CN113964340A - 一种燃料电池低温快速冷启动的系统、方法及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池车辆领域，具体涉及一种燃料电池低温快速冷启系统、方法及车辆，包括与电堆相连通的氢气进气管路及空气进气管路，所述空气进气管路与所述氢气进气管路之间设置有支路，所述支路的一侧与所述空气进气管路中空压机与进气节气阀之间的管路相连通，所述支路的另一侧与所述氢气进气管路中设置的换热腔相连通，所述支路上设置有支路阀门；通过利用空压机出口的相对高温气体，在换热腔中将冷的氢气进行预热，实现进入电堆的空气及氢气均为相对高的温度；解决燃料电池在低温或极低温度的快速冷启问题，提高启动成功率的同时缩短启动时间；并且减少冷吹扫时间，停车后不必等待燃料电池系统关机，提高客户体验度。

Description

一种燃料电池低温快速冷启动的系统、方法及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池车辆领域，具体涉及一种燃料电池低温快速冷启动的系统、方法及车辆。
背景技术
目前满足工业规模生产的电力主要有火电、水电、核电三种，燃料电池发电正逐渐成为第四种电力，也正在美、日等发达国家崛起。燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置，其具有发电效率高、污染小、噪音低等优点，可广泛应用于汽车、军事、发电厂等多领域中。
但在现有的技术发展状况下，燃料电池系统因其本身工作原理，还存在一定的技术难题，尤其在低温下进行冷启动，即当工作环境低于0℃时，燃料电池电化学反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍电化学反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对燃料电池内部结构造成破坏，导致燃料电池反应性能降低。
现有实现快速低温冷启动的方式主要包括：冷启动及冷吹扫。如何在低温环境下实现快速冷启动是燃料电池发展至关重要的一步，现有燃料电池低温冷启动技术中，主要分为外加热启动及自启动，其中外加热主要通过PTC外加热的方法解决；较先进的燃料电池发动机可实现自启动，但具有冷启环境温度限制；当环境温度过低时，仍需外加热启动；冷吹扫即低温环境下，关闭燃料电池系统时需将运行过程中产生的水通过吹扫带出，从而减小结冰对电堆的损伤，是低温启动不可或缺的一步，为尽可能的减小冷启失败的风险，冷吹扫时间通常需较长时间。
公开号为CN105390715A的发明专利公开了一种低温冷启动燃料电池系统及利用方法，其通过低温冷启动加热装置加速燃料电池在低温下的冷启动；此种方法虽较常用，但历时较长，尤当环境温度过低时，将电堆加热至启机温度历时过长。
公开号为CN203071170U的实用新型专利公开了燃料电池低温快速启动系统，其方法针对如何实现快速低温自启动，在启动过程中，将经过电堆的相对高温气体通过支路引致空压机前端加以利用，此种方法前提是电堆可成功启动，且经过电堆的空气已反应消耗部分氧气，再引致空压机前端，降低了入堆氧浓度，增大了冷启动失败的风险。
公开号为CN209374567U的实用新型专利公开了一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统，其具体的方案为将空压机出气通过涡流室直通电堆，涡流室内设有冷热管，通过冷热气体掺混控制入堆气体的温度。此方法虽可提高进堆气体的温度，但通过涡流室的冷热流体由于流速较高，控温较困难，稳温时间较长；虽可一定程度上提高入堆气体温度，但仍没有避免电堆处于低温环境下的启动，有一定失败的风险。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种燃料电池低温快速冷启动的系统、方法及车辆，减少了燃料电池系统冷启动的时间，实现了极低温度下的燃料电池自启动。
