专利名称：一种高温质子交换膜燃料电池系统热管理方法
技术领域：
本发明涉及质子交换膜燃料电池系统集成与操作技术，具体地说是一种高温质子 交换膜燃料电池的热管理技术及启停车策略。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效、清洁、环境友好的发电装置，是电动汽 车的理想动力源，亦可作为分散电站、潜艇及航天器等军用电源或便携式电源等，具有十分 广阔的应用前景。然而目前广泛使用的以Nafion 为代表的全氟型磺酸膜燃料电池，通常 操作温度低于80°C，使得燃料电池在实际应用时面临CO耐受性差、系统的水热管理困难 等问题。因此将PEMFC运行温度提高到100°C以上，通常称之为高温质子交换膜燃料电池 (HT-PEMFC)，是PEMFC技术的一个重要的发展方向。高温PEMFC系统有如下优点1)提高电极反应动力学，降低催化剂的担量；2)提 高Pt/c催化剂CO耐受性，如80°C时耐受性是10-20ppm，而130°C时为IOOOppm ；3)改善系 统的水管理，通常认为HT-PEMFC中水处于汽态，从两相流简化为单相流，减少了引起的传 质极化，流场设计也可以得到大幅度的简化，4)改善系统的热管理，可以采用现有的内燃机 汽车用散热系统，大幅度降低冷却系统的重量与体积，提高系统的重量与体积比功率密度。 另外，高温PEMFC还为非钼催化剂的使用提供了可能，从而有可能大大降低燃料电池的成 本且不受现有钼资源的限制。鉴于高温质子交换膜燃料电池诱人的发展前景，国内外广泛开展了 HT-PEMFC关 键材料的研制，包括高温质子交换膜、催化剂和载体等，并取得了较好的初步结果。其中高 温质子交换膜是研究的热点之一，国内外研究者广泛研究了 HT-PEMFC用关键材料，温度从 100-200°C之间(也有文献把温度划分为中温100-150°C和高温150-200°C两个区间)，研究 方向大致可以分为三类1)改性全氟磺酸膜，如向膜内添加具有亲水性的物质(如Si、Ti、 ^ 等氧化物)以提高其使用温度，提高其在高温条件下机械强度、热稳定性和保水性。通 常采用溶胀法或溶胶-凝胶法合成此类有机/无机复合膜。各国研究者广泛报道了采用不 同复合膜的质子交换膜燃料电池，如Nafion/Si02、Nafion/Si02/PWA、Nafion/Ti02等，在 高温操作条件下(大于100°C )的性能及稳定性等。；幻聚芳烃磺酸膜及复合膜，如PEEK、 SPSF, PBI等，具有比全氟磺酸膜在低增湿条件下更高的质子导电性，从而为其在高温条件 下使用提供了可能；幻无机酸与树脂共混膜，通过聚合物膜掺杂高沸点质子传导助剂，如 磷酸、咪唑等，实现其在高温条件下的质子传导性，如磷酸掺杂的PBI其中改性的全氟磺酸 膜可以在中温、低湿度条件下运行，具有比较好的应用前景。但目前关于高温质子交换膜燃料电池系统的报道较少。由于高温质子交换膜燃料 电池的研究主要集中在小电池的研究上，通常小电池的温度控制直接采用电加热棒等控温 方式进行，因而不适合大功率高温质子交换膜燃料电池系统使用。其外，关于高温质子交换 膜燃料电池的启停车策略的报道就更少，目前这方面的研究还没有引起足够的重视。实际 上，高温直接停车在氢空界面作用下碳腐蚀、催化剂聚集加剧，从而有可能导致燃料电池性能加速下降。在研究过程中我们发现高温直接停车电池性能有明显的下降并多次出现电池 重启后开路电压大幅下降以及电池性能极差而无法测量现象。本发明在于克服上述不足，开发高温质子交换膜燃料电池热管理系统流程及启停 车策略。
发明内容
为了控制高温质子交换膜燃料电池的热管理，使电池处于热平衡状态，稳定的温 度下工作。本发明的目的是提供了一种高温电池系统及流程，在热管理方面，提供了开停车 的具体优化方案。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下一种高温质子交换膜燃料电池系统热管理方法，所述燃料电池系统包括电堆或燃料电池、阴极氧化剂进料子系统、阳极燃料循环 子系统、以及冷却介质循环子系统；所述冷却介质循环子系统包括循环泵、循环液储箱和换热器，循环泵的入口通过管路与循环液储箱的出口相连，循环泵的出口通过管路与电堆 或燃料电池冷却腔入口相连，换热器的高温介质入口通过管路与电堆或燃料电池冷却腔出 口相连，换热器的高温介质出口通过管路与循环液储箱相连；在换热器的低温介质入口通 入低温介质，低温介质并由低温介质出口流出；所述循环液储箱充有冷却介质作为循环液，所述循环液为沸点高于电堆或燃料电 池操作温度、并且具有低粘度、低挥发、不导电特性的液体，所述电堆或燃料电池操作温度 为 100-200 "C。