换膜燃料电池的内部温度大于零度和所述质子交换膜燃料电池的阻值接近所述质子交换膜燃料电池在零度下内部无冰状态时的阻值中的至少一个条件。在本申请的步骤a中，向阴极的气体入口提供过量的空气意指提供相对于质子交换膜燃料电池的电极反应的化学计量过量的空气。可选地，尽管优选提供空气，但也可以用其他含氧气体或纯氧气来替代空气。其他含氧气体如由氧气与不会参与或影响电极反应的其他气体组成的气体混合物。在本申请中，可以利用设置在燃料电池内部的温度检测装置(如温度计)监测并测量燃料电池的内部温度；可以利用设置在燃料电池内部的阻抗测量装置监测并测量燃料电池的阻值。本领域技术人员已知的其他测量温度和阻值的方式也可以用于本申请。在本申请中，质子交换膜燃料电池在零度时内部无冰状态时的阻值与燃料电池的总功率，电极的尺寸直接相关，可以由本领域技术人员根据所使用的燃料电池确定。可选地，当选自所述阳极内的一位置处(任意选择的某一个位置处)的氢气的浓度、所述阴极内的一位置处(任意选择的某一个位置处)的氧气的浓度以及所述质子交换膜燃料电池的电压中的至少一个条件不随时间变化而变化时，停止实施所述步骤a并开始实施所述步骤b。可选地，预先设定每次实施所述步骤a的时间，当达到所述时间后，停止实施所述步骤a并开始实施所述步骤b。可选地，当选自所述阴极内的一位置处(任意选择的某一个位置处)的氧气的浓度和所述质子交换膜燃料电池的电压中的至少一个条件不随时间变化而变化时，停止实施步骤b并开始实施步骤c。预先设定每次实施所述步骤b的时间，当达到所述时间后，停止实施所述步骤b并开始实施所述步骤c。在本申请中，可以根据电池的总功率，通入的气体的流量、电极反应化学计量比等条件来预先设置每次实施步骤a或步骤b的时间。在本申请中，可以采用浓度传感器来测量气体浓度；可以采用电压测量装置来测量电池电压。本领域技术人员已知的其他测量浓度和电池电压的方式也可以用于本申请。可选地，在步骤b中，还包括停止向阴极的气体入口提供空气；或继续向阴极的气体入口提供空气。可选地，在步骤b中，还包括停止向阴极的气体入口提供空气。可选地，在步骤b中，还包括停止向阳极的气体入口提供氢气，或继续向阳极的气体入口提供氢气。可选地，在步骤b中，还包括停止向阳极的气体入口提供氢气。可选地，在实施步骤a之前，实施步骤a和实施步骤b之间或者实施步骤b之后，加入辅助加热步骤。本领域中常用的电池辅助加热方法都可以合适地用于本申请，如通过加热流过电池的冷却液，在电池内设置加热电阻元件等。可选地，实施步骤a和/或步骤b时，阳极的气体出口和阴极的气体出口可以闭合，也可以不闭合。可选地，每次实施步骤a的时间小于3秒。可选地，每次实施步骤b的时间小于3秒。本申请提供的燃料电池发电系统包括：质子交换膜燃料电池堆，其由多个质子交换膜燃料电池组成，所述质子交换膜燃料电池堆包括阳极、阴极、质子交换膜以及双极板(可选地，还包括质子交换膜燃料电池堆中其他常规的部件)；检测装置，其用于检测所述质子交换膜燃料电池堆的内部温度和/或所述质子交换膜燃料电池堆的阻值；第一输送管路，其一端与氢气源连通，另一端与所述质子交换膜燃料电池堆的阳极的气体入口流体连通；第二输送管路，其一端与空气源连通，另一端与所述质子交换膜燃料电池堆的阴极的气体入口流体连通；第三输送管路，其与所述第一输送管路和所述第二输送管路流体连通；和控制系统，其与所述质子交换膜燃料电池堆、所述第一输送管路、所述第二输送管路以及所述第三输送管路电连接；其中当所述控制系统根据所述检测装置的检测值判断出所述质子交换膜燃料电池堆不能正常启动而准备进入冷启动程序时，所述控制系统执行所述第一输送管路、所述第二输送管路以及所述第三输送管路的开启和/或关闭；其中当所述控制系统根据所述检测装置的检测值判断出现退出状况时，所述控制系统停止执行所述第一输送管路、所述第二输送管路以及所述第三输送管路的开启和/或关闭，结束所述冷启动程序；所述退出状况选自所述质子交换膜燃料电池的内部温度大于零度和所述质子交换膜燃料电池的阻值接近所述质子交换膜燃料电池在零度下内部无冰状态时的阻值中的至少一个条件。