CN112701321A - 一种燃料电池空气管理器件、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气管理器件、系统及方法，所述的器件包括器件本体以及设置在所述器件本体内的储热颗粒，所述器件本体还包括器件本体输入口和器件本体输出口，通过燃料电池空气管理器件吸收水分并产生热量，对燃料电池电堆进行预热，以便于燃料电池电堆在较低温度下的启动，通过检测燃料电池电堆的温度并控制空气气流的流向，完成燃料电池电堆冷启动、正常启动以及燃料电池空气管理器件换热的状态控制。

Description

一种燃料电池空气管理器件、系统及方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及燃料电池空气管理器件、系统及方法。
背景技术
当前，作为汽车电动化的解决方案之一的燃料电池汽车的大规模商业化还存在着成本高、寿命短、氢基础设施薄弱等问题。其中，燃料电池冷启动问题则是阻碍燃料电池商业化的关键技术瓶颈之一，是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。
当燃料电池在不采取任何保护措施情况下在低于0℃的低温环境中冷启动时，其反应所产生的水首先会在催化层内部结冰，导致催化层反应活性位点被覆盖和氧气传输受阻，电压出现骤降；当催化层完全被冰覆盖而电堆温度还未升至0℃以上则会在扩散层和流道内结冰导致冷启动失败。另一方面，催化层的结冰过程会导致催化剂层和质子交换膜之间出现间隙，同时结冰/融化循环会引起催化层微孔结构的崩塌和致密化以及催化层中铂颗粒的粗化，致使电化学活性表面积减小并难以恢复，从而对燃料电池发电性能造成永久性损害，而且循环次数越多冷启温度越低对电池损害越大。
目前燃料电池低温启动的解决策略分为两类：一类是在电堆停机时利用气体吹扫来降低燃料电池膜电极的含水量，从而减少固态冰的形成，但是在电堆温度未升至0℃以上时只要启动电堆产生水就会结冰，而且首先是在铂颗粒表面与Nafion树脂接触的部位产生冰，一旦温度升至室温铂与Nafion界面的冰融化就会造成界面的脱离，导致不可逆的电化学活性面积的损失；另一类是通过车载动力电池电加热或车载氢气催化燃烧放热等方式对电堆及其内部极板和膜电极进行预热，前者则会消耗一部分车载动力电池的电量，而且在低温环境中动力电池也同样存在着冷启动困难和放电容量大幅缩减的情况，后者则会消耗一部分车载氢气，二者均会缩短燃料电池汽车的续航里程。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池空气管理器件、系统及方法，解决了现有燃料电池冷启动不便的问题。
本发明提供一种燃料电池空气管理器件，包括：器件本体以及设置在所述器件本体内的储热颗粒，所述器件本体还包括器件本体输入口和器件本体输出口。
可选的，所述储热颗粒包含硅胶、活性炭、活性氧化铝、金属有机骨架以及沸石中的至少一种材料。
可选的，所述器件本体包括用于装载储热颗粒的储物腔和用于保温的壳体。
可选的，在所述器件本体输入口和所述器件本体输出口相匹配的位置分别设有滤网。
一种燃料电池空气管理系统，包括：空气供给单元，所述空气供给单元包括用于加湿空气的增湿器和用于预热空气的燃料电池空气管理器件，当加湿空气经过所述燃料电池空气管理器件后能够被预热；燃料电池电堆，所述燃料电池电堆与所述空气供给单元连通；燃料电池控制器，所述燃料电池控制器用于控制所述空气供给单元以及所述燃料电池电堆的空气输入和输出，所述燃料电池控制器分别与所述空气供给单元以及所述燃料电池电堆信号连接。
可选的，所述空气供给单元还包括空气压缩机，所述空气压缩机用于压缩以及加热空气，所述空气压缩机与所述增湿器连通。
可选的，所述压缩机的输出口通过第一阀门分别与增湿器的输入口以及燃料电池电堆的输入口连通，所述压缩机的输出口还通过第二阀门分别与燃料电池空气管理器件的输入口以及所述增湿器的输入口连通，所述增湿器的输出口通过第三阀门分别与燃料电池电堆的输入口以及所述燃料电池空气管理器件的输入口连通，所述燃料电池电堆的输出口通过第四阀门分别与所述燃料电池电堆的排放口以及所述增湿器的输入口连通，所述燃料电池空气管理器件的输出口通过第五阀门分别与所述空气压缩机的输入口以及所述增湿器的输入口连通。
