CN110649292B - 一种冷启动辅助装置与一种燃料电池发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷启动辅助装置与一种燃料电池发动机，冷启动辅助装置包括氯化钾溶液雾化释放装置，氯化钾溶液雾化释放装置包括雾化箱体、水箱、氯化钾投放盒以及雾化装置，氯化钾投放盒用于将氯化钾粉末投放至雾化箱体内部，水箱用于向雾化箱体内供水，雾化装置用于将雾化箱体内部的氯化钾溶液雾化，雾化箱体通过释放管路连通于燃料电池发动机的空气进气管路。本发明装置可以利用氯化钾降低电堆内液态水的结冰温度，高压空气会把液态水排出电堆外部，防止膜电极和双极板上的气体流道堵塞，增加了反应废热量，从而快速实现燃料电池发动机的冷启动。本发明无需借助外部加热装置，节约成本；结构简单、易于布置，不需要更改电堆内部和外部结构。

Description

一种冷启动辅助装置与一种燃料电池发动机
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种冷启动辅助装置与一种燃料电池发动机。
背景技术
燃料电池发动机是将由外部提供的高压氢气和空气通过电化学反应后对外释放电能，同时产生废热和生产水的电化学装置。燃料电池发动机的电化学反应场所为质子交换膜燃料电池堆，是指用质子交换膜做电解质，由两个或多个单电池和其他必要结构件组成的、具有统一电输出的组合体。双极板是外部反应气体进入电堆提供传输流道的载体。膜电极是主要由气体扩散层、催化层和质子交换膜构成的电化学反应区域。
燃料电池发动机作为车用动力使用时，必须要经受高电位、大电流、频变载、零下启动、空气杂质等复杂工况和严苛环境的考验，其中零下启动是燃料电池车辆在冬季运行时面临的最大挑战。
现有技术一般采用三种方式进行辅助冷启动：
第一种方式主要是通过散热管路并联PTC加热器，将室温下的冷却水加热后进入电堆，提高电堆内的温度，从而不至于使堆内产生的液态水结冰。
第二种方式主要是采用双极板背面贴敷加热丝或者直接将石墨双极板连接外部低压电加热的方式，提高堆内温度。
第三种方式主要是对电堆进行外部添加保温棉保温的方式，维持堆内温度。
不过，现有技术存在以下缺陷：
第一种借用PTC加热器辅助加热方式，冷却水升温较慢，而且冷却水进入电堆后还得通过双极板传热，才能使膜电极附近温度升高，此方式效率较低。
第二种采用加热丝辅助加热的方式，会改变双极板结构，增加了内部电阻。
第三种采用保温棉保温的方式，需要外部增加电堆体积而且效果不明显。
因此，如何提高燃料电池发动机的零下启动能力，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池发动机的冷启动辅助装置，该装置可以降低电堆内液态水的结冰温度，防止膜电极和双极板上的气体流道堵塞，从而快速实现燃料电池发动机的冷启动。本发明的另一个目的在于提供一种包括上述冷启动辅助装置的燃料电池发动机。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种冷启动辅助装置，用于燃料电池发动机，包括氯化钾溶液雾化释放装置，所述氯化钾溶液雾化释放装置包括雾化箱体、水箱、氯化钾投放盒以及雾化装置，所述氯化钾投放盒用于将氯化钾粉末投放至所述雾化箱体内部，所述水箱用于向所述雾化箱体内供水，所述雾化装置用于将所述雾化箱体内部的氯化钾溶液雾化，所述雾化箱体通过释放管路连通于所述燃料电池发动机的空气进气管路。
优选地，所述释放管路与所述空气进气管路的连通位置位于空滤器与空压机之间。
优选地，所述雾化箱体内部设有搅拌器。
优选地，所述雾化箱体内部设有液位检测仪。
优选地，所述氯化钾溶液雾化释放装置还包括用于检测外界环境温度的温度检测装置，所述温度检测装置用于将检测到的环境温度信号传递至燃料电池控制器，所述燃料电池控制器设有根据环境温度信号控制所述氯化钾投放盒的投放量和所述水箱的供水量的调节模块。
