一种用于WTP氢氧燃料电池电堆的启动方法

一种用于wtp氢氧燃料电池电堆的启动方法
技术领域
1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于wtp氢氧燃料电池电堆的启动方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接高效地转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池由于具有能量转化效率高、启动速度快、环境污染小等显著优点，已被认为是电动汽车、固定电站、各种移动电源的首选电源之一。双极板是质子交换膜燃料电池堆中的重要组件，它具有流体分配，导电、消除反应热，分割燃料和氧化剂等功能。常见的双极板(传统双极板)有三腔：燃料腔、氧化剂腔、冷却剂腔，三腔之间保持分隔开，流体在三腔中互不流通。燃料电池堆中的电化学生成水进入氧化剂腔中后，直接被气流或在重力作用下被带出电池。
3.近年来出现了一种新型透水双极板，即wtp双极板(cn 1179428c，cn101501909a)，其燃料腔与氧化剂腔保持隔开，但氧化剂腔与冷却剂腔之间存在一种透水板(或称为“多孔性水传输板”)。这种wtp板除了具有上述传统双极板功能以外，还具有透水阻气功能。所谓透水阻气是指燃料电池在运行过程中，氧化剂腔内的生成水能够借助于氧化剂腔和冷却剂腔之间的压力差直接透过双极板的透水板进入冷却剂腔，然后随着冷却剂排出电池堆，同时氧化剂腔中的气体却不会透过透水板进入冷却剂腔中。透水双极板这种独特的透水阻气功能极大的减轻了氧化剂腔内气体的流速要求，提高了电池的水管理能力，并保证了氧化剂的高利用率。
4.然而wtp板燃料电池堆在实际运行过程中需要控制透水板氧化剂腔与冷却剂腔之间的压力差以及冷却剂温度在其承受的范围内，若操作压力或冷却剂温度控制不当超出承受范围，wtp板便会出现漏气现象，甚至不可逆的失去其原有的阻气功能；当wtp板燃料电池电堆在使用过程中由于操作失误或个别故障原因造成电堆的wtp板损坏致使氧化剂腔向冷却剂腔中严重漏气，但燃料电池电堆性能仍然很好没有明显衰减的极端情况下，此时燃料电池电堆仍然可以正常发电使用，但由于氧化剂腔向冷却剂腔中漏气严重，造成电堆在启动过程中氧化剂腔的压力下降，使得电堆的氧化剂腔压力无法满足启动压力要求而无法启动完成。