可选的，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门以及所述第五阀门均包括三通电磁阀。
可选的，所述燃料电池空气管理系统还包括用于过滤的空气滤清器以及用于控制空气流量的第六阀门，所述空气滤清器与所述第六阀门连通。
可选的，所述燃料电池空气管理系统还包括第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器，所述第一温度传感器用于检测所述燃料电池空气管理器件的输出口的温度，所述第二温度传感器用于检测所述燃料电池空气管理器件的内部温度，所述第三温度传感器用于检测所述燃料电池电堆的内部温度。
一种燃料电池空气管理方法，包括：检测燃料电池电堆的内部的当前温度，当所述当前温度低于正常工作温度阈值时；将空气输入至所述燃料电池电堆；空气经过所述燃料电池电堆的输出口后进行加湿；加湿后的空气输入至燃料电池空气管理器件，并在所述燃料电池空气管理器件进行空气预热；经过预热后的空气输入至所述燃料电池电堆，预热所述燃料电池电堆，所述燃料电池电堆进行冷启动。
可选的，在开启空气供给单元的步骤之后，且在空气输入至所述燃料电池电堆的步骤之前，所述燃料电池空气管理方法还包括步骤：提供用于压缩以及加热空气的空气压缩机，经过所述空气压缩机压缩和加热的空气输入至所述燃料电池电堆。
可选的，在所述燃料电池电堆进行冷启动的步骤后，当TC≤TF≤TS时，所述燃料电池电堆进行低功率工作并发热，当TS＜TF时，所述燃料电池电堆进行正常工作，其中，TF为燃料电池电堆的当前温度，TC为冷启动温度阈值，TS为正常工作温度阈值。
可选的，TC和TS的数学关系表达为：－5℃≤TC≤0℃＜TS。
一种燃料电池空气管理方法，包括：检测燃料电池电堆的TF，当TF＜TS时，则燃料电池电堆处于冷启动状态，当TF≥TS时，所述燃料电池电堆处于正常工作状态，其中，TF为燃料电池电堆的当前温度，TS为正常工作温度阈值；当所述燃料电池电堆由所述冷启动状态进入所述正常工作状态后，加热空气并输入至燃料电池空气管理器件，所述燃料电池空气管理器件进行换热，然后空气再进行加湿后输入至燃料电池电堆。
可选的，当所述燃料电池电堆由所述冷启动状态进入所述正常工作状态后，加热空气并输入至燃料电池空气管理器件，所述燃料电池空气管理器件进行换热，然后空气再进行加湿后输入至燃料电池电堆的步骤包括：开启空气供给单元，空气输入至空气压缩机进行压缩和加热；空气经过所述空气压缩机的输入口输入至燃料电池空气管理器件，并加热所述燃料电池空气管理器件；空气经过所述燃料电池空气管理器件的输入口输入至增湿器，并在所述增湿器进行空气加湿；空气经过所述增湿器的输出口输入至所述燃料电池电堆，所述燃料电池电堆工作，且将空气由燃料电池电堆的排放口排出。
可选的，还包括：检测To和Ti，其中，To为燃料电池空气管理器件输出口的温度，Ti为燃料电池空气管理器件内部的温度；当Ti-To≤ΔT时，则空气输入至所述燃料电池电堆，且关闭所述燃料电池空气管理器件的输入口和输出口，其中，ΔT为燃料电池空气管理器件的温差阈值，0℃≤ΔT≤10℃。
一种燃料电池空气管理方法，其特征在于，包括：检测TF；当TF＜TC时，则燃料电池电堆处于冷启动状态；当TC≤TF≤TS时，所述燃料电池电堆处于低功率状态；当TS＜TF时，所述燃料电池电堆进行正常工作；其中，TF为燃料电池电堆的当前温度，TC为冷启动温度阈值，TS为正常工作温度阈值。
与现有技术相比，本发明使用时，通过燃料电池空气管理器件吸收水分完成对燃料电池电堆的预热，以便于燃料电池电堆在较低温度下的启动，通过检测燃料电池电堆的温度并控制空气气流的流向，完成燃料电池电堆冷启动、正常启动以及燃料电池空气管理器件换热的状态控制。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的燃料电池空气管理器件的结构示意图。
图2是本发明实施例1提供的燃料电池空气管理器件的结构图。
图3是本发明实施例2提供的燃料电池空气管理系统的结构示意图。
图4是本发明实施例3提供的燃料电池空气管理方法的工作状态示意图。
图5是本发明实施例3提供的燃料电池空气管理方法的流程示意图。
