CN110247078B - 一种氢燃料电池低温快速启动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池低温快速启动系统，包括：燃料电池系统；及涡流加热装置，涡流加热装置安装于燃料电池系统内的空气输送管路和氢气输送管路上，涡流加热装置包括：铝管，为中空圆柱状；加热管，为中空圆柱状，并且套设于铝管的径向外侧，与铝管紧密贴合；隔热管，为中空圆柱状，套设于加热管的径向外侧，隔热管的内壁与加热管的外壁之间形成环形空腔；及电磁线圈，缠绕于隔热管的外壁上；其中，铝管与氢气输送管路连通，环形空腔与空气输送管路连通。本发明采用涡流加热的方式，避免氢气与交流线圈直接接触，实现无接触加热，具有热量由内而外传导的优势，能够实现燃料电池的低温快速启动，并且高效、节能、系统安全性更高。

Description

一种氢燃料电池低温快速启动系统
技术领域
本发明涉及车载燃料电池技术，尤其涉及一种氢燃料电池低温快速启动系统。
背景技术
氢燃料电池是一种直接在电池内部发生电化学反应，将燃料化学能转化为电能的发电装置。其发电系统主要由电堆、氢气供应系统、空气供应系统、水热管理系统和控制系统等组成。氢燃料电池反应的主要产物为水，当系统停止运行时，会有部分水附着在膜电极和氢气循环泵内，当温度低于水的结冰点时，膜电极和氢气循环泵转子会出现结冰的现象，再次启动燃料电池系统，会造成电堆膜电极反应缓慢，甚至由于氢气循环泵转子卡死导致其无法启动，这会对整个燃料电池系统造成不可逆的破坏。
现有技术公开了采用在电堆阴极气体，阳极气体和冷却液进口段装设加热器的方法，对阴极气体，阳极气体和冷却液分别加热或者同时加热，实现燃料电池升温启动，但是由于装设三个加热器，造成设备结构复杂并且不能解决氢气循环泵转子结冰的问题。现有技术还公开了采用对增湿器进行热风吹扫的方法，融化电堆内部冰层，实现燃料电池低温启动，但是由于仅对空气管路进行热风吹扫，造成燃料电池除冰时间较长，不能实现燃料电池低温快速启动。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种氢燃料电池低温快速启动系统，能够实现燃料电池冷态快速启动。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种氢燃料电池低温快速启动系统，包括：
燃料电池系统；及
涡流加热装置，所述涡流加热装置安装于所述燃料电池系统内的空气输送管路和氢气输送管路上，所述涡流加热装置包括：
铝管，为中空圆柱状；
加热管，为中空圆柱状，并且套设于所述铝管的径向外侧，与所述铝管紧密贴合；
隔热管，为中空圆柱状，套设于所述加热管的径向外侧，所述隔热管的内壁与所述加热管的外壁之间形成环形空腔；及
电磁线圈，缠绕于所述隔热管的外壁上；
其中，所述铝管与所述氢气输送管路连通，所述环形空腔与所述空气输送管路连通。
优选地，所述燃料电池系统包括储氢装置、氢气输送管路、空压机、空气输送管路、电堆、水氢分离器、氢气循环管路、氢气循环泵和出口逆止阀；
所述储氢装置与所述氢气输送管路的一端连通，所述氢气输送管路的另一端与所述电堆的阳极相连；
所述空压机与所述空气输送管路的一端连通，所述空气输送管路的另一端与所述电堆的阴极相连；
所述电堆的出口与所述水氢分离器连接，所述水氢分离器与所述氢气循环管路的一端连接，所述氢气循环管路的另一端与所述氢气输送管路的另一端连接；
所述氢气循环泵和所述出口逆止阀均安装于所述氢气循环管路上，所述氢气循环泵位于所述出口逆止阀与所述水氢分离器之间，所述出口逆止阀使得氢气仅能从所述氢气循环泵向所述氢气输送管路方向运行。
优选地，所述燃料电池系统还包括液位传感器和排水阀，所述液位传感器和排水阀均安装于所述水氢分离器上，用于检测所述水氢分离器内的液位高度，所述排水阀与所述液位传感器连接，所述排水阀的启闭根据所述液位传感器的信号控制。
