CN103633349A - 燃料电池启动装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池启动装置与方法，尤其是燃料电池启动方法，通过该装置和方法，在紧急情况下，例如当安装在燃料电池车辆上的高压电池完全放电时，能够实现燃料电池的启动而无需高压电源的辅助。为此，将连接至紧急空气供应器的空气供应口形成在配置成向燃料电池组的阴极供应空气的空气供应管路上，并且当高压电池完全放电时，紧急空气供应器将空气供应至燃料电池组并与空气供应口可拆卸地接合。

Description

燃料电池启动装置与方法
技术领域
本发明涉及燃料电池启动装置与方法，尤其是燃料电池启动方法，通过该装置和方法，在紧急情况下，例如当安装在燃料电池车辆上的高压电池被完全放电(即，电池耗尽)时，在无需高压电源辅助的情况下，可以实现燃料电池的启动。
背景技术
由于近年来的高油价与对CO2排放的严格限制，汽车工业已经将它们所有的精力都集中于环境友好型车辆例如氢燃料电池电动车、纯电动车等的开发上。在环境友好型车辆中，氢燃料电池电动车通过氢与空气之间的电化学反应产生电力，并且以所产生的电力驱动马达，以对车辆提供驱动力。为平稳地向燃料电池组供应氢与空气，使用高压元件(例如，鼓风机、泵等)，并且对于燃料电池的启动，使用能够供应高压电力的高压部件。
在传统的内燃机车(即，汽油与柴油)中，当低压电池完全放电时，将电能供应至低压电池(例如，施加跨接起动)，从而促进启动。然而，在环境友好型电动车中，仍不存在真正能容易使高压电池“跨接起动”的方式。换言之，在纯电动车类型的燃料电池车中，在燃料电池启动中使用高压电池或超级电容来提供高压电力，但当电池耗尽(即，完全放电)或电池故障时，启动变为不可能。这需要驾驶员呼叫拖车，承受非常昂贵的修理费用和极其的不便。
而且，固定的燃料电池通过使用高压电源而非高压电池来供应启动中的高电压。然而，同样在这种情况中，当高压电源发生故障或发生断电时，启动也变为不可能。而且，固定燃料电池在其使用中存在限制，因为当建筑物中发生电力故障时，不间断电源(UPS)难以作为紧急电源而使用。
考虑到在氢燃料电池电动车、纯电动车、混合动力车等的高压电池在完全放电的情况下的与车辆重新起动相关的困难，已经提出了多种用于重启的方案，包括高压充电接口等。然而，由于执行的成本与组装的困难，目前高压充电接口还未被任何汽车制造商采用。
发明内容
因此，已经做出本发明来解决前述问题，并且本发明提供燃料电池启动装置与方法，通过该装置与方法，即使在安装于燃料电池车的高压电源例如高压电池被完全放电(即，“耗尽”)的紧急状态下，也可以实现燃料电池的启动而无需高压电源的辅助。
根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池启动装置，其中，能够与紧急空气供应器接合的空气供应口形成在向燃料电池组阴极供应空气的空气供应管路上，且当高压电池完全放电时，向燃料电池组供应空气的紧急空气供应器与空气供应口可拆卸地接合。
优选地，可将紧急空气供应器可拆卸地安装在鼓风机的空气供应管路上。具体地，紧急空气供应器可以采用选自填充有压缩空气的压缩空气缸和高压储罐、以及以低压电力驱动的风机中的任意一种。此外，可以将手动或自动控制型截流阀(shut-off valve)安装在鼓风机的空气入口管路上。
根据本发明的另一方面，提供一种燃料电池启动方法，其包括，在高压电池完全放电的紧急状态中，将紧急空气供应器与形成在鼓风机的空气入口管路上的空气供应口接合，以将紧急空气供应器中的压缩空气供应至燃料电池组的阴极，并通过供应至燃料电池组阴极的空气与供应至燃料电池组阳极的氢之间的电化学反应在燃料电池组中产生电力。
附图说明
现在将参考在附图中图示的示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，示例性实施方式在下文中仅以示例说明的方式给出，因此不限制本发明，其中：
