CN108400367A - 一种燃料电池用低温启动运行组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池用低温启动运行组件，属于燃料电池堆低温启动技术领域。本发明的一种燃料电池用低温启动运行组件，包括用于输送氧气和冷却剂的空冷输送装置，用于加热燃料电池堆使其达到反应温度的加热部，用于收集燃料电池堆反应所产生热量并将该热量输送至氧化输送装置的收集装置，以及利用燃料电池堆反应产生的热量加热氢气输送部输送的氢气的氢气升温装置。本发明作为氧化剂的氧气和冷却剂共用一个通道，可对燃料电池堆工作时产生的热进行收集。在收集装置、氢气升温装置的作用下实现整个装置的热量循环，避免了对氧化剂增湿引起的结冰现象。在反应开始时避免了对冷却剂做防冻处理，加快燃料电池的启动速度。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池堆低温启动技术领域，具体涉及一种燃料电池用低温启动运行组件。
背景技术
燃料电池是一种直接把化学能转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池（PEMFC）主要以氢气作为燃料，空气作为氧化剂。具有高效率、无污染、低噪声、补充能量快、工作温度较低等优点。
在燃料电池技术推广过程中，燃料电池碰到了低温应用（本文所指的低温为0℃以下）的挑战，在低温环境下燃料电池，燃料电池工作时产生的水会结冰，从而破坏CCM，在低温条件下CCM存在性能下降和失效的行为，众所周知解决这个问题需要从材料层级进行优化，但材料层的改进优化周期长、技术难度大、进展缓慢等问题，不能快速有效的解决。
现有技术中一般采取了辅助加热的方法，如辅助电源加热、冷却介质加热、燃料加热、热气体吹扫等方法，但这种辅助方法会对辅助系统提出极高的要求，增加系统体积、重量、功耗、成本、控制系统复杂等不利因素。在较低的环境下，要持续为反应气体加热才能维持系统的正常反应，热源不能循环利用。
发明内容
为解决现有技术中辅助加热机构结构复杂，且热源不能循环利用的技术问题本发明提出一种燃料电池用低温启动运行组件。
一种燃料电池用低温启动运行组件，用以对燃料电池进行启动加热，所述电池包括燃料电池堆、氢气输送装置，包括用于输送氧气和冷却剂的空冷输送装置，用于加热燃料电池堆使其达到反应温度的加热部，用于收集所述燃料电池堆反应所产生热量并将该热量输送至氧化输送装置的收集装置，以及利用所述燃料电池堆反应产生的热量加热所述氢气输送部输送的氢气的氢气升温装置。
优选的，还包括用于在所述燃料电池堆温度低于反应温度时启动所述加热部工作以及在燃料电池堆的温度高于反应温度时切断加热部工作的控制装置。
优选的，所述加热部包括加热器和用于使所述加热器启动加热的加热驱动器。
进一步优选的，所述控制装置与所述加热部电连接。
更进一步优选的，所述加热部为PTC加热件。
优选的，还包括将所述收集装置收集的热空气传输到所述空冷输送装置的热空气通道。
进一步优选的，所述热空气通道内设置用于保温的隔热层。
更进一步优选的，所述空冷输送装置与所述热空气通道相连通。
优选的，还包括向所述氢气升温装置、所述收集装置传输热源的热源管道。
本发明在收集装置、氢气升温装置的作用下实现整个装置的热量循环，避免了对氧化剂增湿引起的结冰现象。在反应开始时避免了对冷却剂做防冻处理，加快燃料电池的启动速度。
附图说明
图1为本发明实施例燃料电池用低温启动运行组件的结构示意图。
其中，1-燃料电池堆；2-空冷输送装置；3-氢气输送装置；4-加热部；41-加热器；42-加热驱动器；5-收集装置；6-热空气通道；61-隔热层；7-氢气升温装置；8-控制装置；9-热源管道。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行说明。
请参阅图1，本发明的一种燃料电池用低温启动运行组件，用以对燃料电池进行启动加热，电池包括燃料电池堆1、氢气输送装置3，包括用于输送氧气和冷却剂的空冷输送装置2，用于加热燃料电池堆1使其达到反应温度的加热部4，用于收集燃料电池堆1反应所产生热量并将该热量输送至空冷输送装置2的收集装置5，以及利用燃料电池堆1反应产生的热量加热氢气输送部输送的氢气的氢气升温装置7。
其中，燃料电池堆的类型为敞开式空冷燃料电池堆，通过敞开的形式使携带氧气的冷空气不断进入燃料电池堆，并经由加热部4或通过收集装置5提供的热源进行加热，实现氧气的持续供给，气体循环。
通过加热部4对燃料电池堆1进行启动预加热，加热完成后，启动燃料电池堆1，在氧化剂、冷却剂、氢气进入燃料电池堆1，负载模式进入恒压启动模式，启动收集装置5，收集燃料电池堆1产生的燃料对氧气进行加热，启动成功后，关闭加热器41，燃料电池堆1达到热平衡，燃料电池堆1进入运行状态，负载模式切换为恒流输出模式。
