CN114361529A - 燃料电池***、运输设备及燃料电池冷启动运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池***、运输设备及燃料电池冷启动运行方法，包括电堆，驱动泵，工作管路，预热管路和加热器，所述电堆适于反应并产生电能；所述驱动泵适于驱动冷却液流动；所述电堆和所述驱动泵串接在所述工作管路上，所述工作管路适于向所述电堆循环输送冷却液；所述预热管路与所述工作管路连通，且所述预热管路与所述驱动泵并联布置，所述预热管路适于在冷启动时供所述冷却液循环以缩减所述冷却液的预热路径；所述加热器设于所述预热管路，所述加热器适于加热所述预热管路内的所述冷却液。本发明的燃料电池避免了冷启动升温不佳和电堆水淹的问题，保证了燃料电池的平稳运行。

Description

燃料电池***、运输设备及燃料电池冷启动运行方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体地，涉及一种燃料电池***、应用该燃料电池***的运输设备以及燃料电池冷启动运行方法。

背景技术

燃料电池是一种把燃料的化学能转换成电能的化学装置，燃料电池排放出的有害气体极少，使用寿命长，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。但是，相关技术中，燃料电池存在冷启动升温不佳，容易电堆水淹的问题。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

相关技术中，燃料电池在冷启动前需要对液路的液体预热，预热时，液体需要流经水箱、水泵所形成的回路，这一回路液体容积较大，再加上电堆本体的热容也较大，从而容易造成冷启动时升温不佳的问题。

其次，燃料电池的燃料气体大都直接通入燃料气体路，以氢燃料电池为例，氢气瓶中氢气会直接通入燃料电池的氢气循环路中，由于氢气瓶中的氢气温度低，在与氢气循环路中较热的氢气混合时容易发生冷凝现象并形成液态水，形成的液态水容易造成电堆的水淹问题。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明实施例提出一种燃料电池***，该燃料电池***避免了冷启动升温不佳的问题，保证了燃料电池***的平稳运行。

本发明实施例还提出一种应用上述燃料电池***的运输设备。

本发明实施例还提出一种燃料电池冷启动运行方法。

本发明实施例的燃料电池***包括：电堆，所述电堆适于反应并产生电能；驱动泵，所述驱动泵适于驱动冷却液流动；工作管路，所述电堆和所述驱动泵串接在所述工作管路上，所述工作管路适于向所述电堆循环输送冷却液；预热管路，所述预热管路与所述工作管路连通，且所述预热管路与所述驱动泵并联布置，所述预热管路适于在冷启动时供所述冷却液循环以缩减所述冷却液的预热路径；加热器，所述加热器设于所述预热管路，所述加热器适于加热所述预热管路内的所述冷却液。

本发明实施例的燃料电池***避免了冷启动升温不佳的问题，保证了燃料电池***的平稳运行。

在一些实施例中，燃料电池***包括阀门，所述阀门连接在所述工作管路上，所述阀门适于在所述预热管路运行时关闭所述工作管路。

在一些实施例中，所述工作管路包括进液管段、回液管段、散热管段和升温管段，所述进液管段、所述散热管段、所述回液管段依次连通并形成散热回路，所述进液管段、所述升温管段、所述回液管段依次连通并形成升温回路，所述阀门连接在所述回液管段、所述散热管段、所述升温管段形成的管路节点处。

在一些实施例中，所述驱动泵设在所述进液管段，所述预热管路与所述进液管段相连，且所述预热管路与所述驱动泵并联。

在一些实施例中，燃料电池***包括燃料气体管路、换热器和燃料换热管路，所述燃料气体管路与所述电堆相连，所述燃料气体管路适于向所述电堆补充燃料气体，所述燃料换热管路连接在所述进液管段和所述回液管段之间，所述换热器连接在所述燃料换热管路和所述燃料气体管路上且位于所述驱动泵下游，所述驱动泵适于将预热后的冷却液泵送至所述换热器处以预热所述燃料气体管路内的燃料气体。

