專利名稱：一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)系統(tǒng)及啟動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)直接把儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn) 化為電能，不受卡諾循環(huán)限制，可以獲得高的能量效率，沒(méi)有環(huán)境污染，因此 比常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)。PEMFC設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作噪音低，經(jīng)濟(jì)獨(dú)立，因此， 可以用在缺少電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展中國(guó)家作為區(qū)域發(fā)電站，交通運(yùn)輸工具動(dòng)力 源和通訊設(shè)備便攜電源。
PEMFC發(fā)電系統(tǒng)用于汽車(chē)等交通運(yùn)輸，在冬天工作時(shí)，會(huì)處于0'C以下的環(huán) 境，甚至是-4(TC的低溫。在這樣低的溫度下，燃料電池內(nèi)催化劑活性很低，其 中的水分會(huì)結(jié)冰，很難啟動(dòng)發(fā)電向外輸出電能。專利United States Patent 6103410公開(kāi)了一種采用把氧化劑與少量的燃料，如氫氣混合引入到燃料電池 的陰極腔，在陰極催化劑的作用下，燃料和氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水和放出 熱量，從而把燃料電池內(nèi)冰融化為水并加熱燃料電池到達(dá)一個(gè)可以操作的溫度。 該方法的不足是1、在催化劑上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)容易燒結(jié)催化劑和膜，降低催化 劑的電化學(xué)活性或造成膜破損，同時(shí)浪費(fèi)燃料和氧化劑，消耗電能。2、低溫時(shí)， 燃料電池即使采用專利United States Patent 6103410的方法啟動(dòng)了，由于冷 卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度很低，為了防止燃料電池局部過(guò)熱而啟動(dòng)冷卻劑循環(huán)時(shí)， 冷卻劑會(huì)吸收燃料電池內(nèi)大量的熱量，使燃料電池在輸入循環(huán)冷卻劑時(shí)溫度突 然急劇下降，導(dǎo)致燃料電池性能突降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種利用燃料電池工作時(shí)產(chǎn)生的廢熱，在燃料電池低溫 下再啟動(dòng)時(shí)對(duì)燃料電池進(jìn)行加熱的低溫啟動(dòng)系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)系統(tǒng)，由燃料電 池堆、燃料供給子系統(tǒng)、氧化劑供給子系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制與電能輸出系統(tǒng) 構(gòu)成，其中冷卻系統(tǒng)包括冷卻劑儲(chǔ)廂、散熱器和冷卻劑循環(huán)泵，其特征在于所 述冷卻系統(tǒng)還包括儲(chǔ)熱裝置，所述儲(chǔ)熱裝置包括置于冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的冷卻劑中的熱袋和該熱袋觸發(fā)器的控制機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明所述的熱袋觸發(fā)器的控制機(jī)構(gòu)是機(jī)械控制機(jī)構(gòu)或者電控制機(jī)構(gòu)，在 冷卻劑箱外控制熱袋觸發(fā)器。
本發(fā)明所述的熱袋內(nèi)的儲(chǔ)熱材料是受沖擊而結(jié)晶并產(chǎn)生熱的有機(jī)低溫相變
儲(chǔ)熱材料，有機(jī)低溫相變儲(chǔ)熱材料的相變溫度在60 75t:范圍內(nèi)，相變熱在 70 180kJ/kg。
本發(fā)明所述的有機(jī)低溫相變儲(chǔ)熱材料是分子式為CH3(CH2)X00H的飽和脂肪 酸和分子式為CJk+2的直鏈垸烴，飽和脂肪酸的分子式中的n為14， 16， 18或 20，直鏈烷烴分子式中的n為30到60之間的整數(shù)。
