CN109638314A - 燃料电池空气供应系统及空气供应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气供应系统及空气供应方法，其中，该系统包括空压机、中冷器、电堆模块、第一供气管路、第二供气管路和第三供气管路；其中，中冷器的进气口与空压机的出气口相连；第一供气管路的进气口与中冷器相连，第一供气管路的出气口与电堆模块相连；第二供气管路的进气口与空压机的出气口相连，第二供气管路的出气口与电堆模块相连；第三供气管路的进气口与中冷器相连，第三供气管路的出气口与第二供气管路相连。本发明提供的燃料电池空气供应系统及空气供应方法，实现了对燃料电池启动前的预热以及燃料电池启动时的辅助加热，从而实现了在低温环境下，燃料电池的快速暖机启动，提升了燃料电池的工作性能。

Description

燃料电池空气供应系统及空气供应方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池空气供应系统及空气供应方法。
背景技术
随着能源消耗和环境污染的问题日趋严重，传统燃油车正面临着巨大的压力，作为新能源汽车的新势力-燃料电池汽车有着无污染、能量转化效率高、燃料加注快等优势，在国内外得到快速发展。
空气供应系统在燃料电池系统中是不可缺少的辅助系统，为燃料电池提供空气，以使氧化剂与氢气供应系统提供的燃料在燃料电池堆内发生化学反应，产生电能。
但是，对于现有的燃料电池空气供应系统而言，仅支持常温条件下燃料电池的正常启动和运行，而在环境温度低于燃料电池冷启动温度情况下，考虑到对燃料电池的性能尤其是使用寿命的影响，此时燃料电池是不允许工作的，这导致上述空气供应系统的冷启动性能大大受限，且完全受制于燃料电池固有的启动属性。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池空气供应系统及空气供应方法，以在低温环境条件下，可以实现空气供应系统的快速暖机启动，提升燃料电池性能，延长使用寿命。
本发明提供了一种燃料电池空气供应系统，其中，包括：
空压机；
中冷器，所述中冷器的进气口与所述空压机的出气口相连；
电堆模块；
第一供气管路，所述第一供气管路的进气口与所述中冷器相连，所述第一供气管路的出气口与所述电堆模块相连；
第二供气管路，所述第二供气管路的进气口与所述空压机的出气口相连，所述第二供气管路的出气口与所述电堆模块相连；
第三供气管路，所述第三供气管路的进气口与所述中冷器相连，所述第三供气管路的出气口与所述第二供气管路相连。
如上所述的燃料电池空气供应系统，其中，优选的是，所述第一供气管路上设置有第一电磁阀；
所述第二供气管路上设置有第二电磁阀；
所述第三供气管路上设置有第三电磁阀。
如上所述的燃料电池空气供应系统，其中，优选的是，所述第二供气管路上位于所述第二电磁阀和所述电堆模块之间设置有三通阀，所述第三供气管路通过所述三通阀与所述第二供气管路相连。
如上所述的燃料电池空气供应系统，其中，优选的是，还包括温度检测装置，所述温度检测装置设置在所述电堆模块的进气口处。
如上所述的燃料电池空气供应系统，其中，优选的是，还包括加湿器，所述加湿器的进气口与所述第一供气管路的出气口相连，所述加湿器的出气口与所述电堆模块相连。
如上所述的燃料电池空气供应系统，其中，优选的是，还包括氢气稀释装置，所述氢气稀释装置与所述电堆模块的排气口相连。
如上所述的燃料电池空气供应系统，其中，优选的是，还包括空气滤清器，所述空气滤清器的出气口与所述空压机相连。
如上所述的燃料电池空气供应系统，其中，优选的是，还包括空气流量计，所述空气流量计设置在所述空气滤清器的出气口处。
本发明提供了一种空气供应方法，其中，采用本发明提供燃料电池空气供应系统，所述方法包括如下步骤：
步骤1、开启预热模式，关闭第一供气管路和第三供气管路，导通第二供气管路，启动空压机供气；
步骤2、检测第二供气管路的出气温度是否大于第一预设温度，如果是，进入步骤3；
步骤3、导通第三供气管路，并降低空压机的转速；
步骤4、检测燃料电池的出水温度是否大于设定水温，如果是，进入步骤5；
步骤5、终止预热模式，进入燃料电池供电模式。
如上所述的空气供应方法，其中，优选的是，步骤5具体包括：
步骤6、启动电堆模块；
步骤7、导通第一供气管路和第二供气管路，关闭第三供气管路；
步骤8、检测第二供气管路的出气温度是否大于第二预设温度，如果是，进入步骤9；
步骤9、关闭第二供气管路，导通第三供气管路。
本发明提供的燃料电池空气供应系统及空气供应方法，通过导通第二供气管路，并选择性控制第一供气管路或第三供气管路的导通或关闭，实现了对燃料电池启动前的预热以及燃料电池启动时的辅助加热，从而实现了在低温环境下，燃料电池的快速暖机启动，提升了燃料电池的工作性能，延长了燃料电池的使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的燃料电池空气供应系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的空气供应方法在预热模式下的流程图；