空冷输送装置2可以采用轴流风扇，具有风量范围宽、风压高、功耗低、噪音小等特点，是一种可通过信号精确控制风量，空气流动方向和轴方向相同的风扇。
收集装置5可以采用以离心风扇为核心的装置，具有密封性好、收集效率高等特点，是一种可通过信号控制热收集量的热收集器。
为了提高加热部4的加热效率，还包括用于在燃料电池堆1温度低于反应温度时启动加热部4工作以及在燃料电池堆1的温度高于反应温度时切断加热部4工作的控制装置8。控制装置8可以是由相互电连接的以PLC为代表的控制单元和用以采集温度的温度传感器所构成。
控制装置8与加热部4电连接。加热部4包括加热器41和用于使加热器41启动加热的加热驱动器42。加热部4为PTC加热件。
此处，PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。PTC发热体又叫PTC加热器41，采用PTC陶瓷发热元件与铝管组成。该类型PTC发热体有热阻小、换热效率高的优点，是一种自动恒温、省电的电加热器41。突出特点在于安全性能上，任何应用情况下均不会产生如电热管类加热器41的表面“发红”现象，从而引起烫伤，火灾等安全隐患。此加热材料，具有热阻小、换热效率高、安全性能好等优点，是一种自动恒温、省电的电加热器41。
加热驱动器42可以采用固态继电器（SSR），具有可靠性高、寿命长、速度快、安全性好等优点，是一种由微电子电路、分立电子器件、电力电子功率器件组成的无触点开关。控制端与负载端的隔离用光电耦合或脉冲信号。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。
还包括将收集装置5收集的热空气传输到空冷输送装置2的热空气通道6。热空气通道6内设置用于保温的隔热层61，空冷输送装置2与热空气通道6相连通。
隔热层61可以有效减少热量传递过程中热量的损失，更有效的利用热源，及时加热作为反应物的氧气和氢气。
还包括向所述氢气升温装置7、所述收集装置5传输热源的热源管道9。
下面结合图1说明电池启动过程和燃料电池反应的过程中热量的循环。首先，控制装置8控制加热部4，加热部4的加热驱动器42启动PTC加热件，当加热温度达到反应温度在控制装置8的作用下加热部4停止加热。燃料电池反应堆开始反应，不断产生热量，通过收集装置5和氢气升温装置7分别将热量收集、加热氧气和氢气，实现热量循环使用，电池进入恒流输出模式，加热部4无需持续加热。
本发明本发明作为氧化剂的氧气和冷却剂共用一个通道，可对燃料电池堆1工作时产生的热进行收集。在收集装置5、氢气升温装置7的作用下实现整个装置的热量循环，避免了对氧化剂增湿引起的结冰现象。在反应开始时避免了对冷却剂做防冻处理，加快燃料电池的启动速度。本发明辅助系统功耗低，整个系统实现了反应热的循环利用，节约能源。控制策略简单，易行、组件简单、成本较低。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种燃料电池用低温启动运行组件，用以对燃料电池进行启动加热，所述电池包括燃料电池堆（1）、氢气输送装置（3），其特征在于，包括用于输送氧气和冷却剂的空冷输送装置（2），用于加热燃料电池堆（1）使其达到反应温度的加热部（4），用于收集所述燃料电池堆（1）反应所产生热量并将该热量输送至氧化输送装置的收集装置（5），以及利用所述燃料电池堆（1）反应产生的热量加热所述氢气输送部输送的氢气的氢气升温装置（7）。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用低温启动运行组件，其特征在于，还包括用于在所述燃料电池堆（1）温度低于反应温度时启动所述加热部（4）工作以及在燃料电池堆（1）的温度高于反应温度时切断加热部（4）工作的控制装置。
3.根据权利要求1所述的燃料电池用低温启动运行组件，其特征在于，所述加热部（4）包括加热器（41）和用于使所述加热器（41）启动加热的加热驱动器（42）。
4.根据权利要求2所述的燃料电池用低温启动运行组件，其特征在于，所述控制装置与所述加热部（4）电连接。
5.根据权利要求3所述的燃料电池用低温启动运行组件，其特征在于，所述加热部（4）为PTC加热件。
6.根据权利要求1所述的燃料电池用低温启动运行组件，其特征在于，还包括将所述收集装置（5）收集的热空气传输到所述空冷输送装置（2）的热空气通道（6）。
7.根据权利要求6所述的燃料电池用低温启动运行组件，其特征在于，所述热空气通道（6）内设置用于保温的隔热层（61）。
8.根据权利要求7所述的低温启动运行组件，其特征在于，所述空冷输送装置（2）与所述热空气通道（6）相连通。
9.根据权利要求5所述的燃料电池用低温启动运行组件，其特征在于，还包括向所述氢气升温装置（7）、所述收集装置（5）传输热源的热源管道（9）。
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