專利名稱：一種燃料電池低溫啟動的空氣回流加熱系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種燃料電池低溫啟動的空氣回流加熱系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
環(huán)境溫度在零度以下時的燃料電池啟動是個整個燃料電池行業(yè)的難題，因?yàn)橘|(zhì)子交換膜燃料電池是個有水參與的反應(yīng)，在環(huán)境溫度低于0°c時，燃料電池內(nèi)部將結(jié)冰，無法正常發(fā)電。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。這樣就產(chǎn)生一個問題，在溫度低于0°c的時候，燃料電池內(nèi)部的水會結(jié)晶成冰，盡管經(jīng)過吹掃等處理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?zé)o法啟動或者啟動過慢。燃料電池在啟動時空氣、氫氣等燃料的供應(yīng)，需要輔助電源來幫助 其完成，然后才能使用自己產(chǎn)生的電能驅(qū)動整個系統(tǒng)。在溫度處于零下的情況下，燃料電池受溫度的制約，燃料的傳質(zhì)、質(zhì)子的傳遞受到影響，不能大幅的發(fā)電，這樣在啟動過程中就會長時間消耗蓄電池等的電量，直到燃料電池正常工作為止。蓄電池電量是有限的，且溫度處于零下時性能下降，長時間的放電，蓄電池的性能未必能滿足要求，且蓄電池也容易損壞。因此，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)要加速啟動，快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在零度以下低溫狀態(tài)下啟動過慢的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池低溫啟動的空氣回流加熱系統(tǒng)及其方法，可以實(shí)現(xiàn)燃料電池快速升溫，使燃料電池快速啟動并正常工作。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種燃料電池低溫啟動的空氣回流加熱系統(tǒng)，包括空氣濾清器、吸氣口流量計、吸氣口三通、空氣泵、增濕器、入口流量計、燃料電池堆、出口三通、空氣流量控制器、溫度傳感器和控制器，所述的空氣濾清器通過管路依次與吸氣口流量計、吸氣口三通、空氣泵、增濕器、入口流量計、燃料電池堆和出口三通連接，所述的出口三通通過管路經(jīng)空氣流量控制器后與吸氣口三通連接；所述的燃料電池堆上安裝有溫度傳感器；所述的控制器接收吸氣口流量計、入口流量計和溫度傳感器上傳的信息并控制空氣泵的轉(zhuǎn)數(shù)和流量控制器的開關(guān)量大小。一種燃料電池低溫啟動的空氣系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟A、啟動燃料電池堆，控制器根據(jù)加載大小按預(yù)先設(shè)定的氫氣和空氣的化學(xué)計量比給出所需的空氣流量，當(dāng)入口流量計指示的流量達(dá)到所需的空氣流量時，控制器控制空氣泵維持此時的轉(zhuǎn)數(shù)恒定；B、通過溫度傳感器對燃料電池堆進(jìn)行檢測，得到燃料電池堆的溫度值Tl ;當(dāng)燃料電池堆的溫度值Tl ( (TC時，打開空氣流量控制器，控制回流流量；當(dāng)燃料電池堆的溫度值Tixrc時，則不啟動回流裝置；
C、在滿足燃料電池堆反應(yīng)的空氣化學(xué)計量比的前提下，調(diào)節(jié)流量控制器的回流量，多余的空氣從出口三通排出；D、溫度傳感器檢測燃料電池堆的溫度，當(dāng)燃料電池堆溫度值Tl ( T0,重復(fù)步驟B和C ;當(dāng)燃料電池堆溫度值Tl > TO時，關(guān)閉流量控制器。本發(fā)明工作時，新鮮空氣進(jìn)入空氣濾清器過濾經(jīng)吸氣口流量計檢測，進(jìn)入吸氣口三通在空氣泵的吸力作用下，然后經(jīng)增濕器加濕后流經(jīng)入口流量計進(jìn)入燃料電池堆與氫氣在膜電極作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，未反應(yīng)的尾氣(包含氧氣、氮?dú)狻⑺?