[发明专利]一种燃料电池零下启动方法及装置

说明书

本发明提出一种燃料电池零下启动的方法及装置，属于燃料电池技术领域。本方法在零下启动时，为燃料电池间断或持续提供含氢气的氛围，然后对燃料电池施加电流或电压控制，来加热电池，实现电池温度的快速提升。本装置包括燃料电池、供氢装置及电流发生装置，供氢装置的出气口同时与燃料电池的氢气极和空气极连通，或者供氢装置的出气口与燃料电池的氢气极和空气极中的任意一极连通、并将燃料电池的氢气极和空气极用管道连通。本发明是针对燃料电池零下启动耗能大、生成水结冰降低电池性能与寿命等问题而提出，特别适用于燃料电池商用车的零下启动。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说是一种燃料电池零下启动方法及装置。

背景技术

燃料电池能够将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的发展前景。其中质子交换膜燃料电池功率密度高、启动快、对负载变化响应快，成为交通运输领域能源重要发展方向。质子交换膜燃料电池作为车用动力必须要经受高电位、大电流、频变载、零下启动、空气杂质等复杂工况和严苛环境的考验，其中零下启动能力是燃料电池汽车在冬季运行面临的最大挑战，也是燃料电池汽车在温寒带推广的主要障碍之一。

针对燃料电池零下启动问题，学界与业界开展了大量研究工作，在提升燃料电池乘用车零下启动能力方面取得了重要进展。如在2008年，丰田汽车公司的燃料电池乘用车FCHV-adv在野外-37℃启动成功(Kojima K,Morita T.Development of fuel cell hybridvehicle in TOYOTA[J].ECS Transactions,2008,16(2):185-198.)。尽管汽车公司在改善燃料电池乘用车零下启动能力方面取得了突破性进展，但是国际上燃料电池商用车尚不具备零下自启动能力。为了达到商用车的寿命要求，宜采用耐久性更好的石墨基双极板，而非广泛用于乘用车的金属基双极板。石墨基双极板因加工性能不如金属基双极板，石墨基双极板厚度较厚，会成倍地增大电堆热容，给快速加热燃料电池电堆、解决零下启动问题带来了更大的挑战。

针对燃料电池零下启动开发的方法，尤其是商用车的零下启动问题，一般采用的零下启动方法包括产热和保温两种。其中产热也可以分为外部加热和系统自产热两种方式。采用外部加热的方式有：燃料电池双极板或端板加热、进气加热和冷却液加热。采用内部加热的方式目前报道的有：催化燃烧，储氢放热和相变材料三种方式。

采用的外部加热方式需要加热电堆，使其升温到零上，这种方式一般需要消耗大量外部能源，且装置较为复杂。加拿大巴拉德公司开发的搭载FCveloCity动力模块的燃料电池客车，就采用外部保温和车载电池进行加热的方法来进行零下启动。专利(CN201720137213.8)采用在双极板增加电阻丝的方式来对电堆进行加热，这种方式虽然加热效果较好，但是需要破坏燃料电池原有结构，同时面向燃料电池电堆应用时其成本较大。专利(CN201720047171.9)采用微波加热的方式来对电堆进行加热，这种方法避免了对电池原有结构的破坏，但是需要增加微波产生装置，而且微波加热的效率和位置难以控制。

采用系统自产热的方式一般通过系统自身携带的燃料或者其他材料提供零下启动的能量，这种方式能够减少外部能源的消耗，并且一般不需要破坏电池的原有结构。专利(CN201510600125.2)采用氢气燃烧的方式来加热冷却液，从而加热电堆，这种方法需要增加氢气的燃烧装置，由于需要对冷却液加热，一般零下启动时间较长。发明专利(CN200610134075.4)介绍了一种利用阴极反应放热来加热电池的方法。该专利发明要点为：在-5℃～-20℃环境中，阴阳极气体氛围分别为氢气、氧气(空气)，通过直流电源加载大电流，在阴极生成氢气，生成氢气与氧气在催化剂作用下发生反应放热，来进行冷启动。由于零下启动气体中基本无加湿，因此在大电流情况下极易发生膜干。此外，由于在阴极氢气与氧气反应会产生水，生成水可能会结冰，结冰带来的体积膨胀可能会破坏电池结构，引发电池老化。

发明内容