燃料电池系统及其快速启动方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说涉及一种具有快速启动功能的燃料电池系统。

背景技术：

燃料电池是一种通过化学反应将储存在化合物燃料中的化学能直接转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池通常由阳极、阴极及质子交换膜组成。在电池运行过程中，燃料在阳极催化剂表面发生氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，氧气在阴极催化剂表面与质子发生还原反应生成水，电子则通过外电路做功到达阴极。

燃料电池系统启动过程需将电池电堆加热至工作温度方可进行电池电堆放电，但由于其工作温度一般高于室温，尤其对于高温重整燃料电池更是如此，由于其工作温度较高，电池电堆加热所需时间较长，导致燃料电池系统的启动需要一定的时间，甚至较长的时间，使燃料电池系统的应用领域受到一定限制。

中国专利CN105449242A公开了一种车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统及方法，其主要技术内容为一方面对金属双极板通电产生热能，另一方面通过空压机输入热空气产生热能，该技术方案在一定程度上对燃料电池的低温启动起到了一定的效果，但上述技术方案存在对金属双极板进行通电及输入热空气时会对电极催化剂产生影响，加速催化剂的老化速度，该发明对金属双极板有所限制且过程中需要消耗大量外部能量。

中国专利CN101447580A公开一种0℃以下快速启动的质子交换膜燃料电池，该发明在端板的紧靠集流板的侧面分布有凹沟槽，凹沟槽中密封铺设有电加热丝，并利用外加电源对电加热丝进行加热。电加热丝加热一方面加热温度不可控，需要复杂的温度检测与控制装置，另一方面其电加热丝加热必须依附于外部电能，消耗外部额外能量。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决燃料电池系统启动过程中电堆加热速率较慢，系统启动时间长，并且传统加热方式导致电池电堆受热不均匀等问题，提出一种燃料电池系统及其快速启动方法，有效减短燃料电池系统的启动时间并使电池电堆均匀受热，提高电池电堆的使用寿命。

本发明采用以下具体方式来实现：

燃料电池系统，包括燃料电池电堆或单体电池，所述燃料电池电堆包括两个端板、两个极板和依次层叠于两个极板之间的二个以上的单体电池，所述单体电池包括双极板和夹持于双极板之间、或极板与双极板之间的膜电极，所述燃料电池系统包括电堆辅助加热部件，同时还包括一根或二根以上的热管；所述热管的冷凝端插入端板、极板、或双极板中的一个或二个以上之中，所述电堆辅助加热部件为所述热管的蒸发端提供热量。

所述电堆辅助加热部件为电加热器、或为燃料重整器。

所述燃料电池电堆为带燃料重整器的高温质子交换膜电池电堆，所述电堆辅助加热部件为燃料重整器，热管的蒸发端插入燃料重整器尾气排出管内或与尾气排出管相贴接,由燃料重整器尾气废热为热管的蒸发端提供热量。

所述燃料电池电堆为低温质子交换膜电池电堆，所述电堆辅助加热部件为电加热器，电加热器为电加热片、电加热管、电加热棒、电加热丝或电加热带中的一种或二种以上,热管的蒸发端与电加热器相贴接,由电加热器为热管的蒸发端提供热量。

所述热管为片状热管或圆柱状热管，所述片状热管的厚度或圆柱状热管的管径与端板的厚度比为1:1.05-1:100；所述热管的厚度或热管的管径与双极板的厚度比为1:1.05-1:25。

所述热管插入于端板和/双极板中的长度与热管的总长度的比为1:1.1-1:50。

上述比例一方面在不增加或限制增加燃料电池电堆体积的同时，提高热管对于燃料电池电堆的加热效率。

所述单体电池，包括依次层叠的端板、极板、膜电极、极板、端板，所述二热管的冷凝端分别插入膜电极二侧的所述端板或极板中；

所述燃料电池电堆由二个以上的单体电池构成，包括依次层叠的端板、极板、膜电极、极板、端板，以及极板、膜电极之间的一组以上的层叠的膜电极、双极板；所述二个以上的热管中的二个插入电堆二侧的端板或极板中，其余的均匀插入位于二个极板间的双极板中。

所述燃料电池系统的快速启动方法，利用电堆辅助加热部件为热管的蒸发端加热，蒸发端吸收热量后将热量传递至热管的冷凝端，所述冷凝端为所述燃料电池电堆加热。

当辅助加热部件为燃料重整器时，所述热管的蒸发端密封插入燃料重整器尾气排放管中，或所述热管的蒸发端贴接于所述燃料重整器外部壳体上；当辅助加热部件为电加热器时，所述电加热器直接为所述热管蒸发端加热。

