CN115117402A - 一种燃料电池系统无辅助启动系统及启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体为一种燃料电池系统无辅助启动系统及启动方法，涉及燃料电池领域，电气系统包括电气切换装置、第一DC/DC、第二DC/DC、启动电池，启动电池与电气切换装置电性连接，燃料电池堆通过第一DC/DC、第二DC/DC与电气切换装置电性连接，电气切换装置分别与空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统电性连接，氢气系统包括辅助启动氢气开关阀。燃料电池系统无法通过启动电池启动时，手动打开辅助启动氢气开关阀，第一DC/DC向控制系统供电，空气系统工作，第二DC/DC向空气系统、冷却系统、控制系统供电，打开氢气系统阀门，关闭辅助启动氢气开关阀，第二DC/DC向氢气系统供电，完成燃料电池系统无辅助启动。

Description

一种燃料电池系统无辅助启动系统及启动方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，具体为一种燃料电池系统无辅助启动系统及启动方法。

背景技术

随着汽车技术的不断发展，燃料电池逐渐兴起用于解决内燃机汽车排放量大及纯电动汽车续航里程短的问题。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是广泛应用的一种燃料电池，其具有工作温度低，电池启动速度快，噪声低，比功率高等优点，已成为目前世界各国的研究热点。但同时其自身存在的诸多问题也限制了PEMFC的发展，例如成本高、氢气储存及运输问题以及低温难以启动等问题。

车用燃料电池启动通常需要配置额外的辅助启动电源，包括高压电源和低压电源。当辅助电池发生故障或电量被放掉导致可用功率不够时，燃料电池系统就无法正常启动。其次，在低温环境下，启动电池的容量会变小，导致电压下降，这也可能使燃料电池系统无法正常启动；再者配置启动电池需要额外的空间、质量及成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统无辅助启动系统及启动方法，以解决现有高压启动电池出现故障或电压不足时燃料电池系统无法启动的问题及在恶劣环境时无辅助电源情况下无法启动的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种燃料电池系统无辅助启动系统包括燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆、空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统、电气系统，所述电气系统包括电气切换装置、第一DC/DC、第二DC/DC、启动电池，所述启动电池与电气切换装置电性连接，所述燃料电池堆通过第一DC/DC、第二DC/DC与电气切换装置电性连接，所述电气切换装置分别与空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统电性连接，所述氢气系统包括辅助启动氢气开关阀。

优选的，所述空气系统包括在燃料电池堆空气进口端通过管路依次连接的空滤器、空气流量计、空压机、后冷器、进气阀，以及设置在空气进口端管路上的空气进口温度压力传感器。

优选的，所述空气系统包括在燃料电池堆空气进口端通过管路依次连接的空滤器、鼓风机、进气阀，以及设置在空气进口端管路上的空气进口温度压力传感器。

优选的，所述空气系统还包括在燃料电池堆空气出口端通过管路连接的背压阀，以及设置在空气出口端管路上的空气出口温度压力传感器。

优选的，所述冷却系统包括燃料电池堆出水口与进水口之间通过管路依次连接的液泵和散热器。

优选的，所述冷却系统包括在燃料电池堆出水口处设置的散热风扇，以及进水口处设置的连接空气系统的空滤器后端的进风管路。

优选的，所述氢气系统包括在燃料电池堆氢气进口通过进氢管路依次连接的主开关阀、比例阀、引射器，在氢气出口通过出氢管路依次连接的气液分离器、单向流通常开排氢阀，以及在进氢管路和出氢管路之间连接的氢气循环泵。

优选的，所述氢气系统还包括在进氢管路上设置的氢气进口温度压力传感器、安全阀，在出氢管路上设置的氢气出口温度压力传感器。

优选的，所述辅助启动氢气开关阀一端设置在主开关阀的前端，另一端设置在安全阀的后端。

优选的，所述氢气系统还包括连接在引射器和气液分离器之间的循环管路。

本发明还提供了一种启动方法，所述方法为：手动打开辅助启动氢气开关阀，燃料电池堆启动并发电，电气切换装置切换通过第一DC/DC向控制系统供电，所述控制系统控制打开空气系统的进气阀和背压阀，增加空气进气量，以及控制鼓风机或空压机低速运行，所述燃料电池堆发电量增加，所述电气切换装置切换通过第二DC/DC向空气系统、冷却系统、控制系统供电，所述控制系统控制打开氢气系统的主开关阀、比例阀，关闭辅助启动氢气开关阀，并控制单向流通常开排氢阀定时排氢，所述电气切换装置切换通过第二DC/DC向氢气系统供电，增加氢气进气量，提高燃料电池堆发电量，从而完成燃料电池系统无辅助启动。

