一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，按照燃料电池的低温贮存和控制燃料电池阴极散热器温度步骤进行：燃料电池的阴极散热器上设临界温度控制装置，燃料电池在‑40℃低温环境中运行时，控制散热器在工作时温度不低于25℃～35℃的临界温度。本发明专利技术的优点是燃料电池贮存和运行是均在保温装置内，保温装置由柔性保温材料和自发热相变复合保温材料制作，避免燃料电池在‑40℃下长时间贮存后内部液体发生凝固，正常启动后可在低温工作时正常通风；临界温度控制装置对燃料电池阴极散热器的温度进行控制保证散热器中部的温度不低于临界温度，维持正常水热管理，保证阴极气路通畅和水分的正常回收，操作便捷，技能要求低。

A Water-heat Balance Management Method for Low Temperature Environment of Fuel Cells

The invention discloses a water-heat balance management method for fuel cell cryogenic environment, which is carried out according to the steps of storing and controlling the temperature of fuel cell cathode radiator at low temperature: the cathode radiator of fuel cell is equipped with a critical temperature control device, and the working temperature of fuel cell is controlled not less than the critical temperature of 25 to 35 degrees when the fuel cell operates at 40 degrees C cryogenic environment. \u3002 The advantages of the present invention are that the storage and operation of fuel cells are all in the thermal insulation device, which is made of flexible thermal insulation material and spontaneous thermal phase change composite thermal insulation material, so as to avoid the solidification of the internal liquid of fuel cells after long storage at The line control ensures that the temperature in the radiator is not lower than the critical temperature, maintains the normal water and heat management, ensures the cathode gas passage and the normal recovery of water. It is easy to operate with low skill requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法
本专利技术属于燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法。
技术介绍
