CN111769310A - 一种燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池系统，包括电堆、氢气氧化加热器、储氢罐、气水分离器、氢气循环泵、空气过滤器、空气压缩机、中冷器、空气加湿器、冷却液循环泵、节温器、散热器。本发明的燃料电池系统通过设置氢气氧化加热器，利用氢气和空气的氧化反应产生的热量来对冷却液进行加热，从而能够在较短的时间内实现燃料电池系统的冷启动；同时，利用空气中经过燃烧反应后剩余的氮气来填充阳极流道，从而在启动和停机过程中避免电堆中出现氢空界面，从而提高燃料电池电堆的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统。
背景技术
近年来，燃料电池作为一种高效、清洁的发电技术，作为车辆、船舶动力系统应用，受到广泛重视。作为车辆动力的质子交换膜燃料电池系统，在北方冬天环境下应用时，必须解决低温启动问题，否则燃料电池发电产生的水会在电堆内部凝结成水，阻塞气体流道，从而导致启动失败。
目前，燃料电池系统低温启动主要有两种技术路径，一种是在冷却液循环系统中增加冷启动加热器，冷启动时，通过外部蓄电池给冷启动加热器供电，同时启动冷却液循环泵，通过加热器使冷却液升高，并通过冷却液使电堆的温度升高到一定程度，确保电堆生成的水不会再次冻结成冰，再通入氢气和空气，以顺利启动燃料电池系统。这种方法在实际系统中使用广泛，但是缺点是电加热功率有限，通常只有几个千瓦，导致启动加热时间较长，通常需要十分钟以上的启动加热时间，在寒冷地区启动时间更长。可以通过增大启动加热器功率的方法缩短冷却液加热时间，但如果要把启动加热时间缩短到一分钟以内，启动电加热器的功率需要提高到数十千瓦，这对加热器的设计是一个较大的挑战，同时增大了系统的重量和体积，会降低燃料电池系统的能量密度。
另一种燃料电池低温启动技术是在启动过程中让燃料电池电堆工作在较低电压下，此时氢气的能量大部分都转化成热能，能够使电堆在较短时间内温度升高到工作温度。这种低温启动技术在系统架构上简单，不用增加其他元器件，但其控制过程非常复杂，在低温下直接将电堆电压拉载到很低的数值，非常容易导致电堆内部的部分单电池反极化，也容易造成单电池内部局部反极化，因此这种直接拉载低温启动的方法对电堆的工作寿命可能会造成一定的影响。
对于商用车而言，可以通过电加热方式进行冷启动，启动时间稍长一点不会对用户造成多大困扰。但是，对乘用车而言，用户往往没有足够的耐心等待十分钟才启动车辆，启动时间过长直接影响燃料电池车辆的市场反应。燃料电池乘用车需要在20～30秒内完成冷启动，这对燃料电池冷启动技术是一大考验。
另外，燃料电池系统停机较长时间后，电堆内部阴极和阳极流场中都是空气填充，在启动时，往阳极通入氢气，在氢气将空气吹出电堆的过程中，阳极形成氢氧界面，会导致在阴极侧出现高电位，引起催化剂碳载体的腐蚀，从而缩短燃料电池电堆工作寿命。燃料电池系统在实验室进行台架测试时，往往通过给阳极通入氮气进行吹扫的方法避免氢空界面，但在实际应用的燃料电池系统中，不可能再增加氮气系统。燃料电池系统中可以通过将电堆阴极进气和排气口封闭，消耗掉阴极空气中的氧气，阴极流道中仅剩余氮气的方法来避免氢空界面带来的腐蚀，但这会增加阴极控制的难度。
综上，现有的燃料电池冷启动技术存在的缺陷问题尚未得到有效的解决。
发明内容
本发明实施例旨在提供一种燃料电池系统，以解决上述技术问题，从而能够在较短的时间内实现系统的冷启动，并提高燃料电池电堆的寿命。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种燃料电池系统，包括电堆、氢气氧化加热器、储氢罐、气水分离器、氢气循环泵、空气过滤器、空气压缩机、中冷器、空气加湿器、冷却液循环泵、节温器、散热器；所述氢气氧化加热器具有冷却液入口、冷却液出口、氢气入口、氢气出口和空气入口；
