燃料电池低温快速启动系统及其启动方法
【专利摘要】本发明提供一种燃料电池低温快速启动系统及其启动方法，包括空气压缩机和燃料电池组，空气压缩机通过一输气管与燃料电池组相连，空气压缩机的进气口连接有一进气管，进气管上设有入口空气阀，燃料电池组的出气口连接有一排气管，排气管上设有限压阀，燃料电池组的出气口还设有一支路管道与空气压缩机的进气口相连，使空气压缩机、输气管、燃料电池组及支路管道构成一循环回路，并且支路管道上设有回路空气阀，上述空气压缩机、入口空气阀、限压阀、温度传感器及回路空气阀均与一控制器连接。本发明通过设置一支路管道使空气压缩机和燃料电池组接通循环回路，以达到使燃料电池在低温条件下迅速冷启动的目的。
【专利说明】燃料电池低温快速启动系统及其启动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及车载燃料电池系统，尤其涉及一种燃料电池低温快速启动系统及其启动方法。
【背景技术】
[0002]为了适应瞬息万变的全天候、全地区的工作条件，车载燃料电池必须具有良好的冷启动(即低温启动)特性。而冷启动最大的问题在于低温下水生成冰，阻碍了氢气和空气在膜电极(MEA)内部的扩散和质子交换膜燃料电池PEMFC阴极生成水的排除，从而造成冷启动的失败。
[0003]作为相关技术，燃料电池低温启动的策略分为两个大的类别，分别是“保温”与“加热融冰”方法。为了达到保温的目的一方面需要减少电堆(即燃料电池组)与环境间的换热，另外一方面需要在停机以后向电堆补充热量以使得电堆的温度维持在零度以上。例如通用汽车公司设计了一种用于低温环境的燃料电池能量管理系统，在需要加热的时候氢气阀门和空气压缩机开启使一部分燃料电池开始工作，产生的电能使加热器开始对电堆和冷却液加热。日产汽车公司设计了一种根据环境温度的历史记录和使用者输入的待机时间而自动在保温和加热状态间切换热管理系统。
[0004]用于加热的热源可以根据来源分为两大类:一类为外部热源，这种热量主要在电堆外部产生通过导热介质传递到电堆和各个子系统。另外一类为内部热源，这种热量主要在电堆内部产生，比如催化层上产生的化学反应热或者氢气在气体流道内燃烧产生的热量。例如日产公司设计了一种燃烧室将氢气燃烧，并通过换热器把生成的热量带入冷却液体循环系统，通过冷却液体对电堆进行加热。但是这种加热方式降低了燃料的经济性，增加了系统的体积、质量和生产成本。
[0005]中国发明专利200610134075.4公开了一种燃料电池低温启动的方法及装置，将燃料电池与直流电源串联，双向开关控制器可选择燃料电池与负载或直流电源相连。燃料电池低温启动时，燃料电池与直流电源相连，氢气、空气分别通入阳极和阴极，调节电流、电压控制器使一定的电流通过燃料电池。氢泵作用，氢气在阴极产生，氢气与空气中的氧气反应放热，使膜电极快速升温达到燃料电池能正常启动运行温度。该发明属于上述提到的“加热融冰”方法，通过增加额外的附属设备，达到快速启动的目的。
[0006]综上所述，现有技术均需增加额外的附属设备，既增加了车载燃料电池系统的体积和重量，又增加了成本，而且会消耗额外的燃料，降低了燃料的经济性。
【发明内容】
[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无需增加额外附属设备的燃料电池低温快速启动系统及其启动方法，缩短在低温条件下燃料电池的启动时间，迅速达到燃料电池正常工作状态，以保证燃料电池汽车的正常启动。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种燃料电池低温快速启动系统，包括空气压缩机和燃料电池组，所述空气压缩机通过一输气管与燃料电池组相连，所述空气压缩机的进气口连接有一进气管，所述进气管上设有入口空气阀，所述燃料电池组的出气口连接有一排气管，所述排气管上设有限压阀，所述燃料电池组上设有用于检测燃料电池组内部温度的温度传感器，所述燃料电池组的出气口还设有一支路管道与空气压缩机的进气口相连，使所述空气压缩机、输气管、燃料电池组及支路管道构成一循环回路，并且所述循环回路上设有一控制所述支路管道通断的回路空气阀，所述空气压缩机、入口空气阀、限压阀、温度传感器及回路空气阀均与一控制器连接。
[0009]进一步地，所述空气压缩机上设有用于检测氧气含量的氧传感器，所述氧传感器与控制器连接。
[0010]优选地，所述进气管上设有过滤空气中杂质的过滤器。