直接甲醇燃料电池系统是将甲醇燃料的化学能直接转变为电能的一种电化学反应装置。甲醇在阳极催化剂的作用下氧化生成二氧化碳，并释放出电子和质子，其中质子经电解质膜传导至阴极区，电子则通过外路做功放电，并传递至阴极区，在阴极区电子和质子与氧气在阴极电催化剂的作用下发生电化学还原反应，并生成水。直接甲醇燃料电池属于液体燃料电池，其中阳极燃料不能直接使用甲醇进行发电，需将其稀释至一定浓度后才可进入电堆使用，因此甲醇燃料电池系统电堆及内部流道中含有大量水分。直接甲醇燃料电池系统在常温常压环境下其最佳工作温度在60℃～80℃之间，启动时间约10min～15min，至电堆温度达到60℃以上时才能进入最佳供电状态。当温度过低时，系统内部热量散失快，难以保证最佳的工作温度，导致电堆电压大幅度下降，利用率低或无法正常工作。目前直接甲醇燃料电池系统低温贮存温度通常最低为1℃，当其在经过-40℃低温环境长时间贮存后，系统内部溶液中的大量水分极易发生凝固，导致系统启动困难，甚至凝固后会损坏电堆中的关键组件，使系统失效。此外当系统在-40℃低温环境启动后工作时，由于产品启动温度低，升温跨度大，系统中的液体在贮存时发生凝固，热量损失快，水热管理功能维持困难，温度持续降低将会导致水热管理失衡，直至系统停机或故障报警。现有技术中，针对直接甲醇燃料电池的低温工作，大部分研究着重于甲醇燃料电池系统的低温启动性能，研究方向多是系统的内部改进，主要包括两大方向：一方面，开发新型燃料介质，将其添加至直接甲醇燃料电池系统的燃料中，降低混合溶液的冰点，防止内部液体发生凝固(美国Odgaard专利2010/0310954)；例如通过添加冰点抑制剂可以避免甲醇溶液在低温-40℃下发生凝固，目前该技术的操作方法是在低温贮存前预先加入冰点抑制剂，但所使用的冰点抑制剂在燃料中均会参与反应，影响系统性能，所以在低温贮存后，使用常规缓冲溶液替换掉系统中带冰点抑制剂的溶液，并用惰性气体清洗，才能进行系统启动，否则会对系统性能产生不可恢复的影响，该方法操作复杂，使用要求严格，难以满足大批量或紧急状况下使用；另一方面，进行直接甲醇燃料电池系统的热管理优化，在系统内部集成加热装置，对流体进行预热，使其在低温启动时快速提升电堆温度，该技术的主要路线是将加热装置集成在热管理模块中，通过电控调节，在启动时对燃料进行加热，实现快速升温启动，同时运行过程中对反应后流体的热量进行回收利用，提高运行效率,该技术增加了部分装置，提高了产品成本，可以实现低温快速启动,但仅适用于-10℃较低温度贮存后的情况，不能解决直接甲醇燃料电池系统在-40℃下长时间贮存后内部液体凝固的现象。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，燃料电池在-40℃低温环境下长时间贮存后内部溶液不发生凝固，在-40℃低温环境中正常启动运行时能够维持稳定的水热平衡，持续对外输出供电。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，其特点是按照如下步骤进行：步骤一燃料电池的保温：将燃料电池置于保温装置内，燃料电池在-40℃低温环境下长时间贮存时内部溶液不发生凝固；步骤二控制燃料电池阴极散热器的温度：燃料电池运行时仍置于保温装置内，在燃料电池的阴极散热器上设置临界温度控制装置，燃料电池在-40℃低温环境中运行时，控制散热器温度不低于临界温度，避免阴极内部水分过分冷却发生凝固导致气路堵塞，所述临界温度为25℃～35℃。进一步的，所述步骤一中的保温装置为贮存燃料电池的封闭腔体，所述封闭腔体包括由外到内依次设置的包装层、第一保温层和第二保温层，所述封闭腔体上设有可开关的通气窗口。进一步的，所述第一保温层的厚度为3.5mm～4.5mm，第一保温层由低热导的柔性保温材料制作，所述柔性保温材料的热导系数为0.040～0.045W·m-1·K-1。进一步的，所述第二保温层由自发热相变复合保温材料制作，所述自发热相变复合保温材料包括相变材料、铁粉、吸水材料、活性炭、萤石；所述相变材料的用量为0.25g·cm-2～5g·cm-2，相变温度为2～10℃；铁粉的用量为0.1g·cm-2～4g·cm-2；吸水材料的用量为0.05g·cm-2～2g·cm-2；活性炭的用量为0.05g·cm-2～5g·cm-2；萤石的用量为0.03g·cm-2～3g·cm-2；把相变材料与铁粉、吸水材料、活性炭、萤石和水放在一起使用，由于相变材料储热量不高，铁粉、吸水材料、活性炭、萤石和水的反应生成的热量由相变材料吸收并贮存，在-40℃低温环境下首先为保温装置提供热能并储存在相变材料内，待封闭腔室内的温度低于相变温度后相变材料释放热能；相变材料与铁粉、吸水材料、活性炭、萤石的组合有两种方式，第一种是相变材料与铁粉、吸水材料、活性炭、萤石和水分别由憎水性膜热封成型；第二种是将相变材料与铁粉、吸水材料、活性炭、萤石和水混合后由憎水性膜热封成型。进一步的，所述步骤二中临界温度控制装置包括温度检测装置，所述温度检测装置设在阴极散热器中部。