本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)方法包括燃料電池停 止工作后又在低溫下重新啟動(dòng)時(shí)，首先啟動(dòng)冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的熱袋觸發(fā)器，使熱 袋內(nèi)的儲(chǔ)熱材料發(fā)生相變放熱，加熱冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的冷卻劑；然后啟動(dòng)冷卻劑 循環(huán)泵把加熱了的冷卻劑輸入到燃料電池的冷卻腔內(nèi)，對(duì)燃料電池進(jìn)行循環(huán)加 熱，直到達(dá)到燃料電池可工作溫度；燃料電池工作后，熱袋被冷卻劑加熱，熱 袋內(nèi)的儲(chǔ)熱材料發(fā)生相變后吸熱并儲(chǔ)熱，為下一次啟動(dòng)儲(chǔ)備熱量。
本發(fā)明是利用燃料電池工作時(shí)冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的冷卻劑的熱量將低溫相變 材料加熱，使低溫相變材料發(fā)生相變，儲(chǔ)存熱量。當(dāng)燃料電池在低溫下啟動(dòng)時(shí)， 將儲(chǔ)熱材料進(jìn)行逆向相變，用相變釋放的熱量加熱冷卻劑，用加熱的冷卻劑加 熱燃料電池到燃料電池可工作溫度。燃料電池工作時(shí)，冷卻劑溫度可以達(dá)到 60-80°C，這一溫度可以使低溫相變材料發(fā)生固-液相變，吸收熱量，把熱量?jī)?chǔ) 存起來(lái)。燃料電池停止工作后，低溫相變材料儲(chǔ)存著一定的熱量。當(dāng)燃料電池 在低溫下啟動(dòng)時(shí)，首先啟動(dòng)低溫相變材料的觸發(fā)器，使儲(chǔ)熱材料發(fā)生由液態(tài)向 固態(tài)的相變，發(fā)生凝固，釋放出相變熱，這些熱量直接加熱冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的冷 卻劑，再通過(guò)循環(huán)泵把加熱了的冷卻劑輸入到燃料電池的冷卻腔內(nèi)，循環(huán)加熱 燃料電池到操作溫度。燃料電池工作后，儲(chǔ)熱材料重新儲(chǔ)熱為下一次啟動(dòng)儲(chǔ)備 熱量，循環(huán)反復(fù)使用。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、 充分利用燃料電池工作時(shí)產(chǎn)生的廢熱，在燃料電池低溫下再啟動(dòng)時(shí)對(duì) 燃料電池進(jìn)行加熱，不需要另外添加加熱裝置。
2、 冷卻系統(tǒng)的冷卻劑在燃料電池開(kāi)始工作之前已經(jīng)過(guò)加熱，在對(duì)燃料電
4池進(jìn)行冷卻時(shí)，不會(huì)造成燃料電池溫度突然急劇下降，導(dǎo)致燃料電池性能突降。
3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方法易行，節(jié)省能源。


本發(fā)明有附圖一幅，是本發(fā)明的低溫啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。 實(shí)施例1
實(shí)施例1是一臺(tái)50Kw的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)重50kg，由不 銹鋼雙極板、碳紙和電解質(zhì)膜構(gòu)成，其比熱為0.3kJ/kg，K，把這個(gè)燃料電池堆 由-10。C加熱到1(TC，需要熱量為50X0. 3X (10+10) =300kJ，以飽和脂肪酸為 儲(chǔ)熱材料，飽和脂肪酸相變儲(chǔ)熱材料的相變熱為150kJ/kg，，需要的飽和脂肪酸 材料為300/150=2kg。
將2kg飽和脂肪酸置于熱袋內(nèi)，熱內(nèi)的飽和脂肪酸中設(shè)有觸發(fā)器，熱袋置 于冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的冷卻劑中，熱袋內(nèi)的飽和脂肪酸中的觸發(fā)器與置于冷卻劑儲(chǔ) 廂表面的觸發(fā)器按鈕連接。在燃料電池工作時(shí)，冷卻劑溫度可以達(dá)到60-8(TC， 使飽和脂肪酸發(fā)生從固體轉(zhuǎn)變到液體的相變。液態(tài)飽和脂肪酸儲(chǔ)存著一定的熱 量。當(dāng)燃料電池停機(jī)后再次啟動(dòng)時(shí)，首先按下置于冷卻劑儲(chǔ)廂的表面的觸發(fā)器 按鈕，使液態(tài)飽和脂肪酸向固態(tài)轉(zhuǎn)變，釋放出相變熱，這些熱量加熱冷卻劑儲(chǔ) 廂內(nèi)的冷卻劑，循環(huán)泵把加熱了的冷卻劑輸入到燃料電池的冷卻腔內(nèi)，循環(huán)加 熱燃料電池到可工作溫度。燃料電池工作后，儲(chǔ)熱材料重新儲(chǔ)熱為下一次啟動(dòng) 儲(chǔ)備熱量，循環(huán)反復(fù)使用。 實(shí)例2:
實(shí)施例2的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)與實(shí)施例1相同，把這樣一個(gè)燃料電池堆由-20 。C加熱到l(TC需要熱量為:50X0. 3X (10+20)=450kJ