优选地，所述燃料电池系统还包括氢气循环旁路和扩压管，所述氢气循环旁路的一端与所述氢气循环管路的一端连接，所述氢气循环旁路的另一端与所述氢气输送管路的另一端连接，所述扩压管安装于所述氢气循环旁路上。
优选地，所述燃料电池系统还包括还第一温度传感器、第二温度传感器和控制单元，所述第一温度传感器安装于所述电堆上，用于监测所述电堆的温度，所述第二温度传感器安装于所述氢气循环管路上，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器均与所述控制单元连接，所述控制单元与所述电磁线圈连接，所述控制单元根据所述第一温度传感器和所述第二温度传感器的信号控制所述电磁线圈内的电流频率。
优选地，所述燃料电池系统还包括旁路截止阀，所述旁路截止阀安装于所述氢气循环旁路上，所述旁路截止阀与所述控制单元连接，所述控制单元控制所述旁路截止阀的启闭。
优选地，所述涡流加热装置还包括护线管，所述护线管包裹于所述电磁线圈上。
优选地，所述铝管的内径R1取10～25mm，所述铝管的厚度h1为R1/5，加热管厚度h2为R1/5。
优选地，所述加热管由导磁材料制成。
优选地，所述隔热管由陶瓷材质制成。
本发明的有益效果：
1)本发明基于氢气易燃易爆的性质，采用涡流加热的方式，避免氢气与交流线圈直接接触，实现无接触加热，具有热量由内而外传导的优势，能够实现燃料电池的低温快速启动，并且高效、节能、系统安全性更高。
2)本发明的涡流加热装置可以根据频率选择不同的加热深度，根据线圈耦合设计得到精确的局部加热，结构简单，加热效果好，维护方便。
3)本发明的水氢分离器底部装设排水电磁阀，液位传感器和排水电磁阀相连，当液位达到液位计指定刻度时自动排水，排水电磁阀开启，实现自动排水，防止水氢分离器积水，结冰。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种氢燃料电池低温快速启动系统的示意图。
图2为根据本发明实施例的涡流加热装置的结构示意图。
图3为根据本发明实施例的一种氢燃料电池低温快速启动系统应用于车辆上的工作流程图。
附图标记：1-储氢装置、2-氢气输送管路、3-空压机、4-增湿器、5-空气输送管路、6-涡流加热装置、7-第一温度传感器、8-电堆、9-水氢分离器、10-排水阀、11-液位传感器、12-氢气循环泵、13-出口逆止阀、14-氢气循环管路、15-氢气循环旁路、16-氢气循环旁路截止阀、17-控制单元、18-第二温度传感器、19-扩压管、20-铝管、21-加热管、22-隔热管、23-电磁线圈、24-护线管。
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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种氢燃料电池低温快速启动系统。
请参阅图1至图3，根据本发明实施例的一种氢燃料电池低温快速启动系统包括燃料电池系统和涡流加热装置6。
具体地，如图2所示，涡流加热装置6为多层套管结构，包括铝管20、加热管21、隔热管22、电磁线圈23和护线管24；铝管20、加热管21和隔热管22均为为中空圆柱状；加热管21套设于所述铝管20的径向外侧，与所述铝管20紧密贴合；隔热管22套设于所述加热管21的径向外侧，所述隔热管22的内壁与所述加热管21的外壁之间形成环形空腔，电磁线圈23缠绕于所述隔热管22的外壁上，护线管24包裹在电磁线圈23上，用于保护电磁线圈23，电磁线圈23与电源连接，控制单元17与电磁线圈23连接，控制电磁线圈23内的电流频率。
如图1所示，燃料电池系统包括：储氢装置1、氢气输送管路2、空压机3、空气输送管路5、电堆8、水氢分离器9、氢气循环管路14、氢气循环泵12、出口逆止阀13、液位传感器11、排水阀10、氢气循环旁路15、扩压管19、第二温度传感器18、旁路截止阀16、第一温度传感器7、控制单元17。