在电堆或燃料电池或电堆或燃料电池冷却腔出口管路上设置有温度传感器；所述 循环液为体积浓度75-100%的乙二醇水溶液、硅油、甘油或导热油(GB/T4016-83)。所述换热器可采用设置于循环液储箱上的散热器替代，此时电堆或燃料电池冷却 腔出口相连通过管路与循环液储箱直接相连，在散热器内通入起冷却作为的低温介质。所述换热器或散热器上的低温介质入口管路上设置有电磁阀，电堆或燃料电池正 常运行时通过电磁阀控制换热器的工作状态，即当电堆或燃料电池温度高于设定的电堆或 燃料电池操作温度时才开启电磁阀向换热器或散热器内通入低温介质给循环液降温，使换 热器或散热器发挥冷却作用，当电堆或燃料电池温度低于或等于设定的电堆或燃料电池操 作温度时关闭电磁阀。当电堆或燃料电池停车前，开启电磁阀向换热器或散热器内通入低温介质给循环 液降温，使换热器或散热器发挥冷却作用，进而给电堆或燃料电池降温，当电堆或燃料电池 温度低于或等于60°C后停车。于循环液储箱上设置有加热器，当电堆或燃料电池启动时，加热器加热循环液储 箱内的循环液，加热后的循环液通过循环泵进入电池，给电堆或燃料电池加热至操作温度， 加速电堆或燃料电池的开启过程。本发明具有如下优点1、本发明流程简单、操作可靠稳定，具有较好的温度控制稳定性，而且可以适用于 停车操作的要求。
2、电池启停车的策略、尤其是停车策略有利于延缓电池性能的衰减、维持电池性 能的稳定性。本发明所述的热管理系统管理流程及启停车策略为启动时，循环液被加热，并通 过循环系统进入电池，给电池加热。当温度高于电池操作温度后，散热器中冷却水开启降 温；当温度低于电池操作温度时，关闭冷却水，从而维持系统动态热平衡过程，使得电池温 度维持在设定的操作温度附件。停车前，两位两通电磁阀开启，冷却水给循环液降温，当电 池温度低于60°C后停车。降温后停车有利于延缓电池性能的衰减、保持燃料电池性能的稳 定性。
图1为高温质子交换膜燃料电池热管理系统流程图；图中热管理系统主要部件为1燃料电池、2温度传感器、3换热器、4乙二醇溶液储 箱、5循环泵；系统其它部件包括6回流器、7尾排电磁阀、8分水器、9负载，为典型的氢氧 质子交换膜燃料电池系统流程。图2为高温质子交换膜燃料电池运行曲线；图3为高温直接停车燃料电池单池性能衰减曲线；图4为降温后停车燃料电池单池性能衰减曲线。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步说明。实施例1如图1所示，为质子交换膜燃料电池热管理系统流程图，热管理系统由温度传感 器、换热器、循环液储箱、循环泵、两位两通电磁阀等部件组成。本实施例中采用10节、有 效面积276cm2燃料电池堆，采用纯氢、纯氧为燃料和氧化剂，电池操作温度为110°C，采用 90% (体积浓度)的乙二醇水溶液作为循环液。本实施例中采用高精度恒温油浴槽(即循 环液储箱)并在油浴槽中加装管式散热器(即换热器)作为温控装置。油浴箱集成加热、 温度控制及循环等功能，因而比较适合用在试验系统中；而加装的管式换热器主要用于燃 料电池运行时废热的散除以及停车前燃料电池的降温操作，该温度控制结合两位两通电磁 阀实现。本实施例中热管理系统启停车及运行策略为启动时，恒温油浴槽电加热乙二醇水溶液，通过恒温油浴槽循环泵进入电池，给电 池加热至IlO0C0当温度高于110°C后，两位两通电池阀控制冷却水开启，散除电池电化学反应废 热；当温度低于110°c时，关闭冷却水；从而维持系统动态热平衡过程，使得电池温度维持 在110°C附件。停车前，两位两通电磁阀开启，冷却水给乙二醇水溶液降温，当电池温度低于60°C
