CN117476973A - 一种低温启动供能装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池领域，具体为一种低温启动供能装置，包括超声波发生器、超声波换能器和第一控制器，所述超声波发生器安装于燃料电池上或就近布置，能产生高压脉冲信号，所述燃料电池上固定设置有超声波换能器，所述超声波换能器与超声波发生器电性连接，用于实现通过超声波将覆盖在燃料电池阴极上的冰或水膜震碎，并辅助去冰和去水的功能，所述第一控制器与超声波发生器电性连接，用于根据输入条件调整所需超声波参数。本申请利用超声波的除冰，雾化作用，具有加热快，效率高、能耗低的优点；且装置对原系统改动小，所用零件为常规零件成本低；超声波可穿透绝大多数双极板材料，本申请可应用到多种类型的燃料电池上。

Description

一种低温启动供能装置及其方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体为一种低温启动供能装置及其方法。
背景技术
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应。在阴极催化剂之作用下，质子、氧及电子，发生反应形成水分子，因此水可说是燃料电池唯一的排放物。整个过程为放热反应。因此，只要氢燃料电池能够正常工作起来，温度就会上升。但在实际应用中，存在着低温启动失败的情况。低温环境下整个氢燃料电池都是低温，氢燃料电池启动产生的热量无法阻止水结冰。这是氢燃料电池低温启动失败的主因，也是氢燃料电池低温启动需要解决的问题，现有技术中，例如专利文献CN109346748A公开了一种燃料电池低温快速启动系统及启动方法，该专利使用的大电流及红外加热。例如专利文献CN112086665A公开了一种石墨双极板燃料电池的冷启动装置和方法，该专利针对电堆本体加热并未针对低温启动失败的原因，能量利用上还是存在浪费的。所以提出一种能够使燃料电池在低温状态下启动成功的装置是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温启动供能装置及其方法，使得燃料电池在低温状态下仍能成功启动，以解决现有的技术缺陷和不能达到的技术要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低温启动供能装置，包括超声波发生器、超声波换能器和第一控制器，所述超声波发生器安装于燃料电池上或就近布置，能产生高压脉冲信号，所述燃料电池上固定设置有超声波换能器，所述超声波换能器与超声波发生器电性连接，用于实现通过超声波将覆盖在燃料电池阴极上的冰或水膜震碎，并辅助去冰和去水的功能，所述第一控制器与超声波发生器电性连接，用于根据输入条件调整所需超声波参数。
优选的，所述超声波换能器至少包括第一超声波换能器和第二超声波换能器，所述第一超声波换能器和第二超声波换能器分别设置在燃料电池上不同的电池单元上，用于根据高压脉冲信号生成超声波，并将超声波作用于燃料电池的不同部位。
优选的，所述第一超声波换能器设置在一个或者几个燃料电池单元双极板上，通过使燃料电池单元双极板振动实现辅助去冰。
优选的，所述第二超声波换能器设置在一个或者几个燃料电池单元的阴极测管路内，通过超声波直接作用于阴极测管路内的水和水汽实现去水。
优选的，所述燃料电池上至少设置有温度传感器和第二控制器，所述温度传感器与第二控制器电性连接，所述第二控制器与第一控制器电性连接。
优选的，所述温度传感器至少设置为一个。
一种低温启动供能装置的一种低温启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：燃料电池上的各传感器向第二控制器发送信号，燃料电池需要启动时，第二控制器向第一控制器发送输入信号；
步骤二：第一控制器判断是否需要启动超声波发生器，并计算出所需超声波参数；
步骤三：超声波发生器根据第一控制器要求产生高压电脉冲信号，高压脉冲信号通过导线传输给超声波换能器；
步骤四：超声波换能器根据高压电脉冲信号生成超声波，并将超声波作用到固定部位；
步骤五：燃料电池内各传感器持续向第二控制器传送实时信号，同时第二控制器向第一控制器实时发送输入信号；
步骤六：重复步骤二到步骤五，直至满足功能停止条件。
优选的，所述输入信号包括：
(1)、环境温度；
(2)、燃料电池温度；
(3)、燃料电池启动信号；
(4)、燃料电池实时功率。
优选的，所述步骤二中，第一控制器根据输入信号、超声波发生器状态和超声波换能器的状态来控制超声波发生器的启停。
优选的，所述步骤六中，功能停止条件为燃料电池达到启动温度。
