CN115692774A - 一种燃料电池加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池加热系统，其包括燃料电池，燃料电池的出水端和进水端之间增设加热管路形成闭环回路，其中，加热管路上依次连接有水泵和加热模块，加热模块包括空气供应管路、氢气供应管路和板式换热器，板式换热器具有进气口、出气口、进水口以及出水口，板式换热器通过进水口、出水口串接于加热管路上，且板式换热器的换热面板上覆有脱氢催化剂涂层。空气供应管路供应的空气和氢气供应管路供应的氢气均通过进气口接入板式换热器进行氢氧催化反应并释放大量热量。可提升加热效率，缩短低温冷启动耗用的时间；避免加热带来的耗电问题，提升系统集成性，避免电池损伤；提升受热均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池加热系统。
背景技术
燃料电池作为一种清洁、高效的产能设备应运而生。其中，氢燃料电池已经作为氢能发动机的核心部件开始在乘用车领域进行应用。氢燃料电池反应的产物是水，虽然水对环境很友好，但是，在低温下燃料电池生成的水可能结冰，冰会覆盖扩散层和催化层，阻碍氢气和空气传输，膜内质子传导能力差，进而影响燃料电池从低温下的启动能力，为适应全天候，全地区的广泛使用，加快燃料电池低温冷启动研究具有重要意义。
现有的燃料电池加热方法主要存在以下问题：
1、在电池冷却回路中安装电加热器，通过冷却液循环将加热器产生的热量送入电堆，使燃料电池升温。该方法受加热功率的限制，加热效率低且加热速率慢，并且还存在消耗外部蓄电、冷却液受热不均的问题。
2、低压拉载技术，不需要增加额外装置的情况下，实现了燃料电池的快速升温，弥补了电加热器方案的缺陷。但该技术在应用过程中需要让电堆在数值极低的电压环境下工作，这不仅会对电池寿命造成不可逆的损伤，而且也对电压控制技术提出了很大的考验。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池加热系统，提升加热效率，缩短低温冷启动耗用的时间；避免加热带来的耗电问题，提升系统集成性，避免电池损伤；提升冷却液受热均匀性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池低温启动系统，其包括：
燃料电池，所述燃料电池具有进水端和出水端，所述出水端通过加热管路与所述进水端连通，所述加热管路沿所述进水端向所述出水端方向依次连接有水泵和加热模块；
所述加热模块包括空气供应管路、氢气供应管路和板式换热器，所述板式换热器具有进气口、出气口、进水口以及出水口；所述板式换热器通过所述进水口和所述出水口串联于所述加热管路上；所述板式换热器的换热板面上覆有脱氢催化剂；
所述空气供应管路供应的空气和所述氢气供应管路供应的氢气均通过所述进气口接入所述板式换热器进行氢氧催化反应产生热量，以加热流入所述板式换热器中的水；以及
控制模块，所述水泵和所述加热模块均与所述控制模块电连接。
优选的，所述加热模块还包括排气歧管，所述排气歧管具有第一进气端、第二进气端以及排气端，所述第一进气端与所述空气供应管路的出气端连通，所述第二进气端与所述氢气供应管路的出气端连通，所述排气端与所述进气口连通。
优选的，所述空气供应管路上依次连接有空气过滤器、空气压缩机以及空气启停控制阀；
所述空气过滤器、空气压缩机以及空气启停控制阀均与所述控制模块电连接。
优选的，所述氢气供应管路沿其进气端向出气端方向依次连接有储氢瓶、开关阀以及流量阀；
所述开关阀以及流量阀均与所述控制模块电连接。
优选的，所述第二进气端安装有用于控制所述第二进气端开度的阀门，所述阀门的Kv值固定；
其中，Kv值为所述阀门开度的流量系数。
优选的，所述排气端设有氢气浓度传感器，所述氢气浓度传感器与所述控制模块电连接。
优选的，所述加热管路上还设有节温器，所述节温器与所述控制模块电连接。
优选的，所述燃料电池上设有温度传感器，所述温度传感器与所述控制模块电连接。
本发明提供一种燃料电池加热系统，与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明在燃料电池的出水端和进水端之间增设加热管路形成闭环回路，其中，加热管路上依次连接有水泵和加热模块，加热模块包括空气供应管路、氢气供应管路和板式换热器，板式换热器具有进气口、出气口、进水口以及出水口，板式换热器通过进水口、出水口串接于加热管路上，且板式换热器的换热面板上覆有脱氢催化剂涂层。空气供应管路供应的空气和氢气供应管路供应的氢气均通过进气口接入板式换热器进行氢氧催化反应并释放大量热量。
