[發明專利]燃料電池系統及其低溫啟動方法

有效

• 申請號: 201910089257.1
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109904488B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 李建秋;江宏亮;徐梁飛;歐陽明高
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04298;H01M8/04302;H01M8/0432
• 代理公司: 北京華進京聯知識產權代理有限公司 11606
• 代理人: 劉誠

本申請涉及一種燃料電池系統及其低溫啟動方法，在所述燃料電池中設置所述加熱單元可以在低溫環境中提高所述燃料電池電堆的溫度，有助于所述燃料電池的熱啟動。本申請設置所述加熱單元，對于原有的所述燃料電池結構的改進較小，不會影響所述燃料電池電堆的結構設計。

技術領域

本申請涉及燃料電池技術領域，特別是涉及一種燃料電池系統及其低溫啟動方法。

背景技術

目前全球石油資源日益枯竭，溫室效應等環境問題愈加嚴峻。與傳統內燃機、電動機等動力源相比，燃料電池在功率密度和環境友好程度上有很大優勢。燃料電池是一種電化學裝置，能將化學能直接轉換為電能。由于燃料電池的能量轉換過程不受卡諾循環限制，其能量轉換效率較高。燃料電池工作過程中，消耗的燃料為氫氣，反應產物是水，有害排放物為零，所以是最清潔的能源之一。

由于燃料電池產物為水，零度以下低溫啟動是燃料電池的技術瓶頸之一。在低溫環境中燃料電池啟動的時候燃料電池的電堆溫度低于零度，燃料電池產生的水容易在內部結冰。燃料電池的內部結冰后，一方面阻礙了電化學反應的進行，另一方面阻礙了反應氣體在多孔介質中的傳輸。燃料電池的內部結冰對燃料電池的輸出性能造成一定影響，甚至可能導致反應中斷，燃料電池的啟動失敗。同時如果水在燃料電池內部結冰，會對其內部結構造成一定的機械損傷，影響燃料電池的壽命。因此在燃料電池低溫啟動過程中，需要盡快地將溫度提高到零度以上。

現有的燃料電池低溫啟動的解決方法，一方面是通過提高燃料電池的內部產熱量，另一方面是通過外部增加熱量輔助燃料電池升溫。前者主要是通過控制電流、反應物等方式，提高電流，降低燃料電池電壓，從而提高反應熱。后者則通過外部能量源加熱冷卻水、加熱雙極板、加熱進氣或加熱端板。

傳統的利用降低燃料電池電壓的方法增加燃料電池內部產熱量的方法容易導致燃料電池的損壞，容易引起反極現象，控制過程比較困難。傳統的利用外電源對電堆進行加熱的方法需要在系統中增加蓄電池，可能需要額外安裝加熱器，同時增加了加熱電路，造成了系統結構復雜，也增加了成本。另外，傳統的方法還需要對燃料電池雙極板進行改造，容易對電堆已有結構造成破壞。

發明內容

基于此，有必要針對通過外電路對燃料電池的進行加熱，需要對燃料電池雙極板進行改造，容易對電堆已有結構造成破壞的問題，提供一種燃料電池系統及其低溫啟動方法。

一種燃料電池系統，包括：

燃料電池電堆，用于為燃料電池的燃料氣和氧化氣提供反應場所；

陽極端板，與所述燃料電池電堆連通；

陰極端板，與所述燃料電池電堆連通；以及

兩個加熱單元，一個加熱單元設置于所述燃料電池電堆和所述陽極端板之間，另一個所述加熱單元設置于所述燃料電池電堆和所述陰極端板之間，用于在低溫環境下實現對于所述燃料電池電堆的加熱。

在一個實施例中，所述加熱單元包括：

第一集流板，貼合所述燃料電池電堆設置；

加熱片，貼合所述第一集流板設置；以及

第二集流板，貼合所述加熱片并且遠離所述燃料電池堆設置。

在一個實施例中，所述燃料電池電堆與兩個所述第一集流板分別直接壓緊接觸并固定；

兩個所述第二集流板分別與所述陽極端板和所述陰極端板直接壓緊接觸并固定。

在一個實施例中，還包括：

負載，與所述燃料電池電堆電連接，用于控制所述燃料電池系統的輸出功率；以及

低溫啟動電路，與所述負載和所述兩個加熱單元分別電連接，所述低溫啟動電路的狀態可以調節，所述低溫啟動電路用于控制所述燃料電池系統是否進入低溫啟動狀態。