所述电堆的冷却液出口与所述冷却液循环泵入口相连，所述冷却液循环泵的出口与所述散热器入口相连，所述冷却液循环泵的出口与所述散热器的入口的连接管路中有一条支路与所述节温器的第一入口相连，所述散热器的出口与所述节温器的第二入口相连，所述节温器的出口与所述氢气氧化加热器的冷却液入口相连，所述氢气氧化加热器的冷却液出口与所述电堆的冷却液入口相连；
所述储氢罐通过氢气开关阀连接到所述氢气氧化加热器的氢气入口，所述氢气氧化加热器的氢气出口与所述电堆的氢气进气口相连，所述电堆的氢气排气口与所述气水分离器进口相连，所述气水分离器的排水口连接有氢气尾排阀，所述气水分离器的排气口与所述氢气循环泵的入口相连，所述氢气循环泵的出口连接到所述氢气氧化加热器的氢气出口与所述电堆氢气进气口的连接管路中；
所述空气过滤器的出口与所述空气压缩机的入口相连，所述空气压缩机的出口与所述中冷器的入口相连，所述中冷器的出口与所述空气加湿器的干空气入口相连，所述中冷器与所述空气加湿器的连接管路中有一条支路通过空气启停控制阀连接到所述氢气氧化加热器的空气入口，所述空气加湿器的干空气出口与所述电堆的空气进气口相连，所述电堆的空气排气口与所述空气加湿器的湿空气入口相连，所述空气加湿器的湿空气出口与尾排管相连，所述电堆的空气排气口与所述空气加湿器的湿空气入口相连的管路有一条支路通过空气尾排阀与所述尾排管相连。
作为优选方案，所述氢气开关阀与所述氢气氧化加热器之间还连接有氢气流量控制阀。
作为优选方案，所述氢气氧化加热器为夹套管结构，所述氢气氧化加热器包括冷却液外套管和氢气氧化燃烧管，所述氢气氧化燃烧管夹套在所述冷却液外套管内部。
作为优选方案，所述的氢气氧化加热器的空气入口一端设有空气进气阀门。
作为优选方案，所述氢气氧化加热器内设有点火器，所述点火器被配置为：当所述氢气氧化加热器通入氢气和空气时启动点火。
作为优选方案，所述氢气氧化燃烧管内填充有氢气催化氧化材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种燃料电池系统，包括电堆、氢气氧化加热器、储氢罐、气水分离器、氢气循环泵、空气过滤器、空气压缩机、中冷器、空气加湿器、冷却液循环泵、节温器、散热器。本发明的燃料电池系统通过设置氢气氧化加热器，利用氢气和空气的氧化反应产生的热量来对冷却液进行加热，从而能够在较短的时间内实现燃料电池系统的冷启动；同时，利用空气中经过燃烧反应后剩余的氮气来填充阳极流道，从而在启动和停机过程中避免电堆中出现氢空界面，从而提高燃料电池电堆的寿命。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的氢气氧化加热器的结构示意图；
其中，附图说明如下：
11-储氢罐，12-氢气开关阀，13-氢气流量控制阀，14-氢气循环泵，15-气水分离器，16-氢气尾排阀；
21-空气过滤器，22-空气压缩机，23-中冷器，24-空气启停控制阀，25-空气加湿器；26-空气尾排阀；
31-冷却液循环泵，32-散热器，33-节温器；
50-氢气氧化加热器；
100-电堆。
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、完整的描述，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作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。
