专利名称：一种燃料电池发动机系统及其启动方法
技术领域：
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池发动机启动。
背景技术：
质子交换膜燃料电池可以用作车、船的动力装置。以质子交换膜燃料电池 为动力装置的发动机的工作方式与内燃机类似，必须连续不断地把氢燃料和氧 化剂送入电池，并连续排出反应产物水和一定的废热以维持电池物料与热的平 衡。所以为维持质子交换膜燃料电池发动机系统连续工作，质子交换膜燃料电 池发动机系统通常包括空气系统、氢气系统和冷却部分。空气系统向燃料电池 提供具有一定压力、湿度和温度的空气量，保证氧化剂的供应；氢气系统提供 具有相应压力、湿度和温度的氢气量，满足还原剂的需求；冷却部分保证燃料 电池需要的工作温度。
质子交换膜燃料电池发动机工作通常还需要低压控制电(12V或24V)和 高压电源。低压控制电作为发动机各控系统所需电源。对于电电混合燃料电池 发动机，高压电源既作为发动机的辅助动力电源，也作为燃料电池发动机启动 电源，用于燃料电池发动机空气供给装置的启动，待发动机启动后，燃料电池 发动机所需动力电才实现自给，同时发动机实现对外供电。
电电混合燃料电池发动机的启动，因为有现成动力电，启动起来比较容易， 但对于纯燃料电池发动机来说，其启动就比较麻烦。通常有以下几种启动方式 一是采用低压控制电用DC/DC升压启动，这种方式的不足是对控制电源容量 要求较大， 一般情况下很难满足要求。二是采用增加高压启动电源的方法，一 般是用铅酸蓄电池作为高压电源，这种方式的不足是铅酸蓄电池输出电压通 常为12V，需用多台铅酸蓄电串联的办法才能达到需要的电压，这样必然要增 加发动机的重量和空间，这是发动机很难做到的；三是采用电电混合用的锂电 池，这种方式的不足是锂电池可靠性较差，成本较高，控制系统也较复杂，
并且锂电池满足电压和容量需求，装节也需很多，重量和体积也很大。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池发动机系统及其简单的启动方法。 本发明的技术方案是 一种燃料电池发动机系统，包括燃料电池堆、氢气 系统、空气系统和冷却系统，空气系统包括由管道连通的空气滤清器、供气装 置和湿焓转换装置，其结构在于所述空气系统中，在湿焓转换装置的空气出口 与燃料电池堆的空气进口之间的管道上串接一个出口单向阀，出口单向阀的出 气口与燃料电池堆的空气进口连接，出口单向阀的进气口与湿焓转换装置的空 气出口连接；所述空气系统还包括一个附加支路，所述附加支路由用管道连通
的附加支路单向阀、储气装置、电磁阀和快装充气阀组成，所述储气装置上有 三个接口，储气装置上的第一个接口与附加支路单向阀的出气口连接，该附加 支路单向阀的进气口连接在空气系统的供气装置与湿焓转换装置连接的管路 上，储气装置上的第二个接口与所述附加支路上的电磁阀的进气口连接，该电 磁阀出气口连接在空气系统的湿焓转换装置与燃料电池堆连接的管路上，储气 装置上的第三个接口与所述附加支路上的快装充气阀的出气口连接，该快装充 气阀的进气口是与燃料电池发动机系统外部的提供压力空气的装置的连接口。 本发明所述的一种燃料电池发动机系统，其结构在于所述附加支路管路的
截面积是空气系统管路的截面积的15% 70%。
本发明所述的一种燃料电池发动机系统，其所述储气装置的储气量为标准 状态下0.5 1.5L/kW，储气装置内储存的气体的压力与空气系统的供气装置供 给的最高空气压力相同。
本发明所述的一种燃料电池发动机系统，其结构在于所述储气装置是储气
本发明的一种燃料电池发动机系统的启动方法，包括燃料电池发动机首次 启动和首次启动后的一般启动，所述燃料电池发动机首次启动包括以下步骤1、
关闭附加支路上的电磁阀，将附加支路上的快装充气阀的进口与燃料电池发动 机外部的提供压力空气的装置连结，对附加支路上的储气装置充气，至储气装 置内的压力与空气系统的供气装置能提供的空气的压力相同后，关闭快装充气 阀并断开快装充气阀的进口与燃料电池发动机外的提供压力空气的装置之间的
连接；2、开启燃料电池发动机系统的氢气系统，使氢气系统向燃料电池堆供氢
5气，同时打开附加支路上的附加支路电磁阀，使附加支路上储气装置内储存的
压縮空气向燃料电池堆供空气，使燃料电池堆开始发电；3、燃料电池堆发出的 电向空气系统的供气装置供电，使空气系统的供气装置工作开始向燃料电池堆 供空气，实现由供气装置向燃料电池堆供气，此时，关闭电磁阀，发动机启动
完成；4、当储气装置内的压力小于供气装置供给的空气的压力时，附加支路单
向阀自动开启，由空气系统的供气装置对储气装置充气，至储气装置内的压力
