CN109904487B - 一种石墨双极板燃料电池及其车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种石墨双极板燃料电池及其车辆。本发明通过石墨双极板的结构设计，在电堆内部石墨双极板的表面设置加热电阻层，同时通过电路设计，使加热电阻层接通外部电源，通过燃料电池自身产热和外部电源供电加热两种方式组合，实现电堆的快速暖机。本发明能够解决燃料电池低温启动的难题，提升燃料电池的低温环境适应性。

Description

一种石墨双极板燃料电池及其车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种石墨双极板燃料电池及其车辆。

背景技术

利用可再制能源氢气与空气中的氧气通过燃料电池直接发电提供能力，可以摆脱对化石能源的依赖，氢燃料是解决化石燃料日益枯竭的重要途径。燃料电池汽车具有加氢时间短、续驶里程长、零排放等突出优点，是汽车的重要动力源。燃料电池反应产生水，电堆发电需要质子交换膜保持润湿状态，在零度以下的低温环境下，面临结冰的问题。解决燃料电池的低温启动问题是其广泛应用的前提。

目前的主流燃料电池均采用增湿方案，反应过程中也产生大量的水。良好的水管理是维持电堆正常运行的关键技术。目前我国大部分燃料电池产品不具备低温启动能力，全年只能在零度以上区域使用，严重限制了燃料电池的使用范围。部分具备-10℃的低温启动燃料电池，只是采用外部电路加热燃料电池冷却液，能耗高，耗时长，难以推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨双极板燃料电池及其车辆，用以解决现有技术在燃料电池低温启动时能耗高、时间长的问题。

为实现上述目的，本发明的方案提供了一种石墨双极板燃料电池，包括电池方案一，电池方案一包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆包括石墨双极板和膜电极，至少一个所述石墨双极板的内侧和/或外侧设置有加热电阻层。

电池方案二，在电池方案一的基础上，所述加热电阻层的两侧分别设置有用于连接电源的第一接线端子和第二接线端子。

电池方案三、四，分别在电池方案一、二的基础上，所述加热电阻层为条带状。

电池方案五、六，分别在电池方案三、四的基础上，所述加热电阻层的厚度为1-1000um。

本发明还提供了一种基于石墨双极板燃料电池的车辆，包括车辆方案一，车辆方案一包括设置有燃料电池电堆的燃料电池，所述燃料电池电堆包括石墨双极板和膜电极，至少一个所述石墨双极板的内侧和/或外侧设置有加热电阻层。

车辆方案二，在车辆方案一的基础上，所述加热电阻层的两侧分别设置有用于连接电源的第一接线端子和第二接线端子。

车辆方案三、四，分别在车辆方法一、二的基础上，所述第一接线端子和第二接线端子通过开关连接电源。

车辆方案五、六，分别在车辆方案三、四的基础上，所述加热电阻层为条带状。

车辆方案七、八，分别在车辆方案五、六的基础上，所述加热电阻层的厚度为1-1000um。

本发明的有益效果是：通过石墨双极板的结构设计，在电堆内部石墨双极板的表面设置加热电阻层，同时通过电路设计，使加热电阻层接通外部电源，通过燃料电池自身产热和外部电源供电加热两种方式组合，实现电堆的快速暖机，从而解决燃料电池低温启动难题，提升燃料电池的低温环境适应性。

附图说明

图1是本发明所述电池中加热电阻层安装位置1的结构示意图；

图2是本发明所述电池中加热电阻层安装位置2的结构示意图；

图3是本发明所述车辆的燃料电池电路连接示意图；

图4是本发明中燃料电池低温启动的操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明为了解决车用燃料电池系统低温启动的问题，在构成燃料电池电堆的单电池中石墨双极板上设置加热电阻层，同时通过电路设计，使该加热电阻层接通外部电源，通过燃料电池自身产热和外部电源供电加热两种方式组合，实现电堆的快速暖机，从而实现燃料电池的低温启动，提升燃料电池的低温环境适应性。

