CN110120535B - 一种燃料电池电堆低温快速启动系统和启动方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池电堆低温快速启动系统和启动方法，系统包括由低温启动水箱、低温启动水泵、四个阀门和一个换热装置组成的低温启动专用小循环系统，换热装置串接在燃料电池电堆冷却腔体的出口与入口之间。启动方法是：先开启阀门Ⅰ与阀门Ⅲ，关闭阀门Ⅱ和阀门Ⅳ，启动燃料电池，对电堆进行活化与吹扫；完成后，关闭阀门Ⅰ与阀门Ⅲ，开启阀门Ⅱ和阀门Ⅳ，开启低温启动水泵，低温启动专用小循环系统运行，进入低温启动；成功后，开启阀门Ⅰ与阀门Ⅲ，关闭阀门Ⅱ和阀门Ⅳ，关闭低温启动水泵，进入电堆正常运行。有益效果是：启动方法简单、实用、有效，缩短低温启动时间，提升低温启动的功率输出，无外加热单元，无额外能量消耗，对电堆无损伤。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池电堆低温快速启动技术。
背景技术
燃料电池低温启动一直是制约燃料电池汽车商用化的关键因素之一。燃料电池电堆在零度以下快速启动时，由于低温环境下电池内部反应生成的水容易结冰，从而降低电堆反应面积并阻塞气体通道，致使低温启动失败。因此，将电堆内部温度快速升高到零度以上，是燃料电池低温启动的关关键。
为解决低温快速启动的问题，现有技术中有多种方法，与本发明最接近的是：
一种设置有低温启动专用小循环系统的低温启动系统，低温启动专用小循环系统包括一个低温启动水箱、低温启动水泵和四个阀门，低温启动水箱的出水口通过管路与低温启动水泵进口相连，低温启动水泵出口通过管路与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连，低温启动水箱的进水口通过管路与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连，四个阀门两个分别设置在燃料电池电堆冷却腔体出口管路和进口管路上，两个分别设置在低温启动专用小循环系统与燃料电池电堆冷却腔体出口管路和进口管路上，通过四个阀门两两的开和闭，实现冷却系统在正常运行和低温启动专用小循环系统运行的切换，用低温启动专用小循环系统的水箱小，能快速的使小循环系统的水箱内的冷却液升温，用热的冷却液加热电堆，达到低温快速启动。
其他燃料电池低温启动的技术如：
专利“一种燃料电池低温启动的空气回流加热系统及其方法”公开了用空气回流加热的系统及其方法，其利用空压机压缩后的高温空气对电堆及其零部件进行加热，加速电极上冰晶的融化，使燃料电池能够在较低温度下快速启动。
专利“一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统”公开了一种对电堆空气入口外加辅热的低温启动系统，通过在空气入口侧外加加热带来加热电堆入口空气，缩短低温启动时间。同时，在端电池与电堆端板间加装了导热系数很小的高分子聚合物，来减小热量向外部的传递，改善启动过程中的边缘单低现象。
专利“一种燃料电池发电系统低温启动的热管理系统及其方法”公开了对内循环水箱加装加热器的系统，通过对水箱进行加热来提升冷却液温度，使电堆温度迅速升高，避免启动过程中电池发生冻结现象。
专利“一种0℃以下快速启动的质子交换膜燃料电池”提出了在端板上刻蚀凹槽，并在沟槽中密封铺设电热丝，利用外部热源加热使边缘温度迅速升高，保证边缘温度分布均匀，降低边缘单低对低温启动性能的影响。
专利“一种质子交换膜燃料电池在零度以下的启动方法”提出了将一定比例的氢氧混合气通入阴极或阳极，利用氢气在MEA催化剂上氧化放热提高电池温度，可使燃料电池在较低的温度下实现快速启动。
现有技术的不足是：
设置有低温启动专用小循环系统的低温启动系统可以实现低温启动，但启动速度较慢，没充分利用燃料电池电堆冷却腔体出口高温度的冷却液，而是将燃料电池电堆冷却腔体出口高温度的冷却液进入水箱，将水箱内的冷却液加热。
其他专利技术的不足是：
专利“一种燃料电池低温启动的空气回流加热系统及其方法”，效果有限，当电堆温度较低时，电堆出口温度已经很低，其回流后给电堆的加热效果不明显，且气体导热系数小，加热效果较差。
专利“一种-20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统”，需要外部电源进行供电，而在低温环境下外部电源提供的电量有限。
专利“一种燃料电池发电系统低温启动的热管理系统及其方法”，需要外部电源提供电能，配套设备复杂且耗能较多。
专利“一种0℃以下快速启动的质子交换膜燃料电池”，需要外部供电设备，增加了系统的复杂度。
专利“一种质子交换膜燃料电池在零度以下启动的方法”，会对电极产生一定程度的腐蚀，影响其使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不需要外加辅助热源的燃料电池电堆低温快速启动系统及启动方法。通过在燃料电池电堆出口与入口间安装一种小型高效换热装置，对电堆入口冷却液加热，提升冷却液温度，减小冷却液对电堆的冷冲击，改善低温启动过程中的边缘单低现象，缩短燃料电池电堆低温启动时间。
