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一种带吹扫装置的 燃料 电池 冷启动系统及控制方法

阅读：536发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统及控制方法，该系统包括电堆、氢气路系统、空气路系统、氮气吹扫系统、温度控制装置和温湿检测装置。当燃料电池冷启动时，由温湿检测装置检测到温度较低，温度控制装置将通入燃料电池电堆的氢气和氧气进行加热以提高电池的冷启动能力，同时热量收集器将反应后的剩余热量收集起来供给温度控制装置，实现热量高效利用；当燃料电池工作结束后，氮气吹扫系统开启，经过温度控制装置加热后进入电堆进行吹扫以防止低温下结冰对电堆造成的影响。本发明解决了燃料电池冷启动问题，并实现了吹扫与加热一体化，结构紧凑，高效节能。，下面是一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统及控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统，其特征在于：包括电堆、氢气路系统、空气路系统、氮气吹扫系统、温度控制装置和温湿检测装置；所述氢气路系统包括储存高压氢气的氢气罐，控制氢气供给开关的电磁阀，对高压氢气降压的减压阀和稳定氢气压力的稳压罐；所述空气路系统包括控制空气供给开关的电磁阀，对空气进行过滤的空气滤清器和对空气加压的压缩机；所述氮气吹扫系统包括氮气罐，控制氮气供给开关的电磁阀，对高压氮气降压的减压阀。
2.根据权利要求1所述的一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统，其特征在于：所述温度控制装置包括对进入电堆气体加热的电热丝，鼓风机及相应部件；所述温湿检测装置为对电堆出口气体温度与湿度检测的温湿一体传感器；在温湿一体传感器后还安装有对反应后剩余热量回收的热量收集器。
3.根据权利要求1所述的一种带吹扫装置的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于：当燃料电池冷启动时，由温湿检测装置检测到温度较低，温度控制装置将通入燃料电池电堆的氢气和氧气进行加热以提高电池的冷启动能力，同时热量收集器将反应后的剩余热量收集起来供给温度控制装置，实现热量的高效利用；当燃料电池工作结束后，氮气吹扫系统开启，通过温度控制装置加热后进入电堆内进行吹扫以防止低温下结冰对电堆造成的影响。
4.根据权利要求3所述的一种带吹扫装置的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于：当燃料电池冷启动时电热丝接通电源对进入电堆的气体进行加热；当燃料电池正常工作后电热丝断电，鼓风机开启来维持燃料电池正常工作温度；当燃料电池工作结束后，电热丝对吹扫系统中的氮气加热以提高吹扫效率。
5.根据权利要求3所述的一种带吹扫装置的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于：在温湿一体传感器后安装的热量收集器将反应后剩余的热量回收供给温度控制装置实现热量的高效利用；气液分离器将反应后多余的氢气与水分离，氢气经过压缩机加压后回到稳压罐中实现氢气的高效利用。

说明书全文

一种带吹扫装置的燃料 电池 冷启动系统及控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池汽车领域，特别涉及一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统及控制方法。

背景技术

[0002] 随着能源与环境问题日益严峻，节能与新能源汽车技术越来越受到人们的重视。燃料电池作为一种新能源技术，是一种将化学能转换为电能的电化学反应装置。其中，质子交换膜燃料电池因其高效率、零排放的优势以及不存在纯电动汽车充电时间长、续航里程短等技术短板，逐渐成为当前新能源领域的研究热点。

[0003] 但是当燃料电池工作在零度以下的环境时，电池阴极生成的水会在催化剂层内部结冰，阻碍氧气传输，降低电化学反应面积，严重影响了燃料电池的工作性能，甚至会损坏电堆。因此需要合理的冷启动系统及控制方法来实现燃料电池在低温环境下的正常启动。现有的专利如中国专利公布号为CN201510383242.8，公布日为2015-11-04，公开了一种车载高温燃料电池冷启动系统及其工作方法，该发明通过加入柴油机加热常温水，利用水蒸气与柴油在自热重整器发生裂解反应来加热氢气与氧气，但这种方法对原有燃料电池结构改动较大，且裂解反应的进程难以精确控制；又如专利公布号为CN201920225510.7，公布日为2019-09-10，公开了一种基于涡流管加热的燃料电池冷启动系统，该发明通过加入涡流管对空气加热，然后进入电堆进行化学反应来融化阴极结冰，但该方法只在燃料电池启动时将电堆结冰融化，没有从根本上解决结冰问题，依旧会对电堆寿命造成影响；又如中国专利公布号为CN201920146192.5，公布日为2019-09-10，公开了一种带蓄热加热器的燃料电池冷启动系统，该方法中利用微泵、备用电源、蓄热加热器形成的微泵循环系统来控制冷却液循环从而实现燃料电池的冷启动，但这种方法没有考虑电堆结冰问题的处理。