在一些实施例中，燃料电池***包括散热器和风扇，所述散热器连接在所述散热管段上，所述风扇适于风冷所述散热器。

在一些实施例中，燃料电池***包括箱体和供液管路，所述箱体适于存储所述冷却液，所述箱体连接在所述供液管路上，所述供液管路的一端与所述散热器相连，所述供液管路的另一端与所述进液管段相连。

在一些实施例中，燃料电池***包括中冷器，所述中冷器连接在所述预热管路上。

在一些实施例中，燃料电池***包括空压机，所述空压机适于向所述电堆供气，且所述空压机的废热适于加热所述中冷器内的冷却液。

在一些实施例中，燃料电池***包括去离子器，所述去离子器与所述驱动泵并联布置。

本发明实施例的运输设备包括燃料电池***，所述燃料电池***为上述任一实施例中所述的燃料电池***。

本发明实施例的燃料电池冷启动运行方法包括以下步骤：

S1：关闭所述工作管路并开启所述加热器，然后利用驱动泵驱动冷却液在预热管路内循环加热；

S2：开启所述工作管路，利用所述驱动泵将加热后的冷却液送入电堆；

S3：监测所述电堆入口处的冷却液温度，若监测的温度小于设定阈值，则重复步骤S1和步骤S2。

在一些实施例中，步骤S2中的驱动泵的运转功率大于步骤S1中的驱动泵的运转功率。

附图说明

图1是本发明实施例的燃料电池***的结构示意图。

图2是图1中燃料电池***的预热状态示意图。

图3是图1中燃料电池***的热冷却液输送示意图。

图4是本发明实施例的燃料电池***控制策略示意图。

附图标记：

电堆1；

驱动泵2；

预热管路3；

加热器4；

工作管路5；进液管段501；回液管段502；升温管段503；散热管段504；

阀门6；

换热器7；

燃料换热管路8；

中冷器9；

去离子器10；

散热器11；

风扇12；

箱体13；

燃料气体管路14；

供液管路15。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示，本发明实施例的燃料电池***包括电堆1，驱动泵2，工作管路5，预热管路3和加热器4。

如图1所示，工作管路5为循环管路，驱动泵2和电堆1均串联在工作管路5上，其中电堆1位于驱动泵2的右侧，电堆1适于反应并产生电能，驱动泵2适于驱动冷却液流动，由此，实现了电堆1内冷却液的循环供给，冷却液可以为水。

预热管路3与工作管路5连通，且预热管路3与驱动泵2并联布置，预热管路3适于在冷启动时供冷却液循环以缩减冷却液的预热路径。加热器4设于预热管路3，加热器4适于加热预热管路3内的冷却液。

具体地，如图1所示，加热器4可以串联在预热管路3上，加热器4可以为电加热器4，也可以为热辐射加热器4等。预热管路3的两端均与工作管路5连通，预热管路3上的加热器4和驱动泵2并联布置。

冷启动时，可以将工作管路5关闭，然后利用驱动泵2驱动冷却液在预热管路3和部分工作管路5形成的循环管道内流动，加热器4则可以起到对冷却液的加热作用，具体如图2所示，图2中虚线即为冷却液循环加热时的路径。

本发明实施例的燃料电池***，冷启动时，可以在预热管路3内循环加热冷却液，避免了相关技术中冷却液需要流经较长路径的情况，减小了预热过程中冷却液的热容较大的情况，避免了冷启动升温不佳的问题，保证了燃料电池***的平稳运行。

在一些实施例中，燃料电池***包括阀门6，阀门6连接在工作管路5上，阀门6适于在预热管路3运行时关闭工作管路5。具体地，如图1所示，阀门6可以为手动阀门6、电磁阀门6等，阀门6可以串联在工作管路5上，通过阀门6可以实现工作管路5的开启和关闭。由此，在冷启动时，可以通过阀门6将工作管路5切断，从而方便了冷却液在预热管路3内循环流动。

