CN110103777A - 一种车辆及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆及燃料电池系统，包括主燃料电池和副燃料电池，以及共用的供氢循环系统、供空气循环系统和冷却循环系统，还包括设置在冷却循环系统中的电加热装置，副燃料电池供电连接所述电加热装置。该燃料电池系统通过小功率的副燃料电池，实现了在消耗较少能量的情况下完成主燃料电池的低温启动，解决了燃料电池低温启动时需要消耗较多车载能源装置的问题，可以方便快速的实现燃料电池的低温启动。

Description

一种车辆及燃料电池系统
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种车辆及燃料电池系统。
背景技术
在能源与环境的双重压力下，燃料电池汽车成为未来汽车工业发展的方向，也是汽车领域研究的重点。为了适应瞬息万变的全天候、全地区的工作条件，车载燃料电池必须具有良好的冷启动(即低温启动)特性。而冷启动最大的问题在于低温下水生成冰，阻碍了氢气和空气在膜电极(MEA)内部的扩散和质子交换膜燃料电池PEMFC阴极生成水的排除，从而造成冷启动的失败。
燃料电池低温启动的策略分为两个大的类别，分别是“保温”与“加热融冰”方法。为了达到保温的目的一方面需要减少电堆(即燃料电池组)与环境间的换热，另外一方面需要在停机以后向电堆补充热量以使得电堆的温度维持在零度以上。
用于加热的热源可以根据来源分为两大类：一类为外部热源，这种热量主要在电堆外部产生通过导热介质传递到电堆和各个子系统。另外一类为内部热源，这种热量主要在电堆内部产生，比如催化层上产生的化学反应热或者氢气在气体流道内燃烧产生的热量。例如日产公司设计了一种燃烧室将氢气燃烧，并通过换热器把生成的热量带入冷却液体循环系统，通过冷却液体对电堆进行加热。但是这种加热方式降低了燃料的经济性，增加了系统的体积、质量和生产成本。
随着车载燃料电池系统的功率越来越大，采用加热融冰法低温启动时需要的加热功率和热量越来越大，而在低温情况下，动力电池的功率有限，且随着科技的发展，动力电池的装车容量越来越小，可能不能满足低温启动的问题。
授权公告号为CN104733746B的中国专利公开了一种低温与中高温燃料电池联合运行系统，该系统在运行初期，温度较低时开启低温燃料电池进行发电，当低温燃料电池运行放电加热电热管，使中高温燃料电池堆达到100℃以上后，启动中高温燃料电池，并停止低温燃料电池运行。低温燃料电池是通过对燃料电池入堆空气进行加热来启动中高温燃料电池，气体的导热效率较低，能源利用率低，效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆及燃料电池系统，用以解决现有的燃料电池系统低温启动效果不佳的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种燃料电池系统，包括如下系统方案：
系统方案一，包括主燃料电池和副燃料电池，以及共用的供氢循环系统、供空气循环系统和冷却循环系统，还包括设置在冷却循环系统中的电加热装置，副燃料电池供电连接所述电加热装置。
系统方案二，在系统方案一的基础上，电加热装置的供电线路还用于连接车载能源装置。
系统方案三，在系统方案二的基础上，副燃料电池通过第二控制开关供电连接所述电加热装置。
系统方案四，在系统方案三的基础上，电热装置的供电线路通过第一控制开关供电连接车载能源装置。
系统方案五，在系统方案四的基础上，还包括控制装置、用于检测主燃料电池温度的第一温度检测装置和用于检测副燃料电池温度的第二温度检测装置，控制装置采样连接所述第一温度检测装置和第二温度检测装置，控制连接所述第一控制开关和第二控制开关。
系统方案六，在系统方案一的基础上，所述冷却循环系统包括第一支路，第一支路上设置有水泵和冷却循环水箱，第一支路还连接有第二支路，第二支路上设置有主燃料电池，还包括与第二支路并联的第三支路，第三支路上设置有副燃料电池。
系统方案七，在系统方案一的基础上，所述电加热装置为电加热丝。
系统方案八，在系统方案一的基础上，所述副燃料电池为质子交换膜燃料电池。
本发明还提供了一种车辆，包括如下车辆方案：
车辆方案一，包括燃料电池系统，所述燃料电池系统包括主燃料电池和副燃料电池，以及共用的供氢循环系统、供空气循环系统和冷却循环系统，还包括设置在冷却循环系统中的电加热装置，副燃料电池供电连接所述电加热装置。
车辆方案二，在车辆方案一的基础上，电加热装置的供电线路还连接车载能源装置。
车辆方案三，在车辆方案二的基础上，副燃料电池通过第二控制开关供电连接所述电加热装置。
车辆方案四，在车辆方案三的基础上，电热装置的供电线路通过第一控制开关供电连接车载能源装置。
车辆方案五，在车辆方案四的基础上，还包括控制装置、用于检测主燃料电池温度的第一温度检测装置和用于检测副燃料电池温度的第二温度检测装置，控制装置采样连接所述第一温度检测装置和第二温度检测装置，控制连接所述第一控制开关和第二控制开关。