所述储氢装置1与所述氢气输送管路2的一端连通，所述氢气输送管路2的另一端与所述电堆8的阳极相连，空压机3与所述空气输送管路5的一端连通，所述空气输送管路5的另一端与所述电堆8的阴极相连；电堆8的出口与所述水氢分离器9连接，所述水氢分离器9与所述氢气循环管路14的一端连接，所述氢气循环管路14的另一端与所述氢气输送管路2的另一端连接，氢气循环泵12和所述出口逆止阀13均安装于所述氢气循环管路14上，所述氢气循环泵12位于所述出口逆止阀13与所述水氢分离器9之间，所述出口逆止阀13使得氢气仅能从所述氢气循环泵12向所述氢气输送管路2方向运行。
涡流加热装置6安装于所述燃料电池系统内的空气输送管路5和氢气输送管路2上，即铝管20与所述氢气输送管路2连通，氢气输送管路2内的氢气经过铝管20的内腔，所述环形空腔与所述空气输送管路5连通，空气输送管路5内的空气经过环形空腔，控制单元17控制电磁线圈23内的电流频率选择不同的加热深度，根据线圈耦合设计得到精确的局部加热，加热效果好，维护方便。
液位传感器11和排水阀10均安装于所述水氢分离器9上，用于检测所述水氢分离器9内的液位高度，所述排水阀10与所述液位传感器11连接，所述排水阀10的启闭根据所述液位传感器11的信号控制。例如，当水氢分离器9内水位达到液位传感器11的2/3刻度时，排水阀10打开。
氢气循环管路14带有氢气循环旁路15，氢气循环旁路15的一端与所述氢气循环管路14的一端连接，所述氢气循环旁路15的另一端与所述氢气输送管路2的另一端连接。当燃料电池冷态启动时，氢气输送管路2内的一部分氢气通过涡流加热装置6后流入氢气循环旁路15内，再流入氢气循环管路14内，对氢气循环泵12进行预热，解决氢气循环泵12转子结冰问题。
扩压管19和旁路截止阀16均安装于氢气循环旁路15上，第二温度传感器18安装于所述氢气循环管路14上，第二温度传感器18与所述旁路截止阀16均与所述控制单元17连接，当涡流加热装置6启动时，所述控制单元17控制旁路截止阀16自动打开，当第二温度传感器18检测到温度达到设定温度时，旁路截止阀16自动关闭，完成燃料电池系统加热。
第一温度传感器7安装于所述电堆8上，用于监测所述电堆8的温度，所述第一温度传感器17与所述控制单元7连接，所述控制单元7与所述电磁线圈23连接，所述控制单元17根据所述第一温度传感器17和第二温度传感器18的信号控制所述电磁线圈23内的电流频率。
本实施例中的铝管20的内径R1取10～25mm，所述铝管20的厚度h1为R1/5。加热管21由导磁材料制成，优选为镍粉/环氧树脂复合材料，加热管21厚度h2为R1/5，厚度h3为10-30mm。隔热管22由陶瓷材质制成，隔热管22的厚度h4为h3/2。
如图3所示，将本发明的氢燃料电池低温快速启动系统应用于车辆，车辆启动，第一传感器7检测到电堆8的温度，并将温度信号传给控制单元17，当温度<0℃，控制单元17控制涡流加热装置6启动，氢气输送管路2和空气输送管路5开始进气，由涡流加热装置6加热，并且控制单元17控制旁路截止阀16开启，开始对氢燃料电池进行热风吹扫，直至第二温度传感器18检测到温度>40℃，控制单元17控制涡流加热装置6停止工作，旁路截止阀16关闭，加热过程结束。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，包括：