在本申请中，第三输送管路与第一输送管路和第二输送管路流体连通意指第三输送管路可以设置在第一输送管路和第二输送管路之间且其两端分别与第一输送管路和第二输送管路共用一部分管路；然而，可选择地，第三输送管路也可以是单独的管路，即第三输送管路的一端与氢气源连通，另一端与所述质子交换膜燃料电池堆的阴极的气体入口流体连通。可选地，检测装置可以包括温度测量装置和阻抗测量装置。可选地，当所述第一输送管路和所述第二输送管路开启一预定时间后，或当选自所述阳极内的一位置处的氢气的浓度、所述阴极内的一位置处的氧气的浓度以及所述质子交换膜燃料电池的电压中的至少一个条件不随时间变化而变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法，包括：在所述质子交换膜燃料电池不能正常启动时，准备进入冷启动程序，包括下述步骤：步骤a：向所述质子交换膜燃料电池的阳极的气体入口提供氢气，并向阴极的气体入口提供过量的空气；步骤b：向所述阴极的气体入口提供氢气；步骤c：检测是否出现退出状况，如果出现，则结束所述冷启动程序；如果未出现，则返回执行所述步骤a；所述退出状况选自所述质子交换膜燃料电池的内部温度大于零度和所述质子交换膜燃料电池的阻值接近所述质子交换膜燃料电池在零度下内部无冰状态时的阻值中的至少一个条件。

【技术特征摘要】
2017.05.17 CN 20171034951751.一种用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法，包括：在所述质子交换膜燃料电池不能正常启动时，准备进入冷启动程序，包括下述步骤：步骤a：向所述质子交换膜燃料电池的阳极的气体入口提供氢气，并向阴极的气体入口提供过量的空气；步骤b：向所述阴极的气体入口提供氢气；步骤c：检测是否出现退出状况，如果出现，则结束所述冷启动程序；如果未出现，则返回执行所述步骤a；所述退出状况选自所述质子交换膜燃料电池的内部温度大于零度和所述质子交换膜燃料电池的阻值接近所述质子交换膜燃料电池在零度下内部无冰状态时的阻值中的至少一个条件。2.如权利要求1所述的方法，其中当选自所述阳极内的一位置处的氢气的浓度、所述阴极内的一位置处的氧气的浓度以及所述质子交换膜燃料电池的电压中的至少一个条件不随时间变化而变化时，停止实施所述步骤a并开始实施所述步骤b。3.如权利要求1所述的方法，其中预先设定每次实施所述步骤a的时间，当达到所述时间后，停止实施所述步骤a并开始实施所述步骤b。4.如权利要求1所述的方法，其中当选自所述阴极内的一位置处的氧气的浓度和所述质子交换膜燃料电池的电压中的至少一个条件不随时间变化而变化时，停止实施所述步骤b并开始实施所述步骤c。5.如权利要求1所述的方法，其中预先设定每次实施所述步骤b的时间，当达到所述时间后，停止实施所述步骤b并开始实施所述步骤c。6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中在实施步骤a之前，实施步骤a和实施步骤b之间或者实施步骤b之后，加入辅助加热步骤。7.如权利要求1所述的方法，其中每次实施步骤a的时间小于3秒。8.如权利要求1所述的方法，其中每次实施步骤b的时间小于3秒。9.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中在所述步骤b中，还包括停止向所述阴极的气体入口提供空气；或继续向所述阴极的气体入口提供空气。10.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中在所述步骤b中...

【专利技术属性】
技术研发人员：何广利，许壮，翟俊香，熊亚林，刘玮，李育磊，彭北桦，
申请(专利权)人：神华集团有限责任公司，北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11