作为本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池低温快速冷启系统，包括与电堆相连通的氢气进气管路及空气进气管路，所述空气进气管路与所述氢气进气管路之间设置有支路，所述支路的一侧与所述空气进气管路中空压机与进气节气阀之间的管路相连通，所述支路的另一侧与所述氢气进气管路中设置的换热腔相连通，所述支路上设置有支路阀门。
进一步地，所述燃料电池低温快速冷启系统还包括与电堆相连接的空气或氢气排气管路，所述空气或氢气排气管路设置有温度传感器。
进一步地，所述空气进气管路设置有中冷器，所述中冷器设置进气节气阀与空压机之间，所述支路与中冷器的进气管路连通。
作为本发明实施例的再一方面，提供了一种燃料电池低温快速冷启方法，所述燃料电池低温快速冷启方法包括：
将经过空压机的高温气体引入换热腔与氢气混合后通入电堆；
根据电堆排出的空气温度确定是否开启电堆。
进一步地，所述方法还包括：
准备启动电堆时，关闭进气节气阀，开启支路阀门；
监测空气出气管路的空气温度；
当空气温度到达预设温度值时，启动电堆，开启进气节气阀，关闭支路阀门。
进一步地，控制燃料电池带载运行，带载吹扫电堆预设时间后，关闭电堆。
进一步地，所述方法还包括：所述预设温度值根据温度环境进行设定，当温度到达预设温度值后，自动启动电堆，所述预设时间范围为-30℃～80℃。
进一步地，所述预设时间设置为固定值，或所述预设时间根据燃料电池湿度设定。
作为本发明实施例的又一方面，提供了一种车辆，所述车辆包括如上任意实施例所述的燃料电池低温快速冷启系统。
本发明实施例至少实现了如下技术效果：
本发明实施例通过利用空压机出口的相对高温气体，在换热腔中将冷的氢气进行预热，实现进入电堆的空气及氢气均为相对高的温度；解决燃料电池在低温或极低温度的快速冷启问题，提高启动成功率的同时缩短启动时间；另外，通过本发明方法可减少冷吹扫时间，使得司机在停车后不必浪费时间等待燃料电池系统关机，提高了客户体验舒适度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所记载的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例的燃料电池的低温快速冷启动系统管路连接示意图。
图2为本发明一实施例的燃料电池的低温快速冷启动方法流程图。
图3为本发明一实施例的燃料电池的低温快速冷启动方法具体流程图。
附图说明：1、空气进气管路；11、空压机；12、进去节气门；13、中冷器；2、氢气进气管路；21、换热腔；3、支路；31、支路阀门；4、电堆；5、空气排气管路；6、吹扫管路；7、氢气排气管路。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
附图和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
在一个实施例中，提供了一种燃料电池低温快速冷启系统，，参见附图1，包括与电堆相连通的氢气进气管路1及空气进气管路2，所述空气进气管路1与所述氢气进气管路2之间设置有支路3，所述支路3的一侧与所述空气进气管路1中空压机11与进气节气阀12之间的管路相连通，所述支路3的另一侧与所述氢气进气管路2中设置的换热腔21相连通，所述支路3上设置有支路阀门31。
在本实施例中，换热腔主要是氢气加热腔，通过空压机出来的相对高温对氢气加热；发动机上电后启动前，保持空气进气管路的进气节气门12关闭状态，开启支路阀门31；待支路阀门31达到全开状态后开启空压机11及氢气进气，利用空压机11出口的相对高温气体，在换热腔21中将冷的氢气进行预热，达到进入电堆4的空、氢皆为相对高温的目的。其中，换热腔为一个简单的管壳式换热器，结构简单，且不需控温。
