一种基于液态有机储氢的燃料电池冷启动系统及方法与流程

本发明涉及一种燃料电池冷启动系统及方法，尤其是涉及一种基于液态有机储氢的燃料电池冷启动系统及方法。

背景技术：

燃料电池是一种电化学反应装置，直接将化学能转换为电能。根据电解质的不同，可以分为质子交换膜燃料电池，碱性燃料电池，磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。质子交换膜燃料电池工作温度低，电流密度大，响应速度快，性能稳定。而且反应生成物只有水，不存在腐蚀性。因此，质子交换膜燃料电池在车辆交通和备用电源等领域具有广阔的市场前景。

但是当燃料电池电堆处于零度以下的环境中时，由于启动阶段电堆温度较低，燃料电池反应产生的水无法正常排出电堆，甚至结冰，导致电堆内部催化层被局部或者全部覆盖，其化学反应终止，从而使得电堆无法正常启动。此外，更严重时会导致质子交换膜破损，损坏电堆。因此，需要采用合理的冷启动方法来实现电堆在低温条件下的冷启动。

CN 304011605 U所申请的一种燃料电池冷启动加热装置通过电加热器对电堆阴极端、阳极端和电堆主体进行加热。CN 103825037A所申请的一种燃料电池冷启动快速加热系统及方法，通过对阳极的氢气进行加热进而实现冷启动。CN 203218389 U所申请的一种质子交换膜燃料电池冷启动装置，通过在电堆碳板中间开槽并嵌入加热元件，通过加热碳板的方法提高电堆温度，进而实现电堆冷启动。CN105390715A所申请的一种低温冷启动燃料电池系统及利用方法，通过对阴极进气和阳极进气加热的方法实现电堆冷启动。以上相关的专利，均是基于高压储氢方式的燃料电池系统，实现电堆快速升温，进而低温启动电堆。但是针对基于常温常压有机储氢的燃料电池系统，目前还没有相关的冷启动系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于液态有机储氢的燃料电池冷启动系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于液态有机储氢的燃料电池冷启动系统，包括电堆以及用于液态有机储氢进行脱氢反应的反应釜，该系统还包括换热器、水冷单元和控制单元，所述的换热器设置在反应釜的氢气输出端和电堆之间，所述的水冷单元连接换热器，所述的水冷单元为流量调节式水冷单元，所述的控制单元连接电堆和水冷单元；

燃料电池冷启动时，所述的控制单元根据电堆温度调节水冷单元输入至换热器中的水量，进而提高输入至电堆中的氢气的温度，完成电堆冷启动。

所述的控制单元包括温度传感器和控制器，所述的温度传感器设置在电堆阳极出口处，所述的控制器连接温度传感器和水冷单元。

所述的水冷单元包括冷却水供应箱、冷却水回收箱和电磁阀，所述的冷却水供应箱通过主冷却管路连通换热器输入端，换热器输出端连接冷却水回收箱，所述的主冷却管路还连接有冷却水旁路管路，所述的冷却水旁路管路末端连通至冷却水回收箱，所述的电磁阀设置在冷却水旁路管路中，所述的电磁阀连接控制单元。

所述的水冷单元包括冷却水供应箱、冷却水回收箱和电动比例阀，所述的冷却水供应箱通过主冷却管路连通换热器输入端，换热器输出端连接冷却水回收箱，所述的电动比例阀设置在主冷却管路中，所述的电动比例阀连接控制器。

所述的反应釜和换热器之间设有用于对氢气进行过滤和降温的过滤降温器。

所述的换热器和电堆之间设有用于对氢气进行二次过滤的过滤器。

一种基于液态有机储氢的燃料电池冷启动方法，该方法具体为：

电堆启动，控制单元实时采集电堆温度，当温度小于设定值时，控制单元控制水冷单元输入至换热器中的水量进行循环控制，使得电堆温度在设定值处常温运行。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明设置换热器，同时设置可以调节进入换热器中水的流量的水冷单元，在电堆冷启动时，通过减少进入换热器中的水量，从而提高进入电堆中氢气的温度，从而实现冷启动，属于废热利用，无需额外耗能，节约能耗；

