CN102751521A - 一种燃料电池低温启动的空气回流加热***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池低温启动的空气回流加热***及其方法，所述的***包括空气滤清器、吸气口流量计、吸气口三通、空气泵、增湿器、入口流量计、燃料电池堆、出口三通、空气流量控制器、温度传感器和控制器。本发明工作时，空气泵压缩后的含有热量的空气对燃料电池堆的空气反应界面以及其它电池组件加热，再通过流量控制器控制使燃料电池堆的一部分或全部空气尾气回流再经空气泵，循环加热燃料电池堆的空气反应界面及其它电池组件。本发明循环利用含有空气泵废热的空气尾气来加热燃料电池堆空气反应界面，加速消融电极上的冰晶，使燃料的传质和质子的传递顺利进行，加速温度处于零度以下燃料电池的启动，可以节约辅助电源蓄电池的能耗。

Description

一种燃料电池低温启动的空气回流加热***及其方法

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池低温启动的空气回流加热***及其方法。

技术背景

环境温度在零度以下时的燃料电池启动是个整个燃料电池行业的难题，因为质子交换膜燃料电池是个有水参与的反应，在环境温度低于0℃时，燃料电池内部将结冰，无法正常发电。质子交换膜燃料电池要想产生电能，需要对其增湿，在水的作用下质子方能穿越膜电极而产生电流。这样就产生一个问题，在温度低于0℃的时候，燃料电池内部的水会结晶成冰，尽管经过吹扫等处理仍会有微量的冰晶存在，影响传质和质子的传递，使燃料电池无法启动或者启动过慢。燃料电池在启动时空气、氢气等燃料的供应，需要辅助电源来帮助其完成，然后才能使用自己产生的电能驱动整个***。在温度处于零下的情况下，燃料电池受温度的制约，燃料的传质、质子的传递受到影响，不能大幅的发电，这样在启动过程中就会长时间消耗蓄电池等的电量，直到燃料电池正常工作为止。蓄电池电量是有限的，且温度处于零下时性能下降，长时间的放电，蓄电池的性能未必能满足要求，且蓄电池也容易损坏。因此，燃料电池发电***要加速启动，快速进入正常工作状态。

发明内容

为了克服燃料电池发电***在零度以下低温状态下启动过慢的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池低温启动的空气回流加热***及其方法，可以实现燃料电池快速升温，使燃料电池快速启动并正常工作。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池低温启动的空气回流加热***，包括空气滤清器、吸气口流量计、吸气口三通、空气泵、增湿器、入口流量计、燃料电池堆、出口三通、空气流量控制器、温度传感器和控制器，所述的空气滤清器通过管路依次与吸气口流量计、吸气口三通、空气泵、增湿器、入口流量计、燃料电池堆和出口三通连接，所述的出口三通通过管路经空气流量控制器后与吸气口三通连接；所述的燃料电池堆上安装有温度传感器；所述的控制器接收吸气口流量计、入口流量计和温度传感器上传的信息并控制空气泵的转数和流量控制器的开关量大小。

一种燃料电池低温启动的空气***的控制方法，包括以下步骤：

A、启动燃料电池堆，控制器根据加载大小按预先设定的氢气和空气的化学计量比给出所需的空气流量，当入口流量计指示的流量达到所需的空气流量时，控制器控制空气泵维持此时的转数恒定；

B、通过温度传感器对燃料电池堆进行检测，得到燃料电池堆的温度值T1；当燃料电池堆的温度值T1≤0℃时，打开空气流量控制器，控制回流流量；当燃料电池堆的温度值T1>0℃时，则不启动回流装置；

C、在满足燃料电池堆反应的空气化学计量比的前提下，调节流量控制器的回流量，多余的空气从出口三通排出；

D、温度传感器检测燃料电池堆的温度，当燃料电池堆温度值T1≤T0，重复步骤B和C；当燃料电池堆温度值T1＞T0时，关闭流量控制器。

本发明工作时，新鲜空气进入空气滤清器过滤经吸气口流量计检测，进入吸气口三通在空气泵的吸力作用下，然后经增湿器加湿后流经入口流量计进入燃料电池堆与氢气在膜电极作用下发生电化学反应产生电力，未反应的尾气（包含氧气、氮气、水汽）进入出口三通后分两路，一路经出口三通主管路排出，另一路经空气流量控制器再次进入吸气口三通，与新鲜空气混合而循环流动。