图6是本发明实施例4中燃料电池空气管理器件换热的状态示意图。
图7是本发明实施例4中燃料电池空气管理器件正常工作的状态示意图。
图8是本发明实施例4中燃料电池空气管理方法的流程示意图。
图9是本发明实施例5中燃料电池空气管理方法的流程示意图。
图10是本发明实施例6中燃料电池空气管理方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例1提供一种燃料电池空气管理器件，如图1所示，燃料电池空气管理器件包括：器件本体1090以及设置在所述器件本体内的储热颗粒1094，所述器件本体还包括器件本体输入口1096和器件本体输出口1097，所述的储热颗粒1094能够与水分发生物理吸附从而降低水分子的自由度释放出大量的吸附热，且发生物理吸附后的储热颗粒1094加热时会吸收热量并脱附出水分，能够重复使用，通过将燃料电池空气管理器件应用于燃料电池的启动中，并为燃料电池在较低的环境温度(如-20℃以下)冷启动时提供预热，解决燃料电池不便于冷启动的问题。
请参阅图2，在实施过程中，所述燃料电池空气管理器件可选取套管式的结构设计，包括固体吸附式储热器外壳1091、保温层1092和固体吸附式储热管1093，固体吸附式储热器外壳1091、保温层1092和固体吸附式储热管1093能够组成器件本体的壳体，固体吸附式储热管1093的内部腔体即为储物腔；其中，所述固体吸附式储热器外壳1091与固体吸附式储热管1093外壳之间的空间填充绝热材料，从而形成所述的保温层1092，在所述器件本体输入口1096和所述器件本体输出口1097相匹配的位置分别设有滤网1095，具体地，所述固体吸附式储热管1093内距离空气进口和空气出口一定距离处分别焊接一片带有筛孔的圆形滤网1095，在两片圆形滤网1095与所述固体吸附式储热管1093内壁之间围成的空腔内填充固体吸附储热颗粒1094，固体吸附储热颗粒1094内部的孔隙以及颗粒之间的空隙为空气的流动通道，当空气经过该流动通道时，空气中的水分与储热颗粒1094发生物理吸附并产生热量，通过空气流动将热量传输给燃料电池电堆，便于燃料电池电堆在交底较低温度下启动。
所述固体吸附式储热管1093内充填的固体吸附储热颗粒1094包括但不限于由硅胶、活性炭、活性氧化铝、金属有机骨架(MOFs)、天然沸石和人工沸石分子筛等材料的一种或者多种，储热颗粒1094为具有丰富微孔、介孔及大孔的多孔吸附性固体材料所形成的颗粒，能够吸收水分产生热量，而且能够在加热状态时将吸收的水分排出。例如储热颗粒1094可以选取人工沸石分子筛，所述人工沸石分子筛包括但不限于3A、4A、5A、13X球形、13X条形等人工沸石分子筛以及沸石分子筛/CaCl2、沸石分子筛/MgCl2、沸石分子筛/MgSO4等沸石与水合盐复合吸附材料。还可以在设置第一温度传感器111和第二温度传感器112，所述第一温度传感器111测量器件本体输出口1097的温度，所述第二温度传感器112测量器件本体的内部温度，当需要加热储热颗粒1094并将水分排出，以便于储热颗粒1094重复使用时，可以通过检测器件本体输出口1097的温度以及器件本体的内部温度，并监控两者的温度差，当温度差小于一定的阈值时，即储热颗粒1094的孔隙内已没有太多的吸附水分需要热能来完成脱附，温度变化可以认为是导热损耗，因此可以判定为储热颗粒1094所吸收附的水分排出基本解吸完毕。
请参阅图3，在实施例2中提供一种燃料电池空气管理系统，燃料电池空气管理系统包括空气供给单元1、燃料电池电堆2和燃料电池控制器3，所述空气供给单元1与燃料电池电堆2连接，所述燃料电池控制器3分别与空气供给单元1、燃料电池电堆2信号连接。在实施过程中，所述空气供给单元1包括用于加湿空气的增湿器106和用于预热空气的燃料电池空气管理器件109，当加湿空气经过所述燃料电池空气管理器件109后能够被预热；所述燃料电池电堆2与所述空气供给单元1连通；所述燃料电池控制器3用于控制所述空气供给单元1以及所述燃料电池电堆2的空气输入和输出，所述燃料电池控制器3分别与所述空气供给单元1以及所述燃料电池电堆2信号连接。所述空气供给单元1还包括空气压缩机103，所述空气压缩机103用于压缩以及加热空气，所述空气压缩机103与所述增湿器106连通。