[0011]本发明还包括上述燃料电池低温快速启动系统的启动方法，包括以下阶段:a)预热阶段:控制器控制入口空气阀打开，限压阀关闭，回路空气阀打开，空气压缩机开启向燃料电池组提供压缩空气，压缩空气沿所述循环回路循环流动，当温度传感器检测到燃料电池组的温度达到o°c及以上时，入口空气阀关闭，限压阀及回路空气阀状态不变；b)冷启动阶段:当燃料电池组进入正常工作状态时，入口空气阀打开，限压阀打开，回路空气阀关闭。
[0012]优选地，上述步骤a中，所述空气压缩机对空气进行绝热压缩。
[0013]进一步地，上述步骤b中，燃料电池组进入正常工作状态前有一段缓慢工作状态，所述空气压缩机上设有氧传感器，氧传感器检测空气压缩机进气口处的氧气含量，并将检测的氧气含量值与控制器中的预设值比较，当低于预设值时，控制器控制入口空气阀及限压阀开启，当高于预设值时，控制器控制入口空气阀及限压阀关闭；
[0014]进一步地，所述控制器中的预设值不低于17%。
[0015]通过以上技术方案，本发明具有以下技术效果:
[0016]本发明在不增加过多额外附属设备和不消耗额外燃料的情况下，通过自身设备空气压缩机压缩空气来加热燃料电池组，充分利用了空气的压缩热能，并且通过设置一支路管道使空气压缩机和燃料电池组接通循环回路，使排出燃料电池组的空气回到空气压缩机继续压缩升温，并再次进入燃料电池组循环加热，而且温度更高，以达到使燃料电池在低温条件下迅速冷启动的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为现有技术中燃料电池的启动原理图；
[0018]图2为本发明燃料电池低温快速启动系统原理图。
[0019]元件标号说明:
[0020]1-空气压缩机；
[0021]2-燃料电池组；
[0022]3-进气管；
[0023]4-输气管；
[0024]5-排气管；
[0025]6-入口空气阀；
[0026]7-限压阀；[0027]8-支路管道；
[0028]9-回路空气阀；
[0029]10-过滤器。
【具体实施方式】
[0030]以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0031]请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0032]图2示出了本发明燃料电池低温快速启动系统的一种实施方式，包括空气压缩机I和燃料电池组2，空气压缩机通过一输气管4与燃料电池组相连，空气压缩机的进气口连接有一进气管3，进气管上设有入口空气阀6，燃料电池组的出气口连接有一排气管5，排气管上设有限压阀7，燃料电池组3上设有用于检测燃料电池组内部温度的温度传感器，燃料电池组的出气口还设有一支路管道8与空气压缩机的进气口 3相连，使空气压缩机1、输气管4、燃料电池组2及支路管道8构成一循环回路，并且循环回路上设有一控制支路管道8通断的回路空气阀9，回路空气阀9既可以采用普通的截止阀直接设在支路管道8上，也可以采用两位三通阀设在支路管道与排气管的节点处(图2所示)，上述空气压缩机1、入口空气阀6、限压阀7、温度传感器及回路空气阀9均与一控制器连接，通过控制器控制各部件的开关闭合运行等状态。由于燃料电池在使用过程中必须对空气和氢气进行加湿，经常会造成燃料电池反应后产生的水未完全排出的情况，因此如若上次使用后没有进行“扫水”程序的话，在低温环境下会结冰，造成燃料电池冷启动的失败，因此在低温情况下，预热非常重要。如图1所示，常规的燃料电池启动系统中，通过燃料电池组的空气会通过排气管5直接排入外部环境的空气中，尽管这部分压缩空气与低温的燃料电池组进行了热交换，温度有所下降，但其温度仍高于外部环境空气的温度，因此可以加以利用。基于这一理念，本发明通过将已通过输气管4连接的空气压缩机I和燃料电池组2上再连接一支路管道8构成循环回路，将通过燃料电池组2的空气返回至空气压缩机I再次压缩加以循环利用。
[0033]以下结合燃料电池低温快速启动系统的启动方法作进一步详述。预热阶段:根据现有技术已知，经过压缩后的空气，温度会升高，因而可以在通过燃料电池组时对其进行预热。而且压缩空气与其他流体的热量传递相比较，压缩空气的热量传递到催化剂反应表面的路径较短，传热速率快，在本发明中可以直接利用燃料电池本身的附属设备空气压缩机I对空气进行压缩。首先通过控制器打开入口空气阀6及回路空气阀9，并关闭限压阀7，经过进气管3上设置的过滤器10过滤杂质后的空气进入空气压缩机I进行压缩，而且为了提高压缩后空气的温度，优选用绝热压缩。压缩后的空气通过输气管4进入燃料电池组2传递热量进行预热，从燃料电池组2流出的空气通过支路管道8流回空气压缩机1，再次进行压缩并循环，当温度传感器检测到燃料电池组2的温度达到0°C及以上时，将此信号反馈给控制器，控制器控制入口空气阀6关闭，限压阀7及回路空气阀9的状态不变。
