燃料电池系统及其低温启动方法技术方案

本申请涉及一种燃料电池系统及其低温启动方法，在所述燃料电池中设置所述加热单元可以在低温环境中提高所述燃料电池电堆的温度，有助于所述燃料电池的热启动。本申请设置所述加热单元，对于原有的所述燃料电池结构的改进较小，不会影响所述燃料电池电堆的结构设计。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统及其低温启动方法
本申请涉及燃料电池
，特别是涉及一种燃料电池系统及其低温启动方法。
技术介绍
目前全球石油资源日益枯竭，温室效应等环境问题愈加严峻。与传统内燃机、电动机等动力源相比，燃料电池在功率密度和环境友好程度上有很大优势。燃料电池是一种电化学装置，能将化学能直接转换为电能。由于燃料电池的能量转换过程不受卡诺循环限制，其能量转换效率较高。燃料电池工作过程中，消耗的燃料为氢气，反应产物是水，有害排放物为零，所以是最清洁的能源之一。由于燃料电池产物为水，零度以下低温启动是燃料电池的技术瓶颈之一。在低温环境中燃料电池启动的时候燃料电池的电堆温度低于零度，燃料电池产生的水容易在内部结冰。燃料电池的内部结冰后，一方面阻碍了电化学反应的进行，另一方面阻碍了反应气体在多孔介质中的传输。燃料电池的内部结冰对燃料电池的输出性能造成一定影响，甚至可能导致反应中断，燃料电池的启动失败。同时如果水在燃料电池内部结冰，会对其内部结构造成一定的机械损伤，影响燃料电池的寿命。因此在燃料电池低温启动过程中，需要尽快地将温度提高到零度以上。现有的燃料电池低温启动的解决方法，一方面是通过提高燃料电池的内部产热量，另一方面是通过外部增加热量辅助燃料电池升温。前者主要是通过控制电流、反应物等方式，提高电流，降低燃料电池电压，从而提高反应热。后者则通过外部能量源加热冷却水、加热双极板、加热进气或加热端板。传统的利用降低燃料电池电压的方法增加燃料电池内部产热量的方法容易导致燃料电池的损坏，容易引起反极现象，控制过程比较困难。传统的利用外电源对电堆进行加热的方法需要在系统中增加蓄电池，可能需要额外安装加热器，同时增加了加热电路，造成了系统结构复杂，也增加了成本。另外，传统的方法还需要对燃料电池双极板进行改造，容易对电堆已有结构造成破坏。
技术实现思路
基于此，有必要针对通过外电路对燃料电池的进行加热，需要对燃料电池双极板进行改造，容易对电堆已有结构造成破坏的问题，提供一种燃料电池系统及其低温启动方法。一种燃料电池系统，包括：燃料电池电堆，用于为燃料电池的燃料气和氧化气提供反应场所；阳极端板，与所述燃料电池电堆连通；阴极端板，与所述燃料电池电堆连通；以及两个加热单元，一个加热单元设置于所述燃料电池电堆和所述阳极端板之间，另一个所述加热单元设置于所述燃料电池电堆和所述阴极端板之间，用于在低温环境下实现对于所述燃料电池电堆的加热。在一个实施例中，所述加热单元包括：第一集流板，贴合所述燃料电池电堆设置；加热片，贴合所述第一集流板设置；以及第二集流板，贴合所述加热片并且远离所述燃料电池堆设置。在一个实施例中，所述燃料电池电堆与两个所述第一集流板分别直接压紧接触并固定；两个所述第二集流板分别与所述阳极端板和所述阴极端板直接压紧接触并固定。在一个实施例中，还包括：负载，与所述燃料电池电堆电连接，用于控制所述燃料电池系统的输出功率；以及低温启动电路，与所述负载和所述两个加热单元分别电连接，所述低温启动电路的状态可以调节，所述低温启动电路用于控制所述燃料电池系统是否进入低温启动状态。在一个实施例中，所述低温启动电路包括：第一开关，与所述负载直接电连接，用于控制所述负载是否接入低温启动回路，调整所述燃料电池系统的输出功率；第二开关，电连接于靠近所述阳极端板设置的所述加热单元中的所述第一集流板和所述负载的一端之间；以及第三开关，电连接于靠近所述阴极端板设置的所述加热单元中的所述第一集流板和所述负载的另一端之间。在一个实施例中，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关为单刀单掷的机械开关或者单刀单掷的电控开关。