请参见图1至图2，本发明实施例提供了一种燃料电池系统，包括电堆100、氢气氧化加热器50、储氢罐11、气水分离器15、氢气循环泵14、空气过滤器21、空气压缩机22、中冷器23、空气加湿器25、冷却液循环泵31、节温器33、散热器32；所述氢气氧化加热器具有冷却液入口、冷却液出口、氢气入口、氢气出口和空气入口；
所述电堆100的冷却液出口与所述冷却液循环泵31入口相连，所述冷却液循环泵31的出口与所述散热器32入口相连，所述冷却液循环泵31的出口与所述散热器32的入口的连接管路中有一条支路与所述节温器33的第一入口相连，所述散热器32的出口与所述节温器33的第二入口相连，所述节温器33的出口与所述氢气氧化加热器50的冷却液入口相连，所述氢气氧化加热器50的冷却液出口与所述电堆100的冷却液入口相连；
所述储氢罐11通过氢气开关阀12连接到所述氢气氧化加热器50的氢气入口，所述氢气氧化加热器50的氢气出口与所述电堆100的氢气进气口相连，所述电堆100的氢气排气口与所述气水分离器15进口相连，所述气水分离器15的排水口连接有氢气尾排阀16，所述气水分离器15的排气口与所述氢气循环泵14的入口相连，所述氢气循环泵14的出口连接到所述氢气氧化加热器50的氢气出口与所述电堆100氢气进气口的连接管路中；
所述空气过滤器21的出口与所述空气压缩机22的入口相连，所述空气压缩机22的出口与所述中冷器23的入口相连，所述中冷器23的出口与所述空气加湿器25的干空气入口相连，所述中冷器23与所述空气加湿器25的连接管路中有一条支路通过空气启停控制阀24连接到所述氢气氧化加热器50的空气入口，所述空气加湿器25的干空气出口与所述电堆100的空气进气口相连，所述电堆100的空气排气口与所述空气加湿器25的湿空气入口相连，所述空气加湿器25的湿空气出口与尾排管相连，所述电堆100的空气排气口与所述空气加湿器25的湿空气入口相连的管路有一条支路通过空气尾排阀26与所述尾排管相连。
作为优选方案，所述氢气开关阀12与所述氢气氧化加热器50之间还连接有氢气流量控制阀13。
在本发明实施例中，燃料电池系统冷却液回路中安装有氢气氧化加热器50，通过氢气氧化反应为流经氢气氧化加热器50的冷却液提供热量，实现燃料电池系统的低温启动功能；其中，氢气供应系统中有一路氢气与氢气氧化加热器50相连，为其提供氢气燃料；空气供应系统中有一路空气与氢气氧化加热器50相连，为其提供氧化剂；氢气氧化加热器50排气口与燃料电池电堆100氢气进气口相连，氢气与空气氧化反应后的尾气通过该氢气进气口为燃料电池电堆100提供吹扫气体。
需要说明的是，本系统与传统燃料电池系统的根本区别是利用氢气氧化加热器50来为冷却液回路进行加热，以实现低温启动功能。氢气氧化加热器50串联在燃料电池系统散热主回路中，低温启动时，启动冷却液循环泵31，冷却液在小循环回路中流动，从电堆100流出，经过冷却液循环泵31，流经节温器33后进入氢气氧化加热器50，冷却液在氢气氧化加热器50被加热后温度升高，流回到电堆100中，使电堆100温度逐步上升。
燃料电池系统低温启动时，启动冷却液循环泵31使冷却液循环流经燃料电池电堆100；启动空气压缩机22，打开空气启停控制阀24，为氢气氧化加热器50提供空气；同时，打开氢气开关阀12和氢气流量控制阀13为氢气氧化加热器50提供氢气；氢气和空气在氢气氧化加热器50中发生氢气氧化反应，产生的热量为流经氢气氧化加热器50的冷却液进行加热，通过温度升高的冷却液流经燃料电池电堆100将电堆100温度加热到零度以上；氢气和空气中的氧气在氢气氧化加热器50中反应生成水，尾气中剩余氮气，这些氮气通过氢气氧化加热器50与电堆100阳极相连的管道进入电堆100阳极流道，实现阳极流道吹扫，避免了启动过程中电堆100阳极形成氢空界面；当冷却液被加热到一定程度时，关闭向氢气氧化加热器50提供空气的空气启停控制阀24，氢气流经氢气氧化加热器50后进入电堆100，逐步将氮气吹出电堆100，空气通过阴极管路进入电堆100，从而使电堆100建立起电压，实现燃料电池系统低温启动和阳极保护性吹扫。