進(jìn)入出口三通后分兩路，一路經(jīng)出口三通主管路排出，另一路經(jīng)空氣流量控制器再次進(jìn)入吸氣口三通，與新鮮空氣混合而循環(huán)流動。本發(fā)明工作時，空氣泵壓縮后的含有熱量的空氣對燃料電池堆的空氣反應(yīng)界面以及其它電池組件加熱，再通過流量控制器控制使燃料電池堆的一部分或全部空氣尾氣回流再經(jīng)空氣泵，循環(huán)加熱燃料電池堆的空氣反應(yīng)界面及其它電池組件。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果I、燃料電池在零度以下溫度的啟動是個整個燃料電池行業(yè)的難題，因?yàn)橘|(zhì)子交換膜燃料電池是個有水參與的反應(yīng)，在環(huán)境溫度低于0°c時，燃料電池內(nèi)部將結(jié)冰，無法正常發(fā)電?，F(xiàn)有的零度以下低溫啟動技術(shù)一般是以燃料電池發(fā)電時自己產(chǎn)生的廢熱來加熱自己，融化冰晶，耗時較長，在車載等采用蓄電池作為輔助啟動電源的情況下，由于燃料電池在低溫不能高功率輸出電能，產(chǎn)生過度放電的現(xiàn)象，將耗盡蓄電池電量或者損壞蓄電池，使燃料電池啟動失敗，同時蓄電池由于低溫放電，性能變差，壽命降低。本發(fā)明循環(huán)利用含有空氣泵廢熱的空氣尾氣來加熱燃料電池堆空氣反應(yīng)界面和其它電池組件，加速消融電極上的冰晶，使燃料的傳質(zhì)和質(zhì)子的傳遞順利進(jìn)行，不會因大功率發(fā)電致使局部過熱而損傷電極，加速溫度處于零度以下燃料電池的啟動，同時燃料電池快速啟動以后，可以節(jié)約輔助電源蓄電池的能耗，防止出現(xiàn)過度放電或者電力不足無法啟動燃料電池現(xiàn)象，延長蓄電池的使用壽命。2、本發(fā)明通過吸氣口三通管件和出口三通管件以及流量控制器的組合把空氣尾氣回流回系統(tǒng)中，充分利用了尾氣中含有的熱量，并且通過循環(huán)回流使尾氣中的廢熱逐漸累加，在不采用外部加熱的情況下大大的加快了空氣反應(yīng)界面的溫升速度，使冰晶快速融化，同時也通過空氣使回流的廢熱向空氣界面的周圍擴(kuò)散，傳遞給雙極板等燃料電池組件，加速了燃料電池溫升。3、本發(fā)明的回流空氣經(jīng)反應(yīng)后具有一定的濕度，有利于燃料電池增濕。


本發(fā)明共有附圖4幅，其中圖I為一種燃料電池低溫啟動的空氣回流加熱系統(tǒng)示意圖。圖2為一種燃料電池低溫啟動的空氣回流加熱系統(tǒng)控制方法流程圖。圖3為現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)空氣系統(tǒng)示意圖。圖4為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的測試結(jié)果對比曲線圖。圖中1、空氣濾清器，2、吸氣口流量計，3、吸氣口三通，4、空氣泵，5、增濕器，6、入口流量計，7、燃料電池堆，8、出口三通，9、空氣流量控制器，10、溫度傳感器，11、控制器，101、本發(fā)明的測試結(jié)果曲線，202、現(xiàn)有技術(shù)的測試結(jié)果曲線。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。如圖I所示，一種燃料電池低溫啟動的空氣回流加熱系統(tǒng)，包括空氣濾清器I、吸氣口流量計2、吸氣口三通3、空氣泵4、增濕器5、入口流量計6、燃料電池堆7、出口三通8、空氣流量控制器9、溫度傳感器10和控制器11，所述的空氣濾清器I通過管路依次與吸氣口流量計2、吸氣口三通3、空氣泵4、增濕器5、入口流量計6、燃料電池堆7和出口三通8連接，所述的出口三通8通過管路經(jīng)空氣流量控制器9后與吸氣口三通3連接；所述的燃料電池堆7上安裝有溫度傳感器10 ;所述的控制器11接收吸氣口流量計2、入口流量計6和溫 度傳感器10上傳的信息并控制空氣泵4的轉(zhuǎn)數(shù)和流量控制器9的開關(guān)量大小。