本发明提供的用于燃料电池发动机的冷启动辅助装置，包括氯化钾溶液雾化释放装置，氯化钾溶液雾化释放装置包括雾化箱体、水箱、氯化钾投放盒以及雾化装置，氯化钾投放盒用于将氯化钾粉末投放至雾化箱体内部，水箱用于向雾化箱体内供水，雾化装置用于将雾化箱体内部的氯化钾溶液雾化，雾化箱体通过释放管路连通于燃料电池发动机的空气进气管路。
本发明的工作原理如下：
氯化钾极易溶于水，同时会大幅降低液态水的结冰温度。本发明在空气进气管路连通一个氯化钾溶液雾化释放装置，使得空气进气管路中的空气被雾化的氯化钾溶液润湿，然后，携带有氯化钾的空气进入电堆中，氯化钾会溶于还原反应产生的液态水中，从而降低水的结冰温度，不至于使反应产生的水快速结冰，同时，期间借助电堆反应产生的废热使得电堆内部温度升高，从而顺利实现冷启动。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明装置可以降低电堆内液态水的结冰温度，高压空气会把液态水排出电堆外部，防止膜电极和双极板上的气体流道堵塞，增加了反应废热量，从而快速实现燃料电池发动机的冷启动；
2)本发明装置无需借助外部加热装置，节约成本；
3)本发明装置结构简单，易于布置安装，不需要更改电堆内部和外部结构。
本发明还提供了一种包括上述冷启动辅助装置的燃料电池发动机。该燃料电池发动机产生的有益效果的推导过程与上述冷启动辅助装置带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例中的燃料电池发动机的空气路系统布置示意图；
图2为本发明具体实施例中的氯化钾溶液雾化释放装置结构示意图。
图1和图2中：
1-化学空滤器、2-氯化钾溶液雾化释放装置、3-空压机、4-消声器、5-中冷器、6-增湿器、7-电堆、8-电子节气门、9-空气进气管路、10-空气出气管路、21-雾化箱体、22-释放管路、23-水箱、24-液位检测仪、25-搅拌器、26-雾化装置、27-氯化钾投放盒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1和图2，图1为本发明具体实施例中的燃料电池发动机的空气路系统布置示意图；图2为本发明具体实施例中的氯化钾溶液雾化释放装置结构示意图。
如图1所示，目前常规的燃料电池发动机的空气路系统的布置方式主要是外部空气通过化学空滤器1后经空气进气管路9直接进入空压机3中，由空压机3增压后的空气依次经过消声器4、中冷器5和增湿器6，最后进入电堆7中发生反应，反应后剩余的空气经空气出气管路10的电子节气门8排出到外界环境中。
由于电堆7内发生电化学反应时主要是在阴极产生液态水，因此，冷启动过程中液态水首先会在阴极侧的膜电极和阴极板结冰而堵塞空气进堆流道，使得氧气的还原反应被迫中止，导致冷启动失败。
本发明提供了一种应用于燃料电池发动机的冷启动辅助装置，该辅助装置能够降低电堆内电化学反应生产的液态水的结冰温度，防止膜电极和双极板上的气体流道堵塞，从而快速实现发动机冷启动。具体的，该冷启动辅助装置包括氯化钾溶液雾化释放装置2，氯化钾溶液雾化释放装置2包括雾化箱体21、水箱23、氯化钾投放盒27以及雾化装置26，氯化钾投放盒27用于将氯化钾粉末投放至雾化箱体21内部，水箱23用于向雾化箱体21内供水，雾化装置26用于将雾化箱体21内部的氯化钾溶液雾化，雾化箱体21通过释放管路22连通于燃料电池发动机的空气进气管路9。
本发明的工作原理如下：
氯化钾极易溶于水，同时会大幅降低液态水的结冰温度。本发明在空气进气管路9连通一个氯化钾溶液雾化释放装置2，使得空气进气管路9中的空气被雾化的氯化钾溶液润湿，然后，携带有氯化钾的空气进入电堆7中，氯化钾会溶于还原反应产生的液态水中，从而降低水的结冰温度，以免使反应产生的水快速结冰，同时，期间借助电堆7反应产生的废热使得电堆7内部温度升高，从而顺利实现冷启动。
优选地，释放管路22与空气进气管路9的连通位置位于空滤器与空压机3之间。具体的，本具体实施例方案中的空滤器为化学空滤器1，释放管路22的出口连通在化学空滤器1与空压机3之间的空气进气管路9上，氯化钾水溶液经过雾化后通入到空气进气管路9中，然后跟随空气一同经过空压机3、消声器4、中冷器5、增湿器6后到达电堆7内部参与电化学反应。