[0004] 针对上述的技术不足，本发明提供一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统及控制方法，通过将吹扫装置与加热装置一体化，既防止了燃料电池阴极结冰问题，又解决了燃料电池冷启动问题；当燃料电池冷启动时，由温湿检测装置检测到温度较低，温度控制装置可以将通入燃料电池电堆的氢气和氧气进行加热以提高电池的冷启动能力，同时热量收集器可以将反应后的剩余热量收集起来供给温度控制装置，实现热量高效利用；当燃料电池工作结束后，氮气吹扫装置开启，通过温度控制装置加热后进入电堆内进行吹扫以防止低温下结冰对电堆造成的影响。

发明内容

[0005] 为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统及控制方法，目的是解决燃料电池在低温环境下阴极结冰和冷启动的问题。

[0006] 本发明提供的一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统，包括电堆、压缩机、空气滤清器、电磁阀、减压阀、稳压罐、温度控制装置、温湿传感器、热量收集器、气液分离器、储液罐。

[0007] 其中，氢气罐经管道分别与电磁阀、减压阀和稳压罐连接形成氢气路系统；氮气罐经管道分别与电磁阀和减压阀连接形成氮气路系统；空气经电磁阀、空气滤清器和压缩机构成空气路系统；三个系统经过温度控制装置进入电堆，安装于电堆后的温度传感器通过检测电堆出口温度来决策温度控制装置中电热丝与鼓风机的开闭；热量收集器可以将反应后剩余的热量回收供给温度控制装置实现热量的高效利用；气液分离器可以将反应后多余的氢气与水分离，氢气经压缩机加压后回到稳压罐中实现氢气的高效利用。

[0008] 本发明还提供了一种带吹扫装置的燃料电池冷启动的控制方法：燃料电池启动，空气路与氢气路的电磁阀打开，空气经电磁阀、空气滤清器和压缩机进入电堆阴极，氢气经电磁阀、减压阀、稳压罐进入电堆阳极；两者在电堆反应后，通过温湿传感器检测出口温度，当出口温度小于低阈值温度时，温度控制装置中的电热丝接通电源，氢气与氧气经电热丝加热后进入电堆发生反应，从而实现燃料电池在低温环境下的快速启动；当检测温度上升大于高阈值温度时，温度控制装置中的电热丝关闭，鼓风机开启，降低通入电堆的氢气与氧气的温度，使之维持在最佳工作温度范围内，同时鼓风机的气流与反应气体的气流方向相反，提高了鼓风机的冷却效率；在该过程中安装于气液分离器后的电磁阀保持开启状态，反应后剩余氢气经过压缩机加压后回到稳压罐中从而实现氢气的高效利用，反应生成的水流至储液罐中；当燃料电池工作结束后，空气路和氢气路的电磁阀关闭，氮气路的电磁阀打开，同时温度控制装置中的电热丝接通电源，氮气经电磁阀、减压阀进入电堆阳极对电堆内部进行吹扫，将反应产生的水带出电堆以防止燃料电池在低温环境下结冰，当温湿传感器检测电堆出口湿度达到阈值湿度后，氮气路的电磁阀关闭，吹扫工作结束；此过程中安装于气液分离器后的电磁阀保持关闭状态，氮气通入与大气相通的储液罐中。

[0009] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0010] 1)本发明的燃料电池克服了当前只对单一气体加热的缺陷，同时对进入电堆的氢气与氧气进行加热，大大提高了燃料电池在低温环境下冷启动的效率；

