专利名称：氢电堆的防冻和快速启动中的处理方法
技术领域：
本发明主要涉及氢质子交换膜燃料电池的冬季防冻和快速启动。
背景技术：
对于环境温度低于冰点的氢质子交换膜燃料电池堆的防冻和快速启动，有多种加温加湿技术方案。本发明只给出了燃料通道、氧化剂通道的防冻和启动中的升温加湿两个方面的技术方法，对冷却系统的问题则不予考虑。对于氢质子交换膜燃料电池，本发明简称为氢电池；对于氢质子交换膜燃料电池堆，本发明简称为氢电堆。对于交换膜上与膜结合的水简称为结合水，氢电堆内其他的水则简称游离水。
在冰点以下环境中，氢电堆的运行存在两个方面的问题一个是氢电堆停机时的停机技术，另一个是氢电堆的快速启动中的升温和加湿技术。
对于氢电堆防冻，通常使用的技术有很多，例如1.结合保温的加热方法，通过维持氢电堆的温度高于冰点来达到防冻的目的，这种技术耗费大量的能源，与节约能源的氢电堆开发本意相背离；2.气体吹扫，吹出氢电堆中的液态水，降低残留在氢电堆中的可以结冰的水的含量，但是膜上的结合水含量比较高，在冰点以下的温度环境中，氢电堆的膜仍然容易结冰，造成膜的损坏，而且导致用于下一次启动需要的加湿水水源发生困难，虽然有人使用结冰保存水，但未能控制膜上的结合水；3.使用循环气体，对氢电堆加热或对循环气体加热，因此蒸发氢电堆的膜上水分，再在氢电堆外降温冷凝或结冰，分离出气体中的水，但是在白天温度高于冰点时停机，夜晚温度低的时候，便不能很好运行；4.在膜上使用与膜结合的防冻组分，由于会降低膜效率或增加腐蚀性，也存在很大的技术难度；5.使用真空蒸发，移除氢电堆内部的游离水，并降低膜上的结合水水分，由于负压运行也会对电堆的结构、密封等产生不利影响。
对于氢电堆的快速启动中的升温和加湿技术，通常使用的方法也有很多，例如1.通过加热冷却循环液，快速提高氢电堆的温度，或通过加热通入的燃料和氧化剂，加热氢电堆；2.通过电堆自身发电伴生的废热和生成水来升温和增湿；3.通过加热保存的液态水或融化已经冻结的水，为燃料和氧化剂加湿；4.通过获得保存在具有多组分的防冻液中的水，或结合膜选择透过保存在低冰点水溶液中的水，为燃料和氧化剂加湿。
以上的技术已经为防冻技术或快速启动提供了一定的解决途径，但是在能源效率或统一解决上述两类技术难题，以及环境适应性等方面与实际应用仍然具有差距。
发明内容
本发明的目的是为综合解决上述技术难题，提高系统的效率和系统的启动响应速度而提出的一种氢电堆的防冻和快速启动中的升温加湿方法。
一般来说，氢电堆具有燃料氢的循环回路和氧化剂的回路，当燃料氢采用不循环的设计，而使用的氧化剂为空气时，则为开路。以氢路为例，对于氢电堆的防冻处理方法是先使用循环泵对气体进行循环，吹扫系统内游离水，水气在水分离器中分离；然后或同时，对循环体系中的氢气进行消耗，氢电堆输出电能。电能可以输出到蓄电池，或直接加热气体加热器，或直接在电堆形成回路消耗为热能。回路处于高压系统，需待压力降低到接近环境压力时，通入惰性气体，例如氮气，控制系统的压力略高于环境压力；而对于低压或接近环境压力的系统，在开始时就应通入惰性气体。在输出的电压降低到系统设定值开始，转化的电能可以直接在氢电堆形成回路，在电堆内部消耗，以热量的形式释放氢气的能量，随循环回流的是含氢的氮气，蒸发膜上的游离水和结合水，将以气态被带离氢电堆。
循环回路中的气体湿度在循环中是变化的，在湿交换机中截留水分。氢电堆在经过吹扫后，气路接通到湿交换机。开始时，进入的气体是水蒸气饱和的氢气，或水蒸气饱和的氢气氮气混合气体。经过湿交换机后，气体中的水被湿交换机中的介质吸收，成为比较干燥的气体。该气体重新进入氢电堆，从膜上吸收水分，结合水则释放到循环气体中。
