氢燃料电池系统的冷启动装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供了一种氢燃料电池系统的冷启动装置。氢燃料电池系统包括：燃料电池电堆、副循环回路、补水路；副循环回路包括：冷却液循环管路；补水路包括：为冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱。冷启动装置包括：为冷却液循环管路中的冷却液进行加热的副循环加热装置；以及设置于膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热的补水路加热装置。冷启动装置中，补水路加热装置为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热，副循环加热装置为冷却液循环管路中的冷却液进行加热，两个加热装置共同作用，可加速燃料电池电堆内部副循环回路的升温过程，降低冷启动的时间。

【技术实现步骤摘要】
氢燃料电池系统的冷启动装置
本技术涉及清洁能源
，尤其涉及一种氢燃料电池系统的冷启动装置。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，简称PEMFC)，因其零污染，高效率，常温下反应稳定可控等优点被广泛应用于汽车、轨道交通领域。质子交换膜燃料电池在工作中会产生大量热量，热量集中会导致质子交换膜燃料电池系统内部的迅速温升，这将影响燃料电池的工作效率，故通常使用风冷或液冷的方式，对燃料电池内部进行冷却。一般大功率质子交换膜燃料电池系统(输出功率：5kW以上)使用液冷方式，控制冷却液的温度波动范围：55～70℃。故质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)除了自身的质子交换膜燃料电池电堆(PEMFCStack)以外，还需要一套配合的冷却散热系统。目前，对质子交换膜燃料电池的环境温度适应性或耐候性的应用与标准中，对低温冷启动在加热功率、时间方面均有要求。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷启动方法，目前有如下几种：(1)燃料电池小功率输出、迅速大量产热的方式；(2)燃料电池循环冷却回路循环加热保温方式；(3)燃料电池副循环内部加热的方式。上述方案中，冷启动方式(1)主要针对特定的燃料电池电堆类型，其对电堆自身的低温冷启动、冷却循环、电堆的加载特性有极高的要求，不适用于普通燃料电池电堆。冷启动方式(2)是一种比较原始的、有效的燃料电池电堆在低温状态下的性能维护与保存方式。其主要依赖外界提供电加热或热源，维持燃料电池电堆整体温度在零上4℃以上。这种方式受外界条件的限制比较多，近年来逐渐被其他两种方式所取代。冷启动方式(3)是目前应用较为广泛的方式。图1为采用冷启动方式(3)的理想燃料电池冷却系统回路的示意图。在图1中，实线对应的管路为冷却液管路，虚线对应的管路为排气管路。排气管路的功能是将冷却液中的气体排出至膨胀水箱42。该排气管路一般用于系统第一次加水排气，以及后期点检维护用，正常工况下，该排气管路是关闭的。请参考图1，其主要利用了冷却循环回路中，随着副循环回路内部的副循环加热装置21的加热作用、副循环回路中的冷却液逐步升温，当副循环冷却液温度达到5.5℃，燃料电池控制系统判断冷启动完成，开启燃料电池电堆，随着燃料电池电池输出功率的升高，副循环回路中的冷却液温度逐步攀升。当经过节温器23的感温结构的冷却液温度到达节温器的开启温度后，冷却回路由“副循环状态”切换至“主循环状态”，冷却回路的温度进一步升高。当散热单元的出水口温度到达目标值60℃时，散热单元中的冷却风扇开启，大量引入周围环境的冷态空气，通过散热单元的“管带-翅片”结构与散热单元中的冷却液迅速换热，维持散热单元的出水口温度低于目标值60℃，保证燃料电池电堆的正常工作状态。冷启动方式(3)的冷启动过程中有两个关键点：1、节温器23的感温开启温度；2、冷启动阶段以及起堆阶段的副循环回路的有效封闭性。第1点比较好理解，因为这个开启温度是副循环阶段与主循环阶段的临界温度点。第2点的“有效封闭”这一概念需要被正确认识。请参考图1，在存在大副循环切换的燃料电池冷却循环系统中，理想状态是在燃料电池回水路与副循环回路交汇点之前，即远离燃料电池电堆一侧，设置一单向阀A，其作用是，当冷却循环系统处于副循环状态时，单向阀A可以阻止来自副循环回路的高压流体逆流通过燃料电池电堆回水路，进入到燃料电池散热单元中；当主循环正常工作时，来自散热单元的冷却液可以正常进入燃料电池电堆回水口。然而，单向阀A的设置也会带来其他问题，例如单向阀自身的压损、开启压力等。另，在某些情况下，需要无论在大副循环何种状态下，系统始终有一小股冷却液经过外部去离子罐，以便维持冷却循环系统中电导率足够低，保证燃料电池系统以及整车高压系统的整体绝缘阻值特性维持在高水平。故上述单向阀A往往会被取消，或用实时可控的电磁阀替代。图2为燃料电池冷却系统回路的示意图。请参照图2，现行的燃料电池系统中取消了单向阀A。图3为燃料电池冷却系统回路中副循环状态的示意图。如图3所示，在冷启动阶段的副循环状态下，冷却回路中存在2个分支回路：(1)副循环回路20，即冷却液由抽吸泵22吸入后，被压缩成高压液流后，进入节温器23中。由于冷却液温度低，节温器23处于副循环回路导通的状态，冷却液经过节温器23的副循环出口进入副循环加热装置21。冷却液经过副循环加热装置21的加热，然后进入燃料电池电堆10对其进行加热，之后流出燃料电池电堆10，与从来自膨胀水箱42的补充冷却液汇集后，又被抽吸泵22吸入，形成内部加热的副循环过程。(2)出副循环加热装置21的冷却液，除了进入副循环回路的一部分，另一部分逆向分流，经过Y型过滤器32，反向经过散热单元33，后经维护开关阀34与去离子罐35，进入膨胀水箱42。后经补水路与燃料电池电堆出水汇集后，进入抽吸泵22前端，形成了副循环状态下的外部循环回路。很明显，在冷启动状态下，副循环加热装置21同时为副循环回路20和外部循环回路中的冷却液进行加热。