一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统及其启动方法技术方案

本发明专利技术涉及一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统及其启动方法，在低温启动时，冷却支路内的冷却液由空压机预热后流入燃料电池电堆对燃料电池电堆内部进行预热，空压机压缩出的高温空气在中空保温盒中对氢气进行预热，氢气和空气流入燃料电池电堆，对燃料电池电堆内部进行预热，热量利用效率高，能快速对燃料电池电堆进行预热，缩短了启动时间；在燃料电池电堆正常工作时，燃料电池电堆的冷却循环与空压机的冷却循环合并为一个，氢气和空气在中空保温盒进行热交换，不需要设置中冷器来对空气进行降温，简化了系统附件，节省了成本，降低了系统能耗，且合适温度的空气和氢气进入燃料电池电堆可以实现其最佳工作效率。电池电堆可以实现其最佳工作效率。电池电堆可以实现其最佳工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统及其启动方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其是涉及一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统及其启动方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种把燃料的化学能直接转化为电能的发电装置，具有效率高、清洁无污染等优点，近几年在交通和分布式电源等领域取得了长足的发展。最常用的质子交换膜燃料电池的最佳工作温度为65℃～80℃，但是，由于质子交换膜燃料电池的电化学反应在水
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气体
‑
质子(电子)三相界面上进行，当其温度低于0℃以下时，电池内部产生的水会产生结冰现象。为了不引起燃料电池性能损失又实现低温时的快速启动，冷启动问题是燃料电池领域的重点研究方向。
[0003]目前，质子交换膜燃料电池冷启动的方法主要包括以下几类：第一类是在燃料电池电堆停机时尽可能将电堆内部的含水量降低，期望在冷启动时尽可能减少冰的产生，但是在冷启动的过程中，电堆的温度若低于0℃，工作时就会有冰产生，除了会伤及电堆内部的膜、催化剂层、气体扩散层等组件，若电堆温度长时间处于0℃以下，产生的冰量达到一定水平后，气体流道将会被阻塞，大大影响冷启动的成功率与增加冷启动过程的弛豫时间。第二类是通过增加换热器，再利用外部能源或燃料气体的能量辅助加热，给电池升温，这类方法不仅需要增加额外附件，需要定制改动燃料电池系统中某些组件的结构，从而导致系统的体积增大、重量增加，寄生功耗也随之增加，系统控制复杂程度上升，同时也存在启动时间长等缺点。
[0004]目前，大部分燃料电池系统的冷却循环系统与空压机的冷却系统各自独立，空压机工作温度较高，需要对空压机内部电机进行冷却，同时空压机压缩出的空气温度也在180℃以上，在进入燃料电池电堆前一般增加中冷器，对进入燃料电池电堆的空气进行冷却。因此，现有的系统具有功耗较高且复杂度较高的问题。
[0005]中国专利CN212230532U中公开了一种燃料电池低温快速冷启系统，利用空压机出口的相对高温气体在换热腔中将冷的氢气进行预热，使得进入电堆的空气及氢气均为相对高的温度，解决燃料电池在低温或极低温度的快速冷启问题，但是系统结构复杂，设计了两个空气支路，将一路空气引入换热腔对氢气预热，再通入电堆，另一路空气仍然按照传统设计经过中冷器冷却后通入电堆，换热效果有待提升，而且还需要配备温度传感器进行温度检测，结构更加复杂，不仅导致成本较高，而且对燃料电池的集成化布置和自动控制带来了较大的挑战。中国专利技术专利CN112687910A公开了一种汽车燃料电池冷启动控制系统，将中冷器和燃料电池堆串联，利用中冷器中被加压升温的空气快速加热冷却液，保证燃料电池在低温条件下能够快速启动，但是，该系统在电堆启动时将利用空气管路中的高温气体对冷却液进行预热，在电堆正常工作时，空气管路与冷却液回路是相互独立的，因此需要控制多个阀门实现状态的转变，系统的结构复杂度和控制难度较高，而且在燃料电池的集成化布置方面仍然有待提升。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统及其启动方法。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统，包括燃料电池电堆、氢气管路、空气管路和冷却液回路，还包括冷却支路和中空保温盒；
[0009]所述氢气管路包括氢气进气管路和氢气出气管路，氢气进气管路的一端连接储氢罐，另一端连接燃料电池电堆的氢气入口，所述氢气出气管路连接燃料电池电堆的氢气出口，所述氢气进气管路上设有氢气入口阀，所述氢气出气管路上设有氢气出口阀；
[0010]所述空气管路包括空气进气管路和空气出气管路，所述空气进气管路连接燃料电池电堆的空气入口，所述空气出气管路连接燃料电池电堆的空气出口，所述空气进气管路上设有空气入口阀，所述空气出口管路上设有空气出口阀，所述空气进气管路上设有空压机，所述空压机具有液体冷却结构；
[0011]所述冷却液回路包括储液箱、水泵、冷却液流入管路和冷却液流出管路，所述冷却液流入管路的一端连接储液箱，另一端连接燃料电池电堆的冷却液入口，所述冷却液流出管路的一端连接燃料电池电堆的冷却液出口，另一端连接储液箱，所述水泵用于输送冷却液；