所述燃料电池空气管理系统具有三种工作状态：冷启动，正常启动和燃料电池空气管理器件换热。当处于冷启动状态时，通过控制各单元及器件的空气输入和输出，空气的流向为：空气压缩机103→燃料电池电堆2→增湿器106→燃料电池空气管理器件109→空气压缩机103，空气压缩机103压缩空气时所产生的热量被燃料电池电堆2吸收，燃料电池空气管理器件109吸收水分完成对空气的预补热，并将预补热后的空气经由空气压缩机103传输至燃料电池电堆2，燃料电池电堆2升至正常工作的温度，完成冷启动。当处于正常启动状态时，通过控制各单元及器件的空气输入和输出，空气的流向为：空气压缩机103→增湿器106→燃料电池电堆2，燃料电池电堆2的启动温度处于正常工作的温度并正常启动。当燃料电池电堆由冷启动进入正常启动，并且处于平稳运行状态时，为了将燃料电池空气管理器件109吸收的水分排出，便于燃料电池空气管理器件109的重复使用，通过控制各单元及器件的空气输入和输出，空气的流向为：空气压缩机103→燃料电池空气管理器件109→增湿器106→燃料电池电堆109，通过空气压缩机103持续压缩及加热空气，并将空气输入至燃料电池空气管理器件109内，储热颗粒受热将水分排出，进而完成燃料电池空气管理器件换热。
为了便于控制单元及器件的空气输入和输出，所述压缩机103的输出口通过第一阀门104分别与增湿器106的输入口以及燃料电池电堆2的输入口连通，所述压缩机103的输出口还通过第二阀门105分别与燃料电池空气管理器件109的输入口以及所述增湿器106的输入口连通，所述增湿器106的输出口通过第三阀门107分别与燃料电池电堆2的输入口以及所述燃料电池空气管理器件109的输入口连通，所述燃料电池电堆2的输出口通过第四阀门108分别与所述燃料电池电堆2的排放口以及所述增湿器106的输入口连通，所述燃料电池空气管理器件109的输出口通过第五阀门110分别与所述空气压缩机103的输入口以及所述增湿器106的输入口连通。在实施过程中，所述第一阀门104、所述第二阀门105、所述第三阀门107、所述第四阀门108以及所述第五阀门110均包括三通电磁阀，通过燃料电池控制器3控制上述三通电磁阀中各个通路的接口开关，实现燃料电池电堆2的工作状态切换，控制信号可以采用各种形式的信号或编码方式，控制信号可以采用数字信号，相应地，燃料电池控制器3可以采用各种可以实现可调节数字信号的单元，例如各种单片机、微控制器、DSP(数字信号处理器)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)、上位机或者中央处理器(CPU，Central Processing Unit)，在本实施例中，控制器可采用单片机，通过对单片机进行编程可以实现各种控制功能，比如在本实施例中，实现温度信号的采集、处理和调节功能，以及能够实现各个三通电磁阀的开关，单片机具有方便接口调用、便于控制的优点。
所述燃料电池空气管理系统还包括用于过滤的空气滤清器101以及用于控制空气流量的第六阀门102，所述空气滤清器101与所述第六阀门102连通，空气滤清器101设置于空气供给单元1的输入口，过滤空气中的漂浮物、粉尘及易使燃料电池催化剂中毒的杂质气体，第六阀门102可以采用比例阀，便于控制其开度，进而控制空气供给单元1的空气流量。所述燃料电池空气管理系统还包括第一温度传感器111、第二温度传感器112和第三温度传感器21，所述第一温度传感器111用于检测所述燃料电池空气管理器件109的输出口的温度，所述第二温度传感器112用于检测所述燃料电池空气管理器件109的内部温度，通过采集两者温差，判定燃料电池空气管理器件是否还需要能量将水分排出，进而确定是否还需要燃料电池空气管理器件换热，所述第三温度传感器21用于检测所述燃料电池电堆2的内部温度，通过第三温度传感器21检测燃料电池电堆2的内部温度，并将信号传输给燃料电池控制器3，便于燃料电池控制器3切换冷启动、正常启动和燃料电池空气管理器件换热的工作状态。
请参阅图4和图5，在实施例3中提供一种燃料电池空气管理方法，包括：
S10:检测燃料电池电堆2的内部的当前温度，当所述当前温度低于正常工作温度阈值时，开启空气供给单元1，空气输入至所述燃料电池电堆2；
