CN217507401U - 一种新型车用燃料电池冷启动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种新型车用燃料电池冷启动装置，包括电池堆，电池堆阴极外侧设有阴极气体供应系统，阴极气体供应系统上设有阴极气体加热器，阴极气体加热器电性连接有电源，电源与所诉控制器电性连接，电池堆阳极外侧设有阳极气体供应系统，电池堆内部设置有电加热膜，电加热膜上设置有温湿度感应组件，温湿度感应组件电性连接有控制器，电加热膜与电源电性连接；电池堆运行时，电池堆停机时，阳极气体供应系统用于向电池堆内吹第一干燥气体；阴极气体供应系统用于向电池堆内吹第二干燥气体。本实用新型结构简单、集成度高、操作方便，具有很强的实用性和可操作性。

Description

一种新型车用燃料电池冷启动装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池冷启动领域，具体是一种新型车用燃料电池冷启动装置。

背景技术

燃料电池是通过电化学反应将燃料中的化学能里的吉布斯自由能部分转换为电能因为其不受卡罗循环效应的限制，具有较高的热效率。同时受当前传统汽车造成的环境污染、能源短缺等问题的影响，质子交换膜燃料电池(PEMFC)应运而生，质子交换膜燃料电池作为一种新型的动力装置，以其零污染以及功率密度高、负载响应快、能量转化效率高等优点，在电动汽车、固定电站以及移动电源等诸多领域有着广泛的应用前景，然而要将其商业化依然存在诸多阻碍，除了成本高及耐久性能差以外，冷启动困难也成为了制约PEMFC商业化应用的主要障碍之一。

质子交换膜燃料电池的反应机理是氢气和空气分别通过双极板阴阳极流场的传导进入气体扩散层，然后透过扩散层进入催化层，氢气被阳极催化剂颗粒吸附后分解为质子和电子，质子以水合质子的形式透过质子交换膜到达阴极催化层。电子无法通过质子交换膜，只能从外电路电子负载到达阴极。在阴极催化层处，氧原子、质子和电子在催化剂的作用下发生化学反应生成水。

燃料电池在环境温度处于冰点以下的启动称为冷启动，冷启动前由于燃料电池的温度低于冰点温度，反应产生的水以及残余的水会迅速冻结，填充催化层或扩散层孔隙，降低甚至中止电池堆的电化学反应，影响电池堆的低温启动性能，同时在启动过程中电池堆升温会使冰融为水，水-冰的相变反应将会对膜电极组件尤其是催化层造成严重的破坏。此外反复的结冰-解冻过程还会造成伤害效应的累积，严重影响电池的正常工作和使用寿命。

传统的冷启动启动方式大多采用辅助启动，如：利用直流电加热电阻通过电阻对电池进行加热、加热冷却液并涉及加热管路、利用热空气吹扫、使燃料在催化层反应加热等，然后这类先预热后充电的冷启动方式存在能耗高、充电时间长、成本高、结构复杂等缺点，且影响动力电池的使用寿命，严重的甚至会引发安全事故，目前提出了一种电池自加热技术，将加热源放置在电池堆内部，直接对电池堆进行加热，该技术具有升温快、耗能低、加热均匀的优点，能够很好的解决电池堆在极寒环境下的冷启动问题，但是高温反应物在电池堆中反应存在着极大的安全隐患。

同时目前燃料电池的冷启动方式多为单一加热方式，因此需要开发出一种结构简单、安全可靠、能量利用率高、升温迅速、避免出现水-冰反复相变情况的复合式燃料电池冷启动加热装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种新型车用燃料电池冷启动装置，以解决上述问题，达到实现燃料电池快速冷启动，降低电池堆的损耗、延长电池堆的使用寿命、增加系统冷启动的容错性、增强燃料电池的可靠性和稳定性的目的。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种车用燃料电池冷启动装置，包括电池堆，所述电池堆阴极外侧设有阴极气体供应系统，所述阴极气体供应系统上设有阴极气体加热器，所述阴极气体加热器电性连接有电源，所述电源与所述控制器电性连接，所述电池堆阳极外侧设有阳极气体供应系统，所述电池堆内部设置有电加热膜，所述电加热膜上设置有温湿度感应组件，所述温湿度感应组件电性连接有控制器，所述电加热膜与所述电源电性连接；