为实现上述目的，本发明提供了一种石墨双极板燃料电池及其车辆，本发明所述燃料电池中加热电阻层的安装方式具有多种形式，图1和图2给出了两种具体形式来具体说明，本发明中的燃料电池中两个石墨双极板中间设置一个膜电极共同构成了一个单电池。

如图1所示，包括膜电极1和5、阳极石墨双极板3、加热电阻层2以及阴极石墨双极板4；膜电极1和膜电极5分别属于相邻两个单电池，阳极石墨双极板3和膜电极1属于一个单电池，阴极石墨双极板4和膜电极5属于相邻的单电池；加热电阻层2固定在阳极石墨双极板3的内侧，固定方式包括但不限于导电胶粘接。

如图2所示，包括膜电极6和10、阳极石墨双极板7、加热电阻层8以及阴极石墨双极板9；膜电极6和膜电极10分别属于相邻两个单电池，阳极石墨双极板7和膜电极6属于一个单电池，阴极石墨双极板9和膜电极10属于相邻的单电池；加热电阻层8固定在阴极石墨双极板9的外侧，固定方式包括但不限于导电胶粘接。

石墨双极板一般是由石墨板雕刻成型，如图中所示的锯齿状，加热电阻层以片状粘接在石墨板的表面上。

在其他实施例中，加热电阻层可以粘接在石墨双极板的内外两侧，也可以在阳极石墨双极板和阴极石墨双极板均设置加热电阻层，加热电阻层的两侧设置有连接电源的接线端子，电源给加热电阻层通电流时要满足电流的方向与所在石墨双极板中的电流方向相同，电源可以是原有的车载电池，也可以是另外单独设置的电池。同时加热电阻层的厚度可调，通过改变结构和电阻材料选型，可以在较宽的范围内调整电阻，匹配合适的电堆温升速率，实现燃料电池的低温启动。

加热电阻层与石墨双极板需要接触紧密设置，防止中间产生空隙导致电阻增大，同时加热电阻层与石墨双极板的连接方式也有多种形式，并不限于上述的导电胶粘接。

当本发明所述燃料电池应用在车辆上时，需要布置连接线路使燃料电池与车辆的相应装置连接起来。

如图3所示是本发明所述燃料电池在车辆上的电路连接示意图，主要包括：设置有加热电阻层的燃料电池电堆、负载、温度传感器、电阻开关、电源开关、电源、环境温度传感器以及整车控制器，电阻开关包括S2、S4、S6；电源开关包括S1、S3、S5。

通过环境温度传感器监测环境温度，处于低温(一般小于零度)环境时，整车控制器控制执行低温起动程序。检测电源SOC状态，判断电源允许供电加热的电量，实际启动过程中耗电量不能超过该最大允许电量。根据燃料电池温度传感器的温度实时监测数据，低温环境下，燃料电池小电流放电，电堆中的加热电阻层在小电流作用下加热电堆。当电堆温度达到设定值(例如零度)后，通过闭合电阻开关闭合外电路的加热电阻层电路，通过断开电源开关断开外部电源加热电路，正常启动燃料电池。

在燃料电池电堆的内部，在两片石墨双极板之间，或者石墨双极板与膜电极之间，设置加热电阻层，如镍片，厚度1～1000μm，将片状加热电阻层按照石墨双极板的结构进行加工，封装在石墨双极板上，同时外部电源与该加热电阻层相连，供外部电源电加热电堆，加热电阻层的形状与石墨双极板相匹配，优选片状，但是具体的形状不限于本发明所给出的形式，例如可以是长方形、圆形、方形、条带状等形状，只要满足能够与石墨双极板的形状相配即可，所述匹配是指两者能够紧密接触并固定设置，可以是焊接、固定等形式。