S20:空气经过所述燃料电池电堆2的输出口输入至增湿器106，并在所述增湿器106进行空气加湿；
S30:空气经过所述增湿器106的输出口输入至燃料电池空气管理器件109，并在所述燃料电池空气管理器件109进行空气预补热；
S40:经过预补热后的空气经由空气压缩机103再次升温后输入至所述燃料电池电堆2，预热所述燃料电池电堆2，所述燃料电池电堆2进行冷启动。
在开启空气供给单元的步骤之后，且在空气输入至所述燃料电池电堆2的步骤之前，所述燃料电池空气管理方法还包括步骤：提供用于压缩以及加热空气的空气压缩机103，经过所述空气压缩机103压缩和加热的空气输入至所述燃料电池电堆2。
在所述燃料电池电堆2进行冷启动的步骤后，当TC≤TF≤TS时，所述燃料电池电堆2进行低功率工作并发热，当TS＜TF时，所述燃料电池电堆2进行正常工作，其中，TF为燃料电池电堆的当前温度，TC为冷启动温度阈值，TS为正常工作温度阈值，TC和TS的数学关系表达为：－5℃≤TC≤0℃＜TS。
在具体实施过程中，所述燃料电池控制器3分别控制第一阀门104、第三阀门107、第四阀门108以及第五阀门110的打开，并关闭第二阀门105，然后启动空气压缩机103并适当调节空气比例阀102的开度，经过空气滤清器101净化的环境中的空气，所述空气压缩机103进行绝热压缩实现空气的初次升温，然后将携带热量的空气送入所述燃料电池电堆2并将热量直接传递给燃料电池电堆2的膜电极和双极板，而从燃料电池电堆2流出的空气经过增湿器106增湿后携带着大量水蒸气进入到燃料电池空气管理器件109中，储热颗粒1094开始对水蒸气进行物理吸附，从而降低了水分子的自由度，释放出大量的吸附热，并对空气流进行补热实现二次升温，经过补热的空气流则返回所述空气压缩机103进行再次升温，并将更多的热量传递给燃料电池电堆2使其加速预热，以达到燃料电池电堆2的正常工作的温度要求；其间，所述燃料电池控制器3可完全关闭所述空气比例阀102，使空气的循环路径为空气压缩机103→第一阀门104→燃料电池电堆2→第四阀门108→增湿器106→第三阀门107→燃料电池空气管理器件109→第一温度传感器111→第五阀门110→空气压缩机103，从而对燃料电池电堆2的膜电极和双极板进行持续且递进性预热；当所述燃料电池控制器3检测到所述燃料电池电堆2的温度符合TC≤TF≤TS时，则燃料电池电堆2以小功率大电流启动(即低功率工作)并进行工作自热，燃料电池电堆2使其产生的电能以欧姆极化热的形式加热燃料电池电堆的温度，直至TF＞TS，燃料电池电堆的冷启动操作完成；为了更好地加热，在此过程中还可以适当调整所述空气比例阀102的开度，并间歇开启所述第四阀门108接于空气尾排管路的通道，使得部分空气流入，以补给燃料电池电堆2工作自热过程所消耗的氧气。
请参阅图6、图7和图8，在实施例4中提供一种燃料电池空气管理方法，所述的方法包括：
S11：检测燃料电池电堆的TF，
S21：判断TF是否大于TS，当TF＜TS时，则燃料电池电堆处于冷启动状态，当TF≥TS时，所述燃料电池电堆处于正常工作状态，其中，TF为燃料电池电堆的当前温度，TS为正常工作温度阈值；
S31：再次判断TF是否大于TS，当TF＜TS时，则燃料电池电堆处于冷启动状态，当TF≥TS时，所述燃料电池电堆处于正常工作状态；
S41：加热空气并输入至燃料电池空气管理器件，所述燃料电池空气管理器件进行换热，然后空气再进行加湿后输入至燃料电池电堆。
在具体实施过程中，处于正常工作状态的实施过程为：所述燃料电池控制器3分别控制第一至第四阀门的开启，以及控制空气比例阀102开启，并关闭第五阀门110，然后启动空气压缩机103使空气的输送路径为：空气滤清器101→空气比例阀102→空气压缩机103→第一阀门104→第二阀门105→增湿器106→第三阀门107→燃料电池电堆2→第四阀门108→燃料电池电堆2的排放口；在此过程中，所述空气压缩机103所产生的高压空气经过增湿器106增湿后直接进入燃料电池电堆2进行后续的电化学催化反应或其他操作，进而燃料电池电堆2处于正常工作状态。
