一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术创造提供了一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，包括控制器FCU、PEMFC电堆、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体混合装置及温湿度采集装置，PEMFC电堆上的阳极和阴极分别与温湿度采集装置连接，控制器FCU与温湿度采集装置连接，PEMFC电堆上的阳极与氢气系统连接，氮气系统和氢气系统连接，氮气系统和氢气系统与空气系统连接，气体混合装置设置在空气系统与之间的管道上，氮气系统与气体加热装置连接。本发明专利技术创造所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，加热效率高，结构排布紧凑，适合多种环境下的低温冷启动作业，该技术主要用于燃料电池汽车。主要用于燃料电池汽车。主要用于燃料电池汽车。

A PEMFC cold start system with nitrogen and hydrogen purge device and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法


[0001]本专利技术创造属于燃料电池领域，尤其是涉及一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法。

技术介绍

[0002]随着全球经济的快速发展，对能源的需求与消耗迅速增大，石油、煤、天然气等非再生能源的日渐枯竭，随之带来的环境污染也日渐严重。氢能具有潜在量大、清洁低碳、燃烧性能好、储存运输多样化等优势被诸多国家列入重点研究开发对象，可用于发电、储能、家用燃料和各种交通工具燃料。燃料电池是氢能高效利用的重要途径。质子交换膜燃料电池所涉及的领域较多，包括车辆、航天、船舶等，尤其是在燃料电池电站、电动汽车、高效便携式电源等方面具有很大的市场潜力。在过去的数十年，质子交换膜燃料电池技术的研究取得了较大成果，但仍存在一些技术上的难题和挑战，如冷启动、水热管理及交换膜的制备等。
[0003]质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理为阳极和阴极分别通入氢气和空气，在催化剂的作用下阳极H2催化成H
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穿过质子交换膜到达阴极与氧气发生反应，生成水并产生一定的热量。由于PEMFC在整个工作过程中都会涉及到水，因此在低温环境下，容易造成PEM(质子交换膜)、催化层、扩散层和流道内等多处结冰阻塞反应进行甚至损伤电堆内部结构，从而影响PEMFC的寿命。
[0004]解决燃料电池低温冷启动问题是燃料电池商业化发展的必经之路。目前，PEMFC冷启动系统及控制方法的专利也是各有千秋，如公开号：CN110931829A，该专利在冷启动时分别对氢气和空气加热，工作结束时采用可加热的氮气吹扫装置吹扫PEMFC的阴阳极，该专利虽然可以防止在低温环境下燃料电池工作结束后堆内结冰，但消耗气体量较大且吹扫效率较低；公告号：CN210723237U，该专利把燃料电池系统分成三个部分，分别为第一气路、第二气路和加热组件并受控于中央控制系统，冷启动效率高，加热较为充分，但其控制逻辑较为复杂，能耗较大；公告号：CN209374566U，该专利设计了微泵循环系统用于电堆的保温和加热，可以辅助冷启动过程，但不能解决燃料电池长时间处于0℃以下时的结冰现象。
[0005]针对以上的技术不足，本专利技术提供一种在PEMFC电池的阴极通入掺氮的氢气的冷启动系统及控制方法，其包含控制器FCU、PEMFC电堆、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体加热装置、气体混合装置及温湿度采集装置。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术创造旨在提出一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，过将氢气与氧气在阴极催化层上的反应完全转化为热能并结合气体加热器辅助加热来实现PEMFC电堆的快速加热，缩短低温冷启动所需要的时间，同时通过合理控制进气量来控制燃料电池化学反应，使电池能够快速升高到最佳工作温度。除此之外，在PEMFC工作结束停机时，氮气经吹扫加热装置吹扫阴极和阳极以防止电堆内部结冰损伤电堆，同时为
下一次冷启动做准备。本专利技术加热效率高，结构排布紧凑，适合多种环境下的低温冷启动作业，该技术主要用于燃料电池汽车。
[0007]为达到上述目的，本专利技术创造的技术方案是这样实现的：
[0008]一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，包括控制器FCU、PEMFC电堆、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体混合装置及温湿度采集装置，PEMFC电堆上的阳极和阴极分别与温湿度采集装置连接，所述控制器FCU与温湿度采集装置连接，所述PEMFC电堆上的阳极与氢气系统连接，所述氮气系统和氢气系统连接，所述氮气系统、氢气系统分别与空气系统连接，所述气体混合装置设置在空气系统与氮气系统之间的管道上，所述氮气系统与气体加热装置连接，所述气体吹扫装置设置在氮气系统和氢气系统上，所述空气系统与PEMFC电堆上的阴极连接。
[0009]进一步的，所述温湿度采集装置包括阴极温湿度采集装置和阳极温湿度采集装置，所述阴极温湿度采集装置和PEMFC电堆的阴极连接，所述阳极温湿度采集装置与PEMFC电堆的阳极连接，气体混合装置包括稳压腔，所述稳压腔与空气压缩机通过管道连接，所述稳压腔与PEMFC电堆上的阴极连接。所述气体混合装置主要用于氢气、氮气与氧气的充分混合，并提高低温条件下的进气温度；阴极通过调节压缩机转速及出口调压阀的开度实现阴极气体压力及流量的控制；阳极通过吹扫阀的开闭来实现电堆工作过程中的吹扫；所述氮气系统的气体加热装置采用风道式气体加热器，该加热器加热效率高，加热均匀，且可调节加热温度，适用于不同的环境与工况。