所述电池堆运行时，所述阳极气体供应系统用于向所述电池堆内供应阳极气体，所述阴极气体供应系统用于向所述电池堆内供应阴极气体；

所述电池堆停机时，所述阳极气体供应系统用于向所述电池堆内吹第一干燥气体；所述阴极气体供应系统用于向所述电池堆内吹第二干燥气体。

优选的，所述电加热膜为石墨烯加热膜，所述电加热膜外侧包覆有绝缘防水外膜，所述电加热膜的厚度为20～30μm，所述电加热膜面上开设有若干通气孔，所述通气孔直径为20mm。

优选的，所述阳极气体为氢气，所述阴极气体为空气；

所述第一干燥气体为氮气，所述第二干燥气体为空气。

优选的，所述电池堆包括阳极气体扩散层，所述阳极气体扩散层一侧按序依次设置有阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层阴极气体扩散层；

所述电加热膜位于所述阴极催化层和所述阴极气体扩散层之间，并平行设置，所述电加热膜与所述电源电性连接。

优选的，所述温湿度感应组件包括温度传感器、湿度传感器，所述温度传感器、湿度传感器位于所述电加热膜表面，所述温度传感器和所述湿度传感器分别与所述控制器电性连接。

优选的，所述控制器为整车ECU，所述整车ECU与所述电源、所述温湿度感应组件，所述阳极气体供应系统和所述阴极气体供应系统电性连接。

优选的，所述电源为车载蓄电池,所述车载蓄电池与所述电加热膜电性连接，所述车载蓄电池与所述控制器电性连接。

优选的，所述阴极气体加热器为空气加热器，所述空气加热器设置在所述阴极气体供应系统内部，所述阴极气体供应系统内部设有若干个折流板。

本实用新型具有如下技术效果：

本实用新型将电加热膜设置在电池堆内部，加快了催化反应速率的同时，也保证了电池堆内部不会出现水-冰相变现象，这种直接加热的方式升温快、能耗低，更为安全；电加热膜采用电源单独供电，可以保证电加热膜加热早于燃料电池启动，避免了冷启动未加热时，燃料电池直接工作导致出现水-冰相变现象；温湿度传感器能实时监测电池堆内部的温度与湿度，并与控制器相连，便于控制器根据电池堆内部温度控制电源供给电加热膜加热时间和控制器根据电池堆内湿度控制阴极气体供应系统和阳极气体供给系统对电池堆进行吹扫，在降低成本的同时，简化了电池堆内部结构；采用开机停机双行的吹扫策略，开机时在不增加成本的情况下，实现了加快气体流通速率，提高初始反应速度，同时带动电加热膜产生的热量，以迅速提高电池堆内部温度；停机吹扫用于清除电池堆内部的残留水以及内部残留燃料，停机吹扫采用脉冲鼓风吹扫，结构简单，操作容易。

本实用新型采用开机停机吹扫和直接加热两种机制并行的冷启动策略，最大限度避免了电池堆内部出现水-冰相变破环重要组件结构的情况，同时两种机制协同控制，实现燃料电池快速冷启动，降低了电池堆的损耗、延长了电池堆的使用寿命、增加了系统冷启动的容错性、增强了燃料电池的可靠性和稳定性，本实用新型结构简单、集成度高、操作方便，具有很强的实用性和可操作性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型电池堆内部结构示意图；

图2为本实用新型电加热膜连接示意图；

图3为本实用新型车用燃料电池冷启动装置开机操作流程图；

图4为本实用新型车用燃料电池冷启动装置停机操作流程图。

其中，1、阳极气体扩散层；2、阳极催化层；3、质子交换膜；4、阴极催化层；5、电加热膜；6、阴极气体扩散层；7、温度传感器；8、湿度传感器；9、车载蓄电池。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参照图1-2，本实用新型提供一种车用燃料电池冷启动装置，包括电池堆，电池堆阴极外侧设有阴极气体供应系统，阴极气体供应系统上设有阴极气体加热器，阴极气体加热器电性连接有电源，电源与所述控制器电性连接，电池堆阳极外侧设有阳极气体供应系统，电池堆内部设置有电加热膜5，电加热膜5上设置有温湿度感应组件，温湿度感应组件电性连接有控制器，电加热膜5与电源电性连接；

电池堆运行时，阳极气体供应系统用于向电池堆内供应阳极气体，阴极气体供应系统用于向电池堆内供应阴极气体；

电池堆停机时，阳极气体供应系统用于向电池堆内吹第一干燥气体；阴极气体供应系统用于向电池堆内吹第二干燥气体。

开机吹扫主要是为了加快气体流通速率，提高初始反应速度，同时带动电加热膜5产生的热量，以迅速提高电池堆内部温度，设定吹扫时间为3min；停机吹扫用于清除电池堆内部的残留水以及内部残留燃料。