图1是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池启动装置的示意图；
图2是示出传统的燃料电池启动装置的示意图；以及
图3是用于说明安装在燃料电池车上的燃料电池系统的结构的示意图。
【附图标记】
10：   燃料电池组                    20：   燃料供应系统
21：   氢罐                          22：   氢供应风机
30：   空气供应系统                  31：   过滤器
32：   鼓风机                        33：   湿度调节器
40：   热与水控制系统                41：   水泵
42：   散热器                        50：   高压电池
52：   外部充电接口                  54：   高压供应装置
60：   紧急空气供应器                62：   空气供应口
64：   截流阀
具体实施方式
在下文中，将参照附图来详细说明本发明，以使得本领域普通技术人员容易地执行本发明。
本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括、包含、含有”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
首先，为促进对本发明的理解，将描述安装在氢燃料电池电动车上的燃料电池系统的结构。安装在燃料电池车上的燃料电池系统可以包括：燃料供应系统，将燃料(氢)供应至燃料电池组；空气供应系统，包括鼓风机与湿度调节器，将空气中的氧供应至燃料电池组，其中空气中的氧作为电化学反应必需的氧化剂；热与水控制系统40，用于控制燃料电池组的运行温度；等等。
如图3所示，燃料供应系统20可以包括：氢罐21，配置成将氢供应至燃料电池组10的燃料阳极；氢供应风机22，配置成再次供应已在电池组10中反应的部分氢；等等。空气供应系统30可以包括：过滤器31，配置成从空气中过滤杂质；鼓风机32，配置成抽吸所过滤的空气；湿度调节器33，配置成使干燥空气湿润并将湿润空气供应至电池10的阴极；等等。热与水控制系统40可构造成将水泵41、振动恒温器43、散热器42等相继布置在从冷却水出口到冷却水入口的方向上。
具体地，对于燃料电池的启动，必须运行例如鼓风机32的高压部件，而最终，为向各个高压部件供应电力，将例如高压电池50或超级电容的高压电力供应构件安装于其中并在正常运行过程中供应电力。同时，氢供应风机22和水泵41使用来自12V辅助电池(未示出)的电力，从而它们可以在启动过程中运行而没有任何问题。
然而，如上所述，当高压电池50完全放电或出现故障时，鼓风机33不能运转，因而燃料电池的启动变得不可能。因此，为提供在高压电池出现故障时起动车辆的方法，如图2所示，已提出安装在车辆中并被配置成将外部电力供应至高压电池50并对其充电的外部充电接口52。一旦通过外部充电接口52使高压电池50充电，则可以驱动高压供应装置54。
然而，在该解决方案中，为实现外部充电接口52，需要高的开发成本，并且难以实现用于安装外部充电接口52的设计与封装。为此，外部充电接口52仍未被汽车制造商采用。因此，需要一种在由高压电池50的完全放电引起的紧急情况中用于燃料电池车的启动方案。
为此，本发明提供紧急空气供应器(例如，压缩空气缸)，其被配置成当高压电池50完全放电时替代鼓风机(需要高压电池50的电力)将空气供应至燃料电池组。
如图1所示，将根据本发明的紧急空气供应器60可拆卸地安装在燃料电池组10的阴极的入口位置，优选地，安装在鼓风机33的空气入口管路34上。对于紧急空气供应器60，可以使用例如压缩空气缸/高压贮罐或经由低压电源(例如，电池等)驱动的风机。
