CN220086093U - 一种燃料电池的冷启动装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种燃料电池的冷启动装置，属于燃料电池技术领域。所述冷启动装置包括电源、控制主板、燃料电池控制器、电堆和红外加热管；所述电堆设有冷却液入口和冷却液出口；所述冷却液入口设有温度传感器；电源与控制主板电连接，控制主板与红外加热管电连接；红外加热管用于向所述电堆发出红外线脉冲；燃料电池控制器与控制主板和所述温度传感器通讯连接，燃料电池控制器用于采集电堆温度，以及向控制主板传输控制信号。本实用新型通过红外加热管对电堆直接加热，以实现快速升温的效果，从而大幅减少燃料电池低温启动时间；本实用新型根据电堆温度调整红外线脉冲强度和时间，此方式具备智能化程度高、控制难度低以及控制精度高的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料电池技术领域，具体地，涉及一种燃料电池的冷启动装置。
背景技术
燃料电池是一种环保发电设备，其基本工作原理是：氢气和氧气在电堆内部发生氧化还原反应，通过导线向外部提供电能且产物为水。燃料电池被广泛应用于汽车，可移动式电站等领域。目前，低温环境下燃料电池启动阶段内部反应生成的水会结冰，阻碍反应物质的传输，导致启动困难甚至启动失败的后果，影响用户实际体验以及燃料电池的使用寿命。
专利文献CN109346748A公开了一种燃料电池低温快速启动系统。该系统包括电堆、启动电池、气体碳纳米管微型加热器、控制系统和电流控制器。该系统低温启动过程通过控制电堆大电流放电使电堆大量产热，同时控制碳纳米管微型加热器对反应气体加热，以达到电堆快速升温的目的。
专利文献CN112086665A公开了一种石墨板燃料电池冷启动装置。该装置包含燃料电池控制器和微波辅助装置。该微波辅助装置由变压器、二极管、磁控管和波导管组成，由车载电源供电。该装置通过磁控管发出特定频率微波脉冲作用于电堆，使电堆内部膜电极及流道中的电极性分子随振荡电场一起振动从而对电堆加热。
综上所述，现有的燃料电池低温启动方式主要有以下两种：1.通过精准控制电堆反应气体的供应和输出电流，实现电堆产热自升温。这种方法对控制要求比较高，且一旦启动失败则很难短时间内再次启动；2.通过辅助加热方式低温启动，常见的措施是通过产热装置对燃料电池冷却液加热升温，通过冷却液与电堆热量交换实现电堆温度逐步上升，该方式存在升温速度较慢的问题。
实用新型内容
为解决上述背景技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种燃料电池的冷启动装置,以实现燃料电池内部快速升温，从而辅助燃料电池低温启动。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：
一种燃料电池的冷启动装置，包括电源、控制主板、燃料电池控制器、电堆和红外加热管；所述电堆设有冷却液入口和冷却液出口；所述冷却液入口设有温度传感器；所述电源与所述控制主板电连接，所述控制主板与所述红外加热管电连接；所述红外加热管用于向所述电堆发出红外线脉冲；所述燃料电池控制器与所述控制主板和所述温度传感器通讯连接，所述燃料电池控制器用于通过所述温度传感器采集所述电堆温度，以及向所述控制主板传输控制信号；所述红外加热管与电堆的壳体集成；所述电堆的壳体内壁设有反射层。
作为优选方案，所述冷启动装置还包括水泵，所述水泵用于向所述电堆提供冷却液；所述水泵的出口与所述冷却液入口连通；所述水泵的入口与所述冷却液出口连通。
作为优选方案，所述水泵与所述电源连接。
作为优选方案，所述燃料电池控制器与所述水泵通讯连接；所述燃料电池控制器还用于向所述水泵传输控制信号。
作为优选方案，所述电堆包括膜电极和双极板；所述双极板的材料为金属或石墨。
作为优选方案，所述电源为车载电源。
作为优选方案，所述红外加热管包括石英管和加热丝。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
本实用新型将红外加热管与电堆壳体集成，体积小且无需对燃料电池作出较大改动；
本实用新型通过红外加热管对电堆直接加热，以实现快速升温的效果，从而大幅减少燃料电池低温启动时间；
本实用新型根据电堆温度调整红外加热管的供电电流，进而调整红外线脉冲强度和时间，此方式具备智能化程度高、控制难度低以及控制精度高的优点；
本实用新型的适用于金属板电堆和石墨板电堆，具有广泛的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本实用新型一实施例冷启动装置的结构框图；