电加热膜5工作时的最高温度为50℃，保证了使用时燃料电池堆内部的安全性，工作温度范围为-50℃～300℃，能在电池堆内部正常工作，这种直接加热的方式较常用的辅助加热模式而言，升温更快、能耗更低，与现有的直接加热方式相比，更为安全、能耗更小；使用电源对电加热膜5供电，实现了在燃料电池启动前对其进行加热，避免出现燃料电池一启动，产物水就变成冰的情况；采用开机停机双行的吹扫策略，开机时在不增加成本的情况下，实现最优吹扫效果，停机吹扫采用脉冲鼓风吹扫，结构简单，操作容易；直接使用温湿度传感组件作为吹扫结果判断依据，在降低成本的同时，简化了电池堆内部结构。

进一步优化方案，电加热膜5为石墨烯加热膜，电加热膜5外侧包覆有绝缘防水外膜，电加热膜5的厚度为20～30μm，电加热膜5 面上开设有若干通气孔，通气孔直径为20mm。

通气孔直径优选为20mm。也可以根据实际的需要进行适应性调整。

绝缘防水外膜为由PET制备的聚酯薄膜，聚酯薄膜具有绝缘、阻燃、防水、不易破损、挺度及抗拉伸性好等特性，能在-70℃～230℃的环境正常工作。

采用石墨烯加热膜进行直接加热，这种小功率长时间的加热策略，不仅在加热过程中消耗的能量更少，还能长时间保持电池堆的温度，电加热膜5面上附有密集的通气孔，在满足加热需求的同时，保障了电池堆内部气体和水的流通性。

进一步优化方案，阳极气体为氢气，阴极气体为空气；

第一干燥气体为氮气，第二干燥气体为空气。

进一步优化方案，电池堆包括阳极气体扩散层1，阳极气体扩散层1一侧按序依次设置有阳极催化层2、质子交换膜3、阴极催化层 4阴极气体扩散层6；

电加热膜5位于阴极催化层4和阴极气体扩散层6之间，并平行设置，电加热膜5与电源电性连接。

电加热膜5采用面式放热的方式，保证了加热的均匀性；同时其所处位置在阴极催化层4和阴极气体扩散层6之间，加快了催化反应速率，也保证了在催化层不会出现水-冰相变现象。

进一步优化方案，温湿度感应组件包括温度传感器7、湿度传感器8，温度传感器7、湿度传感器8位于电加热膜5表面，温度传感器7和湿度传感器8分别与控制器电性连接。

湿度传感器8用于实时监测电池堆内的湿度，作为燃料电池堆内部干湿状态判断的依据以及停机吹扫的启停控制；温度传感器7与电加热膜5和控制器相连，用于实时监测电池堆温度，控制器通过温度传感器7传递的信号来控制电源调整电加热膜5的工作时间。

进一步优化方案，控制器为整车ECU，整车ECU与电源、温湿度感应组件，阳极气体供应系统和阴极气体供应系统电性连接。

整车ECU与湿度传感器8电性连接用于采集电池堆内部湿度信息；整车ECU与温度传感器7电性连接用于采集电池堆内部温度信息；整车ECU与电源电性连接用于控制电源调整电加热膜5的工作时间；整车ECU与阳极气体供应系统电性连接用于控制阳极气体供应系统吹扫时间；整车ECU与阴极气体供应系统电性连接用于控制阴极气体供应系统的吹扫时间。

进一步优化方案，电源为车载蓄电池9,车载蓄电池9与电加热膜5电性连接，车载蓄电池9与控制器电性连接。

使用车载蓄电池9对电加热膜5供电，在低温环境下车载蓄电池 9工作效能优于燃料电池，并且实现了在燃料电池启动前对其进行加热，避免出现燃料电池一启动，产物水就变成冰的情况。

