CN108615914B - 一种pem燃料电池低温启动的快速升温装置 - Google Patents

Abstract

本发明以质子交换膜燃料电池电堆‑20℃启动为例，公开了一种PEM燃料电池低温启动的快速升温装置，该装置主要由控制系统和加热系统两个系统组成。当电堆系统控制器判定电堆温度低于20℃时，温度控制器得到指令，加热装置启动，低温冷却剂在加压泵施加的压力作用下经管道进入加热腔，在加热腔里经镍铬合金加热丝组加热迅速升温，升温后的高温冷却剂由高温冷却剂出口通道进入燃料电池电堆进行循环，并迅速将温度传递给双极板，带动单池升温，随着冷却剂循环系统的运行，整个燃料电池电堆的温度得到迅速提高。本发明能够迅速提高质子交换膜燃料电池电堆启动温度，有效避免了电池低温启动中造成的不可逆性损伤。

Description

一种PEM燃料电池低温启动的快速升温装置

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种用于PEM燃料电池低温启动的快速升温装置。

背景技术

随着存储量有限的化石燃料等传统能源的不断消耗与全球气候逐渐变暖，节约能源与保护环境已成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素。作为一种拥有巨大潜力的新能源，燃料电池能量转化效率可高达40%-60%，其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量密度高、工作温度低、零排放等优点，成为世界各国研究的热点，并已应用于固定式发电、移动电源及车载电源等方面。

质子交换膜燃料电池作为车用动力必须要经受启停、冷启动(或零下启动)、高电位、电压循环等复杂工况和严苛环境的考验，其中冷启动工况是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。美国能源部在2010年针对燃料电池零下气温环境的启动过程提出了具体的技术指标：在-20℃温度条件下，燃料电池在启动后30s内达到额定功率的90%。实现这项技术指标的难点在于燃料电池零下启动过程中可能出现电压骤降的现象，导致零下启动失败；并且随启动电流的增大，电池电压骤降的幅度也随之增加。而当燃料电池的工作温度在零度以下时，水极易生成冰，从而阻塞或覆盖用于气体传输的催化层和扩散层的孔隙，甚至破坏电池内部结构，大幅降低燃料电池工作寿命。因此如何从零下温度快速将电池升温到零上温度，使电池正常启动，也就是燃料电池零下冷启动，成为学术界和产业界亟需攻克的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种PEM燃料电池低温启动的快速升温装置，提高质子交换膜燃料电池启动速率，降低质子交换膜不可逆损伤程度，进而提高燃料电池寿命。

本发明提出了一种PEM燃料电池低温启动的快速升温装置，为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种能够快速加热冷却剂的加热装置，该装置主要由控制系统和加热系统两部分组成。控制系统主要包括箱体、主电路板、接地保护模块、继电器、加压泵、温度控制器和流量调节器。主电路板、接地保护模块、继电器、加压泵、温度控制器和流量调节器通过螺钉固定于箱体中。主电路板连接整个装置的电路；接地保护模块包括接接地柱和导线，接地柱固定在低温冷却剂入口通道和高温冷却剂出口通道中，可以充分与冷却剂接触，工作时能够迅速移除冷却剂中多余电荷，提供接地保护；继电器通过主电路板与温度控制器相连接，主要用于控制装置电路通断并提供过电流保护；加压泵通过导线连接在主电路板上，为冷却剂进入加热腔提供压力；温度控制器通过导线与温度传感器连接，温度传感器固定在冷却剂出口通道上，负责将采集到的温度数据通过导线反馈给温度控制器，温度控制器作出判断后将相应的动作指令通过主电路板传递给继电器和流量调节器，实现冷却剂温度和镍铬合金加热丝组加热温度的实时调控；流量调节器包括电磁阀和导线，电磁阀安装在低温冷却剂入口通道和高温冷却剂出口通道上，并通过导线连接在主电路板上，根据温度控制器指令调节冷却剂流量大小。加热系统主要由上壳体、下壳体、低温端接地柱、入口防电墙、加热腔、支撑架、镍铬合金加热丝组、储液腔、高温端接地柱和出口防电墙组成。上壳体与控制系统箱体通过螺纹连接，下壳体与上壳体通过普通螺栓连接，并使用橡胶密封圈密封；低温端接地柱嵌入在下壳体低温冷却剂入口通道中，可以充分与冷却剂接触，工作时能够迅速移除冷却剂中多余电荷；入口防电墙通过自带锥度置于下壳体上，内部为并列排布的细长形螺旋通道，有效利用自衰减原理消除冷却剂中电荷；加热腔位于入口防电墙和出口防电墙之间，是镍铬合金加热丝组加热冷却剂的主要场所；支撑架通过普通螺栓固定在上壳体上，用于固定镍铬合金加热丝组；镍铬合金加热丝组通过过盈配合固定在支撑架上，并通过导线与主电路板连通；储液腔位于出口防电墙与上壳体之间，主要用于临时储存高温冷却剂；高温端接地柱嵌入在上壳体高温冷却剂出口通道中，与冷却剂充分接触，工作时能够迅速移除冷却剂中多余电荷；出口防电墙通过普通螺钉固定在上壳体上，内部为并列排布的细长形螺旋通道，有效利用自衰减原理来消除冷却剂中电荷。

