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      一種高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)熱管理方法

      文檔序號:7182801閱讀:267來源:國知局
      專利名稱:一種高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)熱管理方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)集成與操作技術(shù),具體地說是一種高溫質(zhì)子 交換膜燃料電池的熱管理技術(shù)及啟停車策略。
      背景技術(shù)
      質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種高效、清潔、環(huán)境友好的發(fā)電裝置,是電動汽 車的理想動力源,亦可作為分散電站、潛艇及航天器等軍用電源或便攜式電源等,具有十分 廣闊的應(yīng)用前景。然而目前廣泛使用的以Nafion 為代表的全氟型磺酸膜燃料電池,通常 操作溫度低于80°C,使得燃料電池在實際應(yīng)用時面臨CO耐受性差、系統(tǒng)的水熱管理困難 等問題。因此將PEMFC運行溫度提高到100°C以上,通常稱之為高溫質(zhì)子交換膜燃料電池 (HT-PEMFC),是PEMFC技術(shù)的一個重要的發(fā)展方向。高溫PEMFC系統(tǒng)有如下優(yōu)點1)提高電極反應(yīng)動力學,降低催化劑的擔量;2)提 高Pt/c催化劑CO耐受性,如80°C時耐受性是10-20ppm,而130°C時為IOOOppm ;3)改善系 統(tǒng)的水管理,通常認為HT-PEMFC中水處于汽態(tài),從兩相流簡化為單相流,減少了引起的傳 質(zhì)極化,流場設(shè)計也可以得到大幅度的簡化,4)改善系統(tǒng)的熱管理,可以采用現(xiàn)有的內(nèi)燃機 汽車用散熱系統(tǒng),大幅度降低冷卻系統(tǒng)的重量與體積,提高系統(tǒng)的重量與體積比功率密度。 另外,高溫PEMFC還為非鉬催化劑的使用提供了可能,從而有可能大大降低燃料電池的成 本且不受現(xiàn)有鉬資源的限制。鑒于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池誘人的發(fā)展前景,國內(nèi)外廣泛開展了 HT-PEMFC關(guān) 鍵材料的研制,包括高溫質(zhì)子交換膜、催化劑和載體等,并取得了較好的初步結(jié)果。其中高 溫質(zhì)子交換膜是研究的熱點之一,國內(nèi)外研究者廣泛研究了 HT-PEMFC用關(guān)鍵材料,溫度從 100-200°C之間(也有文獻把溫度劃分為中溫100-150°C和高溫150-200°C兩個區(qū)間),研究 方向大致可以分為三類1)改性全氟磺酸膜,如向膜內(nèi)添加具有親水性的物質(zhì)(如Si、Ti、 ^ 等氧化物)以提高其使用溫度,提高其在高溫條件下機械強度、熱穩(wěn)定性和保水性。通 常采用溶脹法或溶膠-凝膠法合成此類有機/無機復(fù)合膜。各國研究者廣泛報道了采用不 同復(fù)合膜的質(zhì)子交換膜燃料電池,如Nafion/Si02、Nafion/Si02/PWA、Nafion/Ti02等,在 高溫操作條件下(大于100°C )的性能及穩(wěn)定性等。;幻聚芳烴磺酸膜及復(fù)合膜,如PEEK、 SPSF, PBI等,具有比全氟磺酸膜在低增濕條件下更高的質(zhì)子導(dǎo)電性,從而為其在高溫條件 下使用提供了可能;幻無機酸與樹脂共混膜,通過聚合物膜摻雜高沸點質(zhì)子傳導(dǎo)助劑,如 磷酸、咪唑等,實現(xiàn)其在高溫條件下的質(zhì)子傳導(dǎo)性,如磷酸摻雜的PBI其中改性的全氟磺酸 膜可以在中溫、低濕度條件下運行,具有比較好的應(yīng)用前景。但目前關(guān)于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的報道較少。由于高溫質(zhì)子交換膜燃料 電池的研究主要集中在小電池的研究上,通常小電池的溫度控制直接采用電加熱棒等控溫 方式進行,因而不適合大功率高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)使用。其外,關(guān)于高溫質(zhì)子交換 膜燃料電池的啟停車策略的報道就更少,目前這方面的研究還沒有引起足夠的重視。實際 上,高溫直接停車在氫空界面作用下碳腐蝕、催化劑聚集加劇,從而有可能導(dǎo)致燃料電池性能加速下降。在研究過程中我們發(fā)現(xiàn)高溫直接停車電池性能有明顯的下降并多次出現(xiàn)電池 重啟后開路電壓大幅下降以及電池性能極差而無法測量現(xiàn)象。本發(fā)明在于克服上述不足,開發(fā)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池熱管理系統(tǒng)流程及啟停 車策略。

