CN110233272B - 燃料电池的冷启动*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池的冷启动***，所述燃料电池包括冷却剂入口以及冷却剂出口，所述冷启动***包括调节阀、水泵、加热器、以及供气管集成腔，供气管集成腔的内壁分布有冷却剂管，供气管集成腔内设置有氢气循环管路以及空气循环管路，氢气循环管路以及空气循环管路用于分别向所述燃料电池提供氢气和空气；冷却剂出口通过水泵与所述调节阀的入口连接，所述调节阀的第一出口通过第一连接管路与所述冷却剂管的一端连通，冷却剂管的另一端与所述冷却剂入口连通，第一连接管路上设置有加热器，所述加热器用于加热所述冷却剂管内的冷却剂。本发明技术方案可以实现对氢气循环管路、空气循环管路以及燃料电池的全面加热，加热效率高。

Description

燃料电池的冷启动***
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池的冷启动***。
背景技术
燃料电池***是一种氢气和氧气通过电化学反应发电，并产生水的***。在实际应用时，燃料电池***通常需要满足低温(例如：-30℃-0℃)环境下启动并运行。由于燃料电池在运行过程中有水的产生，燃料电池内部以及供气管路里都会有液态水，当燃料电池的当前运行周期结束后，液态水在低温环境会出现冷凝或结冰的现象，影响燃料电池的下一次正常启动及运行。
现有技术中，在燃料电池需要低温冷启动时，通常利用多个加热器对燃料电池的气体管路(氢气管路以及空气管路)进行单独局部加热，不仅加热***复杂，热损失较大，而且不能实现全面均匀的对燃料电池内部以及气体管路进行加热，导致加热效率低下。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中在燃料电池需要低温冷启动时不能高效全面的对燃料电池内部以及气体管路进行加热的缺陷，提供一种燃料电池的冷启动***。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种燃料电池的冷启动***，所述燃料电池包括冷却剂入口以及冷却剂出口，所述冷启动***包括调节阀、水泵、加热器、以及供气管集成腔，所述供气管集成腔的内壁分布有冷却剂管，所述供气管集成腔内设置有氢气循环管路以及空气循环管路，所述氢气循环管路以及空气循环管路用于分别向所述燃料电池提供氢气和空气；所述冷却剂出口通过水泵与所述调节阀的入口连接，所述调节阀的第一出口通过第一连接管路与所述冷却剂管的一端连通，所述冷却剂管的另一端与所述冷却剂入口连通，所述第一连接管路上设置有加热器，所述加热器用于加热所述冷却剂管内的冷却剂。
较佳地，所述调节阀包括第二出口，所述第二出口通过第二连接管路与所述冷却剂入口连通，所述第二连接管路上设置有散热器，所述散热器用于在所述加热器关闭后并且所述燃料电池的温度高于预设阈值时对所述燃料电池进行散热。
较佳地，所述供气管集成腔的外表面设置有保温层。
较佳地，所述冷却剂管以蛇形或同心圆形固定在所述供气管集成腔的内壁上。
较佳地，所述燃料电池还包括第一进气口以及第一出气口；所述氢气循环管路包括第一进气管、第一出气管以及第一旁路管，所述第一进气管的一端与储氢罐连通，所述第一进气管的另一端通过进氢阀与所述第一进气口连通，所述第一出气管的一端与所述第一出气口连通，所述第一出气管的另一端与外部空气连通，所述第一进气管与所述第一出气管通过所述第一旁路管互相连通，所述第一旁路管上设置有氢气旁路电磁阀。
较佳地，所述氢气循环管路还包括第二旁路管、水气分离装置以及氢气循环泵，所述水气分离装置的入气口连接所述第一出气管的另一端，所述水气分离装置的第一出气口连接所述第二旁路管的一端，所述水气分离装置的第二出气口与外部空气连通，所述第二旁路管上设置有所述氢气循环泵，所述第二旁路管的另一端与所述第一进气管连通，其中，所述水气分离装置用于分离氢气与水蒸气。
