一种燃料电池氢气供应装置与加热控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种燃料电池氢气供应装置与加热控制方法，包括燃料电池电堆、与燃料电池电堆通过管路相连的氢气供应系统、与燃料电池电堆通过管路相连的电堆冷却系统、加热系统和控制器，控制器可自动识别外界低温条件和氢气供应系统状态，进行电堆低温冷启动自主加热控制，充分利用冷却系统中冷却液加热器、电堆产热和空压机出口高温空气对进入水冷板换热底座流道的冷却液进行加热，从而使进入电堆的氢气和空气升温，经管路进入燃料电池电堆，使内部结冰快速融化；装置充分利用系统热量，保证燃料电池堆入口氢气温度精准可控，减小阴阳极供气温差，提高电堆单体电压一致性，使燃料电池电堆温度快速升高，确保电堆低温冷启动的可靠性。可靠性。可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池氢气供应装置与加热控制方法


[0001]本专利技术涉及新能源汽车燃料电池系统集成和控制
，尤其是涉及一种燃料电池氢气供应装置与加热控制方法。

技术介绍

[0002]氢燃料电池堆利用氢气和氧气电化学反应产生电能的能量转化装置，最终产物为水，并且具有负排放、无污染、能量利用率高等特点，是未来新能源汽车动力的发展方向。由于质子交换膜质子传输需要有一定湿度，且电池内电化学反应生成的水及反向扩散的水会残留在阴、阳极处。
[0003]低温启动过程中，电化学反应产生的热量会促使电池温度上升。如果电池的有效反应面积在被冰完全覆盖前温度仍低于0℃，则冷启动失败，反之冷启动成功。在冷启动过程中，由于电池温度低于冰点温度，上一次停机后电池内存留的水和电化学反应生成的水都有结冰的可能，从而使得氢气供应系统中阀门冻结，无法正常开启或关闭。低温环境中，电池阴极产生的水会冷冻结冰，覆盖三相反应界面并阻碍气体传输通道，导致反应物无法充分反应，电池无法启动的现象，进而导致燃料电池性能衰退。同时，燃料电池在低温怠速工况下运行时，由于电堆产热量低，排水阀在运行期间可能会出现冻结，影响系统正常运行。
[0004]另外，燃料电池在低温环境下运行时，其氢气供给温度为环境温度，若进入引射泵前未对供给氢气进行加热，供给的低温氢气同引射泵引射循环的高温氢气略低于电堆正常运行温度混合后气体中的水分会冷凝成水滴，并随气流进入电堆阳极入口，造成局部“水淹”现象，阻碍反应气体进入多孔电极中参与电化学反应，从而降低电池输出性能。而且氢气供应系统零部件及管路多为金属材质，低温环境下，系统对流散热和热辐射热损耗大；气体在加热无保温的情况下，经引射器后的混合气体中的水蒸气易在管路中冷凝，会使电堆出现“水淹”，单片电压迅速降低，导致冷启动失败或影响电堆正常运行。质子交换膜燃料电池工作过程中发生“水淹”，其输出性能、工作稳定性和寿命都显著下降。
[0005]现有众多质子交换膜燃料电池冷启动方法中，大多未关注电堆阳极氢气入口温度对电堆单体电压一致性的影响。电堆低温冷启动时，阴阳极供气温差过大，电堆单体电压一致性偏低，冷启动拉载电流低，电堆产热小，冷启动所需时间较长，冷启动成功率降低；若在电堆单体电压一致性偏低情况下，单纯增大冷启动拉载电流，极易出现反极现象，使电堆性能永久衰退。
[0006]而在质子交换膜燃料电池工作过程中，不可避免的会产生一定的废热，使电池的温度有所升高，一定程度的温度升高有利于提高催化剂活性和电化学反应速率，也有利于避免水淹。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种燃料电池氢气供应装置与