用支鏈垸烴材料作儲(chǔ)熱材料，支鏈烷烴相變儲(chǔ)熱材料的相變熱為 100kJ/kg，則需要的儲(chǔ)熱材料為
450/100=4. 5kg。 儲(chǔ)熱材料的使用與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
1、一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)系統(tǒng)，由燃料電池堆、燃料供給子系統(tǒng)、氧化劑供給子系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制與電能輸出系統(tǒng)構(gòu)成，其中冷卻系統(tǒng)包括冷卻劑儲(chǔ)廂、散熱器和冷卻劑循環(huán)泵，其特征在于所述冷卻系統(tǒng)還包括儲(chǔ)熱裝置，所述儲(chǔ)熱裝置包括置于冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的冷卻劑中的熱袋和該熱袋觸發(fā)器的控制機(jī)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征 在于所述的熱袋觸發(fā)器的控制機(jī)構(gòu)是機(jī)械控制機(jī)構(gòu)或者電控制機(jī)構(gòu)，在冷卻劑 箱外控制熱袋觸發(fā)器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征 在于所述熱袋內(nèi)的儲(chǔ)熱材料是受沖擊而結(jié)晶并產(chǎn)生熱的有機(jī)低溫相變儲(chǔ)熱材 料，有機(jī)低溫相變儲(chǔ)熱材料的相變溫度在60 75。C范圍內(nèi)，相變熱在70 職J/kg。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征 在于所述有機(jī)低溫相變儲(chǔ)熱材料是分子式為CH3(CH2)nCOOH的飽和脂肪酸和分子 式為CJk+2的直鏈烷烴，飽和脂肪酸的分子式中的n為14， 16， 18或20，直鏈 烷烴分子式中的n為30到60之間的整數(shù)。
5、 權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)方法， 其特征在于所述啟動(dòng)方法包括燃料電池停止工作后又在低溫下重新啟動(dòng)時(shí)， 首先啟動(dòng)冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的熱袋觸發(fā)器，使熱袋內(nèi)的儲(chǔ)熱材料發(fā)生相變放熱，加 熱冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的冷卻劑；然后啟動(dòng)冷卻劑循環(huán)泵把加熱了的冷卻劑輸入到燃 料電池的冷卻腔內(nèi)，對(duì)燃料電池進(jìn)行循環(huán)加熱，直到達(dá)到燃料電池可工作溫度； 燃料電池工作后，熱袋被冷卻劑加熱，熱袋內(nèi)的儲(chǔ)熱材料發(fā)生相變后吸熱并儲(chǔ) 熱，為下一次啟動(dòng)儲(chǔ)備熱量。
全文摘要
一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)系統(tǒng)，由燃料電池堆、燃料供給子系統(tǒng)、氧化劑供給子系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制與電能輸出系統(tǒng)構(gòu)成，其中冷卻系統(tǒng)包括冷卻劑儲(chǔ)廂、散熱器和冷卻劑循環(huán)泵，其特征在于所述冷卻系統(tǒng)還包括儲(chǔ)熱裝置，所述儲(chǔ)熱裝置包括置于冷卻劑儲(chǔ)廂內(nèi)的冷卻劑中的熱袋和該熱袋觸發(fā)器的控制機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是充分利用燃料電池工作時(shí)產(chǎn)生的廢熱，在燃料電池低溫下再啟動(dòng)時(shí)對(duì)燃料電池進(jìn)行加熱，不需要另外添加加熱裝置；冷卻系統(tǒng)的冷卻劑在燃料電池開(kāi)始工作之前已經(jīng)過(guò)加熱，在對(duì)燃料電池進(jìn)行冷卻時(shí)，不會(huì)造成燃料電池溫度突然急劇下降，導(dǎo)致燃料電池性能突降；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方法易行，節(jié)省能源。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101587961SQ200910012179
公開(kāi)日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者侯中軍, 孫基文, 徐洪峰, 明平文 申請(qǐng)人:新源動(dòng)力股份有限公司