一種燃料電池低溫啟動系統(tǒng)及運行方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種燃料電池低溫啟動系統(tǒng)及運行方法，低溫啟動系統(tǒng)包括：燃料電池系統(tǒng)和冷卻液循環(huán)系統(tǒng)；冷卻液循環(huán)系統(tǒng)包括：依次連接并形成環(huán)路的空氣?冷卻液換熱器、氫氣?冷卻液換熱器、氫氣催化燃燒換熱器、水泵、散熱器；空氣?冷卻液換熱器位于燃料電池系統(tǒng)的空氣輸送管路上；氫氣?冷卻液換熱器位于氫氣輸送管路上；氫氣催化燃燒換熱器用于使冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)的冷卻液升溫并通過第一氫氣輸送支路連通所述燃料電池系統(tǒng)的氫氣源；經(jīng)由氫氣催化燃燒換熱器的冷卻液通過水泵在冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)。上述低溫啟動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低溫環(huán)境下燃料電池的快速啟動，且保證低溫下燃料電池運行壽命，可有效降低燃料電池的低溫運行故障率。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種車載燃料電池技術(shù)，尤其涉及一種燃料電池低溫啟動系統(tǒng)及運行方法。
技術(shù)介紹
燃料電池的應(yīng)用中，低溫啟動和低溫運行成為其必然面對的課題。車載燃料電池必須具有良好的冷啟動(即低溫啟動)特性。而冷啟動最大的問題在于低溫下水生成冰，阻礙了氫氣和空氣在質(zhì)子交換膜內(nèi)部的擴散和質(zhì)子交換膜燃料電池陰極生成水的排除，從而造成冷啟動的失敗。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池要想產(chǎn)生電能，需要對其增濕，在水的作用下質(zhì)子方能穿越膜電極而產(chǎn)生電流。然而，在溫度低于0℃時，燃料電池內(nèi)部的水會結(jié)晶成冰?，F(xiàn)有技術(shù)中可通過吹掃等處理減少燃料電池內(nèi)部的冰，但是燃料電池內(nèi)部仍會有微量的冰晶存在，影響傳質(zhì)和質(zhì)子的傳遞，使燃料電池無法啟動或者啟動過慢。進一步地，若上述低溫環(huán)境下水生成冰的過程若發(fā)生在燃料電池電堆內(nèi)的催化表面附近，則會影響進一步電化學(xué)反應(yīng)甚至導(dǎo)致質(zhì)子交換膜電極剝離損壞。為此，現(xiàn)有技術(shù)中提供有多個燃料電池系統(tǒng)的低溫啟動方法，能夠有效實現(xiàn)燃料電池的快速啟動，但是卻無法保證低溫下燃料電池的有效運行。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本專利技術(shù)提供一種燃料電池低溫啟動系統(tǒng)及運行方法，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫環(huán)境下燃料電池的快速啟動，且保證低溫下燃料電池運行壽命，有效降低燃料電池的低溫運行故障率。第一方面，本專利技術(shù)提供一種燃料電池低溫啟動系統(tǒng)，包括：燃料電池系統(tǒng)和冷卻液循環(huán)系統(tǒng)；所述冷卻液循環(huán)系統(tǒng)包括：依次連接并形成環(huán)路的空氣-冷卻液換熱器、氫氣-冷卻液換熱器、氫氣催化燃燒換熱器、水泵、散熱器；其中，所述空氣-冷卻液換熱器位于燃料電池系統(tǒng)的空氣輸送管路上，用于與待進入燃料電池電堆的空氣換熱；所述氫氣-冷卻液換熱器位于燃料電池系統(tǒng)的氫氣輸送管路上，用于與待進入燃料電池電堆的氫氣換熱；所述氫氣催化燃燒換熱器用于使冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)的冷卻液升溫，該氫氣催化燃燒換熱器通過第一氫氣輸送支路連通所述燃料電池系統(tǒng)的氫氣源；經(jīng)由所述氫氣催化燃燒換熱器的冷卻液通過水泵在所述冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)?？蛇x地，所述水泵連接散熱器的一端還連接所述燃料電池系統(tǒng)的節(jié)溫器；所述散熱器為所述燃料電池系統(tǒng)的散熱器；所述散熱器遠離所述水泵的一端連接節(jié)溫器的一端，所述節(jié)溫器的另一端連接所述空氣-冷卻液換熱器，形成冷卻液的循環(huán)環(huán)路；和/或，所述氫氣催化燃燒換熱器通過第二氫氣輸送支路連通所述燃料電池系統(tǒng)的氫氣排放裝置?？蛇x地，所述空氣-冷卻液換熱器為板式換熱器、翅片式換熱器、管殼式換熱器中的一種；和/或，所述氫氣-冷卻液換熱器為板式換熱器、翅片式換熱器、管殼式換熱器中的一種；和/或，所述氫氣催化燃燒換熱器為板式換熱器、翅片式換熱器、管殼式換熱器中的一種。可選地，所述空氣-冷卻液換熱器、氫氣-冷卻液換熱器、氫氣催化燃燒換熱器中的一個或多個上設(shè)有電輔助加熱設(shè)備；每一電輔助加熱設(shè)備均連接燃燒電池系統(tǒng)的電源。可選地，所述電輔助加熱設(shè)備包括下述的一種或多種：電阻絲、PTC貼片、紅外設(shè)備或激光設(shè)備?？