超声波参数与燃料电池温度关系需要根据不同型号的燃料电池进行标定确定，燃料电池功率的大小判定同样需要标定确定，第一超声波换能器和第二超声波换能器的功率需根据燃料电池在不同温度、不同功率下的需求进行标定设置，并非定功率运行。第二超声波换能器工作时，可有效的将水汽雾化，方便进气口进入的氧气和空气将水汽吹走，从而避免在阴极结冰。第二吵超声波换能器工作时，第一超声波换能器的功率可调小，有利于这个系统的节能和提高启动效果。第二超声波换能器不工作时，第一超声波换能器的功率需要相应增加，以实现燃料电池的成功启动，具体功率大小需标定，在装置工作时，需要请求燃料电池的氧气(或空气)流量，采用瞬时大流量或脉冲的流量方式，配合将碎的冰晶或冰粒或液化的水汽尽快吹出管路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本申请利用超声波的除冰，雾化作用，具有加热快，效率高、能耗低的优点；且装置对原系统改动小，所用零件为常规零件成本低；超声波可穿透绝大多数双极板材料，本申请可应用到多种类型的燃料电池上。
附图说明
图1为本发明中超声波发生器与超声波换能器示意图；
图2为本发明整体结构示意图；
图3为本发明中超声波发生器与超声波换能器连接示意图；
图4为本发明中第一超声波换能器与燃料电池装配示意图；
图5为本发明中工作模式逻辑表。
图中：超声波发生器1、第一控制器2、第一超声波换能器3、第二超声波换能器4、输入信号5、信号发生器6、功率放大器7、阻抗匹配8、质子交换膜9、扩散层10、催化剂层11、氢气12、氧气或空气13、氧气或空气或水14、阴极板外壳15。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-4，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。
在本发明的描述中，需要理解的是：术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
请参阅图1-4，本发明实施例
实施例：
如图1、2和3所示：一种低温启动供能装置，包括超声波发生器1、超声波换能器和第一控制器2，所述超声波发生器1安装于燃料电池上或就近布置，能产生高压脉冲信号，所述燃料电池上固定设置有超声波换能器，所述超声波换能器与超声波发生器1电性连接，用于实现通过超声波将覆盖在燃料电池阴极上的冰或水膜震碎，并辅助去冰和去水的功能，所述第一控制器2与超声波发生器1电性连接，用于根据输入条件调整所需超声波参数。
本发明将超声波应用到燃料电池中，通过第一控制器2计算，由超声波发生器1产生高压电脉冲信号，高压电脉冲信号激发布置在燃料电池双极板外壳上的一个第一超声波换能器3产生超声波。超声波传递到燃料电池阴极上，利用超声波的热效应提高阴极的温度，利用超声波的空化效应和机械效应将阴极上生成的水雾化，被吹进的氧气(或空气)带走。同时，超声波的机械效应使得水很难在阴极上聚集。在极寒温度下，即便水在阴极结冰，也可以通过控制超声波达到除冰的效果，将冰粉碎成小冰晶、冰粒，由氧气(或空气)带出燃料电池堆。同样，高压电脉冲信号也激发布置在燃料电池阴极侧管路里的一个第二超声波换能器4产生超声波。超声波直接作用在阴极管路里的氧气(或空气)或是气体与燃料电池阴极生成水形成的气液混合物。利用同样的超声波效应达到除冰防止阴极聚集的效果。
如图2所示：所述超声波换能器至少包括第一超声波换能器3和第二超声波换能器4，所述第一超声波换能器3和第二超声波换能器4分别设置在燃料电池上不同的电池单元上，用于根据高压脉冲信号生成超声波，并将超声波作用于燃料电池的不同部位。
本申请利用超声波的热效应提高阴极的温度，利用超声波的空化效应和机械效应将阴极上生成的水雾化，被吹进的氧气(或空气)带走。同时，超声波的机械效应使得水很难在阴极上聚集，在极寒温度下，水在阴极结冰，可以通过控制超声波达到除冰的效果，将冰粉碎成小冰晶、冰粒，由氧气(或空气)带出燃料电池堆。
优选的，所述第一超声波换能器3设置在一个电池单元内。
将第一超声波换能器3设置在靠近阴极一侧的双极板，通过使燃料电池单元双极板振动实现辅助去冰。
如图2所示：所述第二超声波换能器4设置在一个燃料电池单元阴极测管路内，通过超声波直接作用于阴极测管路内的水和水汽实现去水，且所述第二超声波换能器4的形状为圆柱形结构。
所述燃料电池上至少设置有温度传感器和第二控制器，所述温度传感器与第二控制器电性连接，所述第二控制器与第一控制器2电性连接。
第二控制器为燃料电池自身系统的控制器；
所述燃料电池上设置有两个温度传感器。
分别感应电池内部温度信息和电池外部环境温度与信息，使第一控制器2能综合所有温度条件进行精准调控。
在阴极的进排气口设置两个温度传感器。
本申请如如此设置，是为了分别感应燃料电池阴极进气口和排气口温度信息，使第一控制器2能综合所有温度条件进行精准调控。
如图4所示：一种低温启动方法，包括以下步骤：
步骤一：燃料电池上的各传感器向第二控制器发送信号，燃料电池需要启动时，第二控制器向第一控制器2发送输入信号；