在一个实施例中，所述低温启动电路包括：第四开关，所述第四开关为单双掷开关，所述第四开关具有第一触点、第二触点和第三触点，所述第四开关实现所述第一触点和第二触点接通或者实现所述第一触点和第三触点接通，所述第一触点和所述负载的一端电连接，所述第二触点和靠近所述阳极端板设置的所述加热单元中的所述第二集流板电连接，所述第三触点和靠近所述阳极端板设置的所述加热单元中的所述第一集流板电连接；以及第五开关，所述第五开关为单双掷开关，所述第五开关具有第四触点、第五触点和第六触点，所述第五开关实现所述第四触点和所述第五触点接通或者实现所述第四触点和第六触点接通，所述第四触点和所述负载的另一端电连接，所述第五触点和靠近所述阴极端板设置的所述加热单元中的所述第一集流板电连接，所述第六触点和靠近所述阳极端板设置的所述加热单元中的所述第二集流板电连接。一种燃料电池的低温启动方法，所述燃料电池系统包括：燃料电池电堆、阳极端板、阴极端板、两个加热单元、低温启动电路以及负载；所述燃料电池电堆的两个侧面分别贴合设置一个所述加热单元，在所述加热单元的外侧壁分别贴合设置所述阳极端板和所述阴极端板；一个所述加热单元包括紧密贴合设置的第一集流板、加热片和第二集流板；所述负载与所述燃料电池电堆电连接，用于控制所述燃料电池系统的输出功率，所述低温启动电路与所述负载和所述两个加热单元分别电连接，所述低温启动电路的状态可以调节，所述低温启动电路用于控制所述燃料电池系统是否进入低温启动状态；所述低温启动方法包括：在低温环境中，所述低温启动电路控制所述燃料电池系统进入低温启动回路：向所述燃料电池电堆通入反应气体，所述负载控制所述燃料电池系统的输出功率，所述低温启动电路控制电流从所述燃料电池电堆内部流经靠近所述阴极端板的所述加热单元，再流经所述负载，再流经靠近所述阳极端板的所述加热单元，最后进入所述燃料电池电堆；检测环境温度，当环境温度高于预设阈值，则通过所述低温启动电路控制所述燃料电池系统恢复正常启动回路：此时通过所述低温启动电路控制两个所述加热单元中的所述第二集流板均被短路，电流从所述燃料电池电堆内部流经靠近所述阴极端板的所述加热单元中的所述第一集流板，再流经所述负载，再流经靠近所述阳极端板的所述加热单元中的所述第一集流板，，最后进入所述燃料电池电堆。在一个实施例中，所述低温启动电路包括：第一开关，与所述负载直接电连接，用于控制所述负载是否接入低温启动回路，调整所述燃料电池系统的输出功率；第二开关，电连接于靠近所述阳极端板设置的所述加热单元中的所述第一集流板和所述负载的一端之间；以及第三开关，电连接于靠近所述阴极端板设置的所述加热单元中的所述第一集流板和所述负载的另一端之间；当所述燃料电池系统处于低温启动回路时，所述第一开关闭合，所述第二开关和所述第三开关均断开；当所述燃料电池系统恢复正常启动回路时，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关均闭合。在一个实施例中，所述低温启动电路包括：第四开关，所述第四开关为单双掷开关，所述第四开关具有第一触点、第二触点和第三触点，所述第一触点和所述负载的一端电连接，所述第二触点和靠近所述阳极端板设置的所述加热单元中的所述第二集流板电连接，所述第三触点和靠近所述阳极端板设置的所述加热单元中的所述第一集流板电连接；以及第五开关，所述第五开关为单双掷开关，所述第五开关具有第四触点、第五触点和第六触点，所述第四触点和所述负载的另一端电连接，所述第五触点和靠近所述阴极端板设置的所述加热单元中的所述第一集流板电连接，所述第六触点和靠近所述阳极端板设置的所述加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池系统(100)，其特征在于，包括：燃料电池电堆(10)，用于为燃料电池的燃料气和氧化气提供反应场所；阳极端板(20)，与所述燃料电池电堆(10)连通；阴极端板(30)，与所述燃料电池电堆(10)连通；以及两个加热单元(40)，一个加热单元(40)设置于所述燃料电池电堆(10)和所述阳极端板(20)之间，另一个所述加热单元(40)设置于所述燃料电池电堆(10)和所述阴极端板(30)之间，用于在低温环境下实现对于所述燃料电池电堆(10)的加热。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统(100)，其特征在于，包括：燃料电池电堆(10)，用于为燃料电池的燃料气和氧化气提供反应场所；阳极端板(20)，与所述燃料电池电堆(10)连通；阴极端板(30)，与所述燃料电池电堆(10)连通；以及两个加热单元(40)，一个加热单元(40)设置于所述燃料电池电堆(10)和所述阳极端板(20)之间，另一个所述加热单元(40)设置于所述燃料电池电堆(10)和所述阴极端板(30)之间，用于在低温环境下实现对于所述燃料电池电堆(10)的加热。