在燃料电池启动时，检测环境温度，实际环境温度T1(温度范围-30～55℃)低于零度时，启动暖机升温程序，计算电堆暖机升温至0℃所需的热量Q1，检测电源的SOC状态，计算最大允许加热电量Q2，如果Q2小于Q1，则系统不启动；如果Q2大于等于Q1则断开加热电阻层回路的电阻开关S2、S4、S6，小电流运行燃料电池，燃料电池产生的电流流经电阻发热，提升电堆温度，同时根据电堆自加热能力，有选择性的闭合电源电路的电源开关S1、S3、S5，强化对电堆的加热，提升加热速率。

当电堆温度超过0℃以上，或者达到设定的工作温度T2时，闭合加热电阻层回路的电阻开关S2、S4、S6，断开电源电路的电源开关S1、S3、S5，电堆正常启动。

图4是上述燃料电池应用在车辆上时低温启动的操作流程图，包括：

燃料电池启动，检测环境温度T1；

如果T1低于零度，则启动暖机升温程序；否则正常启动；

计算电堆暖机升温至0℃所需的热量Q1，检测电源的SOC状态，计算最大允许加热电量Q2；

如果Q2小于Q1，则系统不启动；如果Q2大于等于Q1则断开加热电阻层回路的电阻开关S2、S4、S6，小电流运行燃料电池，燃料电池产生的电流流经电阻发热，提升电堆温度，同时根据电堆自加热能力，有选择性的闭合电源电路的电源开关S1、S3、S5，强化对电堆的加热，提升加热速率；

当检测到电堆温度超过0℃以上，闭合加热电阻层回路的电阻开关S2、S4、S6，断开电源电路的电源开关S1、S3、S5，电堆正常启动。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，通过在电堆内部石墨双极板上设置加热电阻层，同时通过电路设计，使加热电阻层接通外部电源，通过燃料电池自身产热和外部电源供电加热两种方式组合，实现电堆的快速暖机，从而解决燃料电池低温启动难题，提升燃料电池的低温环境适应性。

但本发明不局限于所描述的实施方式，例如改变加热电阻层的形状，或者采用其他等效的电路形式给燃料电池加热，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于石墨双极板燃料电池的车辆，包括设置有燃料电池电堆的燃料电池，所述燃料电池电堆包括石墨双极板和膜电极，其特征在于：还包括燃料电池温度传感器、加热电阻层回路的电阻开关、电源电路的电源开关、电源、环境温度传感器以及整车控制器；所述环境温度传感器用于监测环境温度，燃料电池温度传感器用于监测燃料电池的温度；

至少一个所述石墨双极板的内侧和/或外侧通过导电胶粘接固定有加热电阻层，所述加热电阻层的两侧分别设置有用于连接电源的第一接线端子和第二接线端子，所述第一接线端子和第二接线端子通过电源开关连接电源；

在燃料电池启动时，检测环境温度T1，T1低于零度时，整车控制器启动暖机升温程序，计算燃料电池电堆暖机升温至0℃所需的热量Q1，检测电源的SOC状态，计算最大允许加热电量Q2，如果Q2小于Q1，则燃料电池不启动；如果Q2大于等于Q1则断开加热电阻层回路的电阻开关，小电流运行燃料电池，燃料电池产生的电流流经电阻发热，提升燃料电池电堆温度，同时根据燃料电池电堆自加热能力，有选择性的闭合电源电路的电源开关，强化对燃料电池电堆的加热，提升加热速率；当燃料电池电堆温度超过0℃以上，或者达到设定的工作温度T2时，闭合加热电阻层回路的电阻开关，断开电源电路的电源开关，燃料电池电堆正常启动。

2.根据权利要求1所述一种基于石墨双极板燃料电池的车辆，其特征在于：所述加热电阻层为条带状。

3.根据权利要求2所述一种基于石墨双极板燃料电池的车辆，其特征在于：所述加热电阻层的厚度为1-1000μm。

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