根据检测的温度湿度和系统设定值的比较，进出氢电堆的气体温度湿度达到设定值时，膜即干燥到规定程度，具备在一定的低温下不结冰的条件，进而达到防冻的目的。
在防冻问题方面，对湿交换机的湿交换介质的选择，相对要容易得多。吸湿性能适当的介质，应在低温下不发生结冰破坏，也不发生蒸发转移，例如，吸水陶瓷、吸水树脂、纸与无机盐等，以及其结合的体系。
在湿交换机的使用方面，以多个并联为佳。以2个为例，开始停机时，先只使用其中的一个，当体系中的水分大部分被该湿交换机吸收后，切换到另一个湿交换机，从而提高最终的高燥能力。停机完成后，水分离器中的水通过水泵限量加入到湿交换机中，被湿交换机吸收，并储存。按照水分离器中转移来的水、停机开始时氢电堆内部总的水储存量，匹配湿交换机的交换介质容量。
重新启动时，体系仍然是氮气体系，开动循环泵，经过湿交换机的旁路，然后经过加热，提高氢电堆的温度。当氢电堆温度达到一定数值时，气路切换到湿交换机，气体成为饱和气体，进入氢电堆，提高氢电堆的温度和膜的湿度。当氢电堆的出口湿度达到一定的设定值后，接通氢气以及氧化剂的气路，对氢气加湿，氢电堆开始升压，然后是输出电能。同时，氮气开始排放，其中逐渐升高的氢气在排放口经过催化，与氧化剂结合成水。当排放口的氢气浓度达到一定的设定值，系统过渡到正常工作状态，气体循环和排放按照正常工作的程序控制，电堆启动程序结束。
气源的氢气是干燥的，因此，氢气经过湿交换机以后，湿交换机的水分被氢气吸收，湿交换介质的含水量下降，并随时间的延长而继续干燥。对于单个的湿交换机和并联的多个湿交换机，只要通过的氢气量足够，都是可以达到完全干燥的程度。对于使用氢电堆和蓄电池或电容器的混合动力系统，设计氢电堆启动后最小发电量，为超过用电装置即时消耗与蓄电池或电容器的剩余储存电能之和。设计湿交换机的湿交换性能力为上述最小发电量需要的氢气，足够干燥湿交换机的交换介质达到一定的干燥程度，使湿交换机能够在停机程序中将氢电堆干燥到防冻要求。
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图中符号说明1、氢气源，2、氮气源，3、尾气处理器，4、氢气供给切换阀，5、关闭伐I，6、气体循环泵，7、湿交换机入口切换阀，8、湿交换机I，9、湿交换机II，10、切换阀，11、湿交换机出口切换阀，12、氢电堆，13、关闭伐II，14、关闭阀III，15、溢流阀，16、泵，17、分水器， 18、氢电堆氢气出气切换阀。
具体实施例方式
以下结合附图描述本发明的较佳实施例。
实施例1氢电堆具有燃料氢的循环回路和氧化剂的回路，本例以氢气线路为例，氧化剂线路与此类似。结构参照图1，符号的意义参见
。
在停机时，对于氢电堆12是先通过循环泵6对气体进行循环，吹扫系统内游离水，在分水器12中分离。然后或同时，氢电堆12输出电能，对循环体系中的氢气进行消耗。电能可以输出到蓄电池，或直接加热气体加热器(图中未表示)。
对于高压系统，当压力降低到接近环境压力时，通入惰性气体，例如氮气，控制系统的压力略高于环境压力，氮气由氮气源2提供，通过关闭阀I5进入管路和切换阀10，进入氢电堆12。而对于低压或环境压力的系统，在开始时就通入惰性气体。在输出的电压降低到系统设定值开始，转化的电能可以直接在氢电堆12形成回路，在电堆内部消耗，以热量的形式释放氢气的能量，随循环回流的残存有氢气的氮气，蒸发掉膜上的游离水和结合水，将水带离氢电堆12。