如圖2所示，一種燃料電池低溫啟動的空氣系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟A、啟動燃料電池堆7，控制器11根據(jù)加載大小按預(yù)先設(shè)定的氫氣和空氣的化學(xué)計量比給出所需的空氣流量，當(dāng)入口流量計6指示的流量達(dá)到所需的空氣流量時，控制器11控制空氣泵4維持此時的轉(zhuǎn)數(shù)恒定；B、通過溫度傳感器10對燃料電池堆7進(jìn)行檢測，得到燃料電池堆7的溫度值Tl ；當(dāng)燃料電池堆7的溫度值Tl ( (TC時，打開空氣流量控制器9，控制回流流量；當(dāng)燃料電池堆7的溫度值TlXTC時，則不啟動回流裝置；C、在滿足燃料電池堆7反應(yīng)的空氣化學(xué)計量比的前提下，調(diào)節(jié)流量控制器9的回流量，多余的空氣從出口三通8排出；D、溫度傳感器10檢測燃料電池堆7的溫度，當(dāng)燃料電池堆7溫度值Tl ( T0,重復(fù)步驟B和C ;當(dāng)燃料電池堆7溫度值Tl > TO時，關(guān)閉流量控制器9。本發(fā)明工作時，新鮮空氣進(jìn)入空氣濾清器I過濾經(jīng)吸氣口流量計2檢測，進(jìn)入吸氣口三通3在空氣泵4的吸力作用下，然后經(jīng)增濕器5加濕后流經(jīng)入口流量計6進(jìn)入燃料電池堆7與氫氣在膜電極作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，未反應(yīng)的尾氣包含氧氣、氮?dú)?、水汽進(jìn)入出口三通8后分兩路，一路經(jīng)出口三通8主管路排出，另一路經(jīng)空氣流量控制器9再次進(jìn)入吸氣口三通3，與新鮮空氣混合而循環(huán)流動。本發(fā)明工作時，空氣泵4壓縮后的含有熱量的空氣對燃料電池堆7的空氣反應(yīng)界面以及其它電池組件加熱，再通過流量控制器9控制使燃料電池堆7的一部分或全部空氣尾氣回流再經(jīng)空氣泵4，循環(huán)加熱燃料電池堆7的空氣反應(yīng)界面及其它電池組件。下面通過試驗(yàn)結(jié)果來說明本發(fā)明的有益效果。試驗(yàn)中，采用額定20kW的燃料電池堆7，在低溫情況下，化學(xué)計量比2. 2-3. 0燃料電池堆7可以正常工作。用于啟動的輔助蓄電池為4A/h的蓄電池，空氣泵4采用效率為45%的空氣泵。實(shí)驗(yàn)在環(huán)境倉中進(jìn)行。燃料電池堆7經(jīng)12小時-10°C的冷凍后，開始本實(shí)驗(yàn)。借助蓄電池啟動燃料電池堆7，經(jīng)溫度傳感器10測量，溫度為-10°C，由于溫度過低，按加載電流30A的化學(xué)計量比3. 0的計量比給定空氣流量12. 5m3/h,空氣從空氣濾清器I吸入后，當(dāng)入口流量計6測得的流量為12. 5m3/h時，空氣泵4轉(zhuǎn)數(shù)不再上升，保持該轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)入增濕器5，再進(jìn)入燃料電池堆7發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。小功率加載，以2A/s的速度給燃料電池堆7加載到30A，因燃料電池堆7溫度-10°C
<0°C，則啟動流量控制器9，流量控制器9全部打開，由于空氣尾排出口帶有一定壓力，又由于空氣泵4吸口的負(fù)壓作用，空氣尾氣基本全部經(jīng)由吸氣口三通3回流進(jìn)空氣泵4，很少量經(jīng)出口三通8排出。回流空氣和經(jīng)吸氣口三通3新吸入的空氣混合經(jīng)增濕器5后，進(jìn)入燃料電池堆7。在流量不變的情況下，空氣泵4轉(zhuǎn)數(shù)不變，吸入量是個定值，恒電流下，消耗的氧氣是個定值，這樣經(jīng)過燃料電池堆7反應(yīng)后的尾氣減少量即氧氣消耗量，將由經(jīng)過空氣濾清器I的新鮮空氣補(bǔ)充，即，則反應(yīng)過程中空氣中氧氣消耗量為V SASn=Ywmm=O. 88m3/h。設(shè)t秒時間以后，吸入氣體(含補(bǔ)充進(jìn)的新鮮空氣和回流氣體)總量中的氧氣含量剛好滿足在零下低溫時所需的化學(xué)計量比，則根據(jù)含氧量建立平衡關(guān)系式V吸人空氣X t時間X 21%+V第—次吸人量X 21%-V氧氣消耗X t時間=V第—次吸人量X (I/ n化學(xué)計量