本实施例解决了燃料电池在低温下(包括环境温度≤-20℃的极低温度)的快速冷启问题，提高启动成功率的同时缩短启动时间；减少冷吹扫时间，取消空载吹扫的程序，使得司机在停车后不必浪费过多时间等待燃料电池系统关机，提高了客户体验舒适度。
在一个实施例中，所述燃料电池低温快速冷启系统还包括与电堆相连接的空气或氢气排气管路，所述空气或氢气排气管路设置有温度传感器。
在本实施例中，将高温空、氢通入电堆，对电堆进行加热，在空气排气管路5的空气出堆处设一温度传感器，当此温度≥预设温度值(-30℃～80℃)时，开启电堆，待冷启动成功后，开启进气节气门3，关闭支路阀门4；或者，也可以在氢气排气管路7出堆处设一温度传感器，当达到一定温度时，即可开启电堆。本实施例通过电堆中排出气体的温度判断启动时机，保证了电池内部的温度能够达到一定值，保证了冷启动的成功率及效率。
在一个实施例中，所述空气进气管路1设置有中冷器13，所述中冷器13设置进气节气阀12与空压机11之间，所述支路3与中冷器13的进气管路连通。
在本实施例中，进气节气阀12设置在中冷器13，有效的控制进入电堆的温度，且能够保证在进气节气阀12的开启过程中，冷却空气可以快速流入电堆，加速启动时间。
在一个实施例中，所述燃料电池低温快速冷启系统还包括与换热腔21连通的吹扫管路6，所述吹扫管路6上设置有吹扫装置及氢气循环泵。
在本实施例，待燃料电池运行完毕，进行冷吹扫，吹扫方式为带载吹扫，时间可以设置为T1，T1可以为2分钟，当然，也可以根据需要进行调整。在本实施例中，不需要进行空载吹扫，减少整体的吹扫时间，即可实现快速冷启动的自启动。例如：正常冷启动，为了尽可能吹干净不结冰，带载出扫+空载吹扫至少时间需4min。通过本实施例系统，可只进行带载吹扫，时间仅需2min，减少一半的吹扫时间，即可保证冷启动效率，减少司机等待时间。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种燃料电池低温快速冷启方法，由于一种燃料电池低温快速冷启方法所解决问题的原理与前述实施例的一种燃料电池低温快速冷启系统相似，因此本实施例的实施可以参见前述一种燃料电池低温快速冷启系统的实施，重复之处不再赘述。
作为本发明实施例的再一方面，提供了一种燃料电池低温快速冷启方法，如图2所述，所述燃料电池低温快速冷启方法包括：
S11将经过空压机的高温气体引入换热腔与氢气混合后通入电堆；
S12根据电堆排出的空气温度确定是否开启电堆。
在一个实施例中，所述方法还包括：
准备启动电堆时，关闭进气节气阀，开启支路阀门；
监测空气出气管路的空气温度；
当空气温度到达预设温度值时，启动电堆，开启进气节气阀，关闭支路阀门。具体地，如图3所示，所述方法包括：
S21燃料电池系统上电，准备启动电堆；
S22关闭进气节气阀，开启支路阀门；
S23开启空压机，氢气与空气混合的高温气体通入电堆；
S24监测空气出气管路的空气温度；
S25判断排出空气温度是否到达预设温度值，若是，则转至S26；若否，则转至S24；
S26开启进气节气阀，关闭支路阀门，启动电堆；
S27运行完成后，关机，带载吹扫T1。
本实施例可以不进行控温，减少了控温系统的结构架构和控制的复杂度及成本，当进出堆空气温度达到预设温度即可启动。例如，系统在-10℃可保证成功启动。那么在-30℃冷启动时，本通过本实施方法监测出出堆温度达到-10℃，即认为堆温处于-10℃，则可进行冷启动。
通过上述方法，保证进堆空、氢气皆为相对高温气体；通过换热腔21，将空压机11出口的高温空气对氢气进行加热，保证入堆的气体皆具有一定温度，与无氢气预热的系统相比，有效的提高系统自启动成功概率；当电堆温度达到预设温度后，即可自启动。
在一个实施例中，如图3所示，当燃料电池运行完成后，控制燃料电池带载运行，带载吹扫电堆预设时间后，关闭电堆。
为了不结冰，一般空气融冰方法会尽可能的增加吹扫时间，保证吹扫干净，本实施通过在开机之前进行高温气体的预热，可减小吹扫时间，即使没有吹扫干净，也可以通过预热实现开机前融冰效果，顺利开机。