      發(fā)明內(nèi)容
      為了控制高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理,使電池處于熱平衡狀態(tài),穩(wěn)定的溫 度下工作。本發(fā)明的目的是提供了一種高溫電池系統(tǒng)及流程,在熱管理方面,提供了開停車 的具體優(yōu)化方案。為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)熱管理方法,所述燃料電池系統(tǒng)包括電堆或燃料電池、陰極氧化劑進料子系統(tǒng)、陽極燃料循環(huán) 子系統(tǒng)、以及冷卻介質(zhì)循環(huán)子系統(tǒng);所述冷卻介質(zhì)循環(huán)子系統(tǒng)包括循環(huán)泵、循環(huán)液儲箱和換熱器,循環(huán)泵的入口通過管路與循環(huán)液儲箱的出口相連,循環(huán)泵的出口通過管路與電堆 或燃料電池冷卻腔入口相連,換熱器的高溫介質(zhì)入口通過管路與電堆或燃料電池冷卻腔出 口相連,換熱器的高溫介質(zhì)出口通過管路與循環(huán)液儲箱相連;在換熱器的低溫介質(zhì)入口通 入低溫介質(zhì),低溫介質(zhì)并由低溫介質(zhì)出口流出;所述循環(huán)液儲箱充有冷卻介質(zhì)作為循環(huán)液,所述循環(huán)液為沸點高于電堆或燃料電 池操作溫度、并且具有低粘度、低揮發(fā)、不導(dǎo)電特性的液體,所述電堆或燃料電池操作溫度 為 100-200 "C。在電堆或燃料電池或電堆或燃料電池冷卻腔出口管路上設(shè)置有溫度傳感器;所述 循環(huán)液為體積濃度75-100%的乙二醇水溶液、硅油、甘油或?qū)嵊?GB/T4016-83)。所述換熱器可采用設(shè)置于循環(huán)液儲箱上的散熱器替代,此時電堆或燃料電池冷卻 腔出口相連通過管路與循環(huán)液儲箱直接相連,在散熱器內(nèi)通入起冷卻作為的低溫介質(zhì)。所述換熱器或散熱器上的低溫介質(zhì)入口管路上設(shè)置有電磁閥,電堆或燃料電池正 常運行時通過電磁閥控制換熱器的工作狀態(tài),即當電堆或燃料電池溫度高于設(shè)定的電堆或 燃料電池操作溫度時才開啟電磁閥向換熱器或散熱器內(nèi)通入低溫介質(zhì)給循環(huán)液降溫,使換 熱器或散熱器發(fā)揮冷卻作用,當電堆或燃料電池溫度低于或等于設(shè)定的電堆或燃料電池操 作溫度時關(guān)閉電磁閥。當電堆或燃料電池停車前,開啟電磁閥向換熱器或散熱器內(nèi)通入低溫介質(zhì)給循環(huán) 液降溫,使換熱器或散熱器發(fā)揮冷卻作用,進而給電堆或燃料電池降溫,當電堆或燃料電池 溫度低于或等于60°C后停車。于循環(huán)液儲箱上設(shè)置有加熱器,當電堆或燃料電池啟動時,加熱器加熱循環(huán)液儲 箱內(nèi)的循環(huán)液,加熱后的循環(huán)液通過循環(huán)泵進入電池,給電堆或燃料電池加熱至操作溫度, 加速電堆或燃料電池的開啟過程。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明流程簡單、操作可靠穩(wěn)定,具有較好的溫度控制穩(wěn)定性,而且可以適用于 停車操作的要求。
      2、電池啟停車的策略、尤其是停車策略有利于延緩電池性能的衰減、維持電池性 能的穩(wěn)定性。本發(fā)明所述的熱管理系統(tǒng)管理流程及啟停車策略為啟動時,循環(huán)液被加熱,并通 過循環(huán)系統(tǒng)進入電池,給電池加熱。當溫度高于電池操作溫度后,散熱器中冷卻水開啟降 溫;當溫度低于電池操作溫度時,關(guān)閉冷卻水,從而維持系統(tǒng)動態(tài)熱平衡過程,使得電池溫 度維持在設(shè)定的操作溫度附件。停車前,兩位兩通電磁閥開啟,冷卻水給循環(huán)液降溫,當電 池溫度低于60°C后停車。降溫后停車有利于延緩電池性能的衰減、保持燃料電池性能的穩(wěn) 定性。