加热控制方法，充分利用系统热量，保证燃料电池堆入口氢气温度精准可控，减小阴阳极供气温差，提高电堆单体电压一致性，使燃料电池电堆温度快速升高，能够确保电堆低温冷启动的可靠性。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种燃料电池氢气供应装置，包括燃料电池电堆、与燃料电池电堆通过管路相连的氢气供应系统、与燃料电池电堆通过管路相连的电堆冷却系统、加热系统和控制器；氢气供应系统，用于给燃料电池电堆提供氢气；电堆冷却系统，与燃料电池电堆之间形成冷却液循环回路，且电堆冷却系统中具有通过电子节温器控制通断的两条并联支路，两条支路上分别设置有冷却液加热器和散热器；加热系统，包括用于对氢气供应系统进行加热的水冷换热底板，所述水冷换热底板与电堆冷却系统通过管路相连并形成冷却液循环回路；控制器，其分别与氢气供应系统、电堆冷却系统和加热系统电性连接。
[0009]优选的，所述氢气供应系统包括依次连接的氢气储存装置、减压阀、气液换热器、阳极压力调节阀和引射泵，所述气液换热器和阳极压力调节阀之间的管路上设置有与控制器电性连接的前端压力传感器，所述引射泵与燃料电池电堆的阳极氢气入口相连，所述引射泵和燃料电池电堆的阳极氢气入口之间的管路上设置有与控制器电性连接的阳极入口压力传感器，所述燃料电池电堆的反应气体出口连接汽水分离器，所述汽水分离器的氢气回流口通过管路连接引射泵，所述汽水分离器的排出口通过管路与排氢电磁阀相连，所述排氢电磁阀与控制器电性连接。
[0010]优选的，所述电堆冷却系统包括与燃料电池电堆的冷却液出口相连的电子节温器，所述电子节温器的两个出口分别连接冷却液加热器和散热器，所述冷却液加热器和散热器并联，所述冷却液加热器和散热器均通过管路连接电子水泵，所述电子水泵连接燃料电池电堆的冷却液入口；所述燃料电池电堆的冷却液入口处的管路上安装有均与控制器电性连接的冷却液入口温度传感器和冷却液入口压力传感器，所述燃料电池电堆的冷却液出口处的管路上安装有与控制器电性连接的冷却液出口温度传感器；所述散热器的一侧设置有电子风扇，所述电子风扇与控制器电性连接。
[0011]优选的，所述水冷换热底板上开设有冷却液循环入口和冷却液循环出口，所述水冷换热底板内部设置有连通冷却液循环入口和冷却液循环出口且迂回设置的冷却液通道，所述气液换热器与冷却液通道相连；所述冷却液循环入口通过管路连接中冷器，所述中冷器连接电子水泵与燃料电池电堆的冷却液入口之间的管路，所述冷却液循环入口通过管路连接电子节温器与燃料电池电堆的冷却液出口之间的管路。
[0012]优选的，所述水冷换热底板上设置有电热加热贴片和换热底板温度传感器，所述电热加热贴片以及换热底板温度传感器均与控制器电性连接。
[0013]优选的，所述引射泵与阳极入口压力传感器之间的管路上安装有泄压阀。
[0014]优选的，所述氢气供应系统外设置有隔热保温箱体，所述隔热保温箱体包括金属箱体以及设置在金属箱体上的隔音防火保温材料层，所述隔音防火保温材料层包括依次连接的防火棉层、隔音棉层和隔热锡箔层。
[0015]一种燃料电池氢气供应装置的控制方法，包括以下步骤，
S1，在燃料电池系统上电自检前，采集外界环境温度和燃料电池电堆的冷却液入口温度；S2，控制器根据采集的外界环境温度和冷却系统电堆冷却液入口温度判断外界环境温度和冷却系统电堆冷却液入口温度是否低于控制器内温度设定值，若是，则燃料电池系统进入低温冷启动模式并进入步骤S3，若无需进入低温冷启动模式则进行正常启动；S3，根据期望的水冷换热底板温度采用PID 闭环控制获取对应的控制量；S4，根据控制量控制冷却液加热器和电热加热贴片的开启对电堆冷却系统以及氢气供应系统并控制加热状态；S5，控制器根据冷却系统电堆冷却液入口温度判断冷却液温度是否达到设定温度值；若是，则关闭冷却液加热器并进入步骤S6；若不是，则继续步骤S3；S6，控制器根据换热底板温度传感器的温度判断水冷换热底板温度是否达到设定温度值；若是，则关闭电热加热贴片加热并进入步骤S7；若不是，则继续步骤S3；S7，控制器23控制燃料电池系统启动。