图2为本实用新型另一实施例冷启动装置的结构框图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，本申请提供一种燃料电池的冷启动装置，包括电源、控制主板、燃料电池控制器、电堆和红外加热管；所述电堆设有冷却液入口和冷却液出口；所述冷却液入口设有温度传感器。电源与控制主板电连接，控制主板与红外加热管电连接；红外加热管用于向电堆发出红外线脉冲。其中，红外加热管包括石英管和加热丝。
在本实用新型中，红外加热管与电堆的壳体集成，能够降低冷启动装置的整体尺寸且无需对燃料电池作出较大改动。并且，电堆的壳体内壁设有反射层，以使红外加热管发出的红外线脉冲集中向电堆辐射。
本申请的冷启动装置通过红外加热管对电堆直接加热，以实现快速升温的效果，从而大幅减少燃料电池低温启动时间。
燃料电池控制器与控制主板和温度传感器通讯连接，燃料电池控制器用于采集电堆温度，以及向所述控制主板传输控制信号。本申请的冷启动装置通过燃料电池控制器采集电堆温度，依此调整红外加热管的供电电流，进而调整红外线脉冲强度和时间，此方案具备智能化程度高、控制难度低和控制精度高的优点；并且由于电堆温度升高，因此即使燃料电池意外启动失败也能快速再次启动。控制主板中存储有固化的程序，从而便于批量化生产，且能保证成品的稳定性。
请参阅图2，在本申请的一优选实施例中，为使电堆升温均匀，冷启动装置还包括水泵，所述水泵用于向电堆提供一定流量和压力的冷却液。水泵的出口与冷却液入口连通，水泵的入口与冷却液出口连通。电堆通过红外线脉冲加热时，水泵以较低转速转动，使冷却液循环流经电堆，保证电堆升温均匀。
在本实施例中，水泵与电源电连接，水泵由电源供电。
进一步地，燃料电池控制器与水泵通讯连接；燃料电池控制器还用于向水泵传输控制信号。燃料电池控制器在启动控制主板的同时，通过控制信号启动水泵。
进一步地，电源为车载电源，以便于为控制主板和水泵供电。
在一优选实施例中，电堆包括膜电极和双极板。其中，双极板的材料为金属或石墨。根据双极板材料的不同，电堆可分为金属板电堆和石墨板电堆，其中，金属板电堆能够承受更高的电流密度和功率密度，具有更高的效率和稳定性；石墨板电堆的电流密度和功率密度较低，但是具有更好的耐腐蚀性和长期稳定性。因此金属板电堆和石墨板电堆根据性能差异适用于不同的应用领域。由于本申请红外加热管的红外线脉冲可作用于金属板电堆和石墨板电堆，因此具有广泛的适用性。在具体实施过程中仅需调整红外加热管中的加热丝，使红外加热管通电后发出的红外线频率与电堆的膜电极和双极板的分子频率相互匹配，即可提高加热效率和电能利用率，缩短冷启动时间。
本申请冷启动装置进行燃料电池冷启动的方法，包括步骤：
S1、燃料电池控制器接收启动信号后采集电堆温度。如果电堆温度小于-5℃,燃料电池控制器向水泵发出控制信号以控制水泵以较低转速转动，进入步骤S2；如果电堆温度不小于-5℃，则执行正常启动流程。
S2、燃料电池控制器向控制主板发出控制信号，同时车载电源向控制主板供电。控制主板根据控制信号对红外加热管输出指定电流。
S3、红外加热管通电发出特定频率及功率的红外线脉冲。
S4、电堆吸收红外线脉冲，电堆膜电极和双极板中极性分子振动或转动加剧，产生热量升温。
S5、红外线持续作用于电堆使其升温，当燃料电池控制器采集电堆温度高于5℃时，控制主板切断能量供应，执行正常启动流程。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例和说明，所述本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种燃料电池的冷启动装置，其特征在于：包括电源、控制主板、燃料电池控制器、电堆和红外加热管；所述电堆设有冷却液入口和冷却液出口；所述冷却液入口设有温度传感器；所述电源与所述控制主板电连接，所述控制主板与所述红外加热管电连接；所述红外加热管用于向所述电堆发出红外线脉冲；所述燃料电池控制器与所述控制主板和所述温度传感器通讯连接，所述燃料电池控制器用于通过所述温度传感器采集电堆温度，以及向所述控制主板传输控制信号；所述红外加热管与电堆的壳体集成；所述电堆的壳体内壁设有反射层。
2.根据权利要求1所述的冷启动装置，其特征在于：还包括水泵，所述水泵用于向所述电堆提供冷却液；所述水泵的出口与所述冷却液入口连通；所述水泵的入口与所述冷却液出口连通。
3.根据权利要求2所述的冷启动装置，其特征在于：所述水泵与所述电源电连接。
4.根据权利要求2所述的冷启动装置，其特征在于：所述燃料电池控制器与所述水泵通讯连接；所述燃料电池控制器还用于向所述水泵传输控制信号。
5.根据权利要求1所述的冷启动装置，其特征在于：所述电堆包括膜电极和双极板；所述双极板的材料为金属或石墨。
6.根据权利要求1所述的冷启动装置，其特征在于：所述电源为车载电源。
7.根据权利要求1所述的冷启动装置，其特征在于：所述红外加热管包括石英管和加热丝。
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