在一些实施例中，工作管路5包括进液管段501、回液管段502、散热管段504和升温管段503，进液管段501、散热管段504、回液管段502依次连通并形成散热回路，进液管段501、升温管段503、回液管段502依次连通并形成升温回路，阀门6连接在回液管段502、散热管段504、升温管段503形成的管路节点处。

具体地，如图2所示，进液管段501和回液管段502均沿着左右方向延伸，且进液管段501和回液管段502在上下方向上并行间隔布置，散热管段504和升温管段503均沿着上下方向延伸，散热管段504和升温管段503在左右方向并行间隔布置，散热管段504的上端与回液管段502连通，散热管段504的下端和进液管段501连通，升温管段503的上端与回液管段502连通，升温管段503的下端和进液管段501连通。

需要说明的是，升温管段503和散热管段504的设置使得工作管路5具有升温模式和散热模式，通过升温模式可以实现冷却液的加热，通过散热模式可以实现冷却液的散热降温。从而可以实现对电堆1温度的调节。

如图2所示，阀门6可以为三通阀，阀门6的三个接口分别和回液管段502、散热管段504、升温管段503连通。由此，通过一个阀门6即可实现燃料电池***多种运行工况的调整，简化了结构布置，满足了多工况应用。

可以理解的是，在其他一些实施例中，阀门6也可以设在散热管段504、升温管段503、进液管段501所形成的管路节点处。在另一些实施例中，散热管段504、升温管段503、进液管段501也可以均设有一个阀门6。

在一些实施例中，驱动泵2设在进液管段501，预热管路3与进液管段501相连，且预热管路3与驱动泵2并联。具体地，如图1所示，驱动泵2串接在进液管段501上，由此，预热管路3与电堆1间隔较小的路径，加热后的冷却液可以直接排入电堆1内，避免了路径较长时一方面容易与工作管路5内较冷的冷却液混合而降温幅度较大的情况，另一方面还有利于减少热量损耗，进一步保证了冷启动的稳定性。

在一些实施例中，燃料电池***包括燃料气体管路14、换热器7和燃料换热管路8，燃料气体管路14与电堆1相连，燃料气体管路14适于向电堆1补充燃料气体，燃料换热管路8连接在进液管段501和回液管段502之间，换热器7连接在燃料换热管路8和燃料气体管路14上且位于驱动泵2下游，驱动泵2适于将预热后的冷却液泵送至换热器7处以预热燃料气体管路14内的燃料气体。

具体地，如图2所示，燃料气体管路14可以将气瓶与电堆1连通，气瓶内的燃料气体可以通过燃料气体管路14直接输送至电堆1处，从而可以实现燃料电池***内燃料气体的补充。例如，燃料电池***可以为氢燃料电池***，气瓶为氢气瓶，通过燃料气体管路14可以向电堆1内补充氢气。

如图2所示，燃料换热管路8可以沿着上下方向延伸，燃料换热管路8的上端与回液管段502连通，燃料换热管路8的下端与进液管段501连通，燃料换热管路8位于驱动泵2和电堆1之间。换热器7可以为氢气板换加热器4，换热器7可以串接在燃料气体管路14上。同时，换热器7也串接在燃料气体管路14上。

由此，预热管路3内预热的冷却液可以通过驱动泵2输送至燃料换热管路8内，在换热器7内，较热的冷却液可以与流经换热器7的燃料气体进行热交换，提高了补充的燃料气体的温度，避免了补充的较热的燃料气体与电堆1内较冷的燃料气体接触时容易凝结出液态水的情况，从而避免了电堆1容易水淹的问题。

在一些实施例中，燃料电池***包括散热器11和风扇12，散热器11连接在散热管段504上，风扇12适于风冷散热器11。具体地，如图1所示，散热管段504可以设在升温管段503的左侧，散热器11可以串接在散热管段504上，风扇12可以设在散热管段504和升温管段503之间，风扇12可以向散热器11吹风，从而可以加速散热。需要说明的是，风扇12位于散热管段504的右侧并向左侧吹风，由此，可以避免气流吹向电堆1一侧的情况，降低了气流对燃料电池***的影响。