燃料电池系统；所述燃料电池系统包括储氢装置(1)、氢气输送管路(2)、空压机(3)、空气输送管路(5)、电堆(8)、水氢分离器(9)、氢气循环管路(14)、氢气循环泵(12)和出口逆止阀(13)；所述储氢装置(1)与所述氢气输送管路(2)的一端连通，所述氢气输送管路(2)的另一端与所述电堆(8)的阳极相连；所述空压机(3)与所述空气输送管路(5)的一端连通，所述空气输送管路(5)的另一端与所述电堆(8)的阴极相连；所述电堆(8)的出口与所述水氢分离器(9)连接，所述水氢分离器(9)与所述氢气循环管路(14)的一端连接，所述氢气循环管路(14)的另一端与所述氢气输送管路(2)的另一端连接；所述氢气循环泵(12)和所述出口逆止阀(13)均安装于所述氢气循环管路(14)上，所述氢气循环泵(12)位于所述出口逆止阀(13)与所述水氢分离器(9)之间，所述出口逆止阀(13)使得氢气仅能从所述氢气循环泵(12)向所述氢气输送管路(2)方向运行；
涡流加热装置(6)，所述涡流加热装置(6)安装于所述空气输送管路(5)和氢气输送管路(2)上，所述涡流加热装置(6)包括：
铝管(20)，为中空圆柱状；
加热管(21)，为中空圆柱状，并且套设于所述铝管(20)的径向外侧，与所述铝管(20)紧密贴合；
隔热管(22)，为中空圆柱状，套设于所述加热管(21)的径向外侧，所述隔热管(22)的内壁与所述加热管(21)的外壁之间形成环形空腔；及
电磁线圈(23)，缠绕于所述隔热管(22)的外壁上；
氢气循环旁路(15)，所述氢气循环旁路(15)的一端与所述氢气循环管路(14)的一端连接，所述氢气循环旁路(15)的另一端与所述氢气输送管路(2)的另一端连接；及
扩压管(19)，所述扩压管(19)安装于所述氢气循环旁路(15)上；
其中，所述铝管(20)与所述氢气输送管路(2)连通，所述环形空腔与所述空气输送管路(5)连通。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括液位传感器(11)和排水阀(10)，所述液位传感器(11)和排水阀(10)均安装于所述水氢分离器(9)上，用于检测所述水氢分离器(9)内的液位高度，所述排水阀(10)与所述液位传感器(11)连接，所述排水阀(10)的启闭根据所述液位传感器(11)的信号控制。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括还第一温度传感器(7)、第二温度传感器(18)和控制单元(17)，所述第一温度传感器(7)安装于所述电堆(8)上，用于监测所述电堆(8)的温度，所述第二温度传感器(18)安装于所述氢气循环管路(14)上，所述第一温度传感器(17)和所述第二温度传感器(18)均与所述控制单元(7)连接，所述控制单元(7)与所述电磁线圈(23)连接，所述控制单元(17)根据所述第一温度传感器(17)和所述第二温度传感器(18)的信号控制所述电磁线圈(23)内的电流频率。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括旁路截止阀(16)，所述旁路截止阀(16)安装于所述氢气循环旁路(15)上，所述旁路截止阀(16)与所述控制单元(17)连接，所述控制单元(17)控制所述旁路截止阀(16)的启闭。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述涡流加热装置(6)还包括护线管(24)，所述护线管(24)包裹于所述电磁线圈(23)上。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述铝管(20)的内径R1取10～25mm，所述铝管(20)的厚度h1为R1/5，加热管(21)厚度h2为R1/5。
7.根据权利要求1所述的氢燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述加热管(21)由导磁材料制成。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述隔热管(22)由陶瓷材质制成。
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