[0011] 2)本发明的燃料电池吹扫装置与加热实现一体化，通过对吹扫装置的氮气加热后再进行吹扫，提高了吹扫装置的吹扫效率；

[0012] 3)本发明的燃料电池控制方法简单，易于实现，成本较低，实现了氢气和热量的高效利用；附图说明

[0013] 本发明的上述方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0014] 图1为根据本发明实施例的一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统原理图；

[0015] 图中：1-空气流，2-电磁阀，3-空气滤清器，4-压缩机，5-温度控制装置，6-电堆，7-温湿传感器，8-热量收集器，9-气液分离器,10-储液罐，11-减压阀，12-电磁阀，13-稳压罐，14-压缩机，15-电磁阀，16-减压阀，17-氮气罐，18-电磁阀，19-氢气罐。

[0016] 图2为根据本发明实施例的温度控制装置的运行示意图；20-电热丝，21-鼓风机。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图对本发明作进一步描述：

[0018] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系只是为了便于叙述本发明各部件之间的关系而确定的关系词，并非特指某一部件，不能理解为对本发明的限制；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解具体含义。

[0019] 如图1所示，一种带吹扫装置的燃料电池冷启动系统包括氢气路系统、空气路系统、氮气吹扫系统、温度控制装置5和温湿检测装置7，其中氢气路系统由氢气罐19、电磁阀18、减压阀16和稳压罐13组成；空气路系统由空气流1、电磁阀2、空气滤清器3、压缩机4组成；氮气吹扫系统由氮气罐17、电磁阀15和减压阀11组成；在温湿检测装置7后还安装有热量收集器8、气液分离器9、储液罐10、电磁阀12和压缩机14，通过检测电堆出口的温度与湿度来决策温度控制装置5的运行状态和电磁阀12的开闭从而实现氢气和热量的高效利用。

[0020] 上述连接具体分别是：电磁阀2与空气滤清器3和压缩机4连接；氮气罐17与电磁阀15和减压阀11连接；氢气罐19与电磁阀18、减压阀16和稳压罐13连接；之后与温度控制装置
5相连进入电堆6；温湿传感器7分别与电堆6和热量收集器8连接；气液分离器的入口与热量收集器相连，一个出口连接电磁阀12、压缩机14进入稳压罐13，另一出口连接储液罐10。

[0021] 一种带吹扫装置的燃料电池冷启动的控制方法：电堆6启动，空气路与氢气路的电磁阀2、18打开，空气经电磁阀2、空气滤清器3和压缩机4进入电堆阴极，氢气经电磁阀18、减压阀16、稳压罐13进入电堆阳极；两者在电堆6反应后，通过温湿传感器7检测出口温度，当出口温度小于低阈值温度时，温度控制装置5中的电热丝20接通电源，氢气与氧气经电热丝20加热后进入电堆发生反应，从而实现燃料电池在低温环境下的快速启动；当检测温度上升大于高阈值温度时，温度控制装置5中的电热丝20关闭，鼓风机21开启，来降低通入电堆的氢气与氧气的温度，使之维持在最佳温度范围内，同时鼓风机21的气流与反应气体的气流方向相反，提高了鼓风机21的冷却效率；在该过程中安装于气液分离器9后的电磁阀12保持开启状态，反应后的剩余氢气经压缩机14加压后回到稳压罐13从而实现氢气的高效利用；反应生成的水流至储液罐10中；当电堆6工作结束后，空气路和氢气路的电磁阀2、18关闭，氮气路的电磁阀15打开，同时温度控制装置5中的电热丝20接通电源，氮气经电磁阀15、减压阀11进入电堆阳极对电堆内部进行吹扫，将反应产生的水带出电堆以防止燃料电池在低温环境下结冰，当温湿传感器7检测电堆出口湿度达到阈值湿度后，氮气路的电磁阀15关闭，吹扫工作结束；此过程中安装于气液分离器后的电磁阀12保持关闭状态，氮气通入与大气相通的储液罐10中。

[0022] 本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。在本说明书的描述中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体方法或者特点可以在任何实施例中适当的结合。

[0023] 本发明的实施方式只是示例，但不限于此，本领域技术人员依据本发明的思路与原理，未脱离本发明所做的修改、替代、简化等，都应该在本发明的保护范围内。

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