CN111682243B - 一种燃料电池快速冷启动***及快速冷启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池快速冷启动***及快速冷启动方法，***包括控制器和分别与电堆连接的空气子***和氢气子***，空气子***包括背压阀和依次连接的空气过滤器、空压机、中冷器和进气截止阀，空气子***还包括进气调节阀，进气调节阀分别与空气过滤器和空压机连接，控制器控制进气调节阀；方法包括：控制器控制进气调节阀的开度，从而控制过量空气系数以降低燃料电池对外输出效率，同时调节空压机的压缩比，增加空压机的功耗以提高空气进气的温度。与现有技术相比，可以实现无辅助预热的快速冷启动以及冷启动的成功率。

Description

一种燃料电池快速冷启动***及快速冷启动方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池快速冷启动***及快速冷启动方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的发电装置，燃料电池***能量转换效率高，是一种理想的能源利用方式，商业化应用存在着广阔的发展前景。对于车载的燃料电池***，需要具有快速的冷启动性能。冷启动目前主要问题是在电堆启动过程中生成水在燃料电池流道、气体扩散层以及催化层结冰造成反应停止，导致启动失败；另外也存在零部件在启动过程中结冰导致***启动失败的风险。
目前冷启动的方法主要还是外部辅助加热以及保温等方法，外部辅助加热也分为外部热源和内部热源两种。上述的方法首先要增加额外的附件，提高了***的复杂程度、成本、功耗，且启动时间普遍较长。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池快速冷启动***及快速冷启动方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池快速冷启动***，包括控制器和分别与电堆连接的空气子***和氢气子***，所述空气子***包括背压阀和依次连接的空气过滤器、空压机、中冷器和进气截止阀，所述进气截止阀与电堆的空气入口连接，所述背压阀分别与排气管和电堆的空气出口连接，所述氢气子***包括分水器、排水电磁阀和依次连接的比例阀和引射器，所述引射器与电堆的氢气入口连接，所述分水器分别连接电堆的氢气出口、引射器和排水电磁阀，所述排水电磁阀与排气管连接，所述空气子***还包括进气调节阀，所述进气调节阀分别与空气过滤器和空压机连接，所述控制器控制进气调节阀。
所述的比例阀和引射器通过中冷器连接。
所述的排水电磁阀包括阀座、阀杆和电磁线圈，所述电磁线圈通过通电和断电使阀杆运动，所述阀杆和电磁线圈安装于阀座，所述阀座形成流体进入流道和流体排出流道，所述流体进入流道和流体排出流道与阀杆之间设有隔膜，所述隔膜阻止流体进入流道和流体排出流道的流体进入阀杆与阀座之间形成的滑动间隙。
所述的流体进入流道和流体排出流道相对于阀杆平齐，所述隔膜设置于阀杆的流道接触面。
所述的隔膜与阀杆一体成型。
所述的隔膜与阀座连接，阀杆的运动使隔膜绷紧或松弛。
所述隔膜为橡胶隔膜。
所述的电磁线圈的功率为100W。
一种利用所述的燃料电池快速冷启动***的快速冷启动方法，该方法包括：
控制器控制进气调节阀的开度，从而控制过量空气系数以降低燃料电池对外输出效率，同时调节空压机的压缩比，增加空压机的功耗以提高空气进气的温度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过进气调节阀控制控制浓差过电势以及空压机的压缩比：通过进气调节阀与空压机的控制，降低空气过量系数，从而降低氧气分压，增加浓差过电势，拉低燃料电池对外输出效率，将尽可能多的化学能转化为热能用于燃料电池堆本体加热；同时降低空压机进气压力，提高空压机压比，产热增加，提高空气进口温度，进一步提升燃料电池堆的升温速率。
(2)采用中冷器氢空换热提高氢气进气温度：通过中冷器将升温后的空气与冷氢气进行换热，提高氢气进气温度，避免在冷启动过程中，氢气路零部件及管路二次结冰现象。
