一种质子交换膜燃料电池堆冷启动的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池堆冷启动的控制方法，选择带有加热功能的燃料电池组，燃料电池组在低于0℃以下的环境中进行启动时，电加热装置首先启动，对电池组中部一个或者多个单电池进行加热，直到被加热的电池温度大于0℃并开始产生电流时，立即关闭电加热装置，尽量减少消耗外部能量，该单电池内部电化学反应释放的热量会逐渐熔化与其相邻的单电池中的冰，并逐渐产生连锁效应，使得电池组中的单电池由中间向两边逐步启动，最终达到顺利的冷启动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池领域，更加具体地说，涉及一种质子交换膜燃料电池冷启动的控制方法，具有更容易冷启动的特点。
技术介绍
质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)燃料电池是一种将燃料化学能直接转化为电能的装置，其阴极和阳极都有液态水的存在，工作原理如图1所示。但是当其处于零度以下的温度时，其阴极反应生成的液态水和阳极的水就会结冰，如果在电池温度高于0°c以前，催化层(Catalyst Layer, CL)被冰完全覆盖，其电化学反应就会终止，从而使得燃料电池无法正常启动，进行正常的工作。此外，在结冰的过程中还会到导致膜材料的损坏，进而影响燃料电池的工作效率。并且由于单个燃料电池的输出功率较小，燃料电池都是以多个电池组成的电堆形式出现的，电堆内部温度和水含量的不均匀分布导致冷启动变得更加的复杂。因此，合理有效的冷启动控制方法，可以使得PEM燃料电池在0°C以下的工作环境中顺利启动，并完成正常的电流输出。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池冷启动的新型控制方法，这种控制方法可以节省外部加热的能量，通过充分利用电堆内部的各个单电池的反应温度进行自加热，使得已经结冰并且失去性能的电池逐步恢复电化学反应，从而使得整个电池能顺利运行，完成低温状态下的冷启动工作。本专利技术的 技术目的通过下述技术方案予以实现:，所述质子交换膜燃料电池堆由单个电池组成，单电池由膜电极、碳板、密封垫片组成，在单电池的碳板中部开具安装槽，嵌入电加热元件，并通过电线连接至外部的电源上，利用电加热的方式直接通过外部电源对电加热元件进行加热，从而进一步起到加热电池的作用。外部电源与燃料电池是与燃料电池组分开的，单独的能量储存装置，例如蓄电池。此外，电加热元件的外围必须包裹有绝缘材料，以防止燃料电池产生的电流通过电加热元件传出，产生短路现象。膜电极、密封垫片、导电板及耐热绝缘板都可选用燃料电池领域的常用材料，所述膜电极由质子交换膜、催化层和扩散层组成，用于发生电化学反应并产生电流；所述密封垫片是用于防止流道中气体和液体的渗漏，以及防止两侧碳板直接接触导致的短路；在电池组最外端还包含有导电板以及耐热绝缘板，所述导电板设置在碳板的外侧，用于收集碳板上的电流并对外输出电流，用来监测电流输出情况；所述绝缘耐热板设置在导电板的外侧，用于使紧固装置和导电板绝缘，防止漏电，所述碳板的两侧通过机械加工的方法直接在碳板的表面加工形成流道，例如平行流道、蛇形流道、交叉流道等，用来提供燃料电池反应的气体和水的排出通道。在组成电池组(堆)时，选择多个单电池，每个单电池由膜电极、碳板、密封垫片组成，在中间一个或者多个单电池的碳板中加入了电阻丝用来加热，导电板用来监测电流输出情况，在电池组最外端还包含有导电板以及耐热绝缘板。例如在位于中间的电池的碳板中加入电加热单元，或者在位于两端的电池的碳板中加入电加热单元。在进行控制时，燃料电池组在低于0°C以下的环境中进行启动时，电加热装置首先启动，对电池组中部一个或者多个单电池进行加热，直到被加热的电池温度大于0°C并开始产生电流时，立即关闭电加热装置，尽量减少消耗外部能量，该单电池内部电化学反应释放的热量会逐渐熔化与其相邻的单电池中的冰，并逐渐产生连锁效应，使得电池组中的单电池由中间向两边逐步启动，最终达到顺利的冷启动。与现有技术相比，本专利技术的技术方案通过对燃料电池组中部的一个或者多个单电池进行加热，充分利用电池内部电化学反应释放的热量，实现了电池组更有效的冷启动。本专利技术在充分考虑现有技术的基础上通过对碳板的简单改造即可达到相应的目的，并具有如下优点:(1)与传统的燃料电池组冷启动方式相比实现了更有效、更迅速的冷启动方式，解决了小型移动燃料电池组在低温环境下快速启动和运行的难题；(2)与传统的燃料电池组的冷启动方式相比，减少了外部能量的消耗和启动时间，实用性更强；(3)结构简单，易于实现，且应用成本低。附图说明图1为质子交换膜燃料电池工作原理示意图。图2为本专利技术中使用的嵌入电加热元件的碳板结构示意图(I)。图3为本专利技术中使用的嵌入电加热元件的碳板结构示意图(2)，沿图2中A方向的视图。图4为本专利技术中使用的嵌入电加热元件的碳板结构示意图(3)，沿图2中B方向的视图。图5为本专利技术中单个电池的结构示意图。图6为利用本专利技术中单个电池组装的电池组，其中在位于中间的电池的碳板中加入电加热单元。图7为利用本专利技术中单个电池组装的电池组，其中在位于两端的电池的碳板中加入电加热单元。