[发明专利]一种高温质子交换膜燃料电池系统热管理方法

说明书

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为代表的全氟型磺酸膜燃料电池，通常操作温度低于80℃，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℃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℃时耐受性是10-20ppm，而130℃时为1000ppm；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还为非铂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铂资源的限制。

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℃之间(也有文献把温度划分为中温100-150℃和高温150-200℃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、Zr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/SiO2、Nafion/SiO2/PWA、Nafion/TiO2等，在高温操作条件下(大于100℃)的性能及稳定性等。；2)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；3)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℃。