本发明的技术方案是：一种燃料电池电堆低温快速启动系统，包括一套低温启动专用小循环系统，低温启动专用小循环系统包括一个低温启动水箱、低温启动水泵和四个阀门，低温启动水箱的出水口通过管路与低温启动水泵进口相连，低温启动水泵出口通过管路与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连，低温启动水箱的进水口通过管路与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连，四个阀门分别是：连接在燃料电池电堆冷却腔体入口管路上的阀门Ⅰ，连接在燃料电池电堆冷却腔体出口管路上的阀门Ⅲ，连接在低温启动专用小循环系统的低温启动水泵与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连的管路上的阀门Ⅱ和连接在低温启动专用小循环系统的低温启动水箱与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连的管路上的阀门Ⅳ，阀门Ⅱ的管路与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连的连接点在阀门Ⅰ与燃料电池电堆冷却腔体入口之间的管路上，阀门Ⅳ的管路与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连的连接点在阀门Ⅲ与燃料电池电堆冷却腔体出口之间的管路上，其特征在于；所述燃料电池电堆低温快速启动系统还包括一换热装置，所述换热装置第一流体进口与燃料电池堆冷却腔体入口管路相连，连接点在阀门Ⅱ与燃料电池电堆冷却腔体入口之间的管路上，第一流体出口与燃料电池堆冷却腔体入口相连，换热装置第二流体进口与燃料电池堆冷却腔体出口相连，第二流体出口与阀门Ⅳ的进口管路相连。
本发明所述一种燃料电池电堆低温快速启动系统，其特征在于；所述低温启动水箱的容积为V，1L≤V≤3L。
本发明所述一种燃料电池电堆低温快速启动系统的启动方法，其特征在于：所述启动的方法如下：
关闭阀门Ⅰ和阀门Ⅲ，开启阀门Ⅱ和阀门Ⅳ，启动低温启动专用小循环系统的低温启动水泵，低温启动专用小循环系统运行,启动燃料电池系统,进入低温启动，待燃料电池的输出功率达到设定值,低温启动成功，此时,开启阀门Ⅰ和阀门Ⅲ，关闭阀门Ⅱ和阀门Ⅳ，停止低温启动小循环系统的低温启动水泵，进入电堆正常运行。
本发明的原理是：在低温启动小循环中串联了换热装置，电堆冷却液的冷流体经过阀2进入到换热装置第一流体内，电堆冷却腔出口的热流体进入到换热装置第二流体内，换热装置第一流体内的电堆冷却液的冷流体通过与换热装置第二流体内热流体换热后进入电堆，这样通过对电堆冷却腔入口处的冷流体加热来迅速提升燃料电池电堆温度，完成燃料电池电堆低温快速启动。
换热装置的理论计算如下：对参数已知的换热装置，利用效能-传热单元数法可计算出冷流体经换热装置后的温度值，
传热单元数为：
式中：k：换热装置的传热系数
A：换热装置的换热面积
qm：流体质量流量
c：流体密度
对于确定的换热装置，传热系统k、与换热面积A为已知参数，
确定NTU后，根据换热装置对应的ε-NTU关系图可确定换热装置效能值ε。
冷热流体热流量为：
式中：t′1：热流体入口温度
t′2：冷流体入口温度
根据热平衡关系式即可求得冷流体出口温度为：
式中：t″2：冷流体出口温度
电堆冷却液入口温度随加载电流的增加而增加，加载电流越大，单位时间电堆产生的热量越多，电堆冷却液出口的热流体经换热装置对电堆冷却腔入口的冷流体加热效果越显著，即式3中的值越大。
本发明的有益效果是：启动方法简单、实用、有效，可大幅缩短燃料电池低温启动时间，提升燃料电池电堆低温启动的功率输出，无需额外辅助加热单元，无需额外能量消耗，对电堆无损伤。
附图说明
图1为-20℃环境温度下不安装换热装置低温启动过程中输出功率与冷却液入口温度曲线图，图中实线表示低温启动过程中电堆的输出功率，虚线表示低温启动过程中电堆冷却液入口温度。
图2为-20℃环境温度下安装换热装置低温启动过程中输出功率与冷却液入口温度曲线图，图中实线表示低温启动过程中电堆的输出功率，虚线表示低温启动过程中电堆冷却液入口温度。
图3为燃料电池电堆低温快速启动系统示意图。