热管，是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向酌可逆性、可远距离传热、结构紧凑、流体阻损小、管壁温度可控、可避免露点腐蚀等一系列优点。在解决燃料电池系统快速启动的技术问题中，充分利用热管的技术优势，巧妙的将热管的冷凝端置于燃料电池电堆的端板和/或双极板中，可避免传统加热方式带来的电堆升温速率缓慢、受热不均匀等问题，加快了燃料电池电堆的升温速率，缩短了启动时间，延长了燃料电池电堆的使用寿命。

当辅助加热部件为燃料重整器时，此时所述燃料电池系统通常为高温重整燃料电池系统，所述热管的蒸发端密封插入燃料重整器尾气排放管中，或所述热管的蒸发端贴接于所述燃料重整器外部壳体上，或采用其他雷同的方式利用燃料重整器释放的废热为热管蒸发端加热；利用重整器的废热为热管蒸发端加热，一方面节省了外部加热电源，另一方面省却了高温重整燃料电池系统的其它加热部件，充分提高了系统的热效率。

当辅助加热部件为电加热器时，此时燃料电池系统通常为直接液体燃料电池系统或氢氧质子交换膜燃料电池系统，所述电加热器直接为所述热管蒸发端加热。该加热方式与传统加热方式相比具有加热均匀，升温速率快且稳定等优点。

根据本发明设计，可以有效解决高温重整燃料电池系统由于电池电堆加热速率较慢而导致的系统启动时间较长和传统加热方式导致的电池电堆受热不均匀等问题，使燃料电池电堆在较短时间内均匀升温至工作温度，解除燃料电池系统由于启动时间过长而受到的限制，从而使其更加适用于车用动力设备等领域。

附图说明

图1为燃料电池电堆与热管的装配图；

图2为膜电极装配MEA图；

图3为高温重整燃料电池系统中采用重整尾气为热管加热方式示意图；

图4为高温重整燃料电池系统中采用重整器直接为热管加热方式示意图；

图5为高温重整燃料电池系统中采用重整器燃烧腔内燃料燃烧产生的热为热管加热方式示意图；

图6为高直接液体燃料电池系统中采用加热片为热管加热方式示意图；

图中，1、端板，用于流体分配与集流；2、热管，在燃料电池系统启动过程中为电堆加热；3、阳极催化层，催化燃料的氧化反应；4、质子交换膜，传输质子并隔绝阴阳极反应物；5、阴极催化层，催化氧气的还原反应；6、双极板，阴阳极反应物的流体分配；7、重整器，用于重整燃料；8、重整器尾排管，将重整器产生的尾气排出系统；9、电池电堆，用于产生电能；10、燃烧腔，于腔内进行燃料燃烧并产生高温热能；11、加热片，用于为热管加热。阳极催化层3、质子交换膜4与阴极催化层5共同组成膜电极组装在端板1与双极板6以及双极板6之间。

具体实施方式

对比例1：

高温重整燃料电池系统包括燃料电池电堆、燃料重整器、及为燃料电池电堆进行加热的电加热片等。所述燃料电池电堆9由依次堆叠于两端板1之间的二十节单体电池组成；所述单体电池由双极板6及夹持于其中的MEA构成；分别于两侧端板1粘贴电加热片，电加热片面积与端板的面积比为1.0：1.5；所述端板为铝材料制成，厚度为30mm；所述双极板为石墨材料制成，厚度为3.5mm。

将高温燃料电池系统置于0℃(视情况给个具体的数值)环境中，采用通电电加热的方式使得电加热片为燃料电池电堆加热，至电堆温度达到120℃时，用时合计达40min，启动高温重整燃料电池系统使其对外放电。

实施例1-3，高温重整燃料电池系统包括燃料电池电堆、燃料重整器以及44根热管等。所述燃料电池电堆9由依次堆叠于两端板1之间的二十节单体电池组成；所述单体电池有双极板6及夹持于其中的MEA构成；于端板1与双极板6内嵌入于南京热尔电子科技购买的热管2，该热管2厚度为2mm；宽度为26mm；长度为300mm；嵌入端板或双极板中的长度为200mm；所述端板为铝材料制成，厚度为30mm；所述双极板为石墨材料制成，厚度为3.5mm。