较佳地，所述燃料电池还包括第二进气口以及第二出气口；所述空气循环管路包括第二进气管、第二出气管以及第三旁路管，所述第二进气管的一端与空气压缩机连通，所述第二进气管的另一端通过空气入堆截止阀与所述第二进气口连通，所述第二出气管的一端与所述第二出气口连通，所述第二出气管的另一端与外部空气连通，所述第二进气管与所述第二出气管通过所述第三旁路管互相连通，所述第三旁路管上设置有空气旁路电磁阀。
较佳地，其特征在于，所述加热器为PTC加热器。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明通过将氢气循环管路以及空气循环管路设置于供气管集成腔内，在供气管集成腔内的内壁分布有冷却剂管，所述冷却剂管、水泵、调节阀、加热器以及燃料电池构成了闭合的加热回路，被加热器加热的冷却剂依次流过冷却剂管以及燃料电池内部，从而实现了对氢气循环管路、空气循环管路以及燃料电池的全面加热，加热效率高。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的一种燃料电池的冷启动***的结构示意图。
图2为本发明较佳实施例的一种燃料电池的冷启动***的供气管集成腔结构示意图。
图3为本发明较佳实施例的一种燃料电池的冷启动***的冷却剂管分布示意图。
图4为本发明较佳实施例的一种燃料电池的冷启动***的氢气循环管路分布示意图。
图5为本发明较佳实施例的一种燃料电池的冷启动***的空气循环管路分布示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
一种燃料电池的冷启动***，如图1-3所示，所述燃料电池1包括冷却剂入口12以及冷却剂出口13，所述冷启动***包括调节阀3、水泵2、加热器5、以及供气管集成腔10，所述供气管集成腔10的内壁分布有冷却剂管14，所述供气管集成腔10内设置有氢气循环管路以及空气循环管路，所述氢气循环管路以及空气循环管路用于分别向所述燃料电池1提供氢气和空气；所述冷却剂出口13通过水泵2与所述调节阀3的入口连接，所述调节阀3的第一出口通过第一连接管路与所述冷却剂管14的一端连通，所述冷却剂管14的另一端与所述冷却剂入口12连通，所述第一连接管路上设置有加热器5，所述加热器5用于加热所述冷却剂管14内的冷却剂。
具体地，所述调节阀3可以为三通调节阀，即所述调节阀3还可以包括第二出口。所述第二出口通过第二连接管路与所述冷却剂入口12连通，所述第二连接管路上设置有散热器4，所述散热器4用于在所述加热器5关闭后并且所述燃料电池1的温度高于预设阈值时对所述燃料电池1进行散热。
本实施例中，所述燃料电池可以通过排气管路6将氢气和空气发生化学反应后的尾气排入外部空气。
具体地，所述加热器5可以为PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)加热器，所述PTC加热器的发热体可以由镀锌外压板、不锈钢波纹状弹簧片、镀锌内压板、单层铝散热件、发热片、双层铝散热件、镀镍铜电极端子和高温塑胶电极护套组成，具有热阻小、换热效率高的特性。
所述供气管集成腔10的外表面设置有保温层9，所述保温层9的保温材料可以选用膨胀玻化微珠材料、硅酸铝保温材料或酚醛泡沫材料等。
优选地，所述冷却剂管14可以选用PVC(聚氯乙烯)材料的弯管，以蛇形的形式固定在所述供气管集成腔10的内壁上，从而可以有效增加冷却剂管14的分布面积，提高加热效率。另外，所述冷却剂管14还可以同心圆的形式固定在所述供气管集成腔10的内壁上。
本实施例中，可以通过定位销16将所述冷却剂管14固定在所述供气管集成腔10的内壁上。所述供气管集成腔10的外周设置有边框15，所述保温层9可以与所述边框15贴合固定。
请参考图4，所述燃料电池1还包括第一进气口18以及第一出气口17，所述第一进气口18以及第一出气口17与所述燃料电池的阳极连通。所述氢气循环管路包括第一进气管27、第一出气管19以及第一旁路管22，所述第一进气管27的一端与储氢罐8连通，所述第一进气管27的另一端通过进氢阀26与所述第一进气口18连通，所述第一出气管19的一端与所述第一出气口17连通，所述第一出气管19的另一端与外部空气连通，所述第一进气管27与所述第一出气管19通过所述第一旁路管22互相连通，所述第一旁路管22上设置有氢气旁路电磁阀23。