图3为本发明实施例提供的空气供应方法在燃料电池供电模式下的流程图。
附图标记说明：
100-电堆模块 110-温度检测装置 200-空压机
210-控制器 300-第一供气管路 310-第一电磁阀
400-第二供气管路 410-第二电磁阀 420-三通阀
500-第三供气管路 510-第三电磁阀 600-中冷器
700-加湿器 800-氢气稀释装置 900-空气滤清器
910-空气流量计
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供了一种燃料电池空气供应系统，其包括空压机200、中冷器600、电堆模块100、第一供气管路300、第二供气管路400和第三供气管路500；其中，中冷器600的进气口与空压机200的出气口相连；第一供气管路300的进气口与中冷器600相连，第一供气管路300的出气口与电堆模块100相连；第二供气管路400的进气口与空压机200的出气口相连，第二供气管路400的出气口与电堆模块100相连；第三供气管路500的进气口与中冷器600相连，第三供气管路500的出气口与第二供气管路400相连。
在低温环境下，燃料电池的电堆模块100不启动，为了可以对电堆模块100开启前进行预热，可以通过控制器210启动空压机200工作，通过空压机200可以提供热空气。此时，可以使第一供气管路300和第三供气管路500关闭，同时导通第二供气管路400，以使气体不经过中冷器600冷却，而是通过第二供气管路400直接通入电堆模块100，从而可以使电堆模块100内的温度快速升高，实现预热。
当电推模块进气口的温度大于第一预设温度时，可以导通第三供气管路500，使部分气体经过中冷器600冷却，并通过第三供气管路500输入至第二供气管路400中，以降低第二供气管路400中的气体温度，从而使输入到电堆模块100中的气体温度降低，使电堆模块100进气口的温度稳定在第一预设温度以下，同时监测燃料电池的出水温度是否大于设定水温，如果出水温度小于设定水温，则需要使电堆模块100进气口的温度持续保持在第一预设温度以下，以保证电堆模块100启动后的性能；如果出水温度大于设定水温，则终止预热模式，并进入燃料电池供电模式。
其中，为了便于控制各个供气管路的开启或导通，第一供气管路300上可以设置有第一电磁阀310，第二供气管路400上可以设置有第二电磁阀410，第三供气管路500上可以设置有第三电磁阀510。
进一步，第二供气管路400上位于第二电磁阀410和电堆模块100之间设置有三通阀420，第三供气管路500通过三通阀420与第二供气管路400相连，由此可以使热空气在输入至电堆模块100之前与第三管路中的冷空气混合，实现气体降温，从而可以保证电堆模块100进气口处的温度控制在第一预设温度以下。
为了便于对电堆模块100进气口前的温度的检测，该系统还可以包括温度检测装置110，该温度检测装置110设置在电堆模块100的进气口处。
进一步，该系统还可以包括加湿器700，该加湿器700的进气口与第一供气管路300的出气口相连，加湿器700的出气口与电堆模块100相连，从而可以对电堆模块100内部的反应气体进行加湿，提高质子交换膜的电导率，降低膜电阻。
而为了稀释反应剩余气体中的氢气，该系统还可以包括氢气稀释装置800，氢气稀释装置800与电堆模块100的排气口相连。
进一步，该系还包括空气滤清器900，该空气滤清器900的出气口与空压机200相连，以对输入的气体进行清洁过滤，保证输入气体的清洁度。
为了精确控制输入空气的流量，在空气滤清器900的出气口处还可以设置空气流量计910。
如图2所示，本发明实施例还提供了一种空气供应方法，其采用本发明任意实施例提供的燃料电池空气供应系统，其中，该方法包括如下步骤：
步骤1、开启预热模式，关闭第一供气管路300和第三供气管路500，导通第二供气管路400，启动空压机200供气。
步骤2、检测第二供气管路400的出气温度是否大于第一预设温度，如果是，进入步骤3。其中，第一预设温度可以为80℃。
步骤3、导通第三供气管路500，并降低空压机200的转速。
步骤4、检测燃料电池的出水温度是否大于设定水温，如果是，进入步骤5。其中，上述设定水温可以为-10℃。
步骤5、终止预热模式，进入燃料电池供电模式。
具体地，在低温环境下，燃料电池的电堆模块100不启动，为了可以对电堆模块100开启前进行预热，可以启动空压机200，通过空压机200可以提供热空气。此时，可以使第一供气管路300和第三供气管路500关闭，同时导通第二供气管路400，以使气体不经过中冷器600冷却，而是通过第二供气管路400直接通入电堆模块100，从而可以使电堆模块100内的温度快速升高，实现预热。