在一些实施例中，燃料电池***包括箱体13和供液管路15，箱体13适于存储冷却液，箱体13连接在供液管路15上，供液管路15的一端与散热器11相连，供液管路15的另一端与进液管段501相连。

具体地，如图1所示，箱体13可以通过供液管路15与散热器11并联布置，箱体13要高于散热器11。由此，从散热器11流出的冷却液可以回流至箱体13内，且具有分离冷却液中气体的作用。

优选地，箱体13的顶部为锥形，由此方便了分离的气体的排出。

在一些实施例中，如图1所示，燃料电池***包括中冷器9，中冷器9连接在预热管路3上。燃料电池***包括空压机，空压机适于向电堆1供气，且空压机的废热适于加热中冷器9内的冷却液。

具体地，空压机可以通过管路与中冷器9相连，空压机的废热可以传递至中冷器9处，从而可以实现对中冷器9内冷却液的进一步加热，提高了能耗利用率，也有利于提升预热效率。

在一些实施例中，燃料电池***包括去离子器10，去离子器10与驱动泵2并联布置。具体地，如图1所示，去离子器10通过管路并联在加热器4和驱动泵2之间，去离子器10具有去除冷却液中导电离子的作用。

下面描述本发明实施例的运输设备。

本发明实施例的运输设备包括燃料电池***，燃料电池***为上述实施例中描述的燃料电池***。运输设备可以为车辆、船只、飞机等交通工具，当然也可以为其他需要使用燃料电池***的运输设备。

下面描述本发明实施例的燃料电池冷启动运行方法。

需要说明的是，图4中英文名称分别为以下部件，CBV为阀门6(也即温控阀)，CPTC为加热器4，FHTR为换热器7(氢气板换加热器4)。

如图2和图4所示，本发明实施例的燃料电池冷启动运行方法包括以下步骤：

S1：关闭工作管路5并开启加热器4，然后利用驱动泵2驱动冷却液在预热管路3内循环加热。

具体地，如图2所示，通过控制阀门6动作将升温回路和电堆1散热回路均锁死(见标×处)，驱动泵2运转，加热器4输出热功率进行加热，冷却液只在冷启动回路(虚线回路)中进行加热，不通过电堆1和水箱，集成度高，热容小，升温速度快。

S2：开启工作管路5，利用驱动泵2将加热后的冷却液送入电堆1。

具体地，控制阀门6全部走升温回路(旁通散热器11)，驱动泵2可以满速运转，将电堆1冷启动回路中加热到适合温度(60℃)的热流体全部进入电堆1，从而将电堆1内部冷却液充分加热。

S3：监测电堆1入口处的冷却液温度，若监测的温度小于设定阈值，则重复步骤S1和步骤S2。

具体地，当检测到进电堆1的冷却液温度不能满足电堆1要求，例如，当进入的冷却液温度小于电堆1内部温度时，则重新进行步骤S1，即马上切换阀门6并将升温回路和电堆1散热回路均锁死，直至再次将冷却液温度加热到适合温度，然后重新进行步骤S2。如此反复，保证了进入电堆1的冷却液一直都是高温的适合温度的冷却液，并直至电堆1回路整体温度达到5℃结束，即完成冷启动。

需要说明的是，在步骤S1中，可以同时使空压机为燃料电池***的电堆1供气，其废热通过中冷器9，持续加热预热管路3内的冷却液，加热器4功率全开，使得BOP寄生功率达到最大，电堆1拉载功率此刻也达到了最大，可以充分利用电堆1本身的发热加热电堆1本体。

