CN108550877B - 一种燃料电池电堆分布式冷启动装置、系统和方法 - Google Patents

一种燃料电池电堆分布式冷启动装置、系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请提出一种燃料电池电堆分布式冷启动装置、系统和方法，所述装置包括：分布式加热棒、控制机构、针阀机构和管道机构，管道机构与燃料电池电堆、换热器、空气压缩机、分布式加热棒、水泵相连接，用于将氢气和空气循环加热传输至燃料电池电堆内部；分布式加热棒分别设置于针阀机构和换热器的通路上和冷却液的循环通路上；控制机构，用于根据数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定冷却液的温度，并控制针阀机构的开度，还用于根据温度信号控制外接电源为分布式加热棒提供电压或燃料电池电堆产生的电源为分布式加热棒提供电压；针阀机构设置于水泵与分布式加热棒之间的通路上，针阀机构的受控端连接于控制机构，用于根据控制机构的信号控制通过换热器的冷却液的流量。

Description

一种燃料电池电堆分布式冷启动装置、系统和方法
技术领域
本发明涉及燃料电池的热管理技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆分布式冷启动装置、系统和方法。
背景技术
燃料电池(例如质子交换膜燃料电池(PEMFC))发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式，燃料电池发动机低温冷启动性能对于其产业化至关重要，其冷启动能力主要由电堆自身电化学和传热传质特性决定。目前电堆的独立冷启动能力在-15～-20摄氏度之间，更低温度的冷启动目前尚没有解决方案。
发明内容
本发明提供一种燃料电池电堆分布式冷启动装置、系统和方法，实现低温环境启动燃料电池电堆。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种燃料电池电堆分布式冷启动装置，包括：分布式加热棒、控制机构、针阀机构和管道机构，
所述管道机构与燃料电池电堆、换热器、空气压缩机、分布式加热棒、水泵相连接，用于将氢气和空气循环加热传输至所述燃料电池电堆内部；
分布式加热棒分别设置于针阀机构和换热器的通路上和冷却液的循环通路上；
所述控制机构与数据采集装置相连接，用于根据所述数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定冷却液的温度，根据所述目标区域的温度信号控制针阀机构的开度，还用于根据所述目标区域的温度信号控制外接电源为分布式加热棒提供电压或燃料电池电堆产生的电源为分布式加热棒提供电压；
所述针阀机构设置于水泵与分布式加热棒之间的通路上，所述针阀机构的受控端连接于控制机构，用于根据控制机构的信号控制通过换热器的冷却液的流量。
优选地，所述管道机构包括排气管道，所述排气管道设置于所述燃料电池电堆的氢气排出口和换热器出口的通路上，用于将燃料电池电堆中排出的氢气循环至燃料电池电堆内部。
优选地，所述控制机构，还用于根据所述数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定分布式加热棒是否加热。
优选地，所述数据采集装置包括：设置于燃料电池电堆的冷却液出口处的温度传感器。
优选地，所述控制机构，还用于根据所述目标区域的温度信号控制节温器的开度。
优选地，所述控制机构，还用于根据所述目标区域的温度信号控制散热器的风扇的转速。
第二方面，本发明提供一种燃料电池电堆分布式冷启动系统，包括：上述的燃料电池电堆分布式冷启动装置、数据采集装置、换热器、空气压缩机和外接电源。
优选地，所述数据采集装置包括：设置于燃料电池电堆的冷却液出口处的温度传感器。
第三方面，本发明提供一种燃料电池电堆分布式冷启动方法，包括：
采集目标区域的温度信号并确定冷却液的温度；
根据所述目标区域的温度信号控制针阀机构的开度，并根据所述目标区域的温度信号控制外接电源为分布式加热棒提供电压或燃料电池电堆产生的电源为分布式加热棒提供电压。
优选地，所述的方法还包括：
根据所述数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定分布式加热棒是否加热。
优选地，所述的方法还包括：
根据所述目标区域的温度信号控制节温器的开度。
优选地，所述的方法还包括：
根据所述目标区域的温度信号控制散热器的风扇的转速。
本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的技术方案将加热棒采用多点分布式方式安装，例如，安装两个加热棒，一个主要给冷却液加热，一个主要用于对进气进行加热。可以减小加热棒的体积便于安装，可以用于实现燃料电池电堆在零下30℃启动。以对低温环境下燃料电池电堆启动时间最短为目标，以及低温启动过程中电流加载和冷却液温度控制，实现无热源-30℃低温启动功能。
附图说明
图1为本发明实施例的一种燃料电池电堆分布式冷启动装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种燃料电池电堆分布式冷启动方法的流程图；