      圖1為高溫質(zhì)子交換膜燃料電池熱管理系統(tǒng)流程圖;圖中熱管理系統(tǒng)主要部件為1燃料電池、2溫度傳感器、3換熱器、4乙二醇溶液儲 箱、5循環(huán)泵;系統(tǒng)其它部件包括6回流器、7尾排電磁閥、8分水器、9負載,為典型的氫氧 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)流程。圖2為高溫質(zhì)子交換膜燃料電池運行曲線;圖3為高溫直接停車燃料電池單池性能衰減曲線;圖4為降溫后停車燃料電池單池性能衰減曲線。
      具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。實施例1如圖1所示,為質(zhì)子交換膜燃料電池熱管理系統(tǒng)流程圖,熱管理系統(tǒng)由溫度傳感 器、換熱器、循環(huán)液儲箱、循環(huán)泵、兩位兩通電磁閥等部件組成。本實施例中采用10節(jié)、有 效面積276cm2燃料電池堆,采用純氫、純氧為燃料和氧化劑,電池操作溫度為110°C,采用 90% (體積濃度)的乙二醇水溶液作為循環(huán)液。本實施例中采用高精度恒溫油浴槽(即循 環(huán)液儲箱)并在油浴槽中加裝管式散熱器(即換熱器)作為溫控裝置。油浴箱集成加熱、 溫度控制及循環(huán)等功能,因而比較適合用在試驗系統(tǒng)中;而加裝的管式換熱器主要用于燃 料電池運行時廢熱的散除以及停車前燃料電池的降溫操作,該溫度控制結(jié)合兩位兩通電磁 閥實現(xiàn)。本實施例中熱管理系統(tǒng)啟停車及運行策略為啟動時,恒溫油浴槽電加熱乙二醇水溶液,通過恒溫油浴槽循環(huán)泵進入電池,給電 池加熱至IlO0C0當溫度高于110°C后,兩位兩通電池閥控制冷卻水開啟,散除電池電化學反應(yīng)廢 熱;當溫度低于110°c時,關(guān)閉冷卻水;從而維持系統(tǒng)動態(tài)熱平衡過程,使得電池溫度維持 在110°C附件。停車前,兩位兩通電磁閥開啟,冷卻水給乙二醇水溶液降溫,當電池溫度低于60°C
      后停車。圖2為高溫質(zhì)子膜燃料電池系統(tǒng)運行曲線圖,電池操作條件為反應(yīng)氣為純氫純 氧,電流為81A、操作壓力為0. 3MPa,操作溫度為110°C。每天運行時間大約5_6h,共計運行4天。從圖中可以看出,整個累積24h運行期間,溫度波動110°C 士 1°C,燃料電池溫度控制 穩(wěn)定較好。從燃料電池性能看,燃料電池在這短時間的測試中,性能表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性, 沒有明顯的衰減。實施例2 本實施例中分別采用單節(jié)、有效面積276cm2燃料電池進行不同停車策略對比測 試,同樣采用上述燃料電池試驗系統(tǒng),電池操作條件為反應(yīng)氣為純氫/氧氣,相對濕度為 59%、操作壓力為0. 2MPa,操作溫度為110°C。停車策略如下Sl 在電池在138A恒流放電時,直接斷開負載,高溫停車,待電池內(nèi)壓力降為常壓 后,N2吹掃電池5min。S2 在電池在138A恒流放電時,打開兩位兩通電磁閥開啟,冷卻水給乙二醇水溶 液降溫,逐步電池操作溫度,待電池至60°C,斷開負載,停車。待電池壓力降為常壓后,N2吹 掃電池5min。執(zhí)行上述操作1次后,測試燃料電池高溫條件的極化曲線(如圖3、4所示),從兩 者比較可以看出,直接停車操作僅一次后,燃料電池性能有明顯衰減;而降溫后停車操作, 燃料電池性能沒有衰減。可見,降溫后停車操作可有效延緩燃料電池性能衰減,保持燃料電 池性能的穩(wěn)定性。
      權(quán)利要求