将高温燃料电池系统置于0℃(与对比例环境温度相同)环境中，在高温重整燃料电池系统启动过程中，利用热管2高的热传导速率实现电堆迅速升温，至工作温度120℃。

所述热管为南京热尔电子科技购买的铝质热管。该热管2具有以下功能：冷凝端温度低于140℃具有高的热传导速率，在温度高于160℃工质在热管内不循环流动，对热的传导速率趋近于零。

实施例1：

高温重整燃料电池系统包括所述热管2的蒸发端置于燃料电池系统中燃料重整器7的高温尾排气体管道8内(如图3所示)，利用燃料重整器7排出的高温气体为热管2的蒸发端加热。

通过该方式加热的燃料电池电堆9能够在12min实现电堆9温度达到工作温度120℃，与对比例中的电加热片加热相对比，其加热速度明显提高。除此之外，由于热管2采用尾气废热进行加热，从而提高了系统的热利用效率，从而使高温重整燃料电池系统的燃料利用效率以及功率密度得以提升。

实施例2：

高温重整燃料电池系统包括所述热管2的蒸发端置于燃料电池系统中燃料重整器7腔体内(如图4所示)，利用燃料重整器7的高温热能为热管2的蒸发端加热。

通过该方式加热的燃料电池电堆9能够在11min内实现电池电堆9温度达到工作温度120℃，与对比例中的电加热片加热相对比，其加热速度明显提高。本实施方式所述高温重整燃料电池系统中电池电堆9加热方式能够有效提高系统启动过程中电池电堆的加热速率，从而减短高温重整燃料电池系统的启动时间，使高温重整燃料电池系统更加适用于车载动力电源等领域。

实施例3：

高温重整燃料电池系统包括所述热管2的蒸发端置于燃料重整器的燃烧腔10中，利用燃料燃烧产生的热能为热管的蒸发端加热。

通过该方式加热的高温燃料电池电堆9能够在9min内实现电池电堆9温度达到工作温度120℃，与对比例中的电加热片加热相对比，其加热速度明显提高，从而实现高温重整燃料电池电堆系统的快速启动；此外，该方式可实现电池电堆9加热过程中的均匀受热，避免了传统电加热片加热时只进行电池电堆9外部加热时导致的受热不均从而使电池电堆9所受应力不均使电池电堆9使用寿命下降的问题，使其更加适用于车载动力电源等领域。

对比例2：

直接甲醇燃料电池系统包括燃料电池电堆、电加热器、及为燃料电池电堆进行加热的电加热片等。所述燃料电池电堆9由依次堆叠于两端板1之间的二十节单体电池组成；所述单体电池由双极板6及夹持于其中的MEA构成；分别于两侧端板1粘贴电加热片，电加热片面积与端板的面积比为1.0：1.5；所述端板为不锈钢材料制成，厚度为10mm；所述双极板为石墨材料制成，厚度为2.5mm。

将直接甲醇燃料电池系统置于0℃(视情况给个具体的数值)环境中，采用通电电加热的方式使得电加热片为燃料电池电堆9加热，至电堆温度达到80℃时，用时合计达16min，启动直接甲醇燃料电池系统使其对外放电。发现电池电堆9一致性较差，解剖发现电堆各单电池受热不均，各片单池间温度差异达13℃

实施例4：

直接甲醇燃料电池系统包括燃料电池电堆、电加热器以及42根热管等。所述燃料电池电堆9由依次堆叠于两端板1之间的二十节单体电池组成；所述单体电池由双极板6及夹持于其中的MEA构成；于端板1与双极板6内嵌入热管2，该热管2厚度为0.4mm；长度为200mm；嵌入端板或双极板中的长度为150mm；所述端板为铝材料制成，厚度为10mm；所述双极板为石墨材料制成，厚度为2.5mm。

所述热管为深圳市徳镒盟电子有限公司购置的CT-S040型热管。该热管2具有以下功能：冷凝端温度低于70℃时具有高的热传导速率，在温度高于90℃时工质在热管内不循环流动，对热的传导速率趋近于零。

将直接甲醇燃料电池系统置于0℃(与对比例环境温度相同)环境中，在直接甲醇燃料电池系统启动过程中，利用热管2高的热传导速率实现电池电堆9迅速升温，至工作温度80℃。

热管2的蒸发端采用电加热片7为热管2加热。

通过该方式加热的燃料电池电堆9能够在7min内实现电池电堆9的加热过程，与对比例2相比，其加热速率明显提升。除此之外，由于热管2置于电池电堆9内部，能够使电池电堆9加热过程受热更加均匀，提高电池电堆使用寿命。