车辆方案六，在车辆方案一的基础上，所述冷却循环系统包括第一支路，第一支路上设置有水泵和冷却循环水箱，第一支路还连接有第二支路，第二支路上设置有主燃料电池，还包括与第二支路并联的第三支路，第三支路上设置有副燃料电池。
车辆方案七，在车辆方案一的基础上，述电加热装置为电加热丝。
车辆方案八，在车辆方案一的基础上，所述副燃料电池为质子交换膜燃料电池。
车辆方案九，在车辆方案五的基础上，所述控制装置为整车控制器。
车辆方案十，在车辆方案四的基础上，所述车载能源装置为动力电池。
本发明的有益效果：
本发明的燃料电池系统，包括主燃料电池和副燃料电池，主燃料电池的功率大于副燃料电池。在主燃料电池进行低温启动时，利用副燃料电池给冷却循环系统加热，使主燃料电池升温，从而无需一直消耗车辆的其他车载能源装置来给主燃料电池加热。该燃料电池系统通过小功率的副燃料电池，实现了在消耗较少能量的情况下完成主燃料电池的低温启动，解决了燃料电池低温启动时需要消耗较多车载能源装置的问题，可以方便快速的实现燃料电池的低温启动。而且，该系统利用液体导热，大幅节省能量。
进一步地，首先闭合第一控制开关，断开第二控制开关，通过车载能源装置给加热装置供电，通过冷却循环系统给副燃料电池升温，在副燃料电池的温度到达预设温度后，断开第一控制开关，闭合第二控制开关，车载能源装置停止工作，启动副燃料电池，通过副燃料电池给加热装置供电，从而使得副燃料电池通过冷却循环系统路给主燃料电池升温。基于该系统的控制方法简单、可靠。
本发明的车辆，使用上述燃料电池系统，使得该车辆能够使用较少能量实现低温燃料电池的启动，简单可靠，实用性较高。
附图说明
图1是常规燃料电池系统结构图；
图2是本发明的燃料电池系统结构图；
图3是本发明的燃料电池系统低温启动方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示为常规燃料电池系统结构图，储氢装置1通过第一供氢管路连接主燃料电池10，用以给主燃料电池10提供氢气，在第一供氢管路上串设有第一控制阀4；空压机2通过第一供气管路连接主燃料电池10，用以给主燃料电池10提供空气，在第一供气管路上串设有第三控制阀5。在主燃料电池10的供氢输出管路通过氢气尾排阀17来将尾气排出，还通过氢气循环泵16连接第一供氢管路，以将多余的未燃料的氢气重新进入燃料电池进行燃烧。
为了实现主燃料电池的低温启动，在图1的基础上，增加了一个小功率的副燃料电池，该副燃料电池的功率是相对于主燃料电池来讲的，功率远小于主燃料电池。增加了该副燃料电池后，可通过如下方法来实现主燃料电池的启动：
首先，利用动力电池的储能给小功率的副燃料电池加热，因为该小功率的副燃料电池的体积较小，因此低温启动相对简单，让小功率的副燃料电池在消耗最小的功率下实现启动；然后，在小功率的副燃料电池启动后，利用自身废热和产生的电能对大功率的主燃料电池进行加热，使大功率的主燃料电池在不利用动力电池储能的情况下启动；最后，在主燃料电池启动成功后，副燃料电池停止工作。
该副燃料电池可使用质子交换膜燃料电池(PEMFC)，质子交换膜燃料电池很适用于便携式电源和运输工具。
也就是说，该增加的副燃料电池起到传统的内燃机的作用。而且，可将该小功率的副燃料电池高度集成化，设计成一个可拆卸的部件，在冬季温度较低需要低温启动时安装在车辆上，进行低温启动；而在夏季等温度较高、不需要低温启动的时间段将该小功率的副燃料电池拆卸下来，以减轻车辆自身重量，节省能源，提高节能效果。
基于上述方法原理，设计了如图2所示的燃料电池系统框图。该系统中的主燃料电池和副燃料电池共用供氢循环系统、供空气循环系统和冷却循环系统。
该图1的基础上增加副燃料电池11。进堆循环水加热系统12(包括水箱)连接有两条水路管路，一条经过主燃料电池10，该条水路管路上串设有水路电磁阀14，另一条经过副燃料电池11，该条水路管路上串设有水路电磁阀15。这两条水路管路共用一个水泵13。进堆循环水加热系统12包括一个储存循环水的水箱，和附着在水箱外壁的电加热丝(图中并未画出)。通过加热电加热丝来加热使循环水，通过循环水为主燃料电池或副燃料电池加热升温。
储氢装置1还通过第二供氢管路连接副燃料电池11，用以实现储氢装置给副燃料电池11提供氢气，在该第二供氢管路上串设有第二控制阀6；空压机2还通过第二供气管路连接副燃料电池11，用以给副燃料电池11提供空气，在第二供气管路上串设有第四控制阀7。副燃料电池11的供氢输出管路上串设有氢气单向阀18。
动力电池3通过供电线路连接进堆循环水加热系统12中的电加热丝，在该条供电线路上串设有第一控制开关8；副燃料电池11通过供电线路连接进堆循环水加热系统12中的电加热丝，在该条供电线路上串设有第二控制开关9。
该系统中还设置有控制装置、用于检测主燃料电池温度的第一温度检测装置和用于检测副燃料电池温度的第二温度检测装置，控制装置、第一温度检测装置和第二温度检测装置在图2中皆未画出。控制装置采样连接第一温度检测装置和第二温度检测装置，控制连接第一控制开关和第二控制开关。控制装置用以根据检测的主燃料电池的温度、副燃料电池的温度，来相应控制第一控制开关、第二控制开关打开/闭合。