图3为本发明实施例的一种燃料电池电堆分布式冷启动系统的结构示意图；其中，1为空气过滤器；2为空气压缩机；3为燃料电池电堆；4为空气排气阀；5为流量计；6为氢气排气阀；7为节温器；8为水泵；9为针阀机构；10为第一加热棒；11为第二加热棒；12为换热器；13为循环泵；14为DC/DC转换器；15为动力电池；16为电源线。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种燃料电池电堆分布式冷启动装置，包括：分布式加热棒、控制机构、针阀机构和管道机构，
所述管道机构与燃料电池电堆、换热器、空气压缩机、分布式加热棒、水泵相连接，用于将氢气和空气循环加热传输至所述燃料电池电堆内部；
分布式加热棒分别设置于针阀机构和换热器的通路上和冷却液的循环通路上；
所述控制机构与数据采集装置相连接，用于根据所述数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定冷却液的温度，根据所述目标区域的温度信号控制针阀机构的开度，还用于根据所述目标区域的温度信号控制外接电源为分布式加热棒提供电压或燃料电池电堆产生的电源为分布式加热棒提供电压；
所述针阀机构设置于水泵与分布式加热棒之间的通路上，所述针阀机构的受控端连接于控制机构，用于根据控制机构的信号控制通过换热器的冷却液的流量。
本发明实施例中，所述控制机构控制针阀机构的开度，可以控制通过换热器的冷却液的流量，进而使得氢气经过换热器传输至所述燃料电池电堆内部的温度在预设温度范围内。所述控制机构控制外接电源与燃料电池电堆产生的电源切换时，采用所述目标区域的温度作为依据，可以设定当所述目标区域的温度小于或者等于第一预设温度时，由外接电源为分布式加热棒提供电压，当所述目标区域的温度大于第一预设温度时，由燃料电池电堆产生的电源为分布式加热棒提供电压。
本发明实施例中，所述管道机构包括排气管道，所述排气管道设置于所述燃料电池电堆的氢气排出口和换热器出口的通路上，用于将燃料电池电堆中排出的氢气循环至燃料电池电堆内部。
本发明实施例中，所述控制机构，还用于根据所述数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定分布式加热棒是否加热。
所述控制机构控制分布式加热棒停止加热时，采用所述目标区域的温度作为依据，可以设定当所述目标区域的温度大于第二预设温度时，控制分布式加热棒停止加热。
一般情况，第二预设温度大于或者等于第一预设温度。
本发明实施例中，所述数据采集装置包括：设置于燃料电池电堆的冷却液出口处的温度传感器。
本发明实施例中，所述控制机构，还用于根据所述目标区域的温度信号控制节温器的开度，进而控制冷却液流入散热器的流量。
本发明实施例中，所述控制机构，还用于根据所述目标区域的温度信号控制散热器的风扇的转速，使得冷却液的温度在预设温度范围内。
本发明实施例还提供一种燃料电池电堆分布式冷启动系统，包括上述的燃料电池电堆分布式冷启动装置、数据采集装置、换热器、空气压缩机和外接电源。
本发明实施例中所述数据采集装置包括：设置于燃料电池电堆的冷却液出口处的温度传感器。
如图2所示，本发明实施例还提供一种燃料电池电堆分布式冷启动方法，包括：
S101、采集目标区域的温度信号并确定冷却液的温度；
S102、根据所述目标区域的温度信号控制针阀机构的开度，并根据所述目标区域的温度信号控制外接电源为分布式加热棒提供电压或燃料电池电堆产生的电源为分布式加热棒提供电压。
本发明实施例中，所述的方法还包括：
根据所述数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定分布式加热棒是否加热。
本发明实施例中，所述的方法还包括：
根据所述目标区域的温度信号控制节温器的开度，进而控制冷却液流入散热器的流量。
本发明实施例中，所述的方法还包括：
根据所述目标区域的温度信号控制散热器的风扇的转速，使得冷却液的温度在预设温度范围内。
实施例1
本实施例结合图3，本实施例说明燃料电池电堆热管理系统组成：包括：空气过滤器1；空气压缩机2；燃料电池电堆3；空气排气阀4；流量计5；氢气排气阀6；节温器7；8为水泵；9为电磁阀；第一加热棒10；第二加热棒11；换热器12；循环泵13；DC/DC转换器14；动力电池15；电源线16；
低温空气经过空气过滤器1、流量计5后进入空气压缩机2将空气进行压缩增压后温度升高进入燃料电池电堆3为燃料电池电堆3加热，剩余空气从空气排气阀4排出；氢气经过换热器12升温后进入燃料电池电堆3，升温后空气和氢气进入燃料电池电堆3为燃料电池电堆3加热启动，排出的氢气经过循环泵13重新进入燃料电池电堆3，在停止反应停之后，剩余氢气从氢气排气阀6排出。冷却液流出后经过水泵8后，一部分冷却液经过针阀机构9和第一加热棒10加热后，传输至换热器12为氢气加热，然后从换热器12排出后经过第二加热棒11加热后进入燃料电池电堆3为燃料电池电堆3加热，另一部分冷却液直接通过节温器7经过第二加热棒11加热后进入燃料电池电堆3为燃料电池电堆3加热。