本发明通过喷涂的方法，将脱氢催化剂均匀的附着在板式换热器热流室的换热板面上，板式换热器不仅可以为氢气和氧气提供反应场所，还可以对流入板式换热器中的水进行加热，实现了功能集成，有利于提升系统集成性。不仅如此，由于换热面板面积的量值远大于板间距的量值，因此，提升了氢氧反应的充分程度，也提升了气液换热的速率与效率，同时也保证了水受热均匀。更重要的是，氢气和空气中的氧气在脱氢催化剂的作用下反应速率加快，极大的提升了氢氧反应的放热速率，放热功率可以达到数十千瓦，几秒钟便可以让空气从零下30℃升温至几百摄氏度，可有效缩短低温冷启动耗用的时间。
低温启动时，氢燃料电池的反应产物水在水泵提供的动力作用下，从燃料电池出水端流出进入加热管路，从进水口进入板式换热器，由于板式换热器内发生氢氧催化反应释放大量热量，由此流入板式换热器中的低温水与高温空气进行换热，低温水在板式换热器中换热后温度迅速升高，再从出水口流出，进入燃料电池，将热量传递给燃料电池，由此保证燃料电池在环境温度低于0℃时可以正常启动，防止水结冰，无需额外耗电，避免电池损失，保证低温下燃料电池运行寿命，有效降低燃料电池的低温运行故障率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的燃料电池加热系统的整体结构示意图。
图中：100、燃料电池加热系统；
1、燃料电池；11、进水端、12、出水端；
2、加热管路；21、水泵；22、节温器；
31、空气供应管路；311、空气过滤器；312、空气压缩机；313、空气启停控制阀；
32、氢气供应管路；321、储氢瓶；322、开关阀；323、流量阀；
33、排气歧管；
34、板式换热器；341、进气口；342、出气口；343、进水口；344、出水口。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明实施例提供了一种燃料电池加热系统100，其包括燃料电池1，燃料电池具有进水端11和出水端12，需要说明的是，本实施例提供的燃料电池1为氢燃料电池，氢燃料电池反应的产物是水，水从出水端12流出。但是，在低温下燃料电池生成的水可能结冰，造成电池内部管道堵塞。
本实施例在燃料电池1的出水端12和进水端11之间增设加热管路2形成闭环回路，具体地，氢燃料电池1的反应产物水从出水端12 流出，经加热管路2进行加热，加热后的水从进水端11进入燃料电池，将热量传递给燃料电池1，由此保证燃料电池1在环境温度低于0℃时可以正常启动，防止水结冰，保证低温下燃料电池1运行寿命，有效降低燃料电池1的低温运行故障率。
其中，加热管路2上依次连接有水泵21、节温器22和加热模块，加热模块包括空气供应管路31、氢气供应管路32和板式换热器34，板式换热器34具有进气口341、出气口342、进水口343以及出水口 344，板式换热器34通过进水口343、出水口344串接于加热管路2上，且板式换热器34的换热面板上覆有脱氢催化剂涂层；具体的，脱氢催化剂可以是Pt－Sn/Al2O3、Pt－Zr/Fe－CrAlY或Pd/γ－Al2O3，实现快速升温。
优选的，加热模块还包括排气歧管33，排气歧管33具有第一进气端、第二进气端以及排气端，空气供应管路31供应的空气通过第一进气端接入排气歧管33，氢气供应管路32供应的氢气通过第二进气端接入排气歧管33，空气与氢气在排气歧管33内混合得到氢氧混合气体，氢氧混合气体通过排气端、进气口341进入板式换热器34进行氢氧催化反应并释放大量热量。
低温启动时，氢燃料电池1的反应产物水在水泵21提供的动力作用下，从燃料电池1出水端12流出进入加热管路2，经过水泵21、流经节温器22后从进水口343进入板式换热器34，由于板式换热器34 内发生氢氧催化反应释放大量热量，由此流入板式换热器34中的低温水与高温空气进行换热，低温水在板式换热器34中换热后温度迅速升高，再从出水口344流出，进入燃料电池1，使得燃料电池1温度逐步上升。以上即是加热管路2的闭环回路。
需要说明的是，板式换热器34是由若干具有一定波纹形状的金属换热面板叠装而成的一种高效换热器，换热面板面积的量值远大于板间距的量值。各换热面板之间形成薄矩形通道，通过换热面板进行高温空气和低温液体的热量交换。板式换热器34是液—汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、应用广泛、使用寿命长等特点。