进一步的，所述步骤二中临界温度控制装置还包括加热装置，所述加热装置设于第二保温层内侧，当阴极散热器温度低于临界温度时，开启加热装置，保持阴极处于临界温度以上，避免阴极内部水分过分冷却发生凝固导致气路堵塞；所述温度检测装置为K型热电偶或具有相同功能的热电偶、热电阻。进一步的，所述加热装置设在第二保温层与阴极散热器的相对位置上。进一步的，所述步骤二中临界温度控制装置还包括纯甲醇输液泵，当阴极散热器温度低于临界温度时，增大纯甲醇输液泵功率，使甲醇水溶液浓度增大，提高电堆温度。进一步的，所述步骤二中临界温度控制装置还包括阳极甲醇水溶液进料泵控制电路，当阴极散热器温度低于临界温度时，增大甲醇水溶液进料泵功率，增大甲醇水溶液进料，提高电堆温度。进一步的，所述步骤二中临界温度控制装置还包括风扇控制电路，所述风扇控制电路与温度检测装置和风扇连接，所述风扇控制电路设置风扇启停的临界温度或转速。与现有技术相比，本专利技术的优点是：燃料电池贮存和运行时均设在保温装置内，保温装置的蓄热保温功能采用低热导的柔性保温材料与相变材料相结合实现，相变材料的作用是在相变温度之上进行储能，存储铁粉、吸水材料、活性炭、萤石和水反应产生的热能或电堆内部散失的热量，利用其相变温度的稳定性，对系统在-40℃低温贮存时进行保温防护，利用相变材料的高热焓及相变时的恒温特性，使其在-40℃低温环境下产品表面温度维持在相变材料的相变温度，避免燃料电池在-40℃下长时间(10h左右)贮存后内部液体发生凝固，因此可以使燃料电池在此工况下贮存后正常启动，同时保温装置具有通气窗口，实现低温工作时的正常通风；相比使用新型燃料介质、增加加热装置和管理系统两种方法来说，该专利技术不仅能够实现-40℃长时间贮存，保证产品正常启动，同时还不改变原系统的任何状态，简化了系统构成，使用时操作快速便捷；增加临界温度控制装置对燃料电池阴极散热器的温度进行控制，在系统工作过程中，当阴极散热器温度过高或者需要回收水时，控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，其特征在于，按照如下步骤进行：步骤一燃料电池的保温：将燃料电池置于保温装置内，燃料电池在‑40℃低温环境下长时间贮存时内部溶液不发生凝固；步骤二控制燃料电池阴极散热器的温度：燃料电池运行时仍置于保温装置内，在燃料电池的阴极散热器上设置临界温度控制装置，燃料电池在‑40℃低温环境中运行时，控制散热器温度不低于临界温度，避免阴极内部水分过分冷却发生凝固导致气路堵塞，所述临界温度为25℃～35℃。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，其特征在于，按照如下步骤进行：步骤一燃料电池的保温：将燃料电池置于保温装置内，燃料电池在-40℃低温环境下长时间贮存时内部溶液不发生凝固；步骤二控制燃料电池阴极散热器的温度：燃料电池运行时仍置于保温装置内，在燃料电池的阴极散热器上设置临界温度控制装置，燃料电池在-40℃低温环境中运行时，控制散热器温度不低于临界温度，避免阴极内部水分过分冷却发生凝固导致气路堵塞，所述临界温度为25℃～35℃。2.根据权利要求1所述一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，其特征在于：所述步骤一中的保温装置为贮存燃料电池的封闭腔体，所述封闭腔体包括由外到内依次设置的包装层、第一保温层和第二保温层，所述封闭腔体上设有可开关的通气窗口。3.根据权利要求2所述一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，其特征在于：所述第一保温层的厚度为3.5mm～4.5mm，第一保温层由柔性保温材料制作，所述柔性保温材料的热导系数为0.040～0.045W·m-1·K-1。4.根据权利要求2或3所述一种燃料电池低温环境水热平衡管理方法，其特征在于：所述第二保温层由自发热相变复合保温材料制作，所述自发热相变复合保温材料包括相变材料、铁粉、吸水材料、活性炭、萤石；所述相变材料的用量为0.25g·cm-2～5g·cm-2，相变温度为2～10℃；铁粉的用量为0.1g·cm-2～4g·cm-2；吸水材料的用量为0.05g·cm-2～2g·cm-2；活性炭的用量为0.05g·cm-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡华冲，汪晔，魏伟，孙公权，李山，
申请(专利权)人：中科军联张家港新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32