[0012]所述冷却支路包括支路流入管路和支路流出管路，所述支路流入管路的一端连接储液箱，另一端连接空压机的冷却入口，所述支路流出管路的一端连接空压机的冷却出口，另一端连接储液箱；
[0013]所述中空保温盒与空气进气管路和氢气进气管路相配合，空气进气管路和氢气进气管路在中空保温盒内进行热交换。
[0014]进一步的，所述中空保温盒内设有一条螺旋形通道，螺旋形通道可以增加换热时间，空气进气管路和氢气进气管路均穿过所述螺旋形通道，螺旋形通道的管径略大于空气进气管路和氢气进气管路的外径之和。
[0015]进一步的，所述中空保温盒内设有两条螺旋形通道，两条螺旋形通道相互缠绕，空气进气管路和氢气进气管路分别穿过一条螺旋形通道，螺旋形通道可以增加换热时间，一条螺旋形通道的管径略大于空气进气管路的外径，空气进气管路置于此条螺旋形通道中，一条螺旋形通道的管径略大于氢气进气管路的外径，氢气进气管路置于此条螺旋形通道中。
[0016]进一步的，螺旋形通道的长度根据需要设置，所依据的参数包括空气与氢气所交换的热量、空气与氢气比热容、螺旋形通道管径等参数。
[0017]进一步的，空气进气管路和氢气进气管路内的气体流动方向相反，换热效率更高。
[0018]进一步的，中空保温盒的外壳为保温材料制成，所述中空保温盒内部还填充有保温材料，如保温棉等。
[0019]进一步的，所述中空保温盒为分体式结构，包括两个半盒结构，两个半盒结构沿空气或氢气流动的轴线方向打开或闭合，空气进气管路和氢气进气管路可以更便捷的放置在中空保温盒的螺旋形通道内。
[0020]进一步的，所述储液箱上设置有散热风扇。
[0021]进一步的，所述氢气入口阀设置在中空保温盒与燃料电池电堆的氢气入口之间。
[0022]进一步的，所述空气入口阀设置在中空保温盒与燃料电池电堆的空气入口之间。
[0023]进一步的，所述空气进气管路上还设有空气过滤器，所述空气过滤器设置在空压机的空气入口之前。
[0024]一种燃料电池系统启动方法，所述燃料电池系统为上述的一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统，具体为：获取燃料电池电堆内部的温度T，获取预设置的临界温度T1、T2，0≥T1>T2，当燃料电池电堆温度T大于T1时，正常启动，当T1≥T＞T2时，进行低温启动，当T2≥T时，进行超低温启动；
[0025]正常启动时，开启空压机、水泵、空气入口阀、空气出口阀、氢气入口阀和氢气出口阀，开启燃料电池电堆并由燃料电池电堆为空压机供电；
[0026]低温启动时，开启空压机、水泵、空气入口阀、空气出口阀、氢气入口阀和氢气出口阀，当检测到燃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统，包括燃料电池电堆(2)、氢气管路、空气管路和冷却液回路，其特征在于，还包括冷却支路和中空保温盒(5)；所述氢气管路包括氢气进气管路和氢气出气管路，氢气进气管路的一端连接储氢罐(1)，另一端连接燃料电池电堆(2)的氢气入口，所述氢气出气管路连接燃料电池电堆(2)的氢气出口，所述氢气进气管路上设有氢气入口阀(3)，所述氢气出气管路上设有氢气出口阀(4)；所述空气管路包括空气进气管路和空气出气管路，所述空气进气管路连接燃料电池电堆(2)的空气入口，所述空气出气管路连接燃料电池电堆(2)的空气出口，所述空气进气管路上设有空气入口阀(6)，所述空气出口管路上设有空气出口阀(9)，所述空气进气管路上设有空压机(7)，所述空压机(7)具有液体冷却结构；所述冷却液回路包括储液箱(11)、水泵(12)、冷却液流入管路和冷却液流出管路，所述冷却液流入管路的一端连接储液箱(11)，另一端连接燃料电池电堆(2)的冷却液入口，所述冷却液流出管路的一端连接燃料电池电堆(2)的冷却液出口，另一端连接储液箱(11)，所述水泵(12)用于输送冷却液；所述冷却支路包括支路流入管路和支路流出管路，所述支路流入管路的一端连接储液箱(11)，另一端连接空压机(7)的冷却入口，所述支路流出管路的一端连接空压机(7)的冷却出口，另一端连接储液箱(11)；所述中空保温盒(5)与空气进气管路和氢气进气管路相配合，空气进气管路和氢气进气管路在中空保温盒(5)内进行热交换。2.根据权利要求1所述的一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统，其特征在于，所述中空保温盒(5)内设有一条螺旋形通道，空气进气管路和氢气进气管路均穿过所述螺旋形通道。3.根据权利要求1所述的一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统，其特征在于，所述中空保温盒(5)内设有两条螺旋形通道，两条螺旋形通道相互缠绕，空气进气管路和氢气进气管路分别穿过一条螺旋形通道。4.根据权利要求2或3所述的一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统，其特征在于，空气进气管路和氢气进气管路内的气体流动方向相反。5.根据权利要求2或3所述的一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统，其特征在于，中空保温盒(5)的外壳为保温材料制成，所述中空保温盒(5)内部还填充有保温材料。6.根据权利要求2或3所述的一种具有快...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚乃元，马天才，杨彦博，林维康，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：