与现有技术相比，，加热棒分布式设计安装，第一加热棒10和第二加热棒11分别安装在两个流路上，减小加热棒的长度便于安装，冷却液的流路第一条流路是直接经过第二加热棒11加热后进入燃料电池电堆3对其进行加热。第二条流路是给氢气进气加热的，在氢气支路上安装了换热器12，氢气与经过第一加热棒10加热后的冷却液进行热交换后温度升高，然后进入电堆对其进行加热。
实施例2
结合图3，本实施例说明说明燃料电池电堆分布式冷启动的工作过程：
第一阶段：燃料电池电堆3不启动，由配备的动力电池15直接给第一加热棒10和第二加热棒11供电对冷却液进行加热，同时水泵8启动，冷却液将热量传递给燃料电池电堆3，冷却液一路直接经过第二加热棒11加热进入燃料电池电堆3对燃料电池电堆3内部加热，另一路给氢气进气进行加热。在此过程中，一般燃料电池电堆3温度可以从-30摄氏度上升到电堆启动温度，实现燃料电池电堆3成功启动。
第二阶段：动力电池停止供电，燃料电池电堆3给第一加热棒10和第二加热棒11供电，燃料电池电堆3启动后自身发的电通过DC/DC后给给第一加热棒10和第二加热棒11供电加热冷却液。同时，电堆自身的自身产生大量热量加热冷却液，然后再给氢气加热，使电堆温度迅速升高。
需要说明地，在冷启动前，动力电池给两个加热棒加热，冷却系统中冷却液不通过散热器而是进行小循环，经过燃料电池电堆3后给燃料电池电堆3加热；在燃料电池电堆3出口安装了一个氢气排气阀6来控制氢气，当氢气排气阀6打开时氢气会直接排掉，当氢气排气阀6关掉时氢气通过循环泵13进行再循环反复循环给燃料电池电堆3加热，避免热量的流失。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆分布式冷启动装置，其特征在于，包括：分布式加热棒、控制机构、针阀机构和管道机构，
所述管道机构与燃料电池电堆、换热器、空气压缩机、分布式加热棒、水泵相连接，用于将氢气和空气循环加热传输至所述燃料电池电堆内部；
分布式加热棒包括第一加热棒和第二加热棒，所述第一加热棒设置于针阀机构和换热器的通路上，所述第二加热棒设置于冷却液的循环通路上；
所述控制机构与数据采集装置相连接，用于根据所述数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定冷却液的温度，根据所述目标区域的温度信号控制针阀机构的开度，还用于根据所述目标区域的温度信号控制外接电源为分布式加热棒提供电压或燃料电池电堆产生的电源为分布式加热棒提供电压；其中，所述数据采集装置包括：设置于燃料电池电堆的冷却液出口处的温度传感器；
所述针阀机构设置于水泵与所述第一加热棒之间的通路上，所述针阀机构的受控端连接于控制机构，用于根据控制机构的信号控制通过换热器的冷却液的流量。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述管道机构包括排气管道，所述排气管道设置于所述燃料电池电堆的氢气排出口和换热器出口的通路上，用于将燃料电池电堆中排出的氢气循环至燃料电池电堆内部。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述控制机构，还用于根据所述数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定分布式加热棒是否加热。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括节温器；所述控制机构，还用于根据所述目标区域的温度信号控制节温器的开度。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述装置还包括散热器；所述控制机构，还用于根据所述目标区域的温度信号控制散热器的风扇的转速。
6.一种燃料电池电堆分布式冷启动系统，其特征在于，包括：权利要求1至5任一所述的燃料电池电堆分布式冷启动装置、数据采集装置、换热器、空气压缩机和外接电源。
7.一种燃料电池电堆分布式冷启动方法，其特征在于，包括：
燃料电池电堆分布式冷启动装置采集目标区域的温度信号并确定冷却液的温度；
根据所述目标区域的温度信号控制针阀机构的开度，并根据所述目标区域的温度信号控制外接电源为分布式加热棒提供电压或燃料电池电堆产生的电源为分布式加热棒提供电压；其中，所述目标区域为燃料电池电堆的冷却液出口处；
其中，所述燃料电池电堆分布式冷启动装置为权利要求1-5任一项所述的燃料电池电堆分布式冷启动装置。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：还包括：
根据数据采集装置采集的目标区域的温度信号确定分布式加热棒是否加热。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：还包括：
根据所述目标区域的温度信号控制节温器的开度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：还包括：
根据所述目标区域的温度信号控制散热器的风扇的转速。
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