一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统，涉及燃料电池技术领域，包括电堆，电堆的阴极端连接空气供给系统；空气供给系统包括：主管路，在主管路上依次设置有主路阀门、中冷器和增湿器增湿端，增湿器增湿端与电堆的阴极端连通；支管路，在支管路上设置有支路阀门、涡流管；涡流管与电堆的阴极端连通；空气压缩机，空气压缩机的出气口分别连通于主路阀门、支路阀门。当环境温度过低启动时，空气经过涡流管，温度升高，然后进入电堆进行化学反应，并且融化阴极结冰。此过程中热量在发动机机体内产生，加热效率高，加热过程中无明火，安全可靠，安装简便，不改变发动机的原有性能，延长使用寿命。

A Fuel Cell Cold Start System Based on Vortex Tube Heating

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统
本技术涉及燃料电池
，具体涉及一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统。
技术介绍
冷机启动是任何汽车发动机都存在的问题。在低温下，燃料蒸发困难造成发动机不易着火启动。另外，在暖机过程(发动机从启动到冷却水上升到正常温度)中，由于燃料燃烧不完全，排气温度低以及发动机零部件的配合间隙不正常等原因，造成烃类和一氧化碳排放量是正常值的十余倍，零部件磨损加剧和润滑油被稀释变质等问题，这些问题严重影响发动机的性能和使用寿命。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统，当环境温度过低时，为燃料电池输送热气流，提高冷启动效率。热量在发动机机体内产生，加热效率高，加热过程中无明火，安全可靠，安装简便，不改变发动机的原有性能，同时延长使用寿命。本技术提供的技术方案如下：一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统，包括电堆，所述电堆的阴极端连接空气供给系统；所述空气供给系统包括：主管路，在所述主管路上依次设有主路阀门、中冷器和增湿器增湿端，所述增湿器增湿端与所述电堆的阴极端连通；支管路，在所述支管路上设置有支路阀门、涡流管；所述支管路中的涡流管与所述电堆的阴极端连通；空气压缩机，所述空气压缩机的出气口分别连通于所述主路阀门、支路阀门。本技术方案中，当环境温度过低启动发动机时，将空气压缩机开启至2psi压力、4m3/min，空气经过空气压缩机使温度有所提高，关闭主路阀门，避免中冷器与加湿器冰堵的影响；开启支路阀门，使得被压缩过的热空气经过涡流管形成更高的热气流，再进入电堆阴极端，并融化阴极结冰。本技术方案对燃料电池冷启动系统进行了改进，在电堆阴极端，增设了一条支管路，支管路上设置有涡流管。当环境温度过低启动时，空气经过涡流管，温度升高，然后进入电堆进行化学反应产生电力，融化阴极结冰。在此过程中，热量在发动机机体内产生，加热效率高，加热过程中无明火，安全可靠，安装简便，不改变发动机的原有性能，同时延长使用寿命。优选地，基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统还包括增湿器干燥端，所述增湿器干燥端的进气口通过干燥端进气管与所述电堆的阴极端连通，所述增湿器干燥端的排气口设置有干燥端排气管；所述增湿器干燥端、干燥端进气管、干燥端排气管共同构成所述电堆的空气排气系统。本技术方案中，在电堆的空气排气管路上设有增湿器干燥端，对利用完的气体进行干燥，可以避免利用完的气体在排气管路上冷凝结冰，从而影响空气排气管路的通畅。优选地，所述涡流管包括：涡旋室，所述涡旋室连通设有喷嘴，所述喷嘴与所述支路阀门连通；热端管，所述热端管与所述涡旋室连通，所述热端管上设有温度控制阀，所述温度控制阀与所述电堆的阴极端连通；冷端管，所述冷端管与所述涡旋室连通，所述冷端管通过冷端排气管与所述干燥端排气管连通。本技术方案中，涡流管是一个能将从喷嘴进入的空气分离成两个温度不同的气流的热工设备。从切线方向注射进入涡流管的压缩空气被分成比进入时温度一个较高一个较低的气流。用这种方法，热气流和冷气流只是被涡流管分离开而不是用附加的其他构件；热气流通过热端管通入电堆的阴极端进行加热，冷气流通过冷端管在低温排气管路排出。由于涡流管的特性，产生加热气流同时产生冷端气流会导致气体流量的损失，从而影响阴极气流加热效率导致电堆冷启动失败。所以在涡流管的热端管处拥有可以调节的温度控制阀，因此可以根据电堆出口空气温度调节气流比例，将温度和流量控制在合理范围内，提高效率。综上所述，涡流管具有工作可靠、不需要电源、结构简单、维护方便、加热效果好等优点。进一步，优选地，涡流管至电堆气流管段均采用保温材质，可以减少热量损耗，保证了加热效果。优选地，基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统还包括温度传感器，设置在所述干燥端进气管上，所述温度传感器还与所述温度控制阀的控制端连接。本技术方案中，温度传感器可以感应到进入电堆阴极端的气体温度，通过涡流管加热端的温度控制阀门的调节来保证热空气在电堆所需反应的最适宜温度，保证了电堆的冷启动的效果，并且防范了空气加热温度过高所带来的安全隐患。优选地，本技术还提出了一个对于上述方案的改进，包括：所述电堆的阳极端分别连通设有氢气进气管路、氢气排气管路。进一步，优选地，所述氢气进气管路上依次设置有热交换器、氢气控制阀与氢气罐；所述热交换器与所述电堆的阳极端连通。本技术方案中，通过这样的设置，可以使得氢气在进入电堆阳极的过程中，也被加热，使得该装置能同时加热空气和氢气，进一步提高了冷启动效率。进一步，优选地，所述涡流管的热端管外部围设有螺旋散热片，在所述螺旋散热片上套设有管道壳体，所述涡流管、螺旋散热片、管道壳体共同构成所述热交换器；所述管道壳体的一侧开设有氢气入口，所述氢气入口与所述氢气控制阀连通；所述管道壳体的另一侧开设有氢气出口，所述氢气出口与所述电堆的阳极端连通。本技术方案中，将散热片制成螺旋状，是为了增大其表面接触面积，当氢气被通入时，螺旋散热片吸收了涡流管热管的温度，传导到了氢气中，使得氢气在整个通入排出的过程中，被加热了，加热完的氢气直接输送进电堆的阳极端进行反应。由于氢气与空气两者的气流是隔离的，在确保了安全性的同时，可以同时加热空气和所需氢气，实现高效率的换热，进一步提高冷启动效率。优选地，基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统还包括，过滤器，所述过滤器设置在所述空气压缩机的进气口。本技术方案中，在空气压缩机的进气口增设了一个过滤器，使得进入空气压缩机的空气进行了一个初步过滤，避免大颗粒杂质进入该冷启动系统，对内部器械造成损坏。与现有技术相比，本技术提供的一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统具有以下有益效果：1、本技术的一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统的优点在于，热量在发动机机体内产生，加热效率高，加热过程中无明火，安全可靠，安装简便，不改变发动机的原有性能，同时延长使用寿命。2、当环境温度过低启动时，将空气压缩机开启至2psi压力、4m3/min，空气经过空气压缩机使温度有所提高，关闭主路阀门，避免中冷器与加湿器冰堵的影响；开启支路阀门，使得被压缩过的热空气经过涡流管形成更高的热气流，再进入电堆阴极端，并融化阴极结冰。3、在排气管路上设置有干燥端，是为了避免利用完的气体在排气管路上冷凝结冰，从而影响排气管路的通畅。4、本技术采用涡流管将热气流和冷气流被涡流管分离开，工作可靠、不需要电源、结构简单、维护方便、加热效果好等。5、本技术中将涡流管热端集成螺旋换热结构形成热交换器，在氢气入口通入被加热的氢气。由于氢气与空气两者的气流是隔离的，在确保了安全性的同时，可以同时加热空气和所需氢气，实现高效率的换热，进一步提高冷启动效率。附图说明下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。图1为一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统的流程示意图；图2为涡流管的运行示意图；图3为空气压缩机进气压力与冷气流比例的表格；图4为基于涡流管形成的热交换器的换热流程示意图；图5为另一种基于涡流管加热可以同时加热氢气和空气系统的流程示意图。附图标号说明：1、过滤器2、空气压缩机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统，包括电堆，所述电堆的阴极端连接空气供给系统；其特征在于，所述空气供给系统包括：主管路，在所述主管路上依次连通设有主路阀门、中冷器和增湿器增湿端，所述增湿器增湿端与所述电堆的阴极端连通；支管路，在所述支管路上连通设有支路阀门、涡流管；所述支管路中的涡流管与所述电堆的阴极端连通；空气压缩机，所述空气压缩机的出气口分别连通于所述主路阀门、支路阀门。