该控制装置可为整车控制器，也可为单独增加的控制器。而且，由动力电池供电连接进堆循环水加热系统，当然也可使用其他车载能源装置来实现加热进堆循环水加热系统中的电加热丝。
另外，该系统中，进堆循环水加热系统连接的两条水路管路共用一个水泵，配合水路管路中设置的水路电磁阀的打开/闭合，来实现该进堆循环水加热系统为主燃料电池或副燃料电池加热。设置一个水泵，可节约成本。当然，在不考虑成本的情况下，可在每条水路管路中皆设置一个水泵，此时无需在两条水路管路中设置水路电磁阀，通过控制对应的水泵皆可实现进堆循环水加热系统为主燃料电池或副燃料电池加热。
基于上述控制系统，采用如图3所示的检测以及控制方法，来实现主燃料电池的低温启动。
燃料电池系统在接收到启动命令后，第一温度检测装置检测主燃料电池温度，判断是否超过设定的低温启动阈值(可设置在-10℃～0℃之间)：
若超过设定的低温启动阈值，则直接启动主燃料电池即可，此时第一控制开关8和第二控制开关9皆为打开的状态，储氢装置给主燃料电池提供氢气，空压机给主燃料电池提供空气，实现燃料电池的工作；
若未超过设定的低温启动阈值，则启动低温启动策略，具体启动步骤如下：
首先，控制第一控制开关8闭合，第二控制开关9打开，动力电池给进堆循环水加热系统中的电加热丝加热，进而实现加热循环水；同时控制水路电磁阀15打开，实现动力电池给副燃料电池加热。在该过程中第二温度检测装置实时检测副燃料电池的温度，并做判断。
其次，在判断副燃料电池温度达到设定温度T1(T1可设置在-10℃～10℃之间)后，给副燃料电池通入氢气，启动副燃料电池。
然后，在副燃料电池启动后，开始对外供电，同时，可闭合第一控制开关8，打开第二控制开关9，实现副燃料电池给进堆循环水加热系统中的电加热丝加热，进而实现给主燃料电池加热，此时，动力电池不再工作。在此过程中，通过第一温度检测装置实时检测主燃料电池温度，并做判断。
接着，在判断主燃料电池加热到设定温度T2后，可打开第二控制开关9，副燃料电池停止工作，进入停机状态，并给主燃料电池通入氢气，启动主燃料电池。
至此，即可完成对主燃料电池的启动。
另外，副燃料电池系统及其加热系统可以设计成集成化产品，如图2所示，燃料电池通过a、b电气插件与动力电池连接，通过c与空加气出口处连接，通过d与氢气管路连接，通过e、f水管接口与燃料电池连接，通过g与氢气尾排管路连接，将以上接头设计成快插样式，将副燃料电池集成封装后，通过上述介绍的快插接口实现和主燃料电池的快速拆卸，进而实现副燃料电池的可拆卸，提高经济型和可靠性。
本发明还提供了一种车辆，该车辆是一种新能源汽车，该车辆使用上述介绍的燃料电池系统来给整车供电。由于对该燃料电池系统的介绍已足够清楚，故对该车辆不再赘述。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，包括主燃料电池和副燃料电池，以及共用的供氢循环系统、供空气循环系统和冷却循环系统，其特征在于，还包括设置在冷却循环系统中的电加热装置，副燃料电池供电连接所述电加热装置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，电加热装置的供电线路还用于连接车载能源装置。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，副燃料电池通过第二控制开关供电连接所述电加热装置。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，电热装置的供电线路通过第一控制开关供电连接车载能源装置。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括控制装置、用于检测主燃料电池温度的第一温度检测装置和用于检测副燃料电池温度的第二温度检测装置，控制装置采样连接所述第一温度检测装置和第二温度检测装置，控制连接所述第一控制开关和第二控制开关。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述冷却循环系统包括第一支路，第一支路上设置有水泵和冷却循环水箱，第一支路还连接有第二支路，第二支路上设置有主燃料电池，还包括与第二支路并联的第三支路，第三支路上设置有副燃料电池。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电加热装置为电加热丝。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述副燃料电池为质子交换膜燃料电池。
9.一种车辆，包括燃料电池系统，所述燃料电池系统包括主燃料电池和副燃料电池，以及共用的供氢循环系统、供空气循环系统和冷却循环系统，其特征在于，还包括设置在冷却循环系统中的电加热装置，副燃料电池供电连接所述电加热装置。
10.根据权利要求9所述的车辆，其特征在于，电加热装置的供电线路还连接车载能源装置。
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