图中，1、低温启动水泵，2、换热装置，3、燃料电池电堆，4、排气孔，5、低温启动水箱,S1、阀门Ⅰ,S2、阀门Ⅱ,S3、阀门Ⅲ，S4、阀门Ⅳ。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种燃料电池电堆低温快速启动系统，包括一套低温启动专用小循环系统和一换热装置2，低温启动专用小循环系统包括一个低温启动水箱5、低温启动水泵1和四个阀门，低温启动水箱5的出水口通过管路与低温启动水泵1进口相连，低温启动水泵1出口通过管路与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连，低温启动水箱5的进水口通过管路与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连，四个阀门分别是：连接在燃料电池电堆冷却腔体入口管路上的阀门ⅠS1，连接在燃料电池电堆冷却腔体出口管路上的阀门ⅢS3，连接在低温启动专用小循环系统的低温启动水泵1与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连的管路上的阀门ⅡS2和连接在低温启动专用小循环系统的低温启动水箱5与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连的管路上的阀门ⅣS4，阀门ⅡS2的管路与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连的连接点在阀门ⅠS1与燃料电池电堆冷却腔体入口之间的管路上，阀门ⅣS4的管路与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连的连接点在阀门ⅢS3与燃料电池电堆冷却腔体出口之间的管路上；换热装置2第一流体进口与燃料电池堆冷却腔体入口管路相连，连接点在阀门ⅡS2与燃料电池电堆冷却腔体入口之间的管路上，第一流体出口与燃料电池堆冷却腔体入口相连，换热装置2第二流体进口与燃料电池堆冷却腔体出口相连，第二流体出口与阀门ⅣS4的进口管路相连。阀门ⅠS1、阀门ⅡS2、阀门ⅢS3和阀门ⅣS4是单向阀。低温启动水箱5的容积为V，1L≤V≤3L。
燃料电池电堆低温快速启动系统的启动方法方法如下：
燃料电池电堆低温快速启动系统启动前，先开启阀门ⅠS1与阀门ⅢS3，关闭阀门ⅡS2和阀门ⅣS4，对电堆进行活化与吹扫，完成后，关闭阀门ⅠS1和阀门ⅢS3，开启阀门ⅡS2和阀门ⅣS4，启动低温启动专用小循环系统的低温启动水泵1，低温启动专用小循环系统运行,启动燃料电池系统,进入低温启动，待燃料电池的输出功率达到设定值,低温启动成功，此时,开启阀门ⅠS1和阀门ⅢS3，关闭阀门ⅡS2和阀门ⅣS4，停止低温启动小循环系统的低温启动水泵1，进入电堆正常运行。
Claims (3)
1.一种燃料电池电堆低温快速启动系统，包括一套低温启动专用小循环系统，低温启动专用小循环系统包括一个低温启动水箱(5)、低温启动水泵(1)和四个阀门，低温启动水箱(5)的出水口通过管路与低温启动水泵(1)进口相连，低温启动水泵(1)出口通过管路与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连，低温启动水箱(5)的进水口通过管路与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连，四个阀门分别是：连接在燃料电池电堆冷却腔体入口管路上的阀门Ⅰ(S1)，连接在燃料电池电堆冷却腔体出口管路上的阀门Ⅲ(S3)，连接在低温启动专用小循环系统的低温启动水泵(1)与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连的管路上的阀门Ⅱ(S2)和连接在低温启动专用小循环系统的低温启动水箱(5)与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连的管路上的阀门Ⅳ(S4)，阀门Ⅱ(S2)的管路与燃料电池电堆冷却腔体入口管路相连的连接点在阀门Ⅰ(S1)与燃料电池电堆冷却腔体入口之间的管路上，阀门Ⅳ(S4)的管路与燃料电池电堆冷却腔体出口管路相连的连接点在阀门Ⅲ(S3)与燃料电池电堆冷却腔体出口之间的管路上，其特征在于；所述燃料电池电堆低温快速启动系统还包括一个换热装置(2)，所述换热装置(2)第一流体进口与燃料电池堆冷却腔体入口管路相连，连接点在阀门Ⅱ(S2)与燃料电池电堆冷却腔体入口之间的管路上，第一流体出口与燃料电池堆冷却腔体入口相连，换热装置(2)第二流体进口与燃料电池堆冷却腔体出口相连，第二流体出口与阀门Ⅳ(S4)的进口管路相连。
2.如权利要求1所述一种燃料电池电堆低温快速启动系统，其特征在于；所述低温启动水箱(5)的容积为V，1L≤V≤3L。
3.权利要求1所述一种燃料电池电堆低温快速启动系统的启动方法，其特征在于：所述启动的方法如下：
关闭阀门Ⅰ(S1)和阀门Ⅲ(S3)，开启阀门Ⅱ(S2)和阀门Ⅳ(S4)，启动低温启动专用小循环系统的低温启动水泵(1)，低温启动专用小循环系统运行,启动燃料电池系统,进入低温启动，待燃料电池的输出功率达到设定值,低温启动成功，此时,开启阀门Ⅰ(S1)和阀门Ⅲ(S3)，关闭阀门Ⅱ(S2)和阀门Ⅳ(S4)，停止低温启动小循环系统的低温启动水泵(1)，进入电堆正常运行。
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