优选的，所述方法还包括由电气切换装置切换到第二DC/DC 向启动电池充电，为下一次燃料电池系统的无辅助启动做准备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过在氢气系统进氢管路上并联一可手动打开的辅助启动氢气开关阀和在排氢管路上配置一单向流通常开排氢阀，采用该发明技术的燃料电池系统在车用领域、发电及备电应用时，在高压启动电池出现故障或低温环境下启动电池容量不足而导致燃料电池无法启动的情况下，手动打开辅助启动氢气开关阀后，氢气燃料即可进入燃料电池堆，与燃料电池堆内的少量空气发生反应，从而实现燃料电池堆少量发电，进一步通过电气系统和控制系统的配合，实现燃料电池堆的无辅助启动以及启动电池的充电，本发明的系统以及启动方法易于实现，值得发展和推广。

附图说明

图1为燃料电池系统无辅助启动系统的电气系统的原理框图；

图2为实施例1燃料电池系统的结构原理图；

图3为实施例1、2的启动方法流程图；

图4为实施例2燃料电池系统的结构原理图。

附图标注：

空滤器1、空气流量计2、空压机3、后冷器4、进气阀5、空气进口温度压力传感器6、背压阀7、空气出口温度压力传感器8、液泵9、散热器10、主开关阀11、比例阀12、引射器13、气液分离器14、单向流通常开排氢阀15、氢气循环泵16、循环管路17、氢气进口温度压力传感器18、安全阀19、氢气出口温度压力传感器20、鼓风机21、散热风扇22、进风管路23、辅助启动氢气开关阀24。

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。

实施例1：

本实施例提出了一种燃料电池系统无辅助启动系统，该系统如图1、2所示，所述燃料电池系统包括燃料电池堆、空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统、电气系统，所述电气系统包括电气切换装置、第一DC/DC、第二DC/DC、启动电池，所述启动电池与电气切换装置电性连接，所述燃料电池堆通过第一DC/DC、第二DC/DC与电气切换装置电性连接，所述电气切换装置分别与空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统电性连接，所述氢气系统包括辅助启动氢气开关阀24。

该系统已安装在燃料电池发动机、无人机、便携式发电设备上应用，所用的燃料电池系统为液冷系统，包括燃料电池堆、空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统，所述电气切换装置分别与空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统电性连接。该燃料电池系统具体结构原理参见图2。所述空气系统包括在燃料电池堆空气进口端通过管路依次连接的空滤器1、空气流量计2、空压机3、后冷器4、进气阀5，以及设置在空气进口端管路上的空气进口温度压力传感器6。所述空气系统还包括在燃料电池堆空气出口端通过管路连接的背压阀7，以及设置在空气出口端管路上的空气出口温度压力传感器8。所述冷却系统包括燃料电池堆出水口与进水口之间通过管路依次连接的液泵9和散热器10。所述氢气系统包括在燃料电池堆氢气进口通过进氢管路依次连接的主开关阀11、比例阀12、引射器13，在氢气出口通过出氢管路依次连接的气液分离器14、单向流通常开排氢阀15，以及在进氢管路和出氢管路之间连接的氢气循环泵16。所述氢气系统还包括连接在引射器13和气液分离器14之间的循环管路17。所述氢气系统还包括在进氢管路上设置的氢气进口温度压力传感器18、安全阀19，在出氢管路上设置的氢气出口温度压力传感器20。所述辅助启动氢气开关阀24一端设置在主开关阀11的前端，另一端设置在安全阀19的后端。