蛇x地，所述冷卻液循環(huán)系統(tǒng)還包括：用于監(jiān)測冷卻液溫度的冷卻液溫度傳感器；所述冷卻液溫度傳感器連接所述燃料電池系統(tǒng)的控制器，該控制器連接所述燃料電池系統(tǒng)的空氣壓縮機、所有的電磁閥、節(jié)溫器、散熱器，以及連接所述冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的水泵；所述控制器根據(jù)所述冷卻液溫度傳感器檢測的冷卻液溫度控制所述水泵的啟動，以及控制燃料電池系統(tǒng)中空氣輸送管路、氫氣輸送管路的通斷?？蛇x地，所述燃料電池系統(tǒng)的空氣輸送管路上設(shè)置有用于監(jiān)測空氣溫度的空氣溫度傳感器，所述空氣溫度傳感器連接所述控制器。第二方面，本專利技術(shù)還提供一種基于上述任一所述的燃料電池低溫啟動系統(tǒng)的燃料電池低溫運行方法，包括：在燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境溫度低于0℃時，通過冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的氫氣催化燃燒換熱器加熱冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻液；以及通過冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的水泵使加熱的冷卻液在冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)，進而燃料電池系統(tǒng)的空氣輸送管路中空氣、氫氣輸送管路中氫氣分別通過各自的換熱器與冷卻液換熱；若冷卻液的溫度超過第一預(yù)設(shè)溫度，則分別向燃料電池系統(tǒng)的燃料電池電堆中通入換熱后的空氣和氫氣?？蛇x地，通過冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的氫氣催化燃燒換熱器加熱冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻液，包括：打開第一氫氣輸送支路，使氫氣源向氫氣催化燃燒換熱器輸送用于產(chǎn)熱的氫氣，以加熱冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻液；相應(yīng)地，所述方法還包括：在所述燃料電池系統(tǒng)的氫氣排放裝置中排放的氫氣溫度超過第二預(yù)設(shè)溫度時，打開第二氫氣輸送支路，關(guān)閉第一氫氣輸送支路，使氫氣排放裝置的排放氫氣催化加熱氫氣催化燃燒換熱器中的冷卻液。可選地，所述方法還包括：在所述冷卻液的溫度超過第三預(yù)設(shè)溫度時，停止加熱氫氣催化燃燒換熱器中的冷卻液。由上述技術(shù)方案可知，本專利技術(shù)的一種燃料電池低溫啟動系統(tǒng)及運行方法，通過在燃料電池系統(tǒng)中增加冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，使得冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中的空氣-冷卻液換熱器可與空氣輸送管路中的空氣換熱，以及氫氣-冷卻液換熱器可與氫氣輸送管路中的氫氣換熱，保證在燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境溫度低于0℃時，燃料電池系統(tǒng)可以正常啟動，且保證正常運行，進而實現(xiàn)低溫環(huán)境下燃料電池的快速啟動，且保證低溫下燃料電池運行壽命，可有效降低燃料電池的低溫運行故障率。附圖說明圖1為本專利技術(shù)一實施例提供的燃料電池低溫啟動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)另一實施例提供的燃料電池低溫啟動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本專利技術(shù)一實施例提供的燃料電池低溫運行方法的流程示意圖。附圖中：空氣-冷卻液換熱器11、氫氣-冷卻液換熱器12、氫氣催化燃燒換熱器13、水泵14、散熱器15、第一氫氣輸送支路16、第二氫氣輸送支路17、冷卻液溫度傳感器18；空氣輸送管路21、氫氣輸送管路22、燃料電池電堆23、氫氣源24、節(jié)溫器25、氫氣排放裝置26、空氣溫度傳感器27。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本專利技術(shù)的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本專利技術(shù)，但不用來限制本專利技術(shù)的范圍。圖1示出了本專利技術(shù)一實施例提供的燃料電池低溫啟動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本實施例的燃料電池低溫啟動系統(tǒng)包括：燃料電池系統(tǒng)和冷卻液循環(huán)系統(tǒng)。本實施例的燃料電池系統(tǒng)可為現(xiàn)有技術(shù)中的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括：空氣壓縮機、氫氣源、增濕器、燃料電池電堆、氫氣排放裝置、節(jié)溫器、散熱器、多個電磁閥等。