阴极气体加热器为空气加热器，空气加热器设置在阴极气体供应系统内部，阴极气体供应系统内部设有若干个折流板。

阴极气体加热器为12V空气加热器，折流板用于引导流向，延长热气滞留时间，保证均匀加热，加热元件采用抗氧合金发热丝。

一种车用燃料电池冷启动系统的控制方法，该方法包括开机控制方法和停机控制方法，开机控制方法包括以下步骤：

由温度传感器7监测电池堆内部实时温度，并将数据传递给控制器；

控制器判断当前温度是否小于-10℃；

如果温度低于-10℃，控制器控制电加热膜5电源接通，并控制阳极气体供应系统供应氢气和阴极气体供应系统供应空气进行开机吹扫，加快热量传递，当温度达到-5℃时，燃料电池开始工作，阳极供应系统供应的氢气从阳极气体扩散层1进入，阴极气体供应系统供应的空气从阴极气体扩散层6进入，气体通过电加热膜5被加热，随着燃料电池反应的自放热，温度传感器7检测到电池堆内部温度稳定后，控制器断开电加热膜5的电源，完成冷启动，阳极气体供应系统供入第一干燥气体，阴极气体供应系统供入第二干燥气体，电池堆开始正常工作；

如果否，阳极气体供应系统供入第一干燥气体，阴极气体供应系统供入第二干燥气体；电池堆开始工作。

停机控制方法包括以下步骤：

由温度传感器7获取当前外部环境温度，并将数据传递给控制器；

控制器根据传感器输入信息判断当前外部温度是否低于预设值 -5℃；

如果当前温度低于预设值，电池堆开启吹扫功能，同时电加热膜 5电源接通，吹扫功能分为两个阶段，第一阶段的时间为10min，阳极气体供应系统以0.2/min吹入氮气；阴极气体供应系统以1.0/min 吹入空气；第二阶段吹扫在第一阶段吹扫结束10min后，阳极气体供应系统以0.2/min吹入氮气；阴极气体供应系统以1.0/min吹入空气；控制器根据湿度传感器8数值来决定停止吹扫时间，保证电池堆内部处于干燥状态，当电池堆内部湿度满足预设要求时，停止吹扫，正常停机；

如果温度不低于预设值，则直接正常停机。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种车用燃料电池冷启动装置，其特征在于：包括电池堆，所述电池堆阴极外侧设有阴极气体供应系统，所述阴极气体供应系统上设有阴极气体加热器，所述阴极气体加热器电性连接有电源，所述电源与所述控制器电性连接，所述电池堆阳极外侧设有阳极气体供应系统，所述电池堆内部设置有电加热膜(5)，所述电加热膜(5)上设置有温湿度感应组件，所述温湿度感应组件电性连接有控制器，所述电加热膜(5)与所述电源电性连接；

所述电池堆运行时，所述阳极气体供应系统用于向所述电池堆内供应阳极气体，所述阴极气体供应系统用于向所述电池堆内供应阴极气体；

所述电池堆停机时，所述阳极气体供应系统用于向所述电池堆内吹第一干燥气体；所述阴极气体供应系统用于向所述电池堆内吹第二干燥气体。

2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池冷启动装置，其特征在于：所述电加热膜(5)为石墨烯加热膜，所述电加热膜(5)外侧包覆有绝缘防水外膜，所述电加热膜(5)的厚度为20～30μm，所述电加热膜(5)面上开设有若干通气孔，所述通气孔直径为20mm。

3.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池冷启动装置，其特征在于：所述阳极气体为氢气，所述阴极气体为空气；

所述第一干燥气体为氮气，所述第二干燥气体为空气。

4.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池冷启动装置，其特征在于：所述电池堆包括阳极气体扩散层(1)，所述阳极气体扩散层(1) 一侧按序依次设置有阳极催化层(2)、质子交换膜(3)、阴极催化层(4)阴极气体扩散层(6)；

所述电加热膜(5)位于所述阴极催化层(4)和所述阴极气体扩散层(6)之间，并平行设置，所述电加热膜(5)与所述电源电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池冷启动装置，其特征在于：所述温湿度感应组件包括温度传感器(7)、湿度传感器(8)，所述温度传感器(7)、湿度传感器(8)位于所述电加热膜(5)表面，所述温度传感器(7)和所述湿度传感器(8)分别与所述控制器电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池冷启动装置，其特征在于：所述控制器为整车ECU，所述整车ECU与所述电源、所述温湿度感应组件，所述阳极气体供应系统和所述阴极气体供应系统电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池冷启动装置，其特征在于：所述电源为车载蓄电池(9),所述车载蓄电池(9)与所述电加热膜(5)电性连接，所述车载蓄电池(9)与所述控制器电性连接。

8.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池冷启动装置，其特征在于：所述阴极气体加热器为空气加热器，所述空气加热器设置在所述阴极气体供应系统内部，所述阴极气体供应系统内部设有若干个折流板。

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