技术领域
[0001] 本
发明涉及一种车载
燃料电池技术，尤其涉及一种燃料电池低温启动系统及运行方法。
背景技术
[0002] 燃料电池的应用中，低温启动和低温运行成为其必然面对的课题。车载燃料电池必须具有良好的
冷启动(即低温启动)特性。而冷启动最大的问题在于低温下
水生成
冰，阻碍了氢气和空气在
质子交换膜内部的扩散和
质子交换膜燃料电池阴极生成水的排除，从而造成冷启动的失败。
[0003] 目前，质子交换膜燃料电池要想产生
电能，需要对其增湿，在水的作用下质子方能穿越膜
电极而产生
电流。然而，在
温度低于0℃时，燃料电池内部的水会结晶成冰。
现有技术中可通过吹扫等处理减少燃料电池内部的冰，但是燃料电池内部仍会有微量的冰晶存在，影响传质和质子的传递，使燃料电池无法启动或者启动过慢。
[0004] 进一步地，若上述低温环境下水生成冰的过程若发生在燃料电池电堆内的催化表面附近，则会影响进一步电化学反应甚至导致质子交换膜电极剥离损坏。
[0005] 为此，现有技术中提供有多个燃料电池系统的低温启动方法，能够有效实现燃料电池的快速启动，但是却无法保证低温下燃料电池的有效运行。
发明内容
[0006] 针对现有技术中的
缺陷，本发明提供一种燃料电池低温启动系统及运行方法，能够实现低温环境下燃料电池的快速启动，且保证低温下燃料电池运行寿命，有效降低燃料电池的低温运行故障率。
[0007] 第一方面，本发明提供一种燃料电池低温启动系统，包括：燃料电池系统和
冷却液循环系统；
[0008] 所述冷却液循环系统包括：依次连接并形成环路的空气-冷却液换热器、氢气-冷却液换热器、氢气催化燃烧换热器、水
泵、
散热器；
[0009] 其中，所述空气-冷却液换热器位于燃料电池系统的空气输送管路上，用于与待进入燃料电池电堆的空气换热；
[0010] 所述氢气-冷却液换热器位于燃料电池系统的氢气输送管路上，用于与待进入燃料电池电堆的氢气换热；
[0011] 所述氢气催化燃烧换热器用于使冷却液循环系统中循环的冷却液升温，该氢气催化燃烧换热器通过第一氢气输送支路连通所述燃料电池系统的氢气源；
[0012] 经由所述氢气催化燃烧换热器的冷却液通过水泵在所述冷却液循环系统中循环。
[0013] 可选地，所述水泵连接
散热器的一端还连接所述燃料电池系统的节温器；
[0014] 所述散热器为所述燃料电池系统的散热器；
[0015] 所述散热器远离所述水泵的一端连接节温器的一端，所述节温器的另一端连接所述空气-冷却液换热器，形成冷却液的循环环路；
[0016] 和/或，
[0017] 所述氢气催化燃烧换热器通过第二氢气输送支路连通所述燃料电池系统的氢气排放装置。
[0018] 可选地，所述空气-冷却液换热器为
板式换热器、
翅片式换热器、管壳式换热器中的一种；
[0019] 和/或，
[0020] 所述氢气-冷却液换热器为板式换热器、翅片式换热器、管壳式换热器中的一种；
[0021] 和/或，
[0022] 所述氢气催化燃烧换热器为板式换热器、翅片式换热器、管壳式换热器中的一种。
[0023] 可选地，所述空气-冷却液换热器、氢气-冷却液换热器、氢气催化燃烧换热器中的一个或多个上设有电辅助加热设备；
[0024] 每一电辅助加热设备均连接燃烧电池系统的电源。
[0025] 可选地，所述电辅助加热设备包括下述的一种或多种：
电阻丝、PTC贴片、红外设备或激光设备。
[0026] 可选地，所述冷却液循环系统还包括：用于监测冷却液温度的冷却液温度
传感器；
[0027] 所述冷却液温度传感器连接所述燃料电池系统的
控制器，该控制器连接所述燃料电池系统的空气
压缩机、所有的电磁
