一種基于液態有機儲氫的燃料電池冷啟動系統及方法與流程

本發明涉及一種燃料電池冷啟動系統及方法，尤其是涉及一種基于液態有機儲氫的燃料電池冷啟動系統及方法。

背景技術：

燃料電池是一種電化學反應裝置，直接將化學能轉換為電能。根據電解質的不同，可以分為質子交換膜燃料電池，堿性燃料電池，磷酸型燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。質子交換膜燃料電池工作溫度低，電流密度大，響應速度快，性能穩定。而且反應生成物只有水，不存在腐蝕性。因此，質子交換膜燃料電池在車輛交通和備用電源等領域具有廣闊的市場前景。

但是當燃料電池電堆處于零度以下的環境中時，由于啟動階段電堆溫度較低，燃料電池反應產生的水無法正常排出電堆，甚至結冰，導致電堆內部催化層被局部或者全部覆蓋，其化學反應終止，從而使得電堆無法正常啟動。此外，更嚴重時會導致質子交換膜破損，損壞電堆。因此，需要采用合理的冷啟動方法來實現電堆在低溫條件下的冷啟動。

CN 304011605 U所申請的一種燃料電池冷啟動加熱裝置通過電加熱器對電堆陰極端、陽極端和電堆主體進行加熱。CN 103825037A所申請的一種燃料電池冷啟動快速加熱系統及方法，通過對陽極的氫氣進行加熱進而實現冷啟動。CN 203218389 U所申請的一種質子交換膜燃料電池冷啟動裝置，通過在電堆碳板中間開槽并嵌入加熱元件，通過加熱碳板的方法提高電堆溫度，進而實現電堆冷啟動。CN105390715A所申請的一種低溫冷啟動燃料電池系統及利用方法，通過對陰極進氣和陽極進氣加熱的方法實現電堆冷啟動。以上相關的專利，均是基于高壓儲氫方式的燃料電池系統，實現電堆快速升溫，進而低溫啟動電堆。但是針對基于常溫常壓有機儲氫的燃料電池系統，目前還沒有相關的冷啟動系統及方法。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于液態有機儲氫的燃料電池冷啟動系統及方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于液態有機儲氫的燃料電池冷啟動系統，包括電堆以及用于液態有機儲氫進行脫氫反應的反應釜，該系統還包括換熱器、水冷單元和控制單元，所述的換熱器設置在反應釜的氫氣輸出端和電堆之間，所述的水冷單元連接換熱器，所述的水冷單元為流量調節式水冷單元，所述的控制單元連接電堆和水冷單元；

燃料電池冷啟動時，所述的控制單元根據電堆溫度調節水冷單元輸入至換熱器中的水量，進而提高輸入至電堆中的氫氣的溫度，完成電堆冷啟動。

所述的控制單元包括溫度傳感器和控制器，所述的溫度傳感器設置在電堆陽極出口處，所述的控制器連接溫度傳感器和水冷單元。

所述的水冷單元包括冷卻水供應箱、冷卻水回收箱和電磁閥，所述的冷卻水供應箱通過主冷卻管路連通換熱器輸入端，換熱器輸出端連接冷卻水回收箱，所述的主冷卻管路還連接有冷卻水旁路管路，所述的冷卻水旁路管路末端連通至冷卻水回收箱，所述的電磁閥設置在冷卻水旁路管路中，所述的電磁閥連接控制單元。

所述的水冷單元包括冷卻水供應箱、冷卻水回收箱和電動比例閥，所述的冷卻水供應箱通過主冷卻管路連通換熱器輸入端，換熱器輸出端連接冷卻水回收箱，所述的電動比例閥設置在主冷卻管路中，所述的電動比例閥連接控制器。

所述的反應釜和換熱器之間設有用于對氫氣進行過濾和降溫的過濾降溫器。

所述的換熱器和電堆之間設有用于對氫氣進行二次過濾的過濾器。

一種基于液態有機儲氫的燃料電池冷啟動方法，該方法具體為：

電堆啟動，控制單元實時采集電堆溫度，當溫度小于設定值時，控制單元控制水冷單元輸入至換熱器中的水量進行循環控制，使得電堆溫度在設定值處常溫運行。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

(1)本發明設置換熱器，同時設置可以調節進入換熱器中水的流量的水冷單元，在電堆冷啟動時，通過減少進入換熱器中的水量，從而提高進入電堆中氫氣的溫度，從而實現冷啟動，屬于廢熱利用，無需額外耗能，節約能耗；

(2)本發明結構簡單，方便使用；

(3)本發明通過設置控制單元實時測量點堆溫度進而控制水冷單元工作，實現閉環控制，精度高，穩定性好，可以有效快速地在低溫環境中啟動電堆；

附圖說明

圖1為實施例1基于液態有機儲氫的燃料電池冷啟動系統的結構示意圖；

圖2為實施例2基于液態有機儲氫的燃料電池冷啟動系統的結構示意圖。

圖中，1為反應釜，2為前處理裝置，3為換熱器，4為氫氣管路，5為后處理裝置，6為電堆，7為溫度傳感器，8為控制器，9為主冷卻管路，10為冷卻水旁路管路，11為電磁閥，12為電動比例閥。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