后停车。图2为高温质子膜燃料电池系统运行曲线图，电池操作条件为反应气为纯氢纯 氧，电流为81A、操作压力为0. 3MPa，操作温度为110°C。每天运行时间大约5_6h，共计运行4天。从图中可以看出，整个累积24h运行期间，温度波动110°C 士 1°C，燃料电池温度控制 稳定较好。从燃料电池性能看，燃料电池在这短时间的测试中，性能表现出较好的稳定性， 没有明显的衰减。实施例2 本实施例中分别采用单节、有效面积276cm2燃料电池进行不同停车策略对比测 试，同样采用上述燃料电池试验系统，电池操作条件为反应气为纯氢/氧气，相对湿度为 59%、操作压力为0. 2MPa，操作温度为110°C。停车策略如下Sl 在电池在138A恒流放电时，直接断开负载，高温停车，待电池内压力降为常压 后，N2吹扫电池5min。S2 在电池在138A恒流放电时，打开两位两通电磁阀开启，冷却水给乙二醇水溶 液降温，逐步电池操作温度，待电池至60°C，断开负载，停车。待电池压力降为常压后，N2吹 扫电池5min。执行上述操作1次后，测试燃料电池高温条件的极化曲线(如图3、4所示)，从两 者比较可以看出，直接停车操作仅一次后，燃料电池性能有明显衰减；而降温后停车操作， 燃料电池性能没有衰减。可见，降温后停车操作可有效延缓燃料电池性能衰减，保持燃料电 池性能的稳定性。
权利要求
1.一种高温质子交换膜燃料电池系统热管理方法，所述燃料电池系统包括电堆或燃料电池(1)、以及冷却介质循环子系统，其特征在于所述冷却介质循环子系统包括换热器(3)、循环液储箱(4)和循环泵(5)；循环泵(5) 的入口通过管路与循环液储箱的出口相连，循环泵(5)的出口通过管路与电堆或燃料 电池⑴冷却腔入口相连，换热器⑶的高温介质入口通过管路与电堆或燃料电池⑴冷 却腔出口相连，换热器(3)的高温介质出口通过管路与循环液储箱(4)相连；在换热器(3) 的低温介质入口通入低温介质，并由低温介质出口流出；所述循环液储箱(4)充有冷却介质作为循环液，所述循环液为沸点高于电堆或燃料电 池操作温度的液体，所述电堆或燃料电池操作温度为100-200°C。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在电堆或燃料电池(1)冷却腔出口管路 上设置有温度传感器(2)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述循环液为体积浓度75-100%的乙二 醇水溶液、硅油、甘油或导热油。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述换热器(3)可采用设置于循环液储 箱内的散热器替代，此时电堆或燃料电池(1)冷却腔出口相连通过管路与循环液储箱 (4)直接相连，在散热器内通入起冷却作用的低温介质。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于于所述换热器(3)或散热器上的低 温介质入口管路上设置有电磁阀，电堆或燃料电池(1)正常运行时通过电磁阀控制换热器 的工作状态，即当电堆或燃料电池(1)温度高于设定的电堆或燃料电池(1)操作温度时才 开启电磁阀向换热器C3)或散热器内通入低温介质给循环液降温，使换热器C3)或散热器 发挥冷却作用，当电堆或燃料电池(1)温度低于或等于设定的电堆或燃料电池(1)操作温 度时关闭电磁阀。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于当电堆或燃料电池(1)停车前，开启电磁 阀向换热器C3)或散热器内通入低温介质给循环液降温，使换热器C3)或散热器发挥冷却 作用，进而给电堆或燃料电池(1)降温，当电堆或燃料电池(1)温度低于或等于60°C后停车。
7.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于于循环液储箱(4)上设置有加热器， 当电堆或燃料电池(1)启动时，加热器加热循环液储箱(4)内的循环液，加热后的循环液通 过循环泵( 进入电池，给电堆或燃料电池加热至操作温度，加速电堆或燃料电池的开启 过程。
全文摘要
本发明涉及一种高温质子交换膜燃料电池系统热管理方法，所述燃料电池系统包括冷却介质循环子系统，所述冷却介质循环子系统包括循环泵、循环液储箱和换热器，所述循环液储箱充有冷却介质作为循环液，所述循环液为沸点高于电堆或燃料电池操作温度、并且具有低粘度、低挥发、不导电特性的液体，所述电堆或燃料电池操作温度为100-200℃。本发明流程简单、操作可靠稳定，发明中的停车策略有利于维持燃料电池性能的稳定性，适用于高温质子交换膜燃料电池系统热管理。
文档编号H01M8/04GK102110827SQ200910248839
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者李晓锦, 柯长春, 洪有陆, 衣宝廉, 邵志刚 申请人:中国科学院大连化学物理研究所