[0010]进一步的，所述氢气系统包括高压氢气瓶、第一电磁比例阀、第一减压阀、小氢气泵、第一电磁开关阀、残余氢气储存罐、气液分离器、液态水收集装置，高压氢气瓶、第一电磁比例阀、第一减压阀、小氢气泵、第一电磁开关阀、残余氢气储存罐、气液分离器、液态水收集装置依次通过管道连接，所述空气系统包括空气源、电磁阀、滤清器、空气压缩机，空气源、电磁阀、滤清器、空气压缩机依次通过管道连接；所述空气压缩机与稳压腔通过管道连接，所述氮气系统包括高压氮气瓶、第二电磁比例阀、第二减压阀，高压氮气瓶、第二电磁比例阀、第二减压阀依次通过管道连接，所述气体吹扫装置包括氢气吹扫阀、吹扫排水阀、吹扫背压阀，所述氢气吹扫阀和气液分离器通过管道连接，所述吹扫排水阀与液态水收集装置连接，所述吹扫背压阀与阴极温湿度采集装置连接。
[0011]进一步的，所述第一减压阀与第二电磁开关阀通过管道连接，第二电磁开关阀与PEMFC电堆的阳极通过管道连接，所述气液分离器与阳极温湿度采集装置通过管道连接，所述第一减压阀、小氢气泵之间的管道上连接有第三电磁开关阀，所述第三电磁开关阀和第四电磁开关阀通过管道连接，所述第四电磁开关阀与稳压腔通过管道连接，所述气体加热装置包括PTC加热器，所述PTC加热器设置在第四电磁开关阀与第三电磁开关阀的管道之间。
[0012]一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动控制方法，包括
[0013]第一步：PEMFC启动时，当温湿度采集装置检测到PEMFC温度低于10℃，通过PTC加热氮气，并将氮气、氢气、空气混合通到阴极反应来提升电堆温度。
[0014]第二步：当PEMFC温度大于10℃小于30℃时，氢气不再通入到阴极，氮气流路关闭，阴阳极分别通入空气与氢气，通过降低阴极的化学计量比，使得电堆产热量增加，加快电堆温度升高速度。
[0015]第三步：当PEMFC温度大于30℃时，PEMFC此时处于正常工作状态，阴阳极按照较高效率的化学计量比通入反应气体。
[0016]第四步：PEMFC停机后，判定外部温度是否低于阈值温度，当高于阈值温度时可缩短氮气吹扫时间及吹扫流量，当低于阈值温度，由加热系统加热后的氮气吹扫电堆阴阳极，避免留下多余水分，防止内部结冰，并时刻检测电堆内水分，当出现结冰风险时通过加热氮气继续吹扫电堆，并降低内部水含量。冷启动时，当温湿采集装置采集到电堆温度低于10℃，控制器FCU接收到低温信息，同时对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统，其特征在于：包括控制器FCU、PEMFC电堆(14)、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体混合装置及温湿度采集装置，PEMFC电堆(14)上的阳极和阴极分别与温湿度采集装置连接，所述控制器FCU与温湿度采集装置连接，所述PEMFC电堆(14)上的阳极与氢气系统连接，所述氮气系统和氢气系统连接，所述氮气系统、氢气系统分别与空气系统连接，所述气体混合装置设置在空气系统与氮气系统之间的管道上，所述氮气系统与气体加热装置连接，所述气体吹扫装置设置在氮气系统和氢气系统上，所述空气系统与PEMFC电堆(14)上的阴极连接。2.根据权利要求1所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统，其特征在于：所述温湿度采集装置包括阴极温湿度采集装置(12)和阳极阳极温湿度采集装置(13)，所述阴极温湿度采集装置(12)和PEMFC电堆(14)的阴极连接，所述阳极阳极温湿度采集装置(13)与PEMFC电堆(14)的阳极连接，气体混合装置包括稳压腔(25)，所述稳压腔(25)与PEMFC电堆(14)上的阴极连接。3.根据权利要求1所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统，其特征在于：所述氢气系统包括高压氢气瓶(1)、第一电磁比例阀(2)、第一减压阀(3)、小氢气泵(4)、第一电磁开关阀(5)、残余氢气储存罐(6)、气液分离器(7)、液态水收集装置(9)，高压氢气瓶(1)、第一电磁比例阀(2)、第一减压阀(3)、小氢气泵(4)、第一电磁开关阀(5)、残余氢气储存罐(6)、气液分离器(7)、液态水收集装置(9)依次通过管道连接，所述空气系统包括空气源(21)、电磁阀(22)、滤清器(23)、空气压缩机(24)，空气源(21)、电磁阀(22)、滤清器(23)、空气压缩机(24)依次通过管道连接；所述空气压缩机(24)与稳压腔(25)通过管道连接，所述氮气系统包括高压氮气瓶(20)、第二电磁比例阀(19)、第二减压阀(18)，高压氮气瓶(20)、第二电磁比例阀(19)、第二减压阀(18)依次通过管道连接，所述气体吹扫装置包括氢气吹扫阀(8)、吹扫排水阀(10)、吹扫背压阀(11)，所述氢气吹扫阀(8)和气液分离器(7)通过管道连接，所述吹扫排水阀(10)与液态水收集装置(9)连接，所述吹扫背压阀(11)与阴极温湿度采集装置(12)连接。4.根据权利要求3所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统，其特征在于：所述第一减压阀(3)与第二电磁开关(15)通过管道连接，第二电磁开关(15)与PEMFC电堆(14)的阳极通过管道连接，所述气...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丞，朱仲文，王旭，江维海，魏庆，王森，程彰，汪源，
申请(专利权)人：中汽研天津汽车工程研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：