由于外部循环回路的热容大，且散热单元的散热能力强，经过外部循环回路最终汇集到抽吸泵22前端的冷却液温度，显著低于经过副循环回路最终汇集到抽吸泵22前端的冷却液温度，这一现象最终导致2个结果：1、冷启动时间显著增加，以实验为例，即对比图1与图2或图3，图1的冷启动时间(起始低温：-10℃，加热终止温度：5.5℃)为理论设计的300秒，而图2或图3的实测冷启动时间为855秒，加热持续时间变为近三倍。这个现象的根源在于，经过外部循环回路最终汇集到抽吸泵22前端的冷却液温度，显著低于经过副循环回路20最终汇集到抽吸泵22前端的冷却液温度。在实现本技术的过程中，申请人发现：目前的质子交换膜燃料电池的低温冷启动时间过长，增加了系统能耗，严重限制了质子交换膜燃料电池的环境温度适应性与应用范围。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本技术提供了一种氢燃料电池系统的冷启动装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案本公开氢燃料电池系统的冷启动装置中，氢燃料电池系统包括：燃料电池电堆、副循环回路、补水路；副循环回路包括：连接至燃料电池电堆的冷却液出口和冷却液进口之间的冷却液循环管路；补水路包括：为冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱；冷启动装置包括：设置于冷却液循环管路上并为冷却液循环管路中的冷却液进行加热的副循环加热装置；以及设置于膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热的补水路加热装置；其中，冷启动装置中，补水路加热装置为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热，副循环加热装置为冷却液循环管路中的冷却液进行加热。在本公开的一些实施例中，副循环回路的上游端连接至燃料电池电堆的冷却液出口，下游端连接至燃料电池电堆的冷却液进口，在上游端和下游端之间通过管路依次连接有第一三通管件、抽吸泵、节温器、第二三通管件；副循环加热装置设置于节温器和第二三通管件的第一口之间的管路中；第一三通管件的第一口连接至燃料电池电堆的冷却液出口，第二口连接至抽吸泵的冷却液进口；抽吸泵的冷却液出口连接至节温器的冷却液进口；第二三通管件的第一口连接至节温器的冷却液出口，第二口连接至燃料电池电堆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：所述氢燃料电池系统包括：燃料电池电堆、副循环回路、补水路；所述副循环回路包括：连接至所述燃料电池电堆的冷却液出口和冷却液进口之间的冷却液循环管路；所述补水路包括：为所述冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱；所述冷启动装置包括：设置于所述冷却液循环管路上并为所述冷却液循环管路中的冷却液进行加热的副循环加热装置；以及设置于所述膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热的补水路加热装置；其中，所述冷启动装置中，所述补水路加热装置为补充至所述冷却液循环管路的补充冷却液进行加热，所述副循环加热装置为所述冷却液循环管路中的冷却液进行加热。

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：所述氢燃料电池系统包括：燃料电池电堆、副循环回路、补水路；所述副循环回路包括：连接至所述燃料电池电堆的冷却液出口和冷却液进口之间的冷却液循环管路；所述补水路包括：为所述冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱；所述冷启动装置包括：设置于所述冷却液循环管路上并为所述冷却液循环管路中的冷却液进行加热的副循环加热装置；以及设置于所述膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热的补水路加热装置；其中，所述冷启动装置中，所述补水路加热装置为补充至所述冷却液循环管路的补充冷却液进行加热，所述副循环加热装置为所述冷却液循环管路中的冷却液进行加热。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：所述副循环回路的上游端连接至燃料电池电堆的冷却液出口，下游端连接至燃料电池电堆的冷却液进口，在上游端和下游端之间通过管路依次连接有第一三通管件、抽吸泵、节温器、第二三通管件；所述副循环加热装置设置于所述节温器和第二三通管件的第一口之间的管路中；所述第一三通管件的第一口连接至燃料电池电堆的冷却液出口，第二口连接至抽吸泵的冷却液进口；所述抽吸泵的冷却液出口连接至节温器的冷却液进口；第二三通管件的第一口连接至节温器的冷却液出口，第二口连接至燃料电池电堆的冷却液进口；所述补水路中的膨胀水箱的上游端连接至所述第二三通管件的第三口，其下游端连接至所述第一三通管件的第三口；其中，在抽吸泵的抽吸作用下，冷却液从燃料电池电堆的冷却液出口导出，经过第一三通管件的第一口和第二口、抽吸泵、节温器后，在第二三通管件处分为两股：第一股流入燃料电池的冷却液进口，第二股进入膨胀水箱，由膨胀水箱提供的补充冷却液在第一三通管件的第三口与燃料电池电堆的冷却液出口导出的冷却液汇合，进入抽吸泵的冷却液进口。3.根据权利要求2所述的氢燃料电池系统的冷启动装置，其特征在于：在所述第二三通管件的第三口和膨胀水箱之间，所述氢燃料电池系统还依次包括：Y型过滤器、散热单元、维护开关阀、去离子罐；其中，在第二三通管件处分为两股的冷却液中，第二股冷却液依次经过Y型过滤器、散热单元、维护开关阀、去离子罐，而后流入膨胀水箱，所述Y型过滤器滤除冷却液中的固态颗粒；所述去离子罐去除流经其冷却液中的导电离子。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：应俊波，
申请(专利权)人：北京亿华通科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11