在步骤S2中，可以同时利用换热器7和燃料换热回路对燃料气体(氢气)加热，从而避免电堆1水淹的问题。

在一些实施例中，在冷运行后，阀门6可以只在升温回路和散热回路之间来回切换，同时需要保证高温的冷却液持续通过换热器7，加热低温新氢气(燃料气体)，保证其在于循环回路的高温氢气混合时候没有冷凝水的产生并进入电堆1，保证电堆1没有水淹，平稳运行。

在一些实施例中，步骤S2中的驱动泵2的运转功率大于步骤S1中的驱动泵2的运转功率。由此，可以同时实现预热管路3内冷却液的加热和工作管路5内冷却液的循环，满足了驱动要求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种燃料电池***，其特征在于，包括：

电堆，所述电堆适于反应并产生电能；

驱动泵，所述驱动泵适于驱动冷却液流动；

工作管路，所述电堆和所述驱动泵串接在所述工作管路上，所述工作管路适于向所述电堆循环输送冷却液；

预热管路，所述预热管路与所述工作管路连通，且所述预热管路与所述驱动泵并联布置，所述预热管路适于在冷启动时供所述冷却液循环以缩减所述冷却液的预热路径；

加热器，所述加热器设于所述预热管路，所述加热器适于加热所述预热管路内的所述冷却液。

2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，包括阀门，所述阀门连接在所述工作管路上，所述阀门适于在所述预热管路运行时关闭所述工作管路。

3.根据权利要求2所述的燃料电池***，其特征在于，所述工作管路包括进液管段、回液管段、散热管段和升温管段，所述进液管段、所述散热管段、所述回液管段依次连通并形成散热回路，所述进液管段、所述升温管段、所述回液管段依次连通并形成升温回路，所述阀门连接在所述回液管段、所述散热管段、所述升温管段形成的管路节点处。

4.根据权利要求3所述的燃料电池***，其特征在于，所述驱动泵设在所述进液管段，所述预热管路与所述进液管段相连，且所述预热管路与所述驱动泵并联。

5.根据权利要求3所述的燃料电池***，其特征在于，包括燃料气体管路、换热器和燃料换热管路，所述燃料气体管路与所述电堆相连，所述燃料气体管路适于向所述电堆补充燃料气体，所述燃料换热管路连接在所述进液管段和所述回液管段之间，所述换热器连接在所述燃料换热管路和所述燃料气体管路上且位于所述驱动泵下游，所述驱动泵适于将预热后的冷却液泵送至所述换热器处以预热所述燃料气体管路内的燃料气体。

6.根据权利要求3所述的燃料电池***，其特征在于，包括散热器和风扇，所述散热器连接在所述散热管段上，所述风扇适于风冷所述散热器。

7.根据权利要求6所述的燃料电池***，其特征在于，包括箱体和供液管路，所述箱体适于存储所述冷却液，所述箱体连接在所述供液管路上，所述供液管路的一端与所述散热器相连，所述供液管路的另一端与所述进液管段相连。

8.根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，包括中冷器，所述中冷器连接在所述预热管路上。

9.根据权利要求8所述的燃料电池***，其特征在于，包括空压机，所述空压机适于向所述电堆供气，且所述空压机的废热适于加热所述中冷器内的冷却液。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃料电池***，其特征在于，包括去离子器，所述去离子器与所述驱动泵并联布置。

11.一种运输设备，其特征在于，包括燃料电池***，所述燃料电池***为根据权利要求1-10中任一项所述的燃料电池***。

12.一种基于权利要求1-10中任一项所述燃料的燃料电池冷启动运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：关闭所述工作管路并开启所述加热器，然后利用驱动泵驱动冷却液在预热管路内循环加热；

S2：开启所述工作管路，利用所述驱动泵将加热后的冷却液送入电堆；

S3：监测所述电堆入口处的冷却液温度，若监测的温度小于设定阈值，则重复步骤S1和步骤S2。

13.根据权利要求12所述的燃料电池冷启动运行方法，其特征在于，步骤S2中的驱动泵的运转功率大于步骤S1中的驱动泵的运转功率。

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