当电推模块进气口的温度大于第一预设温度时，可以导通第三供气管路500，使部分气体经过中冷器600冷却，并通过第三供气管路500输入至第二供气管路400中，以降低第二供气管路400中的气体温度，从而使输入到电堆模块100中的气体温度降低，使电堆模块100进气口的温度稳定在第一预设温度以下，同时监测燃料电池的出水温度是否大于设定水温，如果出水温度小于设定水温，则需要使电堆模块100进气口的温度持续保持在第一预设温度以下，以保证电堆模块100启动后的性能；如果出水温度大于设定水温，则终止预热模式，并进入燃料电池供电模式。
进一步，如图3所示，进入燃料电池供电模式具体包括如下步骤：
步骤6、启动电堆模块100。
步骤7、导通第一供气管路300和第二供气管路400，关闭第三供气管路500。
步骤8、检测第二供气管路400的出气温度是否大于第二预设温度，如果是，进入步骤9。其中，第二预设温度可以为80℃。
步骤9、关闭第二供气管路400，导通第三供气管路500。
其中，在进入电池供电模式时，可以对燃料电池进行启动辅助加热。具体地，可以使第一供气管路300和第二供气管路400导通，使第三供气管路500关闭，由此可以使经过中冷器600冷却的空气和不经过中冷器600的热空气同时导入电堆模块100，以对电堆模块100进行加热。同时，可以检测电堆模块100进气口处的温度是否大于第二预设温度，如果是，则说明电堆模块100已加热到满足内部化学反应所需的温度环境，此时可以关闭第二供气管路400，同时导通第三供气管路500，使空气全部经过中冷器600，并通过第一供气管路300和第三供气管路500输入至电堆模块100中，以使燃料电池进入正常的工作状态。
本发明实施例提供的燃料电池空气供应系统及空气供应方法，通过导通第二供气管路，并选择性控制第一供气管路或第三供气管路的导通或关闭，实现了对燃料电池启动前的预热以及燃料电池启动时的辅助加热，从而实现了在低温环境下，燃料电池的快速暖机启动，提升了燃料电池的工作性能，延长了燃料电池的使用寿命。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池空气供应系统，其特征在于，包括：
空压机；
中冷器，所述中冷器的进气口与所述空压机的出气口相连；
电堆模块；
第一供气管路，所述第一供气管路的进气口与所述中冷器相连，所述第一供气管路的出气口与所述电堆模块相连；
第二供气管路，所述第二供气管路的进气口与所述空压机的出气口相连，所述第二供气管路的出气口与所述电堆模块相连；
第三供气管路，所述第三供气管路的进气口与所述中冷器相连，所述第三供气管路的出气口与所述第二供气管路相连。
2.根据权利要求1所述的燃料电池空气供应系统，其特征在于，所述第一供气管路上设置有第一电磁阀；
所述第二供气管路上设置有第二电磁阀；
所述第三供气管路上设置有第三电磁阀。
3.根据权利要求2所述的燃料电池空气供应系统，其特征在于，所述第二供气管路上位于所述第二电磁阀和所述电堆模块之间设置有三通阀，所述第三供气管路通过所述三通阀与所述第二供气管路相连。
4.根据权利要求1所述的燃料电池空气供应系统，其特征在于，还包括温度检测装置，所述温度检测装置设置在所述电堆模块的进气口处。
5.根据权利要求1所述的燃料电池空气供应系统，其特征在于，还包括加湿器，所述加湿器的进气口与所述第一供气管路的出气口相连，所述加湿器的出气口与所述电堆模块相连。
6.根据权利要求1所述的燃料电池空气供应系统，其特征在于，还包括氢气稀释装置，所述氢气稀释装置与所述电堆模块的排气口相连。
7.根据权利要求1所述的燃料电池空气供应系统，其特征在于，还包括空气滤清器，所述空气滤清器的出气口与所述空压机相连。
8.根据权利要求7所述的燃料电池空气供应系统，其特征在于，还包括空气流量计，所述空气流量计设置在所述空气滤清器的出气口处。
9.一种空气供应方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的燃料电池空气供应系统，所述方法包括如下步骤：
步骤1、开启预热模式，关闭第一供气管路和第三供气管路，导通第二供气管路，启动空压机供气；
步骤2、检测第二供气管路的出气温度是否大于第一预设温度，如果是，进入步骤3；
步骤3、导通第三供气管路，并降低空压机的转速；
步骤4、检测燃料电池的出水温度是否大于设定水温，如果是，进入步骤5；
步骤5、终止预热模式，进入燃料电池供电模式。
10.根据权利要求9所述的空气供应方法，其特征在于，步骤5具体包括：
步骤6、启动电堆模块；
步骤7、导通第一供气管路和第二供气管路，关闭第三供气管路；
步骤8、检测第二供气管路的出气温度是否大于第二预设温度，如果是，进入步骤9；
步骤9、关闭第二供气管路，导通第三供气管路。
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