步骤二：第一控制器2判断是否需要启动超声波发生器1，并计算出所需超声波参数；
步骤三：超声波发生器1根据第一控制器2要求产生高压电脉冲信号，高压脉冲信号通过导线传输给超声波换能器；
步骤四：超声波换能器根据高压电脉冲信号生成超声波，并将超声波作用到固定部位；
步骤五：燃料电池内各传感器持续向第二控制器传送实时信号，同时第二控制器向第一控制器2实时发送输入信号；
步骤六：重复步骤二到步骤五，直至满足功能停止条件。如图5所示：所述输入信号包括：
(1)、环境温度；
(2)、燃料电池温度；
(3)、燃料电池启动信号；
(4)、燃料电池目标功率；
通过结合燃料电池的部件状态信息，以及环境信息来更好地综合调控升温方案和功率设置，用T1和T0表示控制器调控标准的温度设定范围值。
所述步骤二中，第一控制器2根据输入信号、超声波发生器1状态和超声波换能器的状态来控制超声波发生器1的启停，具体判断方式如图5；
具体的，第二超声波换能器4的最大功率大于第一超声波环能器的最大功率，采用两个最大功率不同的换能器进是为了使装置在不同温度条件下能够选择不同模式进行装置启动，以实现能在寒冷程度较低时能够节省能源消耗并能快速局部升温，也能在寒冷程度较高时实现快速启动，使整个装置具备升温启动的同时，还能保证启动效率和资源节约。
所述步骤六中，功能停止条件为燃料电池达到启动温度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也能够经适当组合，形成本领域技术人员能够理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种低温启动供能装置，其特征在于，包括超声波发生器(1)、超声波换能器和第一控制器(2)，所述超声波发生器(1)安装于燃料电池上或就近布置，能产生高压脉冲信号，所述燃料电池上固定设置有超声波换能器，所述超声波换能器与超声波发生器(1)电性连接，用于实现通过超声波将覆盖在燃料电池阴极上的冰或水膜震碎，并辅助去冰和去水的功能，所述第一控制器(2)与超声波发生器(1)电性连接，用于根据输入条件调整所需超声波参数。
2.根据权利要求1所述的一种低温启动供能装置，其特征在于，所述超声波换能器至少包括第一超声波换能器(3)和第二超声波换能器(4)，所述第一超声波换能器(3)和第二超声波换能器(4)分别设置在燃料电池上不同的电池单元上，用于根据高压脉冲信号生成超声波，并将超声波作用于燃料电池的不同部位。
3.根据权利要求2所述的一种低温启动供能装置，其特征在于，所述第一超声波换能器(3)设置在一个或者几个燃料电池单元双极板上，通过使燃料电池单元双极板振动实现辅助去冰。
4.根据权利要求3所述的一种低温启动供能装置，其特征在于，所述第二超声波换能器(4)设置在一个或者几个燃料电池单元的阴极测管路内，通过超声波直接作用于阴极测管路内的水和水汽实现去水。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种低温启动供能装置，其特征在于，所述燃料电池上至少设置有温度传感器和第二控制器，所述温度传感器与第二控制器电性连接，所述第二控制器与第一控制器(2)电性连接。
6.根据权利要求5所述的一种低温启动供能装置，其特征在于，所述温度传感器至少设置为一个。
7.基于权利要求1-7中任一权利要求所述一种低温启动供能装置的一种低温启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：燃料电池上的各传感器向第二控制器发送信号，燃料电池需要启动时，第二控制器向第一控制器(2)发送输入信号(5)；
步骤二：第一控制器(2)判断是否需要启动超声波发生器(1)，并计算出所需超声波参数；
步骤三：超声波发生器(1)根据第一控制器(2)要求产生高压电脉冲信号，高压脉冲信号通过导线传输给超声波换能器；
步骤四：超声波换能器根据高压电脉冲信号生成超声波，并将超声波作用到固定部位；
步骤五：燃料电池内各传感器持续向第二控制器传送实时信号，同时第二控制器向第一控制器(2)实时发送输入信号(5)；
步骤六：重复步骤二到步骤五，直至满足功能停止条件。
8.根据权利要求7中所述的一种低温启动方法，其特征在于，所述输入信号(5)包括：
(1)、环境温度；
(2)、燃料电池温度；
(3)、燃料电池启动信号；
(4)、燃料电池实时功率。
9.根据权利要求7中所述的一种低温启动方法，其特征在于，所述步骤二中，第一控制器(2)根据输入信号(5)、超声波发生器(1)状态和超声波换能器的状态来控制超声波发生器(1)的启停。
10.根据权利要求7中所述的一种低温启动方法，其特征在于，所述步骤六中，功能停止条件为燃料电池达到启动温度。
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