在鼓风机32的空气入口管路34处形成空气供应口62，其能够以快速连接卡止的方式(例如，就像将丁烷气罐与便携式煤气炉接合)直接连接至紧急空气供应器60。
优选地，还将手动或自动控制型的截流阀64安装在空气入口管路34上，以在正常情况下关闭截流阀64，并在接合上紧急空气供应器60时开启截流阀64以用于气体供应。
在下文中，将做出基于以上结构的根据本发明的燃料电池启动方法的描述。当将高压电池50的充电量保持正常状态时，使用高压电池50作为电源来正常操作鼓风机33，从而安装在鼓风机33的空气入口管路34上的截流阀64保持关闭。
在高压电池50完全放电的紧急情况下，为通过鼓风机33对燃料电池组10临时供应空气，将紧急空气供应器60与形成在鼓风机33的空气入口管路34上的空气供应口62接合，并随后打开截流阀64。换言之，可以以前述的快速连接卡止方式将填充有压缩空气的压缩空气缸/高压贮罐或者以低压电力运转的风机与形成在鼓风机32的空气入口管路34上的空气供应口62进行选择性地连接。因此，紧急空气供应器60中的压缩空气穿过鼓风机33与湿度调节器，并随后被提供至燃料电池组10的阴极。
在此状态下，使用安装在车辆中的12V辅助电池作为电源来操作氢供应风机22，从而将氢罐中的氢供应至燃料电池组10的阳极。因此，燃料电池组10可以使用氢与空气之间的电化学反应而产生电力。也就是说，在燃料电池组10的阳极中进行氢的氧化，以产生质子与电子，所产生的质子与电子分别经电解质层和隔板向阴极移动。在阴极中，通过来自阳极的质子与电子以及空气中的氧气的电化学反应，生成水，并同时从电子流中产生电能。此时，燃料电池组10中产生的高电压通过高压供应装置54供应至作为高压部件的鼓风机32，从而使鼓风机32正常运转。
在燃料电池的正常启动之后，移开紧急空气供应器60，并关闭截流阀64。之后，当需要时，可以重新使用紧急空气供应器60。如此，即使在发生高压电池完全放电的情况下，通过使用紧急空气供应器，可以实现燃料电池的启动，即，可以实现燃料电池组的电力产生，以补救燃料电池车的高压电池完全放电的情况，并且可就地采取行动，从而改善燃料电池车的便利性、可销售性、稳定性等。
有利地，根据本发明，即使在燃料电池车的高压电池放电的紧急状态下，通过采取简单行动以快速连接卡止方式将紧急空气供应器接合至空气供应管路，可实现燃料电池的启动，从而使得驾驶员可在燃料电池车辆的高压电池已完全放电的情况下直接采取现场行动，因此可改善燃料电池车的便利性、可销售性、稳定性等。

Claims (6)

1.一种燃料电池启动装置，包括：
空气供应口，与紧急空气供应器连接，所述空气供应口形成在将空气供应至燃料电池组的阴极的空气供应管路上，
其中，当高压电池已完全放电时，所述紧急空气供应器与所述空气供应口可拆卸地接合并将空气供应至所述燃料电池组。
2.根据权利要求1所述的燃料电池启动装置，其中，
所述紧急空气供应器可拆卸地安装在鼓风机的空气供应管路上。
3.根据权利要求1所述的燃料电池启动装置，其中，
所述紧急空气供应器选自填充有压缩空气的压缩空气缸与高压贮罐、以及经由低压电力驱动的风机。
4.根据权利要求1所述的燃料电池启动装置，其中，
将手动或自动控制型截流阀安装在鼓风机的空气入口管路上的过滤器与所述空气供应口之间。
5.一种燃料电池启动方法，包括：
在高压电池完全放电的紧急情况下，将紧急空气供应器与形成在鼓风机的空气入口管路上的空气供应口接合；
将所述紧急空气供应器中的压缩空气供应至燃料电池组的阴极；以及
响应于阴极接收压缩空气，通过供应至所述燃料电池组的阴极的空气与供应至所述燃料电池组的阳极的氢之间的电化学反应，来在所述燃料电池组中产生电力。
6.根据权利要求5所述的燃料电池启动方法，其中，
所述紧急空气供应器选自填充有压缩空气的压缩空气缸与高压贮罐、以及经由低压电力驱动的风机，从而在所述高压电池完全放电时，向所述燃料电池组的阴极临时供应空气。
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