氢气氧化加热器50直接串联接入氢气供应回路中，启动时，控制氢气开关阀12打开，氢气从储氢罐11流出，依次经过氢气开关阀12、氢气流量控制阀13进入氢气氧化加热器50，通过氢气流量控制阀13控制进入氢气氧化加热器50的氢气流量，氢气与氢气氧化加热器50中的空气发生氧化反应，释放出热量给冷却液加热。
空气回路中，启动空气压缩机22后，空气经过空气过滤器21流经空气压缩机22后，温度有所上升，经过中冷器23后，分作两路，一路进入空气加湿器25后进入燃料电池电堆100，另一路经过空气启停控制阀24后进入氢气氧化加热器50，与氢气发生燃烧反应，经过燃烧反应的空气中的氧气被消耗掉，剩余氮气进入燃料电池电堆100，启动氢气循环泵14和氢气尾排阀16，将燃料电池电堆100内部阳极流道中的空气全部吹出燃料电池电堆100，使阳极内部全部为氮气所填充。
当燃料电池电堆100的温度上升到一定程度时，关闭空气启停控制阀24，氢气流经氢气氧化加热器50进入燃料电池电堆100，把阳极流场中的氮气吹出电堆100，电堆100电压上升，启动过程完成。整个启动过程中，通过控制进入氢气氧化加热器50的氢气和空气流量，可以实现冷却液温度的快速加热，同时，又避免了阳极中出现氢空界面，避免了引起催化剂碳载体的腐蚀，从而避免燃料电池电堆100工作寿命的缩短。
燃料电池系统停机时，逐步打开通往氢气氧化加热器50的空气阀门，使得空气中的氧气与氢气氧化加热器50中的氢气进行反应生成水，剩余的氮气进入燃料电池电堆100阳极流道，将电堆100及管路中的氢气吹扫出燃料电池系统，被氮气完全填充，关闭阀门，实现停机过程的阳极保护。
停机过程中，打开空气启停控制阀24，往氢气氧化加热器50中通入空气，消耗掉阳极流场中的氢气，同时，空气中剩余氮气对阳极流场进行吹扫，可以使电堆100电压迅速下降。当吹扫完成时，关闭氢气开关阀12和氢气尾排阀16，可以使得电堆100阳极流场中仅被氮气填充，可以实现电堆100的安全停机，避免氢空界面。
作为优选方案，所述氢气氧化加热器50为夹套管结构，所述氢气氧化加热器50包括冷却液外套管和氢气氧化燃烧管，所述氢气氧化燃烧管夹套在所述冷却液外套管内部。
作为优选方案，所述的氢气氧化加热器50的空气入口一端设有空气进气阀门。
作为优选方案，所述氢气氧化加热器50内设有点火器，所述点火器被配置为：当所述氢气氧化加热器50通入氢气和空气时启动点火。
作为优选方案，所述氢气氧化燃烧管内填充有氢气催化氧化材料。
在本发明实施例中，氢气氧化加热器50安装于冷却液循环主回路中，气体回路串联进氢气供应主回路中，空气回路中，经过中冷器23后分出一路空气进入氢气氧化加热器50。氢气氧化加热器50为夹套管结构，氢气氧化燃烧管位于内部，冷却液流经外套管，从而实现氢气在管内氧化燃烧时，可以充分将热量传递给流经外套管的冷却液。氢气氧化加热器50中集成有空气启停控制阀24，仅在燃烧器工作时才打开空气启停控制阀24。氢气氧化加热器50内部集成有点火器，在低温启动通入氢气和空气时，启动点火器，以使氢气氧化加热器50能够顺利启动工作。氢气氧化加热器50管内填充有氢气催化氧化材料，以使氢气在氧化燃烧器中充分氧化燃烧，并且使燃烧产生的热量迅速传导给冷却液。