S41具体实施过程为：所述燃料电池控制器3分别控制第一至第五阀门以及空气比例阀102，然后启动所述空气压缩机103，使环境中的空气在空气压缩机103的作用下绝热压缩产生高温空气流，而高温空气流输入至燃料电池空气管理器件109，燃料电池空气管理器件109内的储热颗粒1094所吸附的水分遇热从吸附剂内脱附，然后被高速空气流带出并完成空气的预增湿，经过预增湿的空气流再进入增湿器106补湿，接着进入燃料电池电堆2进行电催化还原反应输出电能，空气的输送路径为：空气压缩机103→第一阀门104→第二阀门105→燃料电池空气管理器件109→增湿器106→燃料电池电堆2。
在此过程中，通过所述燃料电池控制器3实时监测所述第一温度传感器111和第二温度传感器112所显示温度To和Ti的大小变化，所述第一温度传感器111测量器件本体输出口的温度，所述第二温度传感器112测量器件本体的内部温度，当需要加热储热颗粒并将水分排出，以便于储热颗粒重复使用时，可以通过检测器件本体输出口的温度以及器件本体的内部温度，并监控两者的温度差，当温度差小于一定的阈值时，即储热颗粒1094的孔隙内已没有太多的吸附水分需要热能来完成脱附，温度变化可以认为是导热损耗，因此可以判定为储热颗粒吸附的水分基本解吸完毕。例如，当Ti-To≤ΔT时，则空气输入至所述燃料电池电堆，且关闭所述燃料电池空气管理器件的输入口和输出口，其中，To为燃料电池空气管理器件输出口的温度，Ti为燃料电池空气管理器件内部的温度，ΔT为燃料电池空气管理器件的温差阈值，0℃≤ΔT≤10℃。
请参阅图3和图9，实施例5提供一种燃料电池空气管理方法，包括：
S12：检测TF；
S22：当TF＜TC时，则燃料电池电堆处于冷启动状态；
S23：当TC≤TF≤TS时，所述燃料电池电堆处于低功率状态；
S24：当TS＜TF时，所述燃料电池电堆进行正常工作，其中，TF为燃料电池电堆的当前温度，TC为冷启动温度阈值，TS为正常工作温度阈值。
在实施过程中，冷启动状态的空气流向请参阅图4，具体为：空气压缩机103→燃料电池电堆2→增湿器106→燃料电池空气管理器件109→空气压缩机103→燃料电池电堆2；
正常启动的空气流向请参考图7，具体为：空气压缩机103→增湿器106→燃料电池电堆2→燃料电池电堆2的排放口。
冷启动之后，还包括燃料电池空气管理器件换热，燃料电池空气管理器件换热的空气流向请参阅图6，具体为：空气压缩机103→燃料电池空气管理器件109→增湿器106→燃料电池电堆2→燃料电池电堆2的排放口。
请参阅图3和10，实施例6提供一种燃料电池空气管理方法，包括：
S600：所述燃料电池控制器3读取燃料电池电堆2的当前温度TF，然后比较TF与TC以及TS的之间的大小并进入S601，TF为燃料电池电堆的当前温度，TC为冷启动温度阈值，TS为正常工作温度阈值；
S601：所述燃料电池控制器3如果检测到TF＜TC则进入步骤602，如果检测到TC≤TF≤TS则进入步骤603，如果检测到TF＞TS则进入步骤604；
S602：进入冷启动，所述燃料电池控制器3分别控制第一阀门104、第三阀门107、第四阀门108以及第五阀门110的打开，并关闭第二阀门105，然后启动空气压缩机103并适当调节空气比例阀102的开度；一定时间间隔后所述燃料电池控制器3关闭所述空气比例阀102使空气在所述空气压缩机103、燃料电池电堆2、增湿器106和燃料电池空气管理器件109之间形成封闭的循环回路对燃料电池电堆的膜电极和双极板进行持续且递进性预热；然后返回S601实时监测并比较TF与TC、TS之间的大小变化；
S603：所述燃料电池控制器3分别控制第一阀门104、第三阀门107、第四阀门108以及第五阀门110的打开，并关闭第二阀门105，然后启动空气压缩机103并适当调节空气比例阀102的开度，然后以小功率大电流启动(低功率工作)燃料电池电堆2使其产生的电能以欧姆极化热的形式加速暖机升温；在此过程中适当调整所述空气比例阀102的开度并间歇开启第四阀门108接于空气尾排管路的通道以补给自热过程所消耗的氧气，然后返回S601实时监测并比较TF与TC、TS之间的大小变化；
S604：进入正常工作，所述燃料电池控制器3分别控制第一至第四阀门以及空气比例阀102的开启，并关闭第五阀门110，然后启动空气压缩机103完成燃料电池的低温启动以及进行后续的燃料电池功率输出或其他操作；然后实时接收整车控制器传递过来的燃料电池汽车的实时行驶状态并进入S610；