图8为利用本专利技术技术方案得到的4种情况下燃料电池组的电压分布情况图。具体实施例方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。本专利技术是针对PEM燃料电池在低于0°C以下的环境中实现冷启动的一种控制方法。通过对电池组中部一个或者多个单电池的碳板进行改造，利用较少的外部能量以及电池电化学反应的放热量，使得电池组在较短的时间内顺利的完成冷启动。如附图2— 7所示，首先在单个电池的碳板的两侧设置有流道，用来提供燃料电池反应的气体和液态水的排出。在碳板的中部开具安装槽，嵌入电加热元件，并通过电线连接至外部的电源上，例如蓄电池。 并在电加热元件的外围包裹绝缘材料，以防止短路现象的出现。然后在组成电池组时，选择多个单电池，每个单电池由膜电极、碳板、密封垫片组成，在中间一个或者多个单电池的碳板中加入了电阻丝用来加热，导电板用来监测电流输出情况，在电池组最外端还包含有导电板以及耐热绝缘板，例如在位于中间的电池的碳板中加入电加热单元，或者在位于两端的电池的碳板中加入电加热单元。在冷启动开始时，先通过外部电源接通电加热元件，随着温度的升高，直到被加热的电池温度大于o°c并开始产生电流时，立即关闭电加热装置，尽量减少消耗外部能量。随着该单电池逐渐恢复工作，其内部电化学反应释放的热量便会逐渐融化与其相邻的单电池中的冰，并由此产生连锁效应，使得电池组中的单电池从中部到两边逐渐恢复正常工作，从而使得电池组顺利完成冷启动的目的。所述所述膜电极由质子交换膜、催化层和扩散层组成，用于发生电化学反应并产生电流；膜电极与碳板之间设置的密封垫片是用于防止碳板两侧的流道中的气体和液体发生渗漏，并起到防止膜电极两侧的碳板直接接触导致短路的作用。碳板外侧放置的导电板，如图2所示，用于收集碳板上的电流并对外输出电流。设置在电池组最外侧的绝缘板用于使紧固螺栓和导电板绝缘，防止漏电。将上述部件组装起来，形成电池组。组装成燃料电池组之后，首先启动外部电源，使得电加热元件运行并对电池中部一个或多个单电池进行加热，当被加热的电池温度大于O°c时，在进口处施加一定的压力，使得气体以一定的速度进入流道并进入扩散层(Gas Diffusion Layer,⑶L)和催化层(Catalyst Layer, CL),最终进入膜并发生电化学反应产生H20,电能和热能。产生的电能通过导电板导出，产生的水经过CL和GDL到达流道中，产生的热能可以逐渐融化与其相邻的单电池中的冰，并由此产生连锁效应，使得电池组中的单电池从中部到两边逐渐恢复正常工作，从而使得电池组顺利完成冷启动的目的。本实施例针对PEM燃料电池组，在相同的外部加热电源的功率要求下，分别对全部单电池同时加热(实施例1)，在电池组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池堆冷启动的控制方法，所述质子交换膜燃料电池由单个电池组成，单电池由膜电极、碳板、密封垫片组成，其特征在于，在中间一个或者多个单电池的碳板中部开具安装槽，嵌入电加热元件，并通过电线连接至外部的电源上，利用电加热的方式直接通过外部电源对电加热元件进行加热，从而进一步起到加热电池的作用；所述电加热元件的外围包裹有绝缘材料，以防止燃料电池产生的电流通过电加热元件传出，产生短路现象；在进行控制时，燃料电池组在低于0℃以下的环境中进行启动时，电加热装置首先启动，对电池组中部一个或者多个单电池进行加热，直到被加热的电池温度大于0℃并开始产生电流时，立即关闭电加热装置，尽量减少消耗外部能量，该单电池内部电化学反应释放的热量会逐渐熔化与其相邻的单电池中的冰，并逐渐产生连锁效应，使得电池组中的单电池由中间向两边逐步启动，最终达到顺利的冷启动。

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池堆冷启动的控制方法，所述质子交换膜燃料电池由单个电池组成，单电池由膜电极、碳板、密封垫片组成，其特征在于，在中间一个或者多个单电池的碳板中部开具安装槽，嵌入电加热元件，并通过电线连接至外部的电源上，利用电加热的方式直接通过外部电源对电加热元件进行加热，从而进一步起到加热电池的作用；所述电加热元件的外围包裹有绝缘材料，以防止燃料电池产生的电流通过电加热元件传出，产生短路现象； 在进行控制时，燃料电池组在低于o°c以下的环境中进行启动时，电加热装置首先启动，对电池组中部一个或者多个单电池进行加热，直到被加热的电池温度大于o°c并开始产生电流时，立即关闭电加热装置，尽量减少消耗外部能量，该单电池内部电化学反应释放的热量会逐渐熔化与其相邻的单电池中的冰，并逐渐产生连锁效应，使得电池组中的单电池由中间向两边逐步启动，最终达到顺利的冷启动。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆冷启动的控制方法，其特征在于，所述外部的电源为蓄电池。3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆冷启动的控制方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：周怡博，焦魁，王大为，罗悦齐，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：