      1.一種高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)熱管理方法,所述燃料電池系統(tǒng)包括電堆或燃料電池(1)、以及冷卻介質(zhì)循環(huán)子系統(tǒng),其特征在于所述冷卻介質(zhì)循環(huán)子系統(tǒng)包括換熱器(3)、循環(huán)液儲箱(4)和循環(huán)泵(5);循環(huán)泵(5) 的入口通過管路與循環(huán)液儲箱的出口相連,循環(huán)泵(5)的出口通過管路與電堆或燃料 電池⑴冷卻腔入口相連,換熱器⑶的高溫介質(zhì)入口通過管路與電堆或燃料電池⑴冷 卻腔出口相連,換熱器(3)的高溫介質(zhì)出口通過管路與循環(huán)液儲箱(4)相連;在換熱器(3) 的低溫介質(zhì)入口通入低溫介質(zhì),并由低溫介質(zhì)出口流出;所述循環(huán)液儲箱(4)充有冷卻介質(zhì)作為循環(huán)液,所述循環(huán)液為沸點高于電堆或燃料電 池操作溫度的液體,所述電堆或燃料電池操作溫度為100-200°C。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于在電堆或燃料電池(1)冷卻腔出口管路 上設(shè)置有溫度傳感器(2)。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于所述循環(huán)液為體積濃度75-100%的乙二 醇水溶液、硅油、甘油或?qū)嵊汀?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于所述換熱器(3)可采用設(shè)置于循環(huán)液儲 箱內(nèi)的散熱器替代,此時電堆或燃料電池(1)冷卻腔出口相連通過管路與循環(huán)液儲箱 (4)直接相連,在散熱器內(nèi)通入起冷卻作用的低溫介質(zhì)。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法,其特征在于于所述換熱器(3)或散熱器上的低 溫介質(zhì)入口管路上設(shè)置有電磁閥,電堆或燃料電池(1)正常運行時通過電磁閥控制換熱器 的工作狀態(tài),即當電堆或燃料電池(1)溫度高于設(shè)定的電堆或燃料電池(1)操作溫度時才 開啟電磁閥向換熱器C3)或散熱器內(nèi)通入低溫介質(zhì)給循環(huán)液降溫,使換熱器C3)或散熱器 發(fā)揮冷卻作用,當電堆或燃料電池(1)溫度低于或等于設(shè)定的電堆或燃料電池(1)操作溫 度時關(guān)閉電磁閥。
      6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于當電堆或燃料電池(1)停車前,開啟電磁 閥向換熱器C3)或散熱器內(nèi)通入低溫介質(zhì)給循環(huán)液降溫,使換熱器C3)或散熱器發(fā)揮冷卻 作用,進而給電堆或燃料電池(1)降溫,當電堆或燃料電池(1)溫度低于或等于60°C后停車。
      7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法,其特征在于于循環(huán)液儲箱(4)上設(shè)置有加熱器, 當電堆或燃料電池(1)啟動時,加熱器加熱循環(huán)液儲箱(4)內(nèi)的循環(huán)液,加熱后的循環(huán)液通 過循環(huán)泵( 進入電池,給電堆或燃料電池加熱至操作溫度,加速電堆或燃料電池的開啟 過程。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一種高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)熱管理方法,所述燃料電池系統(tǒng)包括冷卻介質(zhì)循環(huán)子系統(tǒng),所述冷卻介質(zhì)循環(huán)子系統(tǒng)包括循環(huán)泵、循環(huán)液儲箱和換熱器,所述循環(huán)液儲箱充有冷卻介質(zhì)作為循環(huán)液,所述循環(huán)液為沸點高于電堆或燃料電池操作溫度、并且具有低粘度、低揮發(fā)、不導(dǎo)電特性的液體,所述電堆或燃料電池操作溫度為100-200℃。本發(fā)明流程簡單、操作可靠穩(wěn)定,發(fā)明中的停車策略有利于維持燃料電池性能的穩(wěn)定性,適用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)熱管理。
      文檔編號H01M8/04GK102110827SQ200910248839
      公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
      發(fā)明者李曉錦, 柯長春, 洪有陸, 衣寶廉, 邵志剛 申請人:中國科學院大連化學物理研究所
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