一种低温启动供能装置及其方法

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：

1、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、优选的，所述温度传感器至少设置为一个。

8、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：

9、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；

10、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；

11、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；

12、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；

13、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；

14、步骤六：重复步骤二到步骤五，直至满足功能停止条件。

15、优选的，所述输入信号包括：

16、(1)、环境温度；

17、(2)、燃料电池温度；

18、(3)、燃料电池启动信号；

19、(4)、燃料电池实时功率。

20、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。

21、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。

22、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。

23、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。

技术特征：

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：

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：

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。

技术总结
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。

技术研发人员：石伟,熊树生,李伟
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1