在一个实施例中，所述方法还包括：所述预设温度值根据温度环境进行设定，当温度到达预设温度值后，自动启动电堆，所述预设时间值为-30℃～80℃。其中的预设温度值可以是-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃等，可根据电堆系统的性能及适用环境调整设定固定值，也可以结合环境温度及湿度自动调整预设温度值。
在一个实施例中，所述预设时间设置为固定值，或所述预设时间根据燃料电池湿度设定。
现有技术中，当环境温度≤-20℃时，基本为PTC外加热启动，通过本实施例方法，可将电堆温度暖机至预设温度(不同环境温度可标定不同自启温度预设温度)时，再进行自启，实现了极低温度下的燃料电池自启动。本实施方法当环境温度极低时(≤-20℃)，甚至-30℃、-40℃时，均可实现系统快速自启动。本实施例方法利用高温气体进行暖机，待电堆温度达到预设温度后，再进行开机，达到了快速暖机的目的，与传统PTC加热方法相比，大幅度减少了冷启动时间的同时，提高冷启动成功率。
本实施例方法与通过涡流管进行控温的方式相比，不需要复杂的控温程序，避免了等待温度稳定的时间消耗，且换热腔结构简单，保证进堆的空、氢气体皆为具有一定温度的高温气体，可有效的提高系统自启成功概率。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种车辆，由于该车辆所解决问题的原理与前述实施例的一种燃料电池低温快速冷启系统相似，因此本实施例的实施可以参见前述一种燃料电池低温快速冷启系统的实施，重复之处不再赘述。
本发明实施例提供了一种车辆，所述车辆包括如上任意实施例所述的燃料电池低温快速冷启系统。
本实施例提供的车辆具有在低温环境下能够实现快速冷启动，且吹扫时间短，不需要进行空载吹扫，避免了司机关机后的等待，提高用户体验。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池低温快速冷启系统，包括与电堆相连通的氢气进气管路及空气进气管路，其特征在于，所述空气进气管路与所述氢气进气管路之间设置有支路，所述支路的一侧与所述空气进气管路中空压机与进气节气阀之间的管路相连通，所述支路的另一侧与所述氢气进气管路中设置的换热腔相连通，所述支路上设置有支路阀门。
2.如权利要求1所述的燃料电池低温快速冷启系统，其特征在于，所述燃料电池低温快速冷启系统还包括与电堆相连接的空气或氢气排气管路，所述空气或氢气排气管路设置有温度传感器。
3.如权利要求2所述的燃料电池低温快速冷启系统，其特征在于，所述空气进气管路设置有中冷器，所述中冷器设置进气节气阀与空压机之间，所述支路与中冷器的进气管路连通。
4.一种燃料电池低温快速冷启方法，其特征在于，所述燃料电池低温快速冷启方法包括：
将经过空压机的高温气体引入换热腔与氢气混合后通入电堆；
根据电堆排出的空气温度确定是否开启电堆。
5.如权利要求4所述的燃料电池低温快速冷启方法，其特征在于，所述方法还包括：
准备启动电堆时，关闭进气节气阀，开启支路阀门；
监测空气出气管路的空气温度；
当空气温度到达预设温度值时，启动电堆，开启进气节气阀，关闭支路阀门。
6.如权利要求5所述的燃料电池低温快速冷启方法，其特征在于，控制燃料电池带载运行，带载吹扫电堆预设时间后，关闭电堆。
7.如权利要求5所述的燃料电池低温快速冷启方法，其特征在于，所述方法还包括：所述预设温度值根据温度环境进行设定，当温度到达预设温度值后，自动启动电堆，所述预设时间范围为-30℃～80℃。
8.如权利要求6所述的燃料电池低温快速冷启方法，其特征在于，所述预设时间设置为固定值，或所述预设时间根据燃料电池湿度设定。
9.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括燃料电池及如权利要求1-3任意所述的燃料电池低温快速冷启系统。
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