循环回路中的气体湿度在循环中是在变化的，在湿交换机I 8或湿交换机II9中截留水分。氢电堆12在经过吹扫后，气路接通到湿交换机I 8或湿交换机II 9。开始时，进入的气体是水蒸气饱和的氢气，或水蒸气饱和的氢气氮气混合气体。经过其中湿交换介质不饱和的湿交换机I 8或湿交换机II 9后，气体中的水被湿交换机吸收，成为比较干燥的气体。该气体重新进入氢电堆12，从膜上吸收水分，结合水则释放到循环气体中。
根据检测的温度湿度和系统设定值的比较，进出氢电堆12的气体温度湿度达到设定值时，膜即干燥到一定程度，具备了在一定的低温下不结冰的条件，从而达到防冻的目的。
在防冻问题方面，对湿交换机的湿交换介质选择比对膜的选择容易得多。选择吸湿性能的介质，应使其不发生蒸发转移，在低温下不发生结冰破坏，可选择吸水陶瓷、吸水树脂、纸与无机盐等，以及其结合的体系。
在湿交换机的使用方面，应采用多个并联的结构。以2个并列的机组为例，开始停机时，先使用其中的一个，当体系中的水分大部分被该湿交换机吸收后，使用切换阀7、11切换到另一个湿交换机，从而提高最终的高燥能力。在分水器的底部具有疏水阀(图中未表示)，对于不同的工作状态，或者说不同的控制程序，液态水在系统的控制下，通过选择阀13、14、15，使用泵16选择性地将水注入湿交换机I和II或其他用水器排除到外界。在停机程序中，停机完成后，分水器17中的水加入到湿交换机I和/或II中，被湿交换机吸收，并储存。按照分水器17中转移来的水、停机开始时氢电堆12内部总的水储存需求量，匹配湿交换机的容量。
重新启动时，体系仍然是氮气体系，开动循环泵6，使用切换阀10，经过湿交换机的旁路管路，然后经过加热(图中未表示出)，提高氢电堆12的温度。当氢电堆12温度达到一定数值时，使用切换阀10将气路通过管路切换到湿交换机I或II，使气体成为饱和气体，进入氢电堆12，提高氢电堆12的温度和膜的湿度。当氢电堆12的出口湿度达到一定的设定值后，接通氢气源1(以及氧化剂)的气路，使用切换阀4，通过管路、切换阀7，氢气进入湿交换机I 8和/湿交换机II 9中的一个，对氢气加湿，氢电堆12开始产生电压，然后是输出电能。同时，氮气通过切换阀18开始排放，其中逐渐升高的氢气在尾气处理器3经过催化，与氧化剂结合成水。切换阀18可以连接在其他位置，例如例2中连接在分水器17上。循环泵6将系统的气体循环，分水器17内的氮气(以及其他非氢气的杂质气体)浓度在一定数据以上，切换阀18就将气体定量排放到尾气处理器3中。
当排放口的氢气浓度达到一定的设定值，系统过渡到正常工作状态，气体循环和排放按照正常工作的程序控制，电堆启动程序结束。
气源的氢气是干燥的，因此，氢气经过湿交换机以后，湿交换机的水分被氢气吸收，湿交换介质的含水量下降，并随时间的延长而继续干燥。对于单个的湿交换机和并联的多个湿交换机，只要通过的氢气量足够，都是可以达到完全干燥的程度。对于使用氢电堆和蓄电池或电容器的混合动力系统，设计氢电堆启动最小发电量，为蓄电池或电容器的剩余储存电能之和。设计湿交换机的湿交换性能为，上述最小发电量需要的氢气，足够干燥湿交换机的交换介质达到一定的干燥程度，使湿交换机能够在停机程序中将氢电堆干燥到防冻要求。