技术实现要素：

5.本发明旨在克服上述现有技术的缺点和不足，提供了一种用于wtp氢氧燃料电池电堆的启动方法。该方法不仅适用于常规wtp氢氧燃料电池电堆启动过程，常规wtp氢氧燃料电池如果长时间停用，会出现内部干燥的情况，容易使得氧化剂腔中的氧化剂气体向冷却剂腔中渗漏，而且尤其适用于wtp氢氧燃料电池电堆中wtp板氧化剂腔向冷却剂腔中发生严重漏气致使电池系统或测试台架无法正常启动完成的情况下。本发明燃料电池电堆在进入预启动、启动程序前运转冷却水水泵，使wtp双极板润湿同时填充在wtp板冷却剂腔中的
循环冷却水能够有效阻止氧化剂腔中的氧化剂气体向冷却剂腔中的渗漏，以减小氧化剂腔向冷却剂腔中漏气量。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种用于wtp氢氧燃料电池电堆的启动方法，所述燃料电池为透水双极板燃料电池，包括如下步骤：
8.步骤1、开启冷却水循环水泵，调节循环水泵流量为8～12l/min；发明人通过验证发现，初调节的循环水泵流量如果低于8l/min，则整体效果不好，不能够完成完全浸润的效果，如果大于12l/min，会造成水量太大进入氧腔，影响后续工序。
9.步骤2、通过预先设定的程序启动电池系统；
10.所述程序中包含至少4次预启动程序，和启动程序；所述预启动程序为：电堆氢、氧气进口处进气电磁阀开启脉冲进气，同时电堆氢、氧气出口处排气电磁阀开启；所述启动程序为：电堆的氢、氧气出口处排气电磁阀处于关闭状态，电堆氢、氧气进口处进气电磁阀采用脉冲方式向电堆氢、氧腔进气，同时监测电堆氢、氧气出口处电堆氢、氧腔内部压力；
11.所述预启动程序之间以及最后一次的预启动程序和启动程序之间保持初始状态2s；所述初始状态为电堆氢、氧气进气电磁阀和排气电磁阀都处于关闭状态；
12.步骤3、当电堆氢、氧腔内部压力达到电堆预先设定好的压力值时，电池系统或测试台架启动完成，此时将内循环冷却水循环水泵流量调节到40～45l/min。
13.基于以上技术方案，优选的，所述每次预启动程序持续时间为20～30s。
14.基于以上技术方案，优选的，所述的预启动程序中，电堆氢、氧气进口处进气电磁阀的开阀时间为200～300ms，关闭时间为1～2s。
15.基于以上技术方案，优选的，所述的预启动程序，每次预启动程序结束以后程序恢复初始状态并保持2s，即氢、氧气进气口处和出气口处电磁阀均处于关闭状态。
16.基于以上技术方案，优选的，所述的启动程序中，电堆氢、氧气进气口处的电磁阀进行脉冲式的开启和关闭，同时通过氢、氧气出气口处的压力传感器监测电堆氢、氧腔内部的压力，来判断进气口处的氢侧电磁阀开启或氧侧电磁阀开启。
17.基于以上技术方案，优选的，电堆氢、氧气进气口处的电磁阀每次的脉冲开启时间为200～300ms，关闭时间为1～2s。
18.基于以上技术方案，优选的，预先设定的压力值为0.8-0.9v。
19.实现上述启动方法的电池系统或测试台架具有一个带有流量调节器的循环水泵，循环水泵与内循环冷却水水箱相连，循环水泵出口与电堆冷却水进水口连接，电堆冷却水出水口与内循环水水箱连接；电堆的氢、氧气进口处分别各设置有一个进气电磁阀，电堆的氢、氧气出口端分别各设有一个排气电磁阀，在每个排气电磁阀与出口间各设有一个压力传感器。
20.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.1、本发明针对wtp氢氧燃料电池电堆的启动，尤其是针对wtp氢氧燃料电池电堆中wtp板发生氧化剂腔向冷却剂腔中严重漏气造成氧化剂腔内压力下降的情况，通过在电池系统或测试台架的进入启动程序前，开启冷却水循环水泵并保持持续运转，使循环冷却水润湿wtp板的同时，填充在冷却剂腔中的循环水能够有效阻止氧化剂腔中的氧化剂气体渗漏到冷却剂腔，以解决氧化剂腔压力不足而无法达到程序启动完成要求的问题。
22.2、本发明通过对循环冷却水流量的控制，使得在操作过程中不至于使电堆氧化剂腔发生冷却水倒灌造成电池水淹的问题，该方法能够保证电池系统或测试台架顺利启动完成，同时该启动方法不需要其他任何附加工具和部件，操作简单方便。
23.3、本发明能够在透水双极板漏气的情况下启动电池系统，但存在冷却循环水渗透到氧化剂腔的问题，本技术方法，通过对预启动次数的控制，可以有效的将冷却水循环水泵运转过程中渗透到氧化剂腔中的液态水排出，可以有效的防止电堆发生水淹影响电池的性能。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1燃料电池系统图。
26.1.氢侧进气口；2.氧侧进气口；3.氢侧排气口；4.氧侧排气口；5.冷却水出水口；6.冷却水进水口；7.氢侧进气电磁阀；8.氧侧进气电磁阀；9.氢侧排气电磁阀10.氧侧排气电磁阀；11.氢侧压力传感器；12.氧侧压力传感器；13.内循环冷却水水泵；14.流量调节器；15.内循环冷却水箱。
具体实施方式
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
30.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附
图中不需要对其进行进一步讨论。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
32.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
33.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
34.实施例1