【技术特征摘要】
1.一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统，包括电堆，所述电堆的阴极端连接空气供给系统；其特征在于，所述空气供给系统包括：主管路，在所述主管路上依次连通设有主路阀门、中冷器和增湿器增湿端，所述增湿器增湿端与所述电堆的阴极端连通；支管路，在所述支管路上连通设有支路阀门、涡流管；所述支管路中的涡流管与所述电堆的阴极端连通；空气压缩机，所述空气压缩机的出气口分别连通于所述主路阀门、支路阀门。2.如权利要求1所述的一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统，其特征在于，还包括：增湿器干燥端，所述增湿器干燥端的进气口通过干燥端进气管与所述电堆的阴极端连通，所述增湿器干燥端的排气口设置有干燥端排气管；所述增湿器干燥端、干燥端进气管、干燥端排气管共同构成所述电堆的空气排气系统。3.如权利要求2所述的一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统，其特征在于，所述涡流管包括：涡旋室，所述涡旋室连通设有喷嘴，所述喷嘴与所述支路阀门连通；热端管，所述热端管与所述涡旋室连通，所述热端管上设有温度控制阀，所述温度控制阀与所述电堆的阴极端连通；冷端管，所述冷端管与所述涡旋室连通，所述冷端管通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峰鸣，杨秋香，
申请(专利权)人：上海燃料电池汽车动力系统有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31