S610：判断是否需要换热，所述燃料电池控制器3开始检测是否燃料电池汽车处于平稳行驶状态且燃料电池空气管理器件109需要解吸再生；是则进入S611，否则返回S604；
S611：进行燃料电池空气管理器件的换热，所述燃料电池控制器3分别控制第一阀门至第五阀门，以及控制空气比例阀102开启，然后启动所述空气压缩机103使环境中的空气在空气压缩机103的作用下绝热压缩产生高温空气流，而高温空气流在流经燃料电池空气管理器件109，储热颗粒所吸附的水分遇热从吸附剂内脱附并被高速空气流带出，此时燃料电池空气管理器件109完成空气的预增湿，经过预增湿的空气流再进入增湿器106补湿，然后输入至燃料电池电堆2进行电催化还原反应输出电能；在此过程中所述燃料电池控制器3实时监测第一温度传感器111和第二温度传感器112所显示温度To和Ti的大小变化，然后进入S612。
在S612中，所述燃料电池控制器3检测是否存在Ti-To≤ΔT的情况，To为燃料电池空气管理器件输出口的温度，Ti为燃料电池空气管理器件内部的温度，ΔT为燃料电池空气管理器件的温差阈值，0℃≤ΔT≤10℃：是则进入S613；否则返回S611。
在S613中，所述燃料电池控制器3控制第二阀门105开启接于增湿器106的通路，并关闭第五阀门110，从而完成所储热颗粒的解吸再生准备下一次的燃料电池的低温启动。
综上所述，本申请具有以下特点：
(1)储热密度大，远高于显热和潜热的储能方式，从而可减少材料的用量与体积，尤其是沸石/水工质对具有相对较高的储能密度和能量密度，吸收能力强，吸附热值大，吸附速度快等优点；
(2)升温速度快，利用吸附热对空气压缩机入口处的空气进行补热升温；
(3)环境适应性强，所述燃料电池空气管理器件处于关闭时，即没有气流通过，储热颗粒将会一直处于储能状态，不受时间及环境温度的限制，无需长时间的绝热保温，从而降低了装置的成本；
(4)能源利用率高，预热过程无需外接电源加热或氢燃烧加热；再生过程充分利用空气压缩机对空气做功产生的热能实现储热颗粒的换热过程，从而将空气压缩机工作时所产生的热能储存在储热颗粒内，不仅降低了流出空气压缩机的空气温度还大幅降低了额外能耗，而且实现了空气的预增湿从而降低了增湿器的能耗，进而延长了燃料电池汽车的续航里程。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种燃料电池空气管理器件，其特征在于，包括：器件本体以及设置在所述器件本体内的储热颗粒，所述器件本体还包括器件本体输入口和器件本体输出口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池空气管理器件，其特征在于，所述储热颗粒包含硅胶、活性炭、活性氧化铝、金属有机骨架以及沸石中的至少一种材料。
3.根据权利要求1或者2所述的燃料电池空气管理器件，其特征在于，所述器件本体包括用于装载储热颗粒的储物腔和用于保温的壳体。
4.根据权利要求1所述的燃料电池空气管理器件，其特征在于，在所述器件本体输入口和所述器件本体输出口相匹配的位置分别设有滤网。
5.一种燃料电池空气管理系统，其特征在于，包括：
空气供给单元，所述空气供给单元包括用于加湿空气的增湿器和用于预热空气的燃料电池空气管理器件，当加湿空气经过所述燃料电池空气管理器件后能够被预热；
燃料电池电堆，所述燃料电池电堆与所述空气供给单元连通；
燃料电池控制器，所述燃料电池控制器用于控制所述空气供给单元以及所述燃料电池电堆的空气输入和输出，所述燃料电池控制器分别与所述空气供给单元以及所述燃料电池电堆信号连接。
6.根据权利要求5所述的燃料电池空气管理系统，其特征在于，所述空气供给单元还包括空气压缩机，所述空气压缩机用于压缩以及加热空气，所述空气压缩机与所述增湿器连通。
7.根据权利要求6所述的燃料电池空气管理系统，其特征在于，所述压缩机的输出口通过第一阀门分别与增湿器的输入口以及燃料电池电堆的输入口连通，所述压缩机的输出口还通过第二阀门分别与燃料电池空气管理器件的输入口以及所述增湿器的输入口连通，所述增湿器的输出口通过第三阀门分别与燃料电池电堆的输入口以及所述燃料电池空气管理器件的输入口连通，所述燃料电池电堆的输出口通过第四阀门分别与所述燃料电池电堆的排放口以及所述增湿器的输入口连通，所述燃料电池空气管理器件的输出口通过第五阀门分别与所述空气压缩机的输入口以及所述增湿器的输入口连通。