本发明工作时，空气泵压缩后的含有热量的空气对燃料电池堆的空气反应界面以及其它电池组件加热，再通过流量控制器控制使燃料电池堆的一部分或全部空气尾气回流再经空气泵，循环加热燃料电池堆的空气反应界面及其它电池组件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、燃料电池在零度以下温度的启动是个整个燃料电池行业的难题，因为质子交换膜燃料电池是个有水参与的反应，在环境温度低于0℃时，燃料电池内部将结冰，无法正常发电。现有的零度以下低温启动技术一般是以燃料电池发电时自己产生的废热来加热自己，融化冰晶，耗时较长，在车载等采用蓄电池作为辅助启动电源的情况下，由于燃料电池在低温不能高功率输出电能，产生过度放电的现象，将耗尽蓄电池电量或者损坏蓄电池，使燃料电池启动失败，同时蓄电池由于低温放电，性能变差，寿命降低。本发明循环利用含有空气泵废热的空气尾气来加热燃料电池堆空气反应界面和其它电池组件，加速消融电极上的冰晶，使燃料的传质和质子的传递顺利进行，不会因大功率发电致使局部过热而损伤电极，加速温度处于零度以下燃料电池的启动，同时燃料电池快速启动以后，可以节约辅助电源蓄电池的能耗，防止出现过度放电或者电力不足无法启动燃料电池现象，延长蓄电池的使用寿命。

2、本发明通过吸气口三通管件和出口三通管件以及流量控制器的组合把空气尾气回流回***中，充分利用了尾气中含有的热量，并且通过循环回流使尾气中的废热逐渐累加，在不采用外部加热的情况下大大的加快了空气反应界面的温升速度，使冰晶快速融化，同时也通过空气使回流的废热向空气界面的周围扩散，传递给双极板等燃料电池组件，加速了燃料电池温升。

3、本发明的回流空气经反应后具有一定的湿度，有利于燃料电池增湿。

附图说明

本发明共有附图4幅，其中：

图1为一种燃料电池低温启动的空气回流加热***示意图。

图2为一种燃料电池低温启动的空气回流加热***控制方法流程图。

图3为现有技术的燃料电池发电***空气***示意图。

图4为本发明与现有技术的测试结果对比曲线图。

图中：1、空气滤清器，2、吸气口流量计，3、吸气口三通，4、空气泵，5、增湿器，6、入口流量计，7、燃料电池堆，8、出口三通，9、空气流量控制器，10、温度传感器，11、控制器，101、本发明的测试结果曲线，202、现有技术的测试结果曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种燃料电池低温启动的空气回流加热***，包括空气滤清器1、吸气口流量计2、吸气口三通3、空气泵4、增湿器5、入口流量计6、燃料电池堆7、出口三通8、空气流量控制器9、温度传感器10和控制器11，所述的空气滤清器1通过管路依次与吸气口流量计2、吸气口三通3、空气泵4、增湿器5、入口流量计6、燃料电池堆7和出口三通8连接，所述的出口三通8通过管路经空气流量控制器9后与吸气口三通3连接；所述的燃料电池堆7上安装有温度传感器10；所述的控制器11接收吸气口流量计2、入口流量计6和温度传感器10上传的信息并控制空气泵4的转数和流量控制器9的开关量大小。

如图2所示，一种燃料电池低温启动的空气***的控制方法，包括以下步骤：

A、启动燃料电池堆7，控制器11根据加载大小按预先设定的氢气和空气的化学计量比给出所需的空气流量，当入口流量计6指示的流量达到所需的空气流量时，控制器11控制空气泵4维持此时的转数恒定；

B、通过温度传感器10对燃料电池堆7进行检测，得到燃料电池堆7的温度值T1；当燃料电池堆7的温度值T1≤0℃时，打开空气流量控制器9，控制回流流量；当燃料电池堆7的温度值T1>0℃时，则不启动回流装置；

C、在满足燃料电池堆7反应的空气化学计量比的前提下，调节流量控制器9的回流量，多余的空气从出口三通8排出；

D、温度传感器10检测燃料电池堆7的温度，当燃料电池堆7温度值T1≤T0，重复步骤B和C；当燃料电池堆7温度值T1＞T0时，关闭流量控制器9。

本发明工作时，新鲜空气进入空气滤清器1过滤经吸气口流量计2检测，进入吸气口三通3在空气泵4的吸力作用下，然后经增湿器5加湿后流经入口流量计6进入燃料电池堆7与氢气在膜电极作用下发生电化学反应产生电力，未反应的尾气包含氧气、氮气、水汽进入出口三通8后分两路，一路经出口三通8主管路排出，另一路经空气流量控制器9再次进入吸气口三通3，与新鲜空气混合而循环流动。

本发明工作时，空气泵4压缩后的含有热量的空气对燃料电池堆7的空气反应界面以及其它电池组件加热，再通过流量控制器9控制使燃料电池堆7的一部分或全部空气尾气回流再经空气泵4，循环加热燃料电池堆7的空气反应界面及其它电池组件。