35.如图1所示，本发明实施例中的燃料电池系统包括：带有流量调节器14的循环水泵13，循环水泵13与内循环冷却水水箱15相连，循环水泵13出口与电堆冷却水进水口6连接，电堆冷却水出水口5与内循环水水箱15连接，具体地，冷却水进、出水口是设置在冷却剂腔上，本实施例中选择的冷却剂为水，在其他可选的实施方式中，冷却剂的成分可根据实际情况而定；电堆的氢侧进气口1和氧侧进气口2处分别设置有氢侧进气电磁阀7和氧侧进气电磁阀8，电堆的氢侧排气口3和氧侧排气口4分别设有氢侧排气电磁阀9和氧侧排气电磁阀10，在氢侧排气口3和氢侧排气电磁阀9之间设有氢侧压力传感器11，在氧侧排气口4和氧侧排气电磁阀10之间设有氧侧压力传感器12。
36.在启动前，预先将冷却水循环水泵出口与电堆冷却水进水口连接，电堆冷却水出水口与内循环水水箱连接；
37.本实施例中，将氧化剂腔向冷却水腔中漏气严重的wtp燃料电池8节电堆在测试台架或电池系统中启动完成，在其他可选的实施方式中，对正常的wtp氢氧燃料电池电堆启动也适用。程序中要求燃料腔和氧化剂腔中压力达到0.40bar为判定启动完成条件。首先在电池进入启动程序前，开启内循环冷却水水泵13并通过冷却水流量调节器14调节流量至10l/min。在内循环冷却水水泵13保持运转的状态下使电池系统或测试台架进入启动程序，启动程序中包含有4次预启动程序，每次预启动程序进行30s，在预启动过程中，电堆氢、氧气进口处的氢侧进气电磁阀7和氧侧进气电磁阀8以脉冲方式开启，本实施例中，氢侧进气电磁阀7和氧侧进气电磁阀8同步开启，同步关闭，具体地，开阀时间200ms，关闭时间2s，电堆氢、氧气出口处的氢侧排气电磁阀9和氧侧排气电磁阀10开启，使气体处于流通状态，这时电堆的各节电池电压开始上升，一次预启动之后，初始状态保持2s，初始状态为：关闭氢侧进气电磁阀7和氧侧进气电磁阀8，关闭氢、氧气出口处的氢侧排气电磁阀9和氧侧排气电磁阀
10，4次预启动过后，单池电压值基本都达到0.90v以上。4次预启动结束后，初始状态保持2s，电堆进入启动程序，在启动程序中，电堆进口处的氢侧进气电磁阀7和氧侧进气电磁阀8同时以脉冲方式开启和关闭，开阀时间为200ms，关阀时间为2s，氢侧排气阀9和氧侧排气阀10处于关闭状态，通过电堆出口处的氢侧压力传感器11和氧侧压力传感器12测量电堆内部压力，当氢侧进气电磁阀7和氧侧进气电磁阀8完成两次脉冲进气后，氢、氧两侧压力比较，压力高的一侧进气电磁阀关闭，压力低的一侧电磁阀继续脉冲进气，直到氢、氧侧压力都达到0.4bar，之后，将内循环冷却水循环水泵流量调节到40l/min。
38.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种用于wtp氢氧燃料电池电堆的启动方法，其特征在于，所述燃料电池为透水双极板燃料电池，包括如下步骤：步骤1、开启冷却水循环水泵，调节循环水泵流量为8～12l/min；步骤2、通过预先设定的程序启动电池系统：所述程序中包含至少4次预启动程序，和启动程序；所述预启动程序为：电堆氢、氧气进口处进气电磁阀开启脉冲进气，同时电堆氢、氧气出口处排气电磁阀开启；所述启动程序为：电堆的氢、氧气出口处排气电磁阀处于关闭状态，电堆氢、氧气进口处进气电磁阀采用脉冲方式向电堆氢、氧腔进气，同时监测电堆氢、氧气出口处电堆氢、氧腔内部压力；所述预启动程序之间以及最后一次的预启动程序和启动程序之间保持初始状态一定时间；所述初始状态为电堆氢、氧气进气电磁阀和排气电磁阀都处于关闭状态；步骤3、当电堆氢、氧腔内部压力达到电堆预先设定好的压力值时，电池系统或测试台架启动完成，此时将内循环冷却水循环水泵流量调节到40～45l/min。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每次预启动程序持续时间为20～30s。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的预启动程序中，电堆氢、氧气进口处进气电磁阀的开阀时间为200～300ms，关闭时间为1～2s。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的预启动程序，每次预启动程序结束以后程序恢复初始状态并保持2s，即氢、氧气进气口处和出气口处电磁阀均处于关闭状态。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的启动程序中，电堆氢、氧气进气口处的电磁阀进行脉冲式的开启和关闭，同时通过氢、氧气出气口处的压力传感器监测电堆氢、氧腔内部的压力，来判断进气口处的氢侧电磁阀开启或氧侧电磁阀开启。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，电堆氢、氧气进气口处的电磁阀每次的脉冲开启时间为200～300ms，关闭时间为1～2s。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3中，预先设定的压力值为0.4bar。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，适用于wtp氢氧燃料电池电堆中wtp板氧化剂腔向冷却剂腔中发生严重漏气致使电池系统或测试台架无法正常启动完成的情况。

技术总结
本发明提供一种用于WTP氢氧燃料电池电堆的启动方法，本方法包括如下步骤：燃料电池电堆在进入预启动、启动程序前运转冷却水水泵，使WTP双极板润湿同时填充在WTP板冷却剂腔中的循环冷却水能够有效阻止氧化剂腔中的氧化剂气体向冷却剂腔中的渗漏，以减小氧化剂腔向冷却剂腔中漏气量，在冷却水水泵运转的状态下电池进入启动程序直至电池启动完成。本方法具有操作简单，不需要给电池系统或测试台架增添多余装置部件等优点。多余装置部件等优点。多余装置部件等优点。


技术研发人员：陈中岩 林永俐 隋锦涛 邵志刚
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/12