与空气系统的供气装置供给的空气压力相同，供下次启动用；5、燃料电池发 动机系统停机时，关闭附加支路上的电磁阀，使附加支路上的储气装置保持所 充空气的压力，供下次启动用；
所述燃料电池发动机首次启动后的一般启动的步骤包括首次启动步骤中的 第2、 3、 4和5步骤。
由于本发明的系统中，在空气系统中的湿焓转换装置的空气出口与燃料电 池堆的空气进口之间的管道上串接一个出口单向阀，从而使附加支路上的储气 装置向燃料电池堆供空气时，空气只能流向燃料电池堆，不会反向流动。
本发明具有如下优点
1、 不需要外加空气系统的供气装置所需的高压电源，可降低成本；
2、 系统结构简单，制造方便，并且不占用太大空间；
3、 燃料电池发动机系统启动操作方便，安全可靠；
4、 系统具有较广泛的适用性。
本发明共有2幅附图，其中
附图1为常用燃料电池发动机系统示意图。
附图2为本发明燃料电池发动机系统示意图。
附图中，1、燃料电池堆，2、供氢系统，3、冷却系统，4、空气系统，401、 空气滤清器，402、供气装置，403、湿焓转换装置，404、附加支路单向 阀，405、储气装置，406、电磁阀，407、出口单向阀，408快装充气 阀。
具体实施例方式
下面结合附图给出的实施例对本发明作进一步说明。实施例为一台空气最高操作压力为0.05MPa的10kW燃料电池发动机系统， 包括燃料电池堆l、氢气系统2、空气系统4和冷却系统3。空气系统包括由管 道连通的空气滤清器401 、供气装置402和湿焓转换装置403，在湿焓转换装置 403的空气出口与燃料电池堆1的空气进口之间的管道上串接一个出口单向阀 407，出口单向阀407的出气口与燃料电池堆1的空气进口连接，出口单向阀407 的进气口与湿焓转换装置403的空气出口连接；空气系统还包括一个附加支路， 附加支路由用管道连通的附加支路单向阀404、储气装置405、电磁阀406和快 装充气阀408组成，储气装置405上有三个接口，储气装置405上的第一个接 口与附加支路单向阔404的出气口连接，该附加支路单向阀404的进气口连接 在空气系统的供气装置402与湿烚转换装置403连接的管路上，储气装置405 上的第二个接口与附加支路上的电磁阀405的进气口连接，该电磁阀出气口连 接在空气系统的湿焓转换装置403与燃料电池堆1连接的管路上，储气装置405 上的第三个接口与所述附加支路上的快装充气阀408的出气口连接，该快装充 气阀的进气口是附加支路与燃料电池堆外部的压縮空气装置连接的连接口。
主空气管路直径取25毫米，附加支路管路的直径取15毫米，附加支路管 路的截面积是主空气系统管路的截面积的36%。
储气装置405是储气罐，储气压力为0.05MPa，容量为6.7升(可储存标况 下气体10升)。
燃料电池发动机系统的启动方法包括燃料电池发动机首次启动和首次启动 后的一般启动，燃料电池发动机首次启动包括以下步骤1、关闭附加支路上的 电磁阀406，将附加支路上的快装充气阀408的进口与外部压縮空气装置连结， 对附加支路上的储气装置405充气，至附加支路上的储气装置405内的压力与 空气系统的供气装置供给的空气压力相同后，关闭快装充气阀408并断开快装 充气阀的进口与外部压縮空气装置之间的连接；2、开启燃料电池发动机系统的 氢气系统，使氢气系统2向燃料电池堆1供氢气，同时打开附加支路上的电磁 阀406，使附加支路上储气装置405内储存的压縮空气向燃料电池堆1供空气， 使燃料电池堆开始发电；由于本发明在空气系统中的湿焓转换装置的空气出口 与燃料电池堆的空气进口之间的管道上串接一个出口单向阀，从而使附加支路 上的储气装置向燃料电池堆供空气时，空气只能流向燃料电池堆，不会反向流
7动。3、燃料电池堆发出的电向空气系统的供气装置402供电，使空气系统的供 气装置402工作向燃料电池堆1供空气，实现由供气装置402向燃料电池堆1 供气，此时，关闭电磁阀406，发动机启动完成；4、当储气装置405内的压力 小于供气装置402压力时，附加支路单向阀404自动开启，由空气系统的供气 装置402对储气装置405充气，至附加支路上的储气装置405内的压力与空气 系统的供气装置供给的空气压力相同，供下次启动用；5、燃料电池发动机系 统停机时，关闭附加支路上的电磁阀406，使附加支路上的储气装置405保持所 充空气的压力，供下次启动用；燃料电池发动机首次启动后的一般启动的步骤 与首次启动步骤中的第2、 3和4步骤相同。
权利要求