进一步地，所述氢气循环管路还包括第二旁路管24、水气分离装置21以及氢气循环泵25，所述水气分离装置21的入气口连接所述第一出气管19的另一端，所述水气分离装置21的第一出气口连接所述第二旁路管24的一端，所述水气分离装置21的第二出气口与外部空气连通，所述第二旁路管24上设置有所述氢气循环泵25，所述第二旁路管24的另一端与所述第一进气管27连通，其中，所述水气分离装置21用于分离氢气与水蒸气。
更进一步地，所述水气分离装置21的第二出气口可以通过尾排电磁阀20与外部空气连通。为了优化管路的整体布局，所述尾排电磁阀20可以与所述排气管路6连通，也就是说，燃料电池1的阳极排出的气体可以通过排气管路6排入外部空气。
为了及时监控氢气的循环情况，在所述进氢阀26上还可以设置有入堆氢压传感器28，所述入堆氢压传感器28可以实时测量进氢阀27处的氢气压力。所述第一进气管27的一端与所述储氢罐8之间设置有氢压调节装置7，通过所述氢压调节装置7可以调整从所述储氢罐8进入所述第一进气管27的氢气量。
请参考图5，所述燃料电池还包括第二进气口30以及第二出气口29，所述第二进气口30以及第二出气口29与所述燃料电池的阴极连通。所述空气循环管路包括第二进气管41、第二出气管31以及第三旁路管36，所述第二进气管41的一端与空气压缩机11连通，所述第二进气管41的另一端通过空气入堆截止阀39与所述第二进气口30连通，所述第二出气管31的一端与所述第二出气口29连通，所述第二出气管31的另一端与外部空气连通，所述第二进气管41与所述第二出气管31通过所述第三旁路管36互相连通，所述第三旁路管36上设置有空气旁路电磁阀37。
本实施例中，所述第二出气管31中还设置有空气背压阀32，所述空气背压阀32用于对所述第二出气管31中气体的排出过程进行控制。
为了优化管路的整体布局，所述第二出气管31的另一端通过排气装置33与所述排气管路6连通，也就是说，燃料电池1的阴极排出的气体也可以通过排气管路6排入外部空气。
所述空气入堆截止阀39处设置有第一温压传感器38，所述第二进气管41上设置有第二温压传感器40，所述第一温压传感器38用于测量空气入堆截止阀39处的空气的温度和压力，所述第二温压传感器40用于测量从空气压缩机11进入第二进气管41后的空气的温度和压力。所述第二出气管31上设置有气体压力传感器34以及气体温度传感器35，所述气体压力传感器34以及气体温度传感器35用于分别测量所述第二出气管31中的气体的压力和温度。
在一个具体应用场景中，例如，选用燃料电池(也称为电堆)的额定功率为60kw(千瓦)，所述冷却剂管内设置有冷却剂，冷却剂可以为防冻液，采用加热功率为10kw的PTC加热器，此时，环境温度为-30℃。
在该应用场景中，所述燃料电池的冷启动方法为：
首先打开水泵，并启动PTC加热器，控制三通调节阀进行小循环加热，即冷却液从水泵2开始，到调节阀3，再经过加热器5，经过冷却剂管14，再经过燃料电池1，最后回到水泵2的入口，该小循环管路较小，水量小，通过PCT加热器可以将冷却剂管14中的冷却液从-30℃加热到5℃左右。
接下来，开始打开空气循环管路、氢气循环管路，并依次打开空气旁路电磁阀37以及氢气旁路电磁阀23，利用空气压缩机11将空气压入空气循环管路，利用氢气循环泵25将储氢罐8中的氢气吸入氢气循环管路，以完成对空气循环管路以及氢气循环管路的常规性的吹扫过程，吹扫的目的是为了消除管路中残存的液态水，防止液态水进入燃料电池1。当管路上的各类传感器开始正常计数并且各类阀门处于正常运行状态后，便可以结束吹扫过程。
接下来，为燃料电池1的阳极通入氢气，为阴极通入空气，燃料电池1运行拉载到30kw，当冷却剂的温度达到50℃时，慢慢打开外循环，冷却剂的外循环路径为：水泵2-调节阀3-散热器4-燃料电池1-水泵2，此过程可以给外循环中的冷却剂加热。