[0016]优选的，所述步骤S3 中，采用PID 闭环控制获取对应的控制量的公式为，其中，为控制量，为PID 闭环控制的比例系数，为PID 闭环控制的积分系数、为PID 闭环控制的微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池氢气供应装置，其特征在于：包括燃料电池电堆（99）、与燃料电池电堆（99）通过管路相连的氢气供应系统、与燃料电池电堆（99）通过管路相连的电堆冷却系统、加热系统和控制器（23）；氢气供应系统，用于给燃料电池电堆（99）提供氢气；电堆冷却系统，与燃料电池电堆（99）之间形成冷却液循环回路，且电堆冷却系统中具有通过电子节温器（15）控制通断的两条并联支路，两条支路上分别设置有冷却液加热器（18）和散热器（16）；加热系统，包括用于对氢气供应系统进行加热的水冷换热底板（9），所述水冷换热底板（9）与电堆冷却系统通过管路相连并形成冷却液循环回路；控制器（23），其分别与氢气供应系统、电堆冷却系统和加热系统电性连接。2.根据权利要求1所述的燃料电池氢气供应装置，其特征在于：所述氢气供应系统包括依次连接的氢气储存装置（1）、减压阀（2）、气液换热器（3）、阳极压力调节阀（5）和引射泵（6），所述气液换热器（3）和阳极压力调节阀（5）之间的管路上设置有与控制器（23）电性连接的前端压力传感器（4），所述引射泵（6）与燃料电池电堆（99）的阳极氢气入口相连，所述引射泵（6）和燃料电池电堆（99）的阳极氢气入口之间的管路上设置有与控制器（23）电性连接的阳极入口压力传感器（8），所述燃料电池电堆（99）的反应气体出口连接汽水分离器（10），所述汽水分离器（10）的氢气回流口通过管路连接引射泵（6），所述汽水分离器（10）的排出口通过管路与排氢电磁阀（11）相连，所述排氢电磁阀（11）与控制器（23）电性连接。3.根据权利要求2所述的燃料电池氢气供应装置，其特征在于：所述电堆冷却系统包括与燃料电池电堆（99）的冷却液出口相连的电子节温器（15），所述电子节温器（15）的两个出口分别连接冷却液加热器（18）和散热器（16），所述冷却液加热器（18）和散热器（16）并联，所述冷却液加热器（18）和散热器（16）均通过管路连接电子水泵（19），所述电子水泵（19）连接燃料电池电堆（99）的冷却液入口；所述燃料电池电堆（99）的冷却液入口处的管路上安装有均与控制器（23）电性连接的冷却液入口温度传感器（21）和冷却液入口压力传感器（20），所述燃料电池电堆（99）的冷却液出口处的管路上安装有与控制器（23）电性连接的冷却液出口温度传感器（14）；所述散热器（16）的一侧设置有电子风扇（17），所述电子风扇（17）与控制器（23）电性连接。4.根据权利要求3所述的燃料电池氢气供应装置，其特征在于：所述水冷换热底板（9）上开设有冷却液循环入口（24）和冷却液循环出口（27），所述水冷换热底板（9）内部设置有连通冷却液循环入口（24）和冷却液循环出口（27）且迂回设置的冷却液通道（66），所述气液换热器（3）与冷却液通道（66）相连；所述冷却液循环入口（24）通过管路连接中冷器（22），所述中冷器（22）连接电子水泵（19）与燃料电池电堆（99）的冷却液入口之间的管路，所述冷却液循环入口（24）通过管路连接电子节温器（15）与燃料电池电堆（99）的冷却液出口之间的管路。5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷园，焦杰然，霍海波，陈立华，张曙，
申请(专利权)人：绍兴学森能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：