所述空气系统用于将空气供应至燃料电池堆阴极；氢气系统用于将氢燃料供应至燃料电池堆阳极；冷却系统用于调节燃料电池堆的温度；电气系统包括24V启动电池、DC/DC和电气切换装置等，用于给各部件进行供电；控制系统为现有技术，包括各类传感器、执行器以及FCU等，用于检测和调控燃料电池堆的运行状态。本实施例需要2个DC/DC配合电气切换装置完成无辅助启动。

对于燃料电池堆的正常启动，需高压启动电池给空压机3供电运行，其他辅助部件由低压启动电池供电正常运行，将空气和氢气供入至燃料电池堆发生电化学反应而产生电能，此时燃料电池堆能够正常启动。

然而，当所述高压电池出现故障或电量不足时或无法配置时，亦或在低温环境下，由于容量变小，电压下降而导致启动电池无法驱动空压机时，此时燃料电池堆启动较为困难甚至无法启动。为此本实施例的燃料电池系统采用图1所述的电气系统并结合图2的燃料电池系统以及下述的启动方法来解决以上问题。

本实施例还提供了一种启动方法，参见附图3，具体为手动打开辅助启动氢气开关阀24，燃料电池堆启动并发电，电气切换装置切换通过第一DC/DC向控制系统供电，所述控制系统控制打开空气系统的进气阀5和背压阀7，增加空气进气量，以及控制空压机3低速运行，所述燃料电池堆发电量增加，所述电气切换装置切换通过第二DC/DC向空气系统、冷却系统、控制系统供电，所述控制系统控制打开氢气系统的主开关阀11、比例阀12，关闭辅助启动氢气开关阀24，并控制单向流通常开排氢阀15定时排氢，所述电气切换装置切换通过第二DC/DC向氢气系统供电，增加氢气进气量，提高燃料电池堆发电量，从而完成燃料电池系统无辅助启动。燃料电池堆正常启动后，电气切换装置切换由第二DC/DC 向启动电池充电，为下一次燃料电池系统的无辅助启动做准备。

实施例2：

本实施例提出的燃料电池系统无辅助启动系统的电气系统与实施例1的结构原理相同，不再赘述。本实施例与实施例1的不同之处在于所用的燃料电池系统为风冷系统，同样包括燃料电池堆、空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统。该燃料电池系统具体结构原理参见图4。所述空气系统包括在燃料电池堆空气进口端通过管路依次连接的空滤器1、鼓风机21、进气阀5，以及设置在空气进口端管路上的空气进口温度压力传感器6。所述空气系统还包括在燃料电池堆空气出口端通过管路连接的背压阀7，以及设置在空气出口端管路上的空气出口温度压力传感器8。所述冷却系统包括在燃料电池堆出水口处设置的散热风扇22，以及进水口处设置的连接空气系统的空滤器1后端的进风管路23。所述氢气系统包括在燃料电池堆氢气进口通过进氢管路依次连接的主开关阀11、比例阀12、引射器13，在氢气出口通过出氢管路依次连接的气液分离器14、单向流通常开排氢阀15，以及在进氢管路和出氢管路之间连接的氢气循环泵16。所述氢气系统还包括连接在引射器13和气液分离器14之间的循环管路17。所述氢气系统还包括在进氢管路上设置的氢气进口温度压力传感器18、安全阀19，在出氢管路上设置的氢气出口温度压力传感器20。所述辅助启动氢气开关阀24一端设置在主开关阀11的前端，另一端设置在安全阀19的后端。

对于燃料电池堆的正常启动，需高压启动电池给鼓风机21供电运行，其他辅助部件由低压启动电池供电正常运行，将空气和氢气供入至燃料电池堆发生电化学反应而产生电能，此时燃料电池堆能够正常启动。

然而，当所述高压电池出现故障或电量不足时或无该配置时，亦或在低温环境下，由于容量变小，电压下降而导致启动电池无法驱动鼓风机21时，此时燃料电池堆启动较为困难甚至无法启动。为此本实施例的燃料电池系统采用图1所述的电气系统并结合图4的燃料电池系统以及下述的启动方法来解决以上问题。

