一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統的製作方法

2023-05-18 12:05:26

專利名稱：一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於質子交換膜燃料電池領域，尤其涉及一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統。
背景技術：
環境溫度在零度以下時的燃料電池啟動是個整個燃料電池行業的難題，因為質子交換膜燃料電池是個有水參與的反應，在環境溫度低於0°c時，燃料電池內部將結冰，無法正常發電。質子交換膜燃料電池要想產生電能，需要對其增溼，在水的作用下質子方能穿越膜電極而產生電流。這樣就產生一個問題，在溫度低於0°c的時候，燃料電池內部的水會結 晶成冰，儘管經過吹掃等處理仍會有微量的冰晶存在，影響傳質和質子的傳遞，使燃料電池無法啟動或者啟動過慢。燃料電池在啟動時空氣、氫氣等燃料的供應，需要輔助電源來幫助其完成，然後才能使用自己產生的電能驅動整個系統。在溫度處於零下的情況下，燃料電池受溫度的制約，燃料的傳質、質子的傳遞受到影響，不能大幅的發電，這樣在啟動過程中就會長時間消耗蓄電池等的電量，直到燃料電池正常工作為止。蓄電池電量是有限的，且溫度處於零下時性能下降，長時間的放電，蓄電池的性能未必能滿足要求，且蓄電池也容易損壞。因此，燃料電池發電系統要加速啟動，快速進入正常工作狀態。如圖3所示，現有技術的零下低溫啟動系統，一般包括空氣濾清器、空氣泵、增溼器、燃料電池堆和堆溫度傳感器，不包含空氣加熱器，不對空氣反應界面和其組件進行加熱，而是依靠燃料電池自身發電時產生的廢熱來提高自己的溫度，這樣溫度上升比較慢，容易損傷電極，且大量消耗蓄電池等輔助電源的電量，不利於低溫啟動。
發明內容為克服燃料電池發電系統在零度以下低溫狀態下啟動過慢的不足，本實用新型的目的在於提供一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統，可以實現燃料電池快速升溫，使燃料電池快速啟動並正常工作。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案如下一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統，包括空氣濾清器、空氣泵、空氣加熱器、增溼器、入口溫度傳感器、燃料電池堆、堆溫度傳感器、蓄電池和控制器，所述的空氣濾清器通過管路依次與空氣泵、空氣加熱器、增溼器、入口溫度傳感器、燃料電池堆連接；所述的空氣加熱器通過電路與蓄電池、燃料電池堆相連；所述的燃料電池堆上安裝有堆溫度傳感器；所述的控制器接收空氣加熱器、入口溫度傳感器、堆溫度傳感器和蓄電池上傳的信息並控制空氣加熱器加熱以及蓄電池開關。與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果燃料電池在零度以下溫度的啟動是個整個燃料電池行業的難題，因為質子交換膜燃料電池是個有水參與的反應，在環境溫度低於o°c時，燃料電池內部將結冰，無法正常發電。現有的零度以下低溫啟動技術一般是以燃料電池發電時自己產生的廢熱來加熱自己，融化冰晶，耗時較長，在車載等採用蓄電池作為輔助啟動電源的情況下，由於燃料電池在低溫下不能高功率輸出電能，產生過度放電的現象，將耗盡蓄電池電量或者損壞蓄電池，使燃料電池啟動失敗，同時蓄電池由於低溫放電，性能變差，壽命降低。本實用新型利用空氣加熱器加熱後的空氣對燃料電池堆的空氣反應界面以及其它電池組件加熱，加速消融電極上的冰晶，使燃料的傳質和質子的傳遞順利進行，不會因大功率發電致使局部過熱而損傷電極，加速溫度處於零度以下燃料電池的啟動，同時燃料電池快速啟動以後，可以節約輔助電源蓄電池的能耗，防止出現過度放電或者電力不足無法啟動燃料電池現象，延長蓄電池的使用壽命。