下面通过试验结果来说明本发明的有益效果。试验中，采用额定20kW的燃料电池堆7，在低温情况下，化学计量比2.2-3.0燃料电池堆7可以正常工作。用于启动的辅助蓄电池为4A/h的蓄电池，空气泵4采用效率为45%的空气泵。实验在环境仓中进行。燃料电池堆7经12小时-10℃的冷冻后，开始本实验。借助蓄电池启动燃料电池堆7，经温度传感器10测量，温度为-10℃，由于温度过低，按加载电流30A的化学计量比3.0的计量比给定空气流量12.5m³/h，空气从空气滤清器1吸入后，当入口流量计6测得的流量为12.5m³/h时，空气泵4转数不再上升，保持该转数，进入增湿器5，再进入燃料电池堆7发生电化学反应。小功率加载，以2A/s的速度给燃料电池堆7加载到30A，因燃料电池堆7温度-10℃＜0℃，则启动流量控制器9，流量控制器9全部打开，由于空气尾排出口带有一定压力，又由于空气泵4吸口的负压作用，空气尾气基本全部经由吸气口三通3回流进空气泵4，很少量经出口三通8排出。回流空气和经吸气口三通3新吸入的空气混合经增湿器5后，进入燃料电池堆7。在流量不变的情况下，空气泵4转数不变，吸入量是个定值，恒电流下，消耗的氧气是个定值，这样经过燃料电池堆7反应后的尾气减少量即氧气消耗量，将由经过空气滤清器1的新鲜空气补充，即V_氧气消耗=V_吸入空气，则反应过程中空气中氧气消耗量为V_吸入空气=V_氧气消耗=0.88m³/h。设t秒时间以后，吸入气体（含补充进的新鲜空气和回流气体）总量中的氧气含量刚好满足在零下低温时所需的化学计量比，则根据含氧量建立平衡关系式：

V_吸入空气×t_时间×21%+V_{第一次吸入量}×21%-V_氧气消耗×t_时间=V_{第一次吸入量}×（1/η_{化学计量比}）×21%

则有：t_时间=V_{第一次吸入量}×（1-1/η_{化学计量比}）×21%/(V_吸入空气×79%)

其中：V_氧气消耗=V_吸入空气=0.88m³/h

V_{第一次吸入量}=12.5m³/h

η_{化学计量比}=2.2

21%为空气中氧气含量体积比

代入计算，得t=2.2秒。

当回流超过2.2秒时，由于含氧量下降至低于燃料电池堆7正常工作所需的化学计量比2.2，则关闭回流流量控制器9，只由空气滤清器1处进新鲜空气，当吸气口流量计2检测到的空气流量达到12.5m³/h时，再次启动回流控制器9，如此反复循环来加热燃料电池堆7空气反应界面及燃料电池堆7组件（当然也可通过控制流量控制器9的开度，控制小回流量来完成加热）。当燃料电池堆7温度T1=1℃时，关闭流量控制器9，耗时约6分钟，蓄电池电量55%，完成零下低温启动，开始正常加减载。试验还做了现有技术的温升试验。试验结果表明，采用回流加热空气***的零下低温启动温升速度比现有技术低温启动快5分钟，采用现有技术蓄电池电量下降到40%，有过度放电的危险。两者测试结果对比见附图4的本发明的测试结果曲线101和现有技术的测试结果曲线202。

Claims (2)

1.一种燃料电池低温启动的空气回流加热***，其特征在于：包括空气滤清器（1）、吸气口流量计（2）、吸气口三通（3）、空气泵（4）、增湿器（5）、入口流量计（6）、燃料电池堆（7）、出口三通（8）、空气流量控制器（9）、温度传感器（10）和控制器（11），所述的空气滤清器（1）通过管路依次与吸气口流量计（2）、吸气口三通（3）、空气泵（4）、增湿器（5）、入口流量计（6）、燃料电池堆（7）和出口三通（8）连接，所述的出口三通（8）通过管路经空气流量控制器（9）后与吸气口三通（3）连接；所述的燃料电池堆（7）上安装有温度传感器（10）；所述的控制器（11）接收吸气口流量计（2）、入口流量计（6）和温度传感器（10）上传的信息并控制空气泵（4）的转数和流量控制器（9）的开关量大小。

2.一种燃料电池低温启动的空气***的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、启动燃料电池堆（7），控制器（11）根据加载大小按预先设定的氢气和空气的化学计量比给出所需的空气流量，当入口流量计（6）指示的流量达到所需的空气流量时，控制器（11）控制空气泵（4）维持此时的转数恒定；

B、通过温度传感器（10）对燃料电池堆（7）进行检测，得到燃料电池堆（7）的温度值T1；当燃料电池堆（7）的温度值T1≤0℃时，打开空气流量控制器（9），控制回流流量；当燃料电池堆（7）的温度值T1>0℃时，则不启动回流装置；

C、在满足燃料电池堆（7）反应的空气化学计量比的前提下，调节流量控制器（9）的回流量，多余的空气从出口三通（8）排出；

D、温度传感器（10）检测燃料电池堆（7）的温度，当燃料电池堆（7）温度值T1≤T0，重复步骤B和C；当燃料电池堆（7）温度值T1＞T0时，关闭流量控制器（9）。

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