(2)本发明结构简单，方便使用；

(3)本发明通过设置控制单元实时测量点堆温度进而控制水冷单元工作，实现闭环控制，精度高，稳定性好，可以有效快速地在低温环境中启动电堆；

附图说明

图1为实施例1基于液态有机储氢的燃料电池冷启动系统的结构示意图；

图2为实施例2基于液态有机储氢的燃料电池冷启动系统的结构示意图。

图中，1为反应釜，2为前处理装置，3为换热器，4为氢气管路，5为后处理装置，6为电堆，7为温度传感器，8为控制器，9为主冷却管路，10为冷却水旁路管路，11为电磁阀，12为电动比例阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种基于液态有机储氢的燃料电池冷启动系统，包括电堆6以及用于液态有机储氢进行脱氢反应的反应釜1，该系统还包括换热器3、水冷单元和控制单元，换热器3设置在反应釜1的氢气输出端和电堆6之间，水冷单元连接换热器3，水冷单元为流量调节式水冷单元，控制单元连接电堆6和水冷单元；燃料电池冷启动时，控制单元根据电堆6温度调节水冷单元输入至换热器3中的水量，进而提高输入至电堆6中的氢气的温度，完成电堆6冷启动。

控制单元包括温度传感器7和控制器8，温度传感器7设置在电堆6阳极出口处，控制器8连接温度传感器7和水冷单元。控制器8采用市面上常用的数字控制器8，如单片机、ARM控制器8等。

水冷单元包括冷却水供应箱、冷却水回收箱和电磁阀11，冷却水供应箱通过主冷却管路9连通换热器3输入端，换热器3输出端连接冷却水回收箱，主冷却管路9还连接有冷却水旁路管路10，冷却水旁路管路10末端连通至冷却水回收箱，电磁阀11设置在冷却水旁路管路10中，电磁阀11连接控制单元。

反应釜1和换热器3之间设有前处理装置2，前处理装置2为用于对氢气进行过滤和降温的过滤降温器。换热器3和电堆6之间设有后处理装置5，后处理装置5为用于对氢气进行设有用于对氢气进行二次过滤的过滤器，保证进入燃料电池电堆的纯度。换热器3通过氢气管路4连接至后处理装置5。

一种基于液态有机储氢的燃料电池冷启动方法，该方法具体为：

电堆6启动，控制单元实时采集电堆6温度，当温度小于设定值时，控制单元控制水冷单元输入至换热器3中的水量进行循环控制，使得电堆6温度在设定值处常温运行。

本实施例的工作原理：换热器3的一端通入高温氢气，另一端通入冷却水。换热器3的冷却水管路包含一个主冷却管路9和冷却水旁路管路10。冷水旁路管路上安装的电磁阀11用来控制冷却水旁路管路10的开闭。当电堆6需要在低温环境中启动时，温度传感器7采集到安装电堆6的阳极出口处的温度数据，当温度≤0℃，控制器8发出指令控制电磁阀11打开。这时，由于一部分冷却水经过旁路管路流过散热器，而实际流过散热器的冷水流量减少，进而带走高温氢气的热量就减少。高温氢气经过换热器3以较高的温度经过后处理装置，最终设定的冷启动温度T1进入电堆6。温度传感器7检测到电堆6阳极出口处的温度高于设定的切换温度T0时，所述控制单元发送指令控制所述电磁阀11关闭。这时，冷却水全部经过所述换热器3，带走高温氢气大量的热，高温氢气经过后处理后最终以设定的常温T2运行。所述的T0，T1，T2的大小关系为T0>T1>T2。

实施例2

本实施如图2所示，在该实施例中，水冷单元包括冷却水供应箱、冷却水回收箱和电动比例阀12，冷却水供应箱通过主冷却管路9连通换热器3输入端，换热器3输出端连接冷却水回收箱，电动比例阀12设置在主冷却管路9中，电动比例阀12连接控制器8。其余均与实施例1相同。

本实施的工作原理：主冷却管路9上安装有电动比例阀12，用来调节主冷却管路9中冷却水的流量。当电堆6需要在低温环境中启动时，温度传感器7采集到安装电堆6的阳极出口处的温度数据，当温度≤0℃，控制器8发出指令调节所述电动比例阀12的开度。冷启动时，电动比例阀12的开度保持最小状态，这时，流过散热器的冷水流量最少，进而带走高温氢气的热量就减少。高温氢气经过所述换热器3以较高的温度经过后处理装置，最终以较高的设定的冷启动温度T_cold进入电堆6。在冷启动过程中，温度传感器7检测到电堆6阳极温度不断升高，控制器8控制所述电动比例阀12开度也相应增加，不断降低氢气的进气温度但保持温度传感器7的温度缓慢增加。当温度传感器7检测到电堆6阳极温度大于设定切换温度T_change时，系统进入温度运行模式，电动比例阀12微调，维持氢气进气温度为设定温度T_H2不变。

上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，并不构成对权利要求范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均在本发明保护的范围内。