本实施例还提供了一种启动方法，参见附图3，具体为手动打开辅助启动氢气开关阀24，燃料电池堆启动并发电，电气切换装置切换通过第一DC/DC向控制系统供电，所述控制系统控制打开空气系统的进气阀5和背压阀7，增加空气进气量，以及控制鼓风机21低速运行，所述燃料电池堆发电量增加，所述电气切换装置切换通过第二DC/DC向空气系统、冷却系统、控制系统供电，所述控制系统控制打开氢气系统的主开关阀11、比例阀12，关闭辅助启动氢气开关阀24，并控制单向流通常开排氢阀15定时排氢，所述电气切换装置切换通过第二DC/DC向氢气系统供电，增加氢气进气量，提高燃料电池堆发电量，从而完成燃料电池系统无辅助启动。燃料电池堆正常启动后，电气切换装置切换由第二DC/DC 向启动电池充电，为下一次燃料电池系统的无辅助启动做准备。

采用实施例1和2技术的燃料电池系统发动机在车用领域应用时，可取消额外的高压启动电池，从而降低车辆成本。在较低温时也能顺利启动，环境适用性强，符合发展和推广需求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统无辅助启动系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆、空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统、电气系统，其特征在于：所述电气系统包括电气切换装置、第一DC/DC、第二DC/DC和启动电池，所述启动电池与电气切换装置电性连接，所述燃料电池堆通过第一DC/DC、第二DC/DC与电气切换装置电性连接，所述电气切换装置分别与空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统电性连接，所述氢气系统包括辅助启动氢气开关阀。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统无辅助启动系统，其特征在于：所述空气系统包括在燃料电池堆空气进口端通过管路依次连接的空滤器、空气流量计、空压机、后冷器、进气阀，以及设置在空气进口端管路上的空气进口温度压力传感器。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统无辅助启动系统，其特征在于：所述空气系统包括在燃料电池堆空气进口端通过管路依次连接的空滤器、鼓风机、进气阀，以及设置在空气进口端管路上的空气进口温度压力传感器。

4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统无辅助启动系统，其特征在于：所述空气系统还包括在燃料电池堆空气出口端通过管路连接的背压阀，以及设置在空气出口端管路上的空气出口温度压力传感器。

5.根据权利要求2所述的燃料电池系统无辅助启动系统，其特征在于：所述冷却系统包括燃料电池堆出水口与进水口之间通过管路依次连接的液泵和散热器。

6.根据权利要求3所述的燃料电池系统无辅助启动系统，其特征在于：所述冷却系统包括在燃料电池堆出水口处设置的散热风扇，以及进水口处设置的连接空气系统的空滤器后端的进风管路。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统无辅助启动系统，其特征在于：所述氢气系统包括在燃料电池堆氢气进口通过进氢管路依次连接的主开关阀、比例阀、引射器，在氢气出口通过出氢管路依次连接的气液分离器、单向流通常开排氢阀，以及在进氢管路和出氢管路之间连接的氢气循环泵。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统无辅助启动系统，其特征在于：所述氢气系统还包括在进氢管路上设置的氢气进口温度压力传感器、安全阀，在出氢管路上设置的氢气出口温度压力传感器。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统无辅助启动系统，其特征在于：所述辅助启动氢气开关阀一端设置在主开关阀的前端，另一端设置在安全阀的后端。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统无辅助启动系统，其特征在于：所述氢气系统还包括连接在引射器和气液分离器之间的循环管路。

11.一种采用权利要求1-10任意一项所述燃料电池系统无辅助启动系统的启动方法，其特征在于，所述方法为：手动打开辅助启动氢气开关阀，燃料电池堆启动并发电，电气切换装置切换通过第一DC/DC向控制系统供电，所述控制系统控制打开空气系统的进气阀和背压阀，增加空气进气量，以及控制鼓风机或空压机低速运行，所述燃料电池堆发电量增加，所述电气切换装置切换通过第二DC/DC向空气系统、冷却系统、控制系统供电，所述控制系统控制打开氢气系统的主开关阀、比例阀，关闭辅助启动氢气开关阀，并控制单向流通常开排氢阀定时排氢，所述电气切换装置切换通过第二DC/DC向氢气系统供电，增加氢气进气量，提高燃料电池堆发电量，从而完成燃料电池系统无辅助启动。

12.根据权利要求11所述的启动方法，其特征在于：所述方法还包括由电气切换装置切换到第二DC/DC向启动电池充电，为下一次燃料电池系统的无辅助启动做准备。

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