一种燃料电池系统低温启动装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种燃料电池系统低温启动装置及方法，本发明专利技术装置包括燃烧室、重整室、蒸发室、供料模块、电堆、电堆散热模块、低温启动辅助模块；电堆散热模块在启动升温循环回路时，导热介质经由导热介质循环泵经过电加热源，流经电堆，直接回到导热介质循环泵不流经散热器，减少系统对外散热量提升加热效率缩短启动时间。在启动散热循环回路时，导热介质经由导热介质循环泵流经电堆，进入散热器，通过散热器对电堆进行散热维持温度，再回到导热介质循环泵，当处于低温环境下启动运行时，该回路会进一步提升系统升温速率缩短启动时间，增强系统环境适应性。低温启动辅助模块利用燃烧室尾气经过换热器预热甲醇水溶液，降低粘度，降低进料损失。进料损失。进料损失。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池系统低温启动装置及方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池系统
，具体而言，尤其涉及一种燃料电池系统低温启动装置及方法。

技术介绍

[0002]高温醇类燃料电池工作温度在160
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180℃之间，热电联供效率高，水热管理简单，CO耐受性高，在备用电源、动力电源和热电联供等方面具有较为广泛的应用前景。高温醇类燃料电池电源系统通常是由燃料电池电堆、电堆散热模块、甲醇燃烧室、甲醇燃料储存桶、甲醇蒸发室、甲醇重整室等部件组成。电源系统采用甲醇水溶液作为燃料，在启动升温阶段，采用甲醇催化燃烧和电加热相结合的方式使系统达到工作温度，在稳定运行阶段，甲醇汽化并经过低温重整反应(200
‑
300℃)生成富氢气体，提供电堆放电和维持系统热量平衡所需燃料。
[0003]由于高温醇类燃料电池电源系统工作温度较高，故而把系统温度从贮存环境温度提升至合适的工作温度是一个较为关键的问题，同时叠加上系统工作环境工况，在较为恶劣的工况条件时，需要在低温环境(
‑
40℃至
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20℃)下完成启动并稳定运行，进一步增加了启动过程的挑战。现有文献报道的电源系统升温方式包括：直接电加热，直接反应加热，间接利用电加热或者利用反应加热导热介质。此外，整个电源系统在启动过程中需要在一定时间内完成升温启动，但是在系统稳定运行时电堆需要通过导热介质向外散热，这与启动过程中想要快速升温的目的是相悖的。所以，如何在恶劣的低温环境下较为快速的完成启动，并且保证系统稳定运行是所要解决的问题。
[0004]除此之外，现有的电源系统选择甲醇水溶液作为燃料，在环境温度为室温时，甲醇溶液的粘度较低，对供料模块的性能损失影响较小，当环境温度降至
‑
20℃甚至
‑
40℃时，甲醇溶液的粘度是2
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4倍，故而对系统供料模块的性能损失影响较大，会导致系统不能稳定运行。所以，高温醇类燃料电池电源系统在常温和恶劣低温工况下，消耗较短时间完成启动并且能够稳定运行挑战巨大。
[0005]针对低温环境下高温醇类燃料电池电源系统启动问题，目前主要是通过比较好的保温策略减少在升温过程中系统对外散热，或者是增加额外加热方式来辅助系统升温启动，这样会增加系统的辅助功耗减少对外输出能力。同时，低温下甲醇水溶液对系统启动和稳定运行的影响主要是通过合理的冗余设计、额外加热方法升高甲醇溶液温度，或者在系统内部进行合理结构设计预热甲醇溶液，但是冗余设计和额外加热甲醇溶液都会增加系统辅助功耗，内部机构设计预热甲醇还会增加系统重量，增加系统结构设计复杂度。