接下来，当冷却剂温度达到65℃时，关闭小循环，冷却剂管14内的冷却剂停止流通。由于空气循环管路以及氢气循环管路设置在具有保温层9的供气管集成腔10内，因而可以实现对空气循环管路以及氢气循环管路的保温，防止其快速冷却，并且从燃料电池1排出的高温气体也可以将热量传递至供气管集成腔10的内部空间，从而间接给进入燃料电池1的多个气体管路加热，有效防止了热量浪费，节约了能源。
接下来，由于燃料电池1在持续运行的过程中产生的热量越来越多，当所述燃料电池1的温度高于预设阈值时可以通过所述散热器4对所述燃料电池1进行散热。另外，还可以利用外部风扇辅助控制燃料电池1的整体运行温度。
本实施例提供的燃料电池的冷启动***通过将氢气循环管路以及空气循环管路设置于供气管集成腔内，在供气管集成腔内的内壁分布有冷却剂管，所述冷却剂管、水泵、调节阀、加热器以及燃料电池构成了闭合的加热回路，被加热器加热的冷却剂依次流过冷却剂管以及燃料电池内部，从而实现了对氢气循环管路、空气循环管路以及燃料电池的全面加热，加热效率高。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池的冷启动***，其特征在于，所述燃料电池包括冷却剂入口以及冷却剂出口，所述冷启动***包括调节阀、水泵、加热器、以及供气管集成腔，所述供气管集成腔的内壁分布有冷却剂管，所述供气管集成腔内设置有氢气循环管路以及空气循环管路，所述氢气循环管路以及空气循环管路用于分别向所述燃料电池提供氢气和空气；
所述冷却剂出口通过水泵与所述调节阀的入口连接，所述调节阀的第一出口通过第一连接管路与所述冷却剂管的一端连通，所述冷却剂管的另一端与所述冷却剂入口连通，所述第一连接管路上设置有加热器，所述加热器用于加热所述冷却剂管内的冷却剂；
所述冷却剂管、所述水泵、所述调节阀、所述加热器以及所述燃料电池构成了闭合的加热回路，以对所述氢气循环管路、所述空气循环管路以及所述燃料电池进行全面加热。
2.如权利要求1所述的燃料电池的冷启动***，其特征在于，所述调节阀包括第二出口，所述第二出口通过第二连接管路与所述冷却剂入口连通，所述第二连接管路上设置有散热器，所述散热器用于在所述加热器关闭后并且所述燃料电池的温度高于预设阈值时对所述燃料电池进行散热。
3.如权利要求1所述的燃料电池的冷启动***，其特征在于，所述供气管集成腔的外表面设置有保温层。
4.如权利要求1所述的燃料电池的冷启动***，其特征在于，所述冷却剂管以蛇形或同心圆形固定在所述供气管集成腔的内壁上。
5.如权利要求1所述的燃料电池的冷启动***，其特征在于，所述燃料电池还包括第一进气口以及第一出气口；所述氢气循环管路包括第一进气管、第一出气管以及第一旁路管，所述第一进气管的一端与储氢罐连通，所述第一进气管的另一端通过进氢阀与所述第一进气口连通，所述第一出气管的一端与所述第一出气口连通，所述第一出气管的另一端与外部空气连通，所述第一进气管与所述第一出气管通过所述第一旁路管互相连通，所述第一旁路管上设置有氢气旁路电磁阀。
6.如权利要求5所述的燃料电池的冷启动***，其特征在于，所述氢气循环管路还包括第二旁路管、水气分离装置以及氢气循环泵，所述水气分离装置的入气口连接所述第一出气管的另一端，所述水气分离装置的第一出气口连接所述第二旁路管的一端，所述水气分离装置的第二出气口与外部空气连通，所述第二旁路管上设置有所述氢气循环泵，所述第二旁路管的另一端与所述第一进气管连通，其中，所述水气分离装置用于分离氢气与水蒸气。
7.如权利要求1所述的燃料电池的冷启动***，其特征在于，所述燃料电池还包括第二进气口以及第二出气口；所述空气循环管路包括第二进气管、第二出气管以及第三旁路管，所述第二进气管的一端与空气压缩机连通，所述第二进气管的另一端通过空气入堆截止阀与所述第二进气口连通，所述第二出气管的一端与所述第二出气口连通，所述第二出气管的另一端与外部空气连通，所述第二进气管与所述第二出气管通过所述第三旁路管互相连通，所述第三旁路管上设置有空气旁路电磁阀。
8.如权利要求1-7任一项所述的燃料电池的冷启动***，其特征在于，所述加热器为PTC加热器。
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