1、一种燃料电池发动机系统，包括燃料电池堆(1)、氢气系统(2)、空气系统(4)和冷却系统(3)，空气系统包括由管道连通的空气滤清器(401)、供气装置(402)和湿焓转换装置(403)，其特征在于所述空气系统中，在湿焓转换装置(403)的空气出口与燃料电池堆(1)的空气进口之间的管道上串接一个出口单向阀(407)，出口单向阀(407)的出气口与燃料电池堆(1)的空气进口连接，出口单向阀(407)的进气口与湿焓转换装置(403)的空气出口连接；所述空气系统还包括一个附加支路，所述附加支路由用管道连通的附加支路单向阀(404)、储气装置(405)、电磁阀(406)和快装充气阀(408)组成，所述储气装置(405)上有三个接口，储气装置(405)上的第一个接口与附加支路单向阀(404)的出气口连接，该附加支路单向阀(404)的进气口连接在空气系统的供气装置(402)与湿焓转换装置(403)连接的管路上，储气装置(405)上的第二个接口与所述附加支路上的电磁阀(405)的进气口连接，该电磁阀出气口连接在空气系统的湿焓转换装置(403)与燃料电池堆(1)连接的管路上，储气装置(405)上的第三个接口与所述附加支路上的快装充气阀(408)的出气口连接，该快装充气阀的进气口是与燃料电池发动机系统外部的提供压力空气的装置的连接口。
2、 根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机系统，其特征在于所述附加 支路管路的截面积是空气系统管路的截面积的15% 70%。
3、 根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机系统，其特征在于所述储气 装置(405)的储气量为标准状态下0.5 1.5L/kW，储气装置(405)内储存的 气体的压力与空气系统的供气装置供给的最高空气压力相同。
4、 根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机系统，其特征在于所述储气 装置(405)是储气罐。
5、 权利要求l所述的一种燃料电池发动机系统的启动方法，其特征在于所 述燃料电池发动机系统的启动方法包括燃料电池发动机首次启动和首次启动后 的一般启动，所述燃料电池发动机首次启动包括以下步骤a、关闭附加支路上的电磁阀(406)，将附加支路上的快装充气阀(408)的进口与燃料电池发动机系统外部的提供压力空气的装置连结，对附加支路上的储气装置(405)充气，至储气装置(405)内的压力与空气系统的供气装置 能供给的空气压力相同后，关闭快装充气阀(408)并断开快装充气阀的进口与 燃料电池发动机系统外部的提供压力空气的装置之间的连接；b、 开启动燃料电池发动机系统的氢气系统(2)，使氢气系统(2)向燃料 电池堆(1)供氢气，同时打开附加支路上的电磁阀(406)，使附加支路上储气 装置(405)内储存的压缩空气向燃料电池堆(1)供空气，使燃料电池堆开始 发电；c、 燃料电池堆发出的电向空气系统的供气装置(402)供电，使空气系统 的供气装置(402)工作，开始向燃料电池堆(1)供空气，实现由空气系统的 供气装置(402)向燃料电池堆(1)供气，此时，关闭电磁阀(406)，发动机 启动完成；d、 当储气装置(405)内的压力小于空气系统的供气装置(402)供给的空 气的压力时，附加支路单向阀(404)自动开启，由空气系统的供气装置(402) 对储气装置(405)充气，至储气装置(405)内的压力与空气系统的供气装置 供给的空气的压力相同，供下次启动用；e、 燃料电池发动机系统停机时，关闭附加支路上的电磁阀(406)，使附加 支路上的储气装置(405)保持所充空气的压力，供下次启动用；所述燃料电池发动机首次启动后的一般启动的步骤与首次启动步骤中的第 b、 c、 d和e步骤相同。
全文摘要
一种燃料电池发动机系统及其启动方法，燃料电池发动机系统包括燃料电池堆、氢气系统、空气系统和冷却系统，空气系统中还包括一个由附加支路单向阀、储气装置、电磁阀和快装充气阀组成的附加支路。该燃料电池发动机系统的启动方法是启动燃料电池发动机系统，氢气系统向燃料电池堆供氢气，由附加支路上的储气装置，内储存的压缩空气，向燃料电池堆供空气，燃料电池堆发电后，向空气系统的供气装置供电，实现供气装置向燃料电池堆供空气，同时向附加支路上的储气装置充气。本发明的优点是不需要外加高压电源，可降低成本；系统结构简单，制造方便，占用空间不大；系统启动操作方便，安全可靠；系统具有较广泛的适用性。
文档编号H01M8/24GK101557006SQ200910011619
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月18日 优先权日2009年5月18日
发明者孙德尧, 孙茂喜, 军 胡 申请人:新源动力股份有限公司