燃料電池系統(tǒng)中各部件的連接關(guān)系和現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池系統(tǒng)中各部件的連接關(guān)系均相同，本實施例不對其進行詳細。本實施例在燃料電池系統(tǒng)上增加冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示，本實施例的冷卻液循環(huán)系統(tǒng)包括：依次連接并形成環(huán)路的空氣-冷卻液換熱器11、氫氣-冷卻液換熱器12、氫氣催化燃燒換熱器13、水泵14、散熱器15；其中，空氣-冷卻液換熱器11位于燃料電池系統(tǒng)的空氣輸送管路21上，用于與待進入燃料電池電堆的空氣換熱；例如，空氣-冷卻液換熱器11的位置可以同時或獨立設(shè)置在空氣壓縮機進氣口、空氣壓縮機出口、燃料電池電堆23空氣尾排處，流經(jīng)該換熱器的冷卻液和空氣換熱。所述氫氣-冷卻液換熱器12位于燃料電池系統(tǒng)的氫氣輸送管路22上，用于與待進入燃料電池電堆的氫氣換熱；例如，氫氣-冷卻液換熱器的位置可以同時或者獨立設(shè)置在燃料電池電堆的氫氣入口處，或者燃料電池電堆氫氣出口處。流經(jīng)該換熱器的冷卻液和氫氣換熱。所述氫氣催化燃燒換熱器13用于使冷卻液循環(huán)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種燃料電池低溫啟動系統(tǒng)，包括：燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括：冷卻液循環(huán)系統(tǒng)；所述冷卻液循環(huán)系統(tǒng)包括：依次連接并形成環(huán)路的空氣?冷卻液換熱器、氫氣?冷卻液換熱器、氫氣催化燃燒換熱器、水泵、散熱器；其中，所述空氣?冷卻液換熱器位于燃料電池系統(tǒng)的空氣輸送管路上，用于與待進入燃料電池電堆的空氣換熱；所述氫氣?冷卻液換熱器位于燃料電池系統(tǒng)的氫氣輸送管路上，用于與待進入燃料電池電堆的氫氣換熱；所述氫氣催化燃燒換熱器用于使冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)的冷卻液升溫，該氫氣催化燃燒換熱器通過第一氫氣輸送支路連通所述燃料電池系統(tǒng)的氫氣源；經(jīng)由所述氫氣催化燃燒換熱器的冷卻液通過水泵在所述冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種燃料電池低溫啟動系統(tǒng)，包括：燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括：冷卻液循環(huán)系統(tǒng)；所述冷卻液循環(huán)系統(tǒng)包括：依次連接并形成環(huán)路的空氣-冷卻液換熱器、氫氣-冷卻液換熱器、氫氣催化燃燒換熱器、水泵、散熱器；其中，所述空氣-冷卻液換熱器位于燃料電池系統(tǒng)的空氣輸送管路上，用于與待進入燃料電池電堆的空氣換熱；所述氫氣-冷卻液換熱器位于燃料電池系統(tǒng)的氫氣輸送管路上，用于與待進入燃料電池電堆的氫氣換熱；所述氫氣催化燃燒換熱器用于使冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)的冷卻液升溫，該氫氣催化燃燒換熱器通過第一氫氣輸送支路連通所述燃料電池系統(tǒng)的氫氣源；經(jīng)由所述氫氣催化燃燒換熱器的冷卻液通過水泵在所述冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水泵連接散熱器的一端還連接所述燃料電池系統(tǒng)的節(jié)溫器；所述散熱器為所述燃料電池系統(tǒng)的散熱器；所述散熱器遠離所述水泵的一端連接節(jié)溫器的一端，所述節(jié)溫器的另一端連接所述空氣-冷卻液換熱器，形成冷卻液的循環(huán)環(huán)路；和/或，所述氫氣催化燃燒換熱器通過第二氫氣輸送支路連通所述燃料電池系統(tǒng)的氫氣排放裝置。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣-冷卻液換熱器為板式換熱器、翅片式換熱器、管殼式換熱器中的一種；和/或，所述氫氣-冷卻液換熱器為板式換熱器、翅片式換熱器、管殼式換熱器中的一種；和/或，所述氫氣催化燃燒換熱器為板式換熱器、翅片式換熱器、管殼式換熱器中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣-冷卻液換熱器、氫氣-冷卻液換熱器、氫氣催化燃燒換熱器中的一個或多個上設(shè)有電輔助加熱設(shè)備；每一電輔助加熱設(shè)備均連接燃燒電池系統(tǒng)的電源。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電輔助加熱設(shè)備包括下述的一種或多種：電阻絲、PTC貼片、紅外設(shè)備或激光設(shè)備。6.根據(jù)權(quán)利要...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：甘全全，榮瑞，劉然，周鵬飛，曹宏宇，張國強，
申請(專利權(quán))人：北京億華通科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11