如圖1所示，一種基于液態有機儲氫的燃料電池冷啟動系統，包括電堆6以及用于液態有機儲氫進行脫氫反應的反應釜1，該系統還包括換熱器3、水冷單元和控制單元，換熱器3設置在反應釜1的氫氣輸出端和電堆6之間，水冷單元連接換熱器3，水冷單元為流量調節式水冷單元，控制單元連接電堆6和水冷單元；燃料電池冷啟動時，控制單元根據電堆6溫度調節水冷單元輸入至換熱器3中的水量，進而提高輸入至電堆6中的氫氣的溫度，完成電堆6冷啟動。

控制單元包括溫度傳感器7和控制器8，溫度傳感器7設置在電堆6陽極出口處，控制器8連接溫度傳感器7和水冷單元。控制器8采用市面上常用的數字控制器8，如單片機、ARM控制器8等。

水冷單元包括冷卻水供應箱、冷卻水回收箱和電磁閥11，冷卻水供應箱通過主冷卻管路9連通換熱器3輸入端，換熱器3輸出端連接冷卻水回收箱，主冷卻管路9還連接有冷卻水旁路管路10，冷卻水旁路管路10末端連通至冷卻水回收箱，電磁閥11設置在冷卻水旁路管路10中，電磁閥11連接控制單元。

反應釜1和換熱器3之間設有前處理裝置2，前處理裝置2為用于對氫氣進行過濾和降溫的過濾降溫器。換熱器3和電堆6之間設有后處理裝置5，后處理裝置5為用于對氫氣進行設有用于對氫氣進行二次過濾的過濾器，保證進入燃料電池電堆的純度。換熱器3通過氫氣管路4連接至后處理裝置5。

一種基于液態有機儲氫的燃料電池冷啟動方法，該方法具體為：

電堆6啟動，控制單元實時采集電堆6溫度，當溫度小于設定值時，控制單元控制水冷單元輸入至換熱器3中的水量進行循環控制，使得電堆6溫度在設定值處常溫運行。

本實施例的工作原理：換熱器3的一端通入高溫氫氣，另一端通入冷卻水。換熱器3的冷卻水管路包含一個主冷卻管路9和冷卻水旁路管路10。冷水旁路管路上安裝的電磁閥11用來控制冷卻水旁路管路10的開閉。當電堆6需要在低溫環境中啟動時，溫度傳感器7采集到安裝電堆6的陽極出口處的溫度數據，當溫度≤0℃，控制器8發出指令控制電磁閥11打開。這時，由于一部分冷卻水經過旁路管路流過散熱器，而實際流過散熱器的冷水流量減少，進而帶走高溫氫氣的熱量就減少。高溫氫氣經過換熱器3以較高的溫度經過后處理裝置，最終設定的冷啟動溫度T1進入電堆6。溫度傳感器7檢測到電堆6陽極出口處的溫度高于設定的切換溫度T0時，所述控制單元發送指令控制所述電磁閥11關閉。這時，冷卻水全部經過所述換熱器3，帶走高溫氫氣大量的熱，高溫氫氣經過后處理后最終以設定的常溫T2運行。所述的T0，T1，T2的大小關系為T0>T1>T2。

實施例2

本實施如圖2所示，在該實施例中，水冷單元包括冷卻水供應箱、冷卻水回收箱和電動比例閥12，冷卻水供應箱通過主冷卻管路9連通換熱器3輸入端，換熱器3輸出端連接冷卻水回收箱，電動比例閥12設置在主冷卻管路9中，電動比例閥12連接控制器8。其余均與實施例1相同。

本實施的工作原理：主冷卻管路9上安裝有電動比例閥12，用來調節主冷卻管路9中冷卻水的流量。當電堆6需要在低溫環境中啟動時，溫度傳感器7采集到安裝電堆6的陽極出口處的溫度數據，當溫度≤0℃，控制器8發出指令調節所述電動比例閥12的開度。冷啟動時，電動比例閥12的開度保持最小狀態，這時，流過散熱器的冷水流量最少，進而帶走高溫氫氣的熱量就減少。高溫氫氣經過所述換熱器3以較高的溫度經過后處理裝置，最終以較高的設定的冷啟動溫度T_cold進入電堆6。在冷啟動過程中，溫度傳感器7檢測到電堆6陽極溫度不斷升高，控制器8控制所述電動比例閥12開度也相應增加，不斷降低氫氣的進氣溫度但保持溫度傳感器7的溫度緩慢增加。當溫度傳感器7檢測到電堆6陽極溫度大于設定切換溫度T_change時，系統進入溫度運行模式，電動比例閥12微調，維持氫氣進氣溫度為設定溫度T_H2不變。

上述的具體實施方式只是示例性的，是為了更好的使本領域技術人員能夠理解本專利，并不構成對權利要求范圍的限制；只要是根據本專利所揭示精神的所作的任何等同變更或修飾，均在本發明保護的范圍內。