技术实现思路

[0006]根据上述提出的针对燃料电池系统环境适应性低温启动问题，而提供一种燃料电池系统低温启动装置及方法。
[0007]本专利技术采用的技术手段如下：
[0008]一种燃料电池系统低温启动装置，包括燃烧室、重整室、蒸发室、供料模块、电堆；还包括电堆散热模块以及低温启动辅助模块；
[0009]所述燃烧室与所述重整室之间通过燃烧空气连通，所述重整室与所述蒸发室之间通过燃烧空气连通，所述蒸发室与所述低温启动辅助模块之间通过燃烧空气连通；
[0010]所述燃烧室与所述电堆之间通过甲醇重整富氢气体连通，所述燃烧室与所述供料模块之间通过甲醇溶液连通，所述电堆与所述重整室之间通过甲醇重整富氢气体连通，所述重整室与所述蒸发室之间通过甲醇溶液连通，所述蒸发室与所述供料模块之间通过甲醇溶液连通；
[0011]所述电堆与所述电堆散热模块之间通过导热介质连通，所述电堆散热模块与所述蒸发室之间通过导热介质连通，所述蒸发室与所述电堆之间通过导热介质连通。
[0012]进一步地，所述电堆散热模块包括导热介质循环泵、第一电磁阀、第二电磁阀以及散热器；其中，散热器与第一电磁阀串联，再与第二电磁阀并联，并联后再与导热介质循环泵串联。
[0013]进一步地，所述电堆散热模块包括升温循环回路和低温循环回路；其中：
[0014]升温循环回路包括导热介质循环泵、第一电磁阀、第二电磁阀，当系统启动升温循环回路时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，导热介质经由导热介质循环泵经过电加热源，流经所述电堆，直接回到导热介质循环泵不流经散热器；
[0015]散热循环回路包括导热介质循环泵、第一电磁阀、第二电磁阀以及散热器，当系统启动散热循环回路时，开启第二电磁阀，关闭第一电磁阀，导热介质经由导热介质循环泵流经电堆，进入散热器，通过散热器对电堆进行散热维持温度，再回到导热介质循环泵。
[0016]进一步地，所述低温启动辅助模块包括甲醇储液罐、增压泵、换热器、两个流量调节阀、以及温度控制点，其中：
[0017]甲醇储液罐、增压泵以及换热器依次连接，甲醇水溶液从甲醇储液罐中经由增压泵进入换热器预热升温后进入所述供料模块；两个流量调节阀的两端分别连接两路燃烧室尾气，一路燃烧室尾气通过一个流量调节阀直接排空，另一路燃烧室尾气通过另一个流量调节阀进入换热室排空。
[0018]进一步地，两个所述流量调节阀用于控制两路燃烧室尾气的流量大小，进而控制甲醇溶液预热温度。
[0019]进一步地，所述温度控制点设置在换热器的出口处，用于控制甲醇溶液预热温度。
[0020]本专利技术还提供了一种基于上述燃料电池系统低温启动装置的燃料电池系统低温启动辅助方法，包括如下步骤：
[0021]S1、当系统在低温环境下贮存时，将低温辅助启动燃料供入燃烧室进行催化燃烧；
[0022]S2、反应热通过空气带入所述低温启动辅助模块，通过换热器对进入系统的甲醇水溶液进行预热；
[0023]S3、当甲醇水溶液温度升到一定值时，停止辅助燃料供料，依靠系统自身甲醇燃烧反应热提供预热供料所需热量；
[0024]S4、在利用电加热通过导热介质使电堆在启动阶段升温时，通过所述电堆散热模块使得散热器不参与导热介质循环回路。
[0025]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0026]1、本专利技术提供的燃料电池系统低温启动装置及方法，具有利用系统部件进行辅助完成低温启动结构，具有根据系统运行阶段控制电堆散热的完整低温启动策略，能够缩短系统启动时间，增强系统环境适应性，提升系统稳定性。
[0027]2、本专利技术提供的燃料电池系统低温启动装置，在启动升温循环回路后，使得导热介质经由导热介质循环泵经过电加热源，流经电堆，直接回到导热介质循环泵，减少系统对外散热量提升加热效率缩短启动时间。
[0028]3、本专利技术提供的燃料电池系统低温启动装置，在启动散热循环回路后，使得导热介质经由导热介质循环泵流经电堆，进入散热器，通过散热器对电堆进行散热维持温度，再回到导热介质循环泵。当处于低温环境下启动运行时，该回路会进一步提升系统升温速率缩短启动时间，增强系统环境适应性。
[0029]4、本专利技术提供的燃料电池系统低温启动装置，其低温启动辅助模块利用电源系统燃烧室尾气经过换热器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统低温启动装置，包括燃烧室、重整室、蒸发室、供料模块、电堆；其特征在于，还包括电堆散热模块以及低温启动辅助模块；所述燃烧室与所述重整室之间通过燃烧空气连通，所述重整室与所述蒸发室之间通过燃烧空气连通，所述蒸发室与所述低温启动辅助模块之间通过燃烧空气连通；所述燃烧室与所述电堆之间通过甲醇重整富氢气体连通，所述燃烧室与所述供料模块之间通过甲醇溶液连通，所述电堆与所述重整室之间通过甲醇重整富氢气体连通，所述重整室与所述蒸发室之间通过甲醇溶液连通，所述蒸发室与所述供料模块之间通过甲醇溶液连通；所述电堆与所述电堆散热模块之间通过导热介质连通，所述电堆散热模块与所述蒸发室之间通过导热介质连通，所述蒸发室与所述电堆之间通过导热介质连通。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统低温启动装置，其特征在于，所述电堆散热模块包括导热介质循环泵、第一电磁阀、第二电磁阀以及散热器；其中，散热器与第一电磁阀串联，再与第二电磁阀并联，并联后再与导热介质循环泵串联。3.根据权利要求2所述的燃料电池系统低温启动装置，其特征在于，所述电堆散热模块包括升温循环回路和散热循环回路；其中：升温循环回路包括导热介质循环泵、第一电磁阀、第二电磁阀，当系统启动升温循环回路时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，导热介质经由导热介质循环泵经过电加热源，流经所述电堆，直接回到导热介质循环泵不流经散热器；散热循环回路包括导热介质循环泵、第一电磁阀、第二电磁阀以及散热器，当系统启动散热循环回路时，开启第二电磁阀，关闭第一电磁阀，导热介质经...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海，秦斌，倪军亭，张盟，孙公权，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：