(3)无辅助加热的快速冷启动：采用的快速冷启动***及其控制可以提高电堆的产热速率以及***的升温速率，并通过中冷器提高氢气路的温度，从而实现无辅助预热的快速冷启动以及冷启动的成功率。
(4)改进排水电磁阀结构设计：将排水电磁阀的阀杆与流体介质隔绝，避免液态水进入阀杆与阀座壁面之间的间隙，***停止后，温度降至冰点以下，可防止阀杆与阀座壁面之间结冰，有利于燃料电池的快速冷启动。
附图说明
图1为本发明的燃料电池快速冷启动***结构示意图；
图2为本发明的排水电磁阀结构示意图；
附图标记：
1为电堆；2为空气过滤器；3为进气调节阀；4为空压机；5为中冷器；6为进气截止阀；7为背压阀；8为排气管；9为阀座；10为阀杆；11为电磁线圈；12为隔膜；13为流体进入流道；14为流体排出流道；15为比例阀；16为引射器；17为排水电磁阀；18为分水器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例提供一种燃料电池快速冷启动***及其控制方法，燃料电池快速冷启动***包括控制器和分别与电堆1连接的空气子***和氢气子***，空气子***包括背压阀7和依次连接的空气过滤器2、空压机4、中冷器5和进气截止阀6，进气截止阀6与电堆1的空气入口连接，背压阀7分别与排气管8和电堆1的空气出口连接，氢气子***包括分水器18、排水电磁阀17和依次连接的比例阀15和引射器16，引射器16与电堆1的氢气入口连接，分水器18分别连接电堆1的氢气出口、引射器16和排水电磁阀17，排水电磁阀17与排气管8连接，空气子***还包括进气调节阀3，进气调节阀3分别与空气过滤器2和空压机4连接，控制器控制进气调节阀3。
具体而言，进气调节阀3与空气过滤器2出口相连，进气调节阀3出口连接空压机4的入口，空压机4出口与中冷器5空气入口相连，比例阀15出口与中冷器5氢气入口相连，中冷器5空气出口与进气截止阀6进口相连，电堆1空气入口与进气截止阀6出口相连，电堆1空气出口与背压阀7入口相连，背压阀7出口与排气管8空气入口相连，中冷器5氢气出口与引射器16的射流入口相连，引射器16的出口与电堆1氢气入口相连，分水器18的出口分别与引射器16的射流入口以及排水电磁阀17的进口相连，排水电磁阀17出口与排气管8的氢气进口相连。
为了实现无外部加热的快速冷启动，需要提高电堆自身产热以及反应气体的热量来达到快速升温的效果，同时需要保持氢气和空气温度的均衡。提高电堆的产热速率的基本思路是利用燃料电池的浓差过电势拉低燃料电池对外输出效率，将尽可能多的化学能转化为热能用于电堆本体加热。浓差过电势是指，燃料电池电化学反应不断消耗氧气，导致燃料电池空气子***实际供给氧气分压力(等效于浓度)与阴极催化剂层内氧气分压力不同，氧气分压力差值表现为气体扩散层内的压力梯度、促进氧气朝着催化剂层扩散，催化剂层内氧气分压力越低则氧气还原反应的活化过电势越高，结合活化过电势升高与氧气分压力差异，从而量化为浓差过电势。而浓差过电势与过量空气系数间存在量化关系，相同过量空气系数时，电流越高、浓差过电势越高，相同电流时，过量系数越低、浓差过电势越高，因此提高电堆的产热速率可以通过控制进气的过量空气系数，过量空气系数通过控制进气调节阀实现。
除了提高电堆的产热速率，空压机作为反应所需的氧化剂以及进气压力，在压缩做功的过程中，会使气体升温，可以用来给电堆加热，通过提高空压机的压缩比来增加空压机的功耗并降低空压机的效率，从而提高空气进气的温度，空压机的压缩比通过控制进气调节阀实现，在降低过量空气系数的同时增加空压机的压缩比，为了满足浓差过电势的需求，一般过量系数控制在1.0-1.2之间，达到二者的平衡。
氢气路的温度也是冷启动过程中重要的参数，如果氢气路的温度无法快速升高，阳极的液态水在氢气管路中存在二次结冰的风险。通过中冷器，将空压机压缩升温后的空气通过中冷器与氢气进行换热，提高氢气路的温度，从而避免氢气路引射器、电磁阀以及管路等二次结冰。