2.如权利要求1所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述加热单元(40)包括：第一集流板(41)，贴合所述燃料电池电堆(10)设置；加热片(42)，贴合所述第一集流板(41)设置；以及第二集流板(43)，贴合所述加热片(42)并且远离所述燃料电池堆(10)设置。3.如权利要求2所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述燃料电池电堆(10)与两个所述第一集流板(41)分别直接压紧接触并固定；两个所述第二集流板(43)分别与所述阳极端板(20)和所述阴极端板(30)直接压紧接触并固定。4.如权利要求3所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，还包括：负载(60)，与所述燃料电池电堆(10)电连接，用于控制所述燃料电池系统(100)的输出功率；以及低温启动电路(50)，与所述负载(60)和所述两个加热单元(40)分别电连接，所述低温启动电路(50)的状态可以调节，所述低温启动电路(50)用于控制所述燃料电池系统(100)是否进入低温启动状态。5.如权利要求4所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述低温启动电路(50)包括：第一开关(51)，与所述负载(60)直接电连接，用于控制所述负载(60)是否接入低温启动回路，调整所述燃料电池系统(100)的输出功率；第二开关(52)，电连接于靠近所述阳极端板(20)设置的所述加热单元(40)中的所述第一集流板(41)和所述负载(60)的一端之间；以及第三开关(53)，电连接于靠近所述阴极端板(30)设置的所述加热单元(40)中的所述第一集流板(41)和所述负载(60)的另一端之间。6.如权利要求5所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述第一开关(51)、所述第二开关(52)和所述第三开关(53)为单刀单掷的机械开关或者单刀单掷的电控开关。7.如权利要求4所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述低温启动电路(50)包括：第四开关(54)，所述第四开关(54)为单双掷开关，所述第四开关(54)具有第一触点(541)、第二触点(542)和第三触点(543)，所述第四开关(54)实现所述第一触点(541)和第二触点(542)接通或者实现所述第一触点(541)和第三触点(543)接通，所述第一触点(541)和所述负载(60)的一端电连接，所述第二触点(542)和靠近所述阳极端板(20)设置的所述加热单元(40)中的所述第二集流板(43)电连接，所述第三触点(543)和靠近所述阳极端板(20)设置的所述加热单元(40)中的所述第一集流板(41)电连接；以及第五开关(55)，所述第五开关(55)为单双掷开关，所述第五开关(55)具有第四触点(551)、第五触点(552)和第六触点(553)，所述第五开关(55)实现所述第四触点(551)和所述第五触点(552)接通或者实现所述第四触点(551)和第六触点(553)接通，所述第四触点(551)和所述负载(60)的另一端电连接，所述第五触点(552)和靠近所述阴极端板(30)设置的所述加热单元(40)中的所述第一集流板(41)电连接，所述第六触点(553)和靠近所述阳极端板(20)设置的所述加热单元(40)中的所述第二集流板(43)电连接。8.一种燃料电池系统的低温启动方法，其特征在于，所述燃料电池系统(100)包括：燃料电池电堆(10)、阳极端板(20)、阴极端板(30)、两个加热单元(40)、低温启动电路(50)以及负载(60)；所述燃料电池电堆(10)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建秋，江宏亮，徐梁飞，欧阳明高，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11