[0034]本发明燃料电池冷启动分为两个阶段。燃料电池冷启动初期:预热后，燃料电池组2会进入一段时间的缓慢工作状态。此时燃料电池组经过几次循环后，温度逐渐升高，以达到越来越好的预热效果。之所以在启动初期还能对空气循环压缩使用的原因在于，启动初期时供给燃料电池组的空气过量系数可达λ =10，远远大于正常工作时的空气过量系数λ =2。而且为了保险起见，本发明中空气压缩机I上设有氧传感器对空气压缩机进气口处的氧气含量进行检测，并将检测的氧气含量值与控制器中的预设值(优选氧气含量值不低于17%)比较，如若氧气含量值低于预设值时，控制器打开入口空气阀6，补充一部分新鲜的空气，与此同时，限压阀7也会打开，将一部分循环空气从排气管5排出；当氧气含量值高于预设值时，控制器控制入口空气阀6及限压阀7关闭。这样双重保障，使得在冷启动初期压缩空气中的氧气含量始终维持在合理的范围之内。
[0035]燃料电池冷启动后期:当燃料电池组2进入正常工作状态后，入口空气阀6保持打开状态，回路空气阀9关闭。因正常工作状态下，不同设备上燃料电池的具体型号、规格不同而导致所需正常工作压力相应不同，因此排气管上设有压力传感器检测管道内压力，并将检测到的压力值反馈到控制器，通过控制器控制限压阀7来维持正常工作压力，
[0036]综上所述，本发明在不增加过多额外附属设备和不消耗额外燃料的情况下，通过设置一支路管道使空气压缩机和燃料电池组接通循环回路，使排出燃料电池组的空气回到空气压缩机继续压缩升温，并再次进入燃料电池组循环加热，而且温度更高，以达到使燃料电池在低温条件下迅速冷启动的目的。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0037]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种燃料电池低温快速启动系统，包括空气压缩机(I)和燃料电池组(2)，所述空气压缩机通过一输气管(4)与燃料电池组相连，所述空气压缩机的进气口连接有一进气管(3)，所述进气管上设有入口空气阀(6)，所述燃料电池组的出气口连接有一排气管(5)，所述排气管上设有限压阀(7)，所述燃料电池组(3)上设有用于检测燃料电池组内部温度的温度传感器，其特征在于，所述燃料电池组的出气口还设有一支路管道(8)与空气压缩机的进气口(3)相连，使所述空气压缩机(I)、输气管(4)、燃料电池组(2)及支路管道(8)构成一循环回路，并且所述循环回路上设有一控制所述支路管道通断的回路空气阀(9)，所述空气压缩机(I)、入口空气阀(6)、限压阀(7)、温度传感器及回路空气阀(9)均与一控制器连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述空气压缩机(I)上设有用于检测氧气含量的氧传感器，所述氧传感器与控制器连接。
3.根据权利要求1所述的燃料电池低温快速启动系统，其特征在于，所述进气管(3)上设有过滤空气中杂质的过滤器(10)。
4.一种权利要求1所述的燃料电池低温快速启动系统的启动方法，其特征在于，包括以下阶段: a)预热阶段:控制器控制入口空气阀(6)打开，限压阀(7)关闭，回路空气阀(9)打开，空气压缩机(I)开启向燃料电池组(2)提供压缩空气，压缩空气沿所述循环回路循环流动，当温度传感器检测到燃料电池组的温度达到0°C及以上时，入口空气阀(6)关闭，限压阀(7)及回路空气阀(9)状态不变； b)冷启动阶段:当燃料电池组(2)进入正常工作状态时，入口空气阀(6)打开，限压阀(7)打开，回路空气阀(9)关闭。
5.根据权利要求4所述的燃料电池低温快速启动系统的启动方法，其特征在于，所述步骤a中，所述空气压缩机(I)对空气进行绝热压缩。
6.根据权利要求4所述的燃料电池低温快速启动系统的启动方法，其特征在于，所述步骤b中，燃料电池组进入正常工作状态前有一段缓慢工作状态，所述空气压缩机(I)上设有氧传感器，氧传感器检测空气压缩机(I)进气口处的氧气含量，并将检测的氧气含量值与控制器中的预设值比较，当低于预设值时，控制器控制入口空气阀(6)及限压阀(7)开启，当高于预设值时，控制器控制入口空气阀(6 )及限压阀(7 )关闭。
7.根据权利要求6所述的燃料电池低温快速启动系统的启动方法，其特征在于，所述控制器中的预设值不低于17%。
【文档编号】H01M8/04GK103855416SQ201210510972
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月3日 优先权日:2012年12月3日
【发明者】陈雪松, 陈沛 申请人:上海汽车集团股份有限公司