除此之外，如果排水电磁阀17结冰，也会影响冷启动速度，为了实现快速冷启动，排水电磁阀17设计包括阀座9、阀杆10和电磁线圈11，电磁线圈11通过通电和断电使阀杆10运动，阀杆10和电磁线圈11安装于阀座9，阀座9形成流体进入流道13和流体排出流道14，流体进入流道13和流体排出流道14与阀杆10之间设有隔膜12，隔膜12阻止流体进入流道13和流体排出流道14的流体进入阀杆10与阀座9之间形成的滑动间隙。流体进入流道13和流体排出流道14相对于阀杆10平齐，隔膜12设置于阀杆10的流道接触面，隔膜12与阀杆10一体成型。或隔膜12与阀座9连接，阀杆10的运动使隔膜12绷紧或松弛。隔膜12为橡胶隔膜，电磁线圈11的功率为100W。
本实施例为了满足电堆对进气杂质的要求，进气端通过空气过滤器对空气进行过滤。为了同时满足降低空气过量系数以及提高空压机的压缩比的要求，通过进气调节阀调节空压机进气的流阻，调节空压机进气口的压力，在满足空气过量系数的前提下，尽量提高空压机的压缩比，提高空压机出口的温度。升温后的空气经中冷器与比例阀出口的氢气进行换热，从而提高氢气进口的温度，提高氢气进口温度从而降低了氢气路部件在冷启动过程中结冰的风险，提高冷启动的成功率。经中冷器换热后的高温空气经过进气截止阀进入电堆，与电堆进行充分换热，高温空气经流道进入气体扩散层，再到催化层，从而降低燃料电池冷启动的时间；电堆出口的空气经背压阀排出。

Claims (8)

1.一种燃料电池快速冷启动***，包括控制器和分别与电堆(1)连接的空气子***和氢气子***，所述空气子***包括背压阀(7)和依次连接的空气过滤器(2)、空压机(4)、中冷器(5)和进气截止阀(6)，所述进气截止阀(6)与电堆(1)的空气入口连接，所述背压阀(7)分别与排气管(8)和电堆(1)的空气出口连接，所述氢气子***与排气管(8)连接，其特征在于，所述空气子***还包括进气调节阀(3)，所述进气调节阀(3)分别与空气过滤器(2)和空压机(4)连接，所述控制器控制进气调节阀(3)；
所述氢气子***包括分水器(18)、排水电磁阀(17)和依次连接的比例阀(15)和引射器(16)，所述引射器(16)与电堆(1)的氢气入口连接，所述分水器(18)分别连接电堆(1)的氢气出口、引射器(16)和排水电磁阀(17)，所述排水电磁阀(17)与排气管(8)连接，所述的比例阀(15)和引射器(16)通过中冷器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池快速冷启动***，其特征在于，所述的排水电磁阀(17)包括阀座(9)、阀杆(10)和电磁线圈(11)，所述电磁线圈(11)通过通电和断电使阀杆(10)运动，所述阀杆(10)和电磁线圈(11)安装于阀座(9)，所述阀座(9)形成流体进入流道(13)和流体排出流道(14)，所述流体进入流道(13)和流体排出流道(14)与阀杆(10)之间设有隔膜(12)，所述隔膜(12)阻止流体进入流道(13)和流体排出流道(14)的流体进入阀杆(10)与阀座(9)之间形成的滑动间隙。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池快速冷启动***，其特征在于，所述的流体进入流道(13)和流体排出流道(14)相对于阀杆(10)平齐，所述隔膜(12)设置于阀杆(10)的流道接触面。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池快速冷启动***，其特征在于，所述的隔膜(12)与阀杆(10)一体成型。
5.根据权利要求2所述的一种燃料电池快速冷启动***，其特征在于，所述的隔膜(12)与阀座(9)连接，阀杆(10)的运动使隔膜(12)绷紧或松弛。
6.根据权利要求2所述的一种燃料电池快速冷启动***，其特征在于，所述隔膜(12)为橡胶隔膜。
7.根据权利要求2所述的一种燃料电池快速冷启动***，其特征在于，所述的电磁线圈(11)的功率为100W。
8.一种利用权利要求1-7任一所述的燃料电池快速冷启动***的快速冷启动方法，其特征在于，该方法包括：
控制器控制进气调节阀(3)的开度，从而控制过量空气系数以降低燃料电池对外输出效率，同时调节空压机(4)的压缩比，增加空压机(4)的功耗以提高空气进气的温度。
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