优选地，雾化箱体21内部设有搅拌器25。氯化钾投放盒27将氯化钾粉末投放到雾化箱体21中，水箱23向雾化箱体21中通入水后，启动搅拌器25可以使氯化钾粉末更加快速地溶解于水。
优选地，雾化箱体21内部设有液位检测仪24。通过液位检测仪24可以实时检测雾化箱体21内部的氯化钾溶液的存储量，当雾化箱体21中的氯化钾溶液过多或过少时，液位检测仪24可以向燃料电池控制器等控制单元实时反馈液位信息，便于控制单元更加精确地控制雾化箱体21中的氯化钾溶液的存储量。
优选地，氯化钾溶液雾化释放装置2还包括用于检测外界环境温度的温度检测装置，温度检测装置用于将检测到的环境温度信号传递至燃料电池控制器，燃料电池控制器设有根据环境温度信号控制氯化钾投放盒27的投放量和水箱23的供水量的调节模块。例如，当温度检测装置检测到外界环境温度小于等于预设温度值时，向燃料电池控制器反馈环境温度，燃料电池控制器根据环境温度确定氯化钾投放盒27的氯化钾粉末投放量以及水箱23的供水量，从而在雾化箱体21内部配制出预设浓度的氯化钾水溶液。当温度检测装置检测到外界环境温度大于预设温度值时，表明电堆7不会发生结冰，此时，燃料电池控制器控制氯化钾投放盒27停止投放氯化钾粉末以及控制水箱23停止供水。
需要说明的是，氯化钾投放盒27用于将氯化钾粉末投放至雾化箱体21内部，其结构采用类似于洗涤剂自动投放盒装置的结构，具体包括用于存放氯化钾粉末的储料盒和自动投放机构，自动投放机构与燃料电池控制器相连，可根据燃料电池控制器发出的控制信号自动调节氯化钾粉末的投放量。
另外，需要说明的是，为了防止雾化的氯化钾溶液反向流入到雾化箱体21内，本方案还在释放管路22上设置了由雾化箱体21向空气进气管路9方向单向导通的单向阀。本方案还可以在释放管路22上设置加压装置，保证氯化钾溶液雾化后具有足够的气压进入到空气进气管路9中。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明装置可以降低电堆内液态水的结冰温度，高压空气会把液态水排出电堆外部，防止膜电极和双极板上的气体流道堵塞，增加了反应废热量，从而快速实现燃料电池发动机的冷启动；
2)本发明装置无需借助外部加热装置，节约成本；
3)本发明装置结构简单，易于布置安装，不需要更改电堆内部和外部结构。
本发明还提供了一种包括上述冷启动辅助装置的燃料电池发动机。该燃料电池发动机产生的有益效果的推导过程与上述冷启动辅助装置带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种冷启动辅助装置，用于燃料电池发动机，其特征在于，包括氯化钾溶液雾化释放装置(2)，所述氯化钾溶液雾化释放装置(2)包括雾化箱体(21)、水箱(23)、氯化钾投放盒(27)以及雾化装置(26)，所述氯化钾投放盒(27)用于将氯化钾粉末投放至所述雾化箱体(21)内部，所述水箱(23)用于向所述雾化箱体(21)内供水，所述雾化装置(26)用于将所述雾化箱体(21)内部的氯化钾溶液雾化，所述雾化箱体(21)通过释放管路(22)连通于所述燃料电池发动机的空气进气管路(9)。
2.根据权利要求1所述的冷启动辅助装置，其特征在于，所述释放管路(22)与所述空气进气管路(9)的连通位置位于空滤器与空压机(3)之间。
3.根据权利要求1所述的冷启动辅助装置，其特征在于，所述雾化箱体(21)内部设有搅拌器(25)。
4.根据权利要求1所述的冷启动辅助装置，其特征在于，所述雾化箱体(21)内部设有液位检测仪(24)。
5.根据权利要求1所述的冷启动辅助装置，其特征在于，所述氯化钾溶液雾化释放装置(2)还包括用于检测外界环境温度的温度检测装置，所述温度检测装置用于将检测到的环境温度信号传递至燃料电池控制器，所述燃料电池控制器设有根据环境温度信号控制所述氯化钾投放盒(27)的投放量和所述水箱(23)的供水量的调节模块。
6.一种燃料电池发动机，其特征在于，包括如权利要求1至5中任一项所述的冷启动辅助装置。
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