8.根据权利要求7所述的燃料电池空气管理系统，其特征在于，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门以及所述第五阀门均包括三通电磁阀。
9.根据权利要求5或者6所述的燃料电池空气管理系统，其特征在于，所述燃料电池空气管理系统还包括用于过滤的空气滤清器以及用于控制空气流量的第六阀门，所述空气滤清器与所述第六阀门连通。
10.根据权利要求5所述的燃料电池空气管理系统，其特征在于，所述燃料电池空气管理系统还包括第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器，所述第一温度传感器用于检测所述燃料电池空气管理器件的输出口的温度，所述第二温度传感器用于检测所述燃料电池空气管理器件的内部温度，所述第三温度传感器用于检测所述燃料电池电堆的内部温度。
11.一种燃料电池空气管理方法，其特征在于，包括：
检测燃料电池电堆的内部的当前温度，当所述当前温度低于正常工作温度阈值时；
将空气输入至所述燃料电池电堆；
空气经过所述燃料电池电堆的输出口后进行加湿；
加湿后的空气输入至燃料电池空气管理器件，并在所述燃料电池空气管理器件进行空气预热；
经过预热后的空气输入至所述燃料电池电堆，预热所述燃料电池电堆，所述燃料电池电堆进行冷启动。
12.根据权利要求11所述的燃料电池空气管理方法，其特征在于，在将空气输入至所述燃料电池电堆的步骤之前，所述燃料电池空气管理方法还包括：提供用于压缩以及加热空气的空气压缩机，经过所述空气压缩机压缩和加热的空气输入至所述燃料电池电堆。
13.根据权利要求11所述的燃料电池空气管理方法，其特征在于，在所述燃料电池电堆进行冷启动的步骤后，当TC≤TF≤TS时，所述燃料电池电堆进行低功率工作并发热，当TS＜TF时，所述燃料电池电堆进行正常工作，其中，TF为燃料电池电堆的当前温度，TC为冷启动温度阈值，TS为正常工作温度阈值。
14.根据权利要求13所述的燃料电池空气管理方法，其特征在于，TC和TS的数学关系表达为：－5℃≤TC≤0℃＜TS。
15.一种燃料电池空气管理方法，其特征在于，包括：
检测燃料电池电堆的TF，当TF＜TS时，则燃料电池电堆处于冷启动状态，当TF≥TS时，所述燃料电池电堆处于正常工作状态，其中，TF为燃料电池电堆的当前温度，TS为正常工作温度阈值；
当所述燃料电池电堆由所述冷启动状态进入所述正常工作状态后，加热空气并输入至燃料电池空气管理器件，所述燃料电池空气管理器件进行换热，然后空气再进行加湿后输入至燃料电池电堆。
16.根据权利要求15所述的燃料电池空气管理方法，其特征在于，当所述燃料电池电堆由所述冷启动状态进入所述正常工作状态后，加热空气并输入至燃料电池空气管理器件，所述燃料电池空气管理器件进行换热，然后空气再进行加湿后输入至燃料电池电堆的步骤包括：
开启空气供给单元，空气输入至空气压缩机进行压缩和加热；
空气经过所述空气压缩机的输入口输入至燃料电池空气管理器件，并加热所述燃料电池空气管理器件；
空气经过所述燃料电池空气管理器件的输入口输入至增湿器，并在所述增湿器进行空气加湿；
空气经过所述增湿器的输出口输入至所述燃料电池电堆，所述燃料电池电堆工作，且将空气由燃料电池电堆的排放口排出。
17.根据权利要求15或者16所述的燃料电池空气管理方法，其特征在于，还包括：检测To和Ti，其中，To为燃料电池空气管理器件输出口的温度，Ti为燃料电池空气管理器件内部的温度；
当Ti-To≤ΔT时，则空气输入至所述燃料电池电堆，且关闭所述燃料电池空气管理器件的输入口和输出口，其中，ΔT为燃料电池空气管理器件的温差阈值，0℃≤ΔT≤10℃。
18.一种燃料电池空气管理方法，其特征在于，包括：检测TF；
当TF＜TC时，则燃料电池电堆处于冷启动状态；
当TC≤TF≤TS时，所述燃料电池电堆处于低功率状态；
当TS＜TF时，所述燃料电池电堆进行正常工作，其中，TF为燃料电池电堆的当前温度，TC为冷启动温度阈值，TS为正常工作温度阈值。
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