请参见图2，需要说明的是，本发明实施例中的氢气氧化加热器50是实现本发明燃料电池系统功能的关键部件。氢气氧化加热器50为一个夹套管结构，内部是氢气氧化燃烧管，是氢气和空气发生燃烧反应的场所，冷却液流经外套管。氢气氧化燃烧管内部产生的热量通过管道传递给冷却液，起到给冷却液加热的作用。氢气氧化加热器50上集成了空气进气阀门以控制空气是否进入反应器参与氧化反应。氢气通过管路进入氢气氧化燃烧管内部，管内还设置有点火器，以在低温下实现氢气点燃发生氧化反应。氢气氧化燃烧管内部填充了氢气氧化催化剂，可以使得进入氢气氧化燃烧管的氢气充分被氧化，同时，氧化产生的热量可以有效传递给反应管壁，实现冷却液的加热功能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括电堆、氢气氧化加热器、储氢罐、气水分离器、氢气循环泵、空气过滤器、空气压缩机、中冷器、空气加湿器、冷却液循环泵、节温器、散热器；所述氢气氧化加热器具有冷却液入口、冷却液出口、氢气入口、氢气出口和空气入口；
所述电堆的冷却液出口与所述冷却液循环泵入口相连，所述冷却液循环泵的出口与所述散热器入口相连，所述冷却液循环泵的出口与所述散热器的入口的连接管路中有一条支路与所述节温器的第一入口相连，所述散热器的出口与所述节温器的第二入口相连，所述节温器的出口与所述氢气氧化加热器的冷却液入口相连，所述氢气氧化加热器的冷却液出口与所述电堆的冷却液入口相连；
所述储氢罐通过氢气开关阀连接到所述氢气氧化加热器的氢气入口，所述氢气氧化加热器的氢气出口与所述电堆的氢气进气口相连，所述电堆的氢气排气口与所述气水分离器进口相连，所述气水分离器的排水口连接有氢气尾排阀，所述气水分离器的排气口与所述氢气循环泵的入口相连，所述氢气循环泵的出口连接到所述氢气氧化加热器的氢气出口与所述电堆氢气进气口的连接管路中；
所述空气过滤器的出口与所述空气压缩机的入口相连，所述空气压缩机的出口与所述中冷器的入口相连，所述中冷器的出口与所述空气加湿器的干空气入口相连，所述中冷器与所述空气加湿器的连接管路中有一条支路通过空气启停控制阀连接到所述氢气氧化加热器的空气入口，所述空气加湿器的干空气出口与所述电堆的空气进气口相连，所述电堆的空气排气口与所述空气加湿器的湿空气入口相连，所述空气加湿器的湿空气出口与尾排管相连，所述电堆的空气排气口与所述空气加湿器的湿空气入口相连的管路有一条支路通过空气尾排阀与所述尾排管相连。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气开关阀与所述氢气氧化加热器之间还连接有氢气流量控制阀。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气氧化加热器为夹套管结构，所述氢气氧化加热器包括冷却液外套管和氢气氧化燃烧管，所述氢气氧化燃烧管夹套在所述冷却液外套管内部。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述的氢气氧化加热器的空气入口一端设有空气进气阀门。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气氧化加热器内设有点火器，所述点火器被配置为：当所述氢气氧化加热器通入氢气和空气时启动点火。
6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气氧化燃烧管内填充有氢气催化氧化材料。
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