实施例2实施例2如图2所示。其中的氢气源2经过阀4、管路、切换阀7到达湿交换机I或II。氮气源2经过阀5控制，可以直接通过管路到达氢电堆12。从氢电堆出来的工作气体经过管路到达分水器17，如果气体中含有液态水，则在分水器中分离气体和液体，如果需要排放气体，则使用切换阀18将气体排放到尾气处理器3中处理。在分水器的底部具有疏水阀(图中未表示)，液态水在系统的控制下，通过阀13、14、15，使用泵16选择性地注入湿交换机I、II或其他用水器包括排除到外界。
其他与例1相似。
权利要求
1.一种氢电堆的防冻处理方法，所述的氢电堆包括燃料氢的循环回路和氧化剂的回路，由氢电堆(12)、水分离器(17)、气体循环泵(6)、湿交换机I(8)、湿交换机II(9)、水泵(16)，以及管道、阀门和加热器组成，其特征在于所述的防冻处理方法是在停机时，对氢电堆使用循环泵进行循环扫气，吹扫系统内游离水；然后，对循环体系中的氢气和氧气进行消耗，使氢电堆输出电能，用以加热气体加热器和/或直接在电堆形成回路消耗为热能；当压力降低到接近环境压力时，通入惰性气体，例如氮气，控制系统的压力略高于环境压力，随循环回流的含氢氮气，蒸发掉膜上的游离水和结合水，将水以气态带离氢电堆；循环回路中的气体经过湿交换介质不饱和的湿交换机后，气体中的水被湿交换机吸收，成为比较干燥的气体；该气体重新进入氢电堆，从膜上吸收水分，使结合水释放到循环气体中，当进出氢电堆的气体温度湿度达到规定值，膜即干燥到一定程度，具备了在规定低温下不结冰的条件，达到防冻的目的。
2.根据权利要求1所述的氢电堆的防冻处理方法，其特征在于所述的湿交换介质可选择吸水陶瓷、吸水树脂、纸与无机盐及其结合体系。
3.根据权利要求1或2所述的氢电堆的防冻处理方法，其特征在于所述的湿交换机在回路中的多台并联的形式为最佳方案，至少应由两台机组并联。
4.根据权利要求1或2所述的氢电堆的防冻处理方法，其特征在于停机完成后，水分离器(17)中的水应重新加入到湿交换机吸收和储存。
5.一种氢电堆的重新启动的处理方法，其中所述的氢电堆包括燃料氢的循环回路和氧化剂回路，由氢电堆(12)、水分离器(17)、气体循环泵(6)、湿交换机I(8)、湿交换机II(9)、水泵(16)以及管道、阀门和加热器组成，其特征在于重新启动时，开动循环泵，经过湿交换机的旁路和加热，提高氢电堆的温度，当温度达到一定数值时，将气路切换到湿交换机，相应的氮气体系成为饱和气体，进入氢电堆，当氢电堆的出口湿度达到一定的设定值后，接通原料气路，对原料氢加湿，氢电堆电压升高，然后输出电能；同时，含有氮气的循环混合气体开始排放，当排放口的氢气浓度达到一定的设定值，系统过渡到正常工作状态，电堆启动程序结束。
全文摘要
本发明涉及一种氢电堆的防冻和重新启动时的处理方法，其特征在于处理过程包括电堆停机时，将水蒸气不饱和的燃料气体或氮气，通过循环吹扫除去电堆的游离水；干燥其中的MEA膜组件，使膜组件含水量降低到规定低温下不结冰的程度；而后再令循环气体通过一个湿交换机将循环气体干燥，以及被干燥后的循环气体继续用来干燥电堆的步骤；在电堆重新启动时，须将循环气体加热后通过电堆，使电堆升温，然后再将气源的燃料气及氧化剂加热，通过湿交换机加湿后进入已升温的电堆，提高电堆中膜组件的湿度的步骤，开始电堆的功率输出。电堆功率开始输出以后，进入电堆的运行程序控制。
文档编号H01M8/24GK101083331SQ20071001195
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月2日 优先权日2007年7月2日
发明者高世萍 申请人:大连工业大学