比)X 21% 則有t時間=V第一次吸入量X (1-1/ rI化學(xué)計量比)X 21%/(V吸入空氣X 79%)其中V氧氣消耗=V吸入空氣=0.88m3/hV第—次吸人量=12. 5m /hn化學(xué)計量比=2. 221%為空氣中氧氣含量體積比代入計算，得t=2. 2秒。當(dāng)回流超過2. 2秒時，由于含氧量下降至低于燃料電池堆7正常工作所需的化學(xué)計量比2. 2，則關(guān)閉回流流量控制器9，只由空氣濾清器I處進(jìn)新鮮空氣，當(dāng)吸氣口流量計2檢測到的空氣流量達(dá)到12. 5m3/h時，再次啟動回流控制器9，如此反復(fù)循環(huán)來加熱燃料電池堆7空氣反應(yīng)界面及燃料電池堆7組件(當(dāng)然也可通過控制流量控制器9的開度，控制小回流量來完成加熱)。當(dāng)燃料電池堆7溫度T1=1°C時，關(guān)閉流量控制器9，耗時約6分鐘，蓄電池電量55%，完成零下低溫啟動，開始正常加減載。試驗(yàn)還做了現(xiàn)有技術(shù)的溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用回流加熱空氣系統(tǒng)的零下低溫啟動溫升速度比現(xiàn)有技術(shù)低溫啟動快5分鐘，采用現(xiàn)有技術(shù)蓄電池電量下降到40%，有過度放電的危險。兩者測試結(jié)果對比見附圖4的本發(fā)明的測試結(jié)果曲線101和現(xiàn)有技術(shù)的測試結(jié)果曲線202。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池低溫啟動的空氣回流加熱系統(tǒng)，其特征在于包括空氣濾清器(I)、吸氣口流量計(2)、吸氣口三通(3)、空氣泵(4)、增濕器(5)、入口流量計(6)、燃料電池堆(7)、出口三通(8)、空氣流量控制器(9)、溫度傳感器(10)和控制器(11)，所述的空氣濾清器(I)通過管路依次與吸氣口流量計(2)、吸氣口三通(3)、空氣泵(4)、增濕器(5)、入口流量計(6)、燃料電池堆(7)和出口三通(8)連接，所述的出口三通(8)通過管路經(jīng)空氣流量控制器(9)后與吸氣口三通(3)連接；所述的燃料電池堆(7)上安裝有溫度傳感器(10);所述的控制器(11)接收吸氣口流量計(2)、入口流量計(6)和溫度傳感器(10)上傳的信息并控制空氣泵(4)的轉(zhuǎn)數(shù)和流量控制器(9)的開關(guān)量大小。
2.一種燃料電池低溫啟動的空氣系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括以下步驟 A、啟動燃料電池堆(7)，控制器(11)根據(jù)加載大小按預(yù)先設(shè)定的氫氣和空氣的化學(xué)計量比給出所需的空氣流量，當(dāng)入口流量計(6)指示的流量達(dá)到所需的空氣流量時，控制器(11)控制空氣泵(4)維持此時的轉(zhuǎn)數(shù)恒定； B、通過溫度傳感器(10)對燃料電池堆(7)進(jìn)行檢測，得到燃料電池堆(7)的溫度值Tl；當(dāng)燃料電池堆(7)的溫度值Tl ( (TC時，打開空氣流量控制器(9)，控制回流流量；當(dāng)燃料電池堆(7)的溫度值TlXTC時，則不啟動回流裝置； C、在滿足燃料電池堆(7)反應(yīng)的空氣化學(xué)計量比的前提下，調(diào)節(jié)流量控制器(9)的回流量，多余的空氣從出口三通(8)排出； D、溫度傳感器(10)檢測燃料電池堆(7)的溫度，當(dāng)燃料電池堆(7)溫度值Tl( T0，重復(fù)步驟B和C ;當(dāng)燃料電池堆(7)溫度值Tl > TO時，關(guān)閉流量控制器(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池低溫啟動的空氣回流加熱系統(tǒng)及其方法，所述的系統(tǒng)包括空氣濾清器、吸氣口流量計、吸氣口三通、空氣泵、增濕器、入口流量計、燃料電池堆、出口三通、空氣流量控制器、溫度傳感器和控制器。本發(fā)明工作時，空氣泵壓縮后的含有熱量的空氣對燃料電池堆的空氣反應(yīng)界面以及其它電池組件加熱，再通過流量控制器控制使燃料電池堆的一部分或全部空氣尾氣回流再經(jīng)空氣泵，循環(huán)加熱燃料電池堆的空氣反應(yīng)界面及其它電池組件。本發(fā)明循環(huán)利用含有空氣泵廢熱的空氣尾氣來加熱燃料電池堆空氣反應(yīng)界面，加速消融電極上的冰晶，使燃料的傳質(zhì)和質(zhì)子的傳遞順利進(jìn)行，加速溫度處于零度以下燃料電池的啟動，可以節(jié)約輔助電源蓄電池的能耗。
文檔編號H01M8/04GK102751521SQ20121022805
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者丁鵬, 侯中軍, 劉常福, 明平文, 李丹, 江洪春, 王宇晨, 甘全全, 胡軍, 趙金 申請人:新源動力股份有限公司