本實用新型共有附圖4幅，其中圖I為一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統示意圖。圖2為一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統控制方法流程圖。 圖3為現有技術的燃料電池發電系統空氣系統示意圖。圖4為本實用新型與現有技術的測試結果對比曲線圖。圖中1、空氣濾清器，2、空氣泵，3、空氣加熱器，4、增溼器，5、入口溫度傳感器，6、燃料電池堆，7、堆溫度傳感器，8、蓄電池，9、控制器，101、本實用新型的測試結果曲線，202、現有技術的測試結果曲線。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行進一步地描述。如圖I所示，一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統，包括空氣濾清器I、空氣泵2、空氣加熱器3、增溼器4、入口溫度傳感器5、燃料電池堆6、堆溫度傳感器7、蓄電池8和控制器9，所述的空氣濾清器I通過管路依次與空氣泵2、空氣加熱器3、增溼器4、入口溫度傳感器5、燃料電池堆6連接；所述的空氣加熱器3通過電路與蓄電池8、燃料電池堆6相連；所述的燃料電池堆6上安裝有堆溫度傳感器7 ;所述的控制器9接收空氣加熱器3、入口溫度傳感器5、堆溫度傳感器7和蓄電池8上傳的信息並控制空氣加熱器3加熱以及蓄電池8開關。如圖2所示，本實用新型的控制方法，包括以下步驟A、啟動燃料電池堆6，通過堆溫度傳感器7檢測燃料電池堆6溫度T2，當T2彡(TC時，由蓄電池8供電啟動空氣加熱器3，當T2 > (TC時則不啟動空氣加熱器3 ；B、通過入口溫度傳感器5檢測空氣溫度Tl，並將空氣溫度Tl傳給控制器9，控制器9控制空氣加熱器3保持溫度T3，所述T3為70-100°C ；C、當蓄電池8電量低於其容量的40%時，控制器9接收到信號後切斷蓄電池8，轉為由燃料電池堆6供電；D、當燃料電池堆6溫度T2 > (TC時，控制空氣加熱器3停止加熱。本實用新型工作時，主要依靠空氣加熱器3加熱後的空氣對燃料電池堆6的空氣反應界面以及其它電池組件加熱。下面通過試驗結果來說明本實用新型的有益效果。試驗中，採用額定20kW的燃料電池堆6，用於啟動的輔助電源為4A/h的蓄電池8，空氣加熱器3為最大功率為6KW的管道式加熱器。實驗在環境倉中進行。燃料電池堆6經12小時-10°C的冷凍後，開始本實驗。藉助蓄電池8啟動燃料電池堆6，為防止大載荷給電堆造成損傷，給燃料電池堆5KW的載荷，與空氣加熱器3 —同升溫燃料電池堆6。經堆溫度傳感器7測量，啟動時燃料電池堆6溫度為-10°C，即T2 < (TC，則啟動空氣加熱器3加熱空氣，3分鐘後經入口溫度傳感器5檢測，溫度Tl為80°C，控制器9發出信號，保持空氣溫度為80°C，此時，堆溫度傳感器7檢測到的電堆溫度T2為-4°C，蓄電池電量為58%，不低於40%，不會因為過度放電而損壞，控制空氣加熱器繼續加熱，2分鐘以後，蓄電池電量還有45%，燃料電池堆6溫度T2為I °C，此時控制器9控制空氣加熱器停止加熱，燃料電池完成零下低溫啟動，開始正常加減載。試驗還做了現有技術的溫升試驗。試驗結果表明，採用回流加熱空氣系統的零下低溫啟動溫升速度比現有技術低溫啟動快6分鐘。兩者測試結果對比見附圖4的本實用新型的測試結果曲線101 和現有技術的測試結果曲線202。本實用新型所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
權利要求1.一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統，其特徵在於包括空氣濾清器(I)、空氣泵(2)、空氣加熱器(3)、增溼器(4)、入口溫度傳感器(5)、燃料電池堆(6)、堆溫度傳感器(7)、蓄電池(8)和控制器(9)，所述的空氣濾清器(I)通過管路依次與空氣泵(2)、空氣加熱器(3)、增溼器(4)、入口溫度傳感器(5)、燃料電池堆(6)連接；所述的空氣加熱器(3)通過電路與蓄電池(8)、燃料電池堆(6)相連；所述的燃料電池堆(6)上安裝有堆溫度傳感器(7);所述的控制器(9)接收空氣加熱器(3)、入口溫度傳感器(5)、堆溫度傳感器(7)和蓄電池(8)上傳的信息並控制空氣加熱器(3)加熱以及蓄電池(8)開關。
專利摘要本實用新型公開了一種燃料電池低溫啟動的空氣加熱系統，所述的系統包括空氣濾清器、空氣泵、空氣加熱器、增溼器、入口溫度傳感器、燃料電池堆、堆溫度傳感器、蓄電池和控制器。所述的燃料電池堆上安裝有堆溫度傳感器。本實用新型利用空氣加熱器加熱後的空氣對燃料電池堆的空氣反應界面以及其它電池組件加熱，加速消融電極上的冰晶，使燃料的傳質和質子的傳遞順利進行，不會因大功率發電致使局部過熱而損傷電極，加速溫度處於零度以下燃料電池的啟動，同時燃料電池快速啟動以後，可以節約輔助電源蓄電池的能耗，防止出現過度放電或者電力不足無法啟動燃料電池現象，延長蓄電池的使用壽命。
文檔編號H01M8/04GK202712345SQ201220369638
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者江洪春, 李丹, 侯中軍, 榮瑞, 秦連慶, 楊景官, 明平文, 劉常福 申請人:新源動力股份有限公司