附图说明

图1 本发明加热装置装配示意图；

图2 本发明出口防电墙截面示意图；

图3 本发明入口防电墙截面示意图；

图4 本发明镍铬合金加热丝组示意图；

图5 PEM燃料电池电堆示意图。

图1中，1.冷却剂直通道；2.电磁阀；3.入口防电墙；4.镍铬合金加热丝组；5.高温冷却剂出口通道；6.电磁阀；7.温度传感器；8.高温端接地柱；9.箱体；10.布线槽；11.储液腔；12.出口防电墙通道；13.出口防电墙；14.支撑架；15.上壳体；16.加热腔；17.入口防电墙通道；18.下壳体；19.低温端接地柱；20.低温冷却剂入口通道；图5中，21.单池；22.冷却剂通道；23.阳极板；24.阴极板。

具体实施方式

以-20℃质子交换膜燃料电池电堆启动为例，由于电堆运行时的生成物——水在零下结冰易损伤质子交换膜，故在启动前需先预热燃料电池电堆。燃料电池电堆温度传感器将温度反馈给电堆系统控制器，控制器判定温度低于20℃，需先预热燃料电池电堆，控制器将电信号传递给固定于箱体（9）内部的温度控制器，加热装置启动，电磁阀（2）的冷却剂直通道阀门关闭，低温冷却剂入口通道阀门打开，电磁阀（6）阀门打开，冷却剂在加压泵施加的压力作用下进入低温冷却剂入口通道（20），电磁阀（2）适时根据系统控制器指令调节流量，冷却剂与低温端接地柱（19）充分接触后，通过固定在下壳体（18）上的入口防电墙（3）进入加热腔（16），入口防电墙通道（17）出口形状为“瓜子型”，且与水平面呈一定的角度，使冷却剂螺旋上升并充满整个加热腔（16）。固定在支撑架（14）上的镍铬合金加热丝组（4）通电发热，支撑架（14）通过普通螺栓连接在上壳体（15）上，镍铬合金加热丝组（4）与主电路板通过放置于布线槽（10）里的电线相连接。温度控制器通过温度传感器（7）反馈的数据适时调节镍铬合金加热丝组（4）中的电流大小，冷却剂直接接触镍铬合金加热丝组（4）并迅速升温，加热后的高温冷却剂经由出口防电墙（13）中螺旋排布的出口防电墙通道（12）进入储液腔（11）后，充分接触高温端接地柱（8），由高温冷却剂出口通道（5）进入燃料电池电堆，高温冷却剂流经冷却剂通道（22），通过热传递将热量传递给单池（21）的阳极板（23）和阴极板（24），迅速将燃料电池电堆温度提升到20℃，加热系统停止工作，在镍铬合金加热丝组（4）断电3s后，流量调节器发出指令，电磁阀（6）阀门关闭，电磁阀（2）的冷却剂直通道阀门打开，低温冷却剂经由冷却剂直通道（1）进入电堆参与燃料电池正常工作循环，待加热器中冷却剂由低温冷却剂入口通道（20）全部流出后，电磁阀（2）的低温冷却剂入口通道阀门关闭。

Claims (4)

1.一种PEM燃料电池低温启动的快速升温装置，其特征在于，该装置主要由控制系统和加热系统两部分组成；控制系统主要包括箱体、主电路板、接地保护模块、继电器、加压泵、温度控制器和流量调节器；主电路板连接整个装置的电路；接地保护模块包括接地柱和导线，接地柱固定在低温冷却剂入口通道和高温冷却剂出口通道中；继电器通过主电路板与温度控制器相连接；加压泵通过导线连接在主电路板上；温度控制器通过导线与温度传感器连接，温度传感器固定在冷却剂出口通道上；流量调节器包括电磁阀和导线，电磁阀安装在低温冷却剂入口通道和高温冷却剂出口通道上，并通过导线连接在主电路板上；加热系统主要由上壳体、下壳体、低温端接地柱、入口防电墙、加热腔、支撑架、镍铬合金加热丝组、储液腔、高温端接地柱和出口防电墙组成；上壳体与控制系统箱体通过螺纹连接，下壳体与上壳体通过普通螺栓连接，并使用橡胶密封圈密封；低温端接地柱嵌入在下壳体低温冷却剂入口通道中；入口防电墙通过自带锥度置于下壳体上，内部为并列排布的细长形螺旋通道；加热腔位于入口防电墙和出口防电墙之间；支撑架通过普通螺栓固定在上壳体上；镍铬合金加热丝组通过过盈配合固定在支撑架上，并通过导线与主电路板连通；储液腔位于出口防电墙与上壳体之间；高温端接地柱嵌入在上壳体高温冷却剂出口通道中；出口防电墙通过普通螺钉固定在上壳体上，内部为并列排布的细长形螺旋通道。

2.根据权利要求书1所述的PEM燃料电池低温启动的快速升温装置，其特征在于，镍铬合金加热丝直接与冷却剂接触。

3.根据权利要求书1所述的PEM燃料电池低温启动的快速升温装置，其特征在于，加热腔入口端和出口端分别设有接地柱和防电墙。

4.根据权利要求书1所述的PEM燃料电池低温启动的快速升温装置，其特征在于，镍铬合金加热丝采用环形正六边形结构。

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