本实施例通过喷涂的方法，将脱氢催化剂均匀的附着在气液板式换热器34热流室的换热板面上，板式换热器34不仅可以为氢气和氧气提供反应场所，还可以对流入板式换热器34中的水进行加热，实现了功能集成，有利于系统的简化。不仅如此，由于换热面板面积的量值相对于板间距的量值很大，因此，提升了氢氧反应的充分程度，也提升了气液换热的速率与效率，同时也保证了水受热均匀。更重要的是，氢气和空气中的氧气在催化剂的作用下反应速率加快，极大的提升了氢氧反应的放热速率，放热功率可以达到数十千瓦，几秒钟便可以让空气从零下30℃升温至几百摄氏度，可有效缩短低温冷启动耗用的时间。
优选的，空气供应管路31上依次连接有空气过滤器311、空气压缩机312以及空气启停控制阀313；空气过滤器311、空气压缩机312 以及空气启停控制阀313均与所述控制模块电连接。氢气供应管路32 上依次连接有储氢瓶321、开关阀322以及流量阀323；开关阀322以及流量阀323均与控制模块电连接。
可以理解的是，控制模块控制流量阀323的开度可改变氢气的流量，从而控制氢氧混合气体中的氢气浓度，进而调节氢氧催化反应的放热功率。
在本实施例中，排气歧管33排气端设有氢气浓度传感器，氢气浓度传感器与控制模块电连接。氢气浓度传感器用于检测氢氧混合气体中的氢气浓度，并将检测到的氢气浓度数据实时反馈给控制器，控制器将氢气浓度数据与预设浓度数据相比，以实时调节流量阀323的开度，由此保证系统的安全性和高效性。预设浓度数据为3％。
同时，考虑到当氢气浓度超过4％时可能会引发爆炸，为了进一步保证系统的安全性和稳定性，第二进气端安装有用于控制第二进气端开度的阀门，阀门的Kv值固定；其中，Kv值为阀门开度的流量系数。排气歧管33第二进气端的Kv值为固定值，当流量阀323失效时，可以确保氢氧混合气体中的氢气浓度不超过3％。
在实际应用中，为更好地控制燃料电池加热系统100的低温启动，燃料电池1上设有温度传感器，温度传感器与控制模块电连接，温度传感器用于监测燃料电池1本身温度，以作为燃料电池加热系统100 的启停信号。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种燃料电池加热系统，其特征在于，包括：
燃料电池，所述燃料电池具有进水端和出水端，所述出水端通过加热管路与所述进水端连通，所述加热管路沿所述进水端向所述出水端方向依次连接有水泵和加热模块；
所述加热模块包括空气供应管路、氢气供应管路和板式换热器，所述板式换热器具有进气口、出气口、进水口以及出水口；所述板式换热器通过所述进水口和所述出水口串联于所述加热管路上；所述板式换热器的换热板面上覆有脱氢催化剂；
所述空气供应管路供应的空气和所述氢气供应管路供应的氢气均通过所述进气口接入所述板式换热器进行氢氧催化反应产生热量，以加热流入所述板式换热器中的水；以及
控制模块，所述水泵和所述加热模块均与所述控制模块电连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池加热系统，其特征在于：所述加热模块还包括排气歧管，所述排气歧管具有第一进气端、第二进气端以及排气端，所述第一进气端与所述空气供应管路的出气端连通，所述第二进气端与所述氢气供应管路的出气端连通，所述排气端与所述进气口连通。
3.根据权利要求1所述的燃料电池加热系统，其特征在于：所述空气供应管路上依次连接有空气过滤器、空气压缩机以及空气启停控制阀；
所述空气过滤器、空气压缩机以及空气启停控制阀均与所述控制模块电连接。
4.根据权利要求1所述的燃料电池加热系统，其特征在于：所述氢气供应管路沿其进气端向出气端方向依次连接有储氢瓶、开关阀以及流量阀；
所述开关阀以及流量阀均与所述控制模块电连接。
5.根据权利要求2所述的燃料电池加热系统，其特征在于：所述第二进气端安装有用于控制所述第二进气端开度的阀门，所述阀门的Kv值固定；
其中，Kv值为所述阀门开度的流量系数。
6.根据权利要求5所述的燃料电池加热系统，其特征在于：所述排气端设有氢气浓度传感器，所述氢气浓度传感器与所述控制模块电连接。
7.根据权利要求1所述的燃料电池加热系统，其特征在于：所述加热管路上还设有节温器，所述节温器与所述控制模块电连接。
8.根据权利要求1所述的燃料电池加热系统，其特征在于：所述燃料电池上设有温度传感器，所述温度传感器与所述控制模块电连接。
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