阀、节温器、散热器，以及连接所述冷却液循环系统的水泵；
[0028] 所述控制器根据所述冷却液温度传感器检测的冷却液
温度控制所述水泵的启动，以及控制燃料电池系统中空气输送管路、氢气输送管路的通断。
[0029] 可选地，所述燃料电池系统的空气输送管路上设置有用于监测空气温度的空气温度传感器，所述空气温度传感器连接所述控制器。
[0030] 第二方面，本发明还提供一种基于上述任一所述的燃料电池低温启动系统的燃料电池低温运行方法，包括：
[0031] 在燃料电池系统的
环境温度低于0℃时，通
过冷却液循环系统的氢气催化燃烧换热器加热冷却液循环系统中的冷却液；以及
[0032] 通过冷却液循环系统的水泵使加热的冷却液在冷却液循环系统中循环，进而燃料电池系统的空气输送管路中空气、氢气输送管路中氢气分别通过各自的换热器与冷却液换热；
[0033] 若冷却液的温度超过第一预设温度，则分别向燃料电池系统的燃料电池电堆中通入换热后的空气和氢气。
[0034] 可选地，通过冷却液循环系统的氢气催化燃烧换热器加热冷却液循环系统中的冷却液，包括：
[0035] 打开第一氢气输送支路，使氢气源向氢气催化燃烧换热器输送用于产热的氢气，以加热冷却液循环系统中的冷却液；
[0036] 相应地，所述方法还包括：
[0037] 在所述燃料电池系统的氢气排放装置中排放的氢气温度超过第二预设温度时，打开第二氢气输送支路，关闭第一氢气输送支路，使氢气排放装置的排放氢气催化加热氢气催化燃烧换热器中的冷却液。
[0038] 可选地，所述方法还包括：
[0039] 在所述冷却液的温度超过第三预设温度时，停止加热氢气催化燃烧换热器中的冷却液。
[0040] 由上述技术方案可知，本发明的一种燃料电池低温启动系统及运行方法，通过在燃料电池系统中增加冷却液循环系统，使得冷却液循环系统中的空气-冷却液换热器可与空气输送管路中的空气换热，以及氢气-冷却液换热器可与氢气输送管路中的氢气换热，保证在燃料电池系统的环境温度低于0℃时，燃料电池系统可以正常启动，且保证正常运行，进而实现低温环境下燃料电池的快速启动，且保证低温下燃料电池运行寿命，可有效降低燃料电池的低温运行故障率。
附图说明
[0041] 图1为本发明一
实施例提供的燃料电池低温启动系统的结构示意图；
[0042] 图2为本发明另一实施例提供的燃料电池低温启动系统的结构示意图；
[0043] 图3为本发明一实施例提供的燃料电池低温运行方法的流程示意图。
[0044] 附图中：
[0045] 空气-冷却液换热器11、氢气-冷却液换热器12、氢气催化燃烧换热器13、水泵14、散热器15、第一氢气输送支路16、第二氢气输送支路17、冷却液温度传感器18；
[0046] 空气输送管路21、氢气输送管路22、燃料电池电堆23、氢气源24、节温器25、氢气排放装置26、空气温度传感器27。
具体实施方式
[0047] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0048] 图1示出了本发明一实施例提供的燃料电池低温启动系统的结构示意图，如图1所示，本实施例的燃料电池低温启动系统包括：燃料电池系统和冷却液循环系统。
[0049] 本实施例的燃料电池系统可为现有技术中的燃料电池系统，该燃料电池系统包括：空气压缩机、氢气源、增湿器、燃料电池电堆、氢气排放装置、节温器、散热器、多个
电磁阀等。燃料电池系统中各部件的连接关系和现有技术中燃料电池系统中各部件的连接关系均相同，本实施例不对其进行详细。
[0050] 本实施例在燃料电池系统上增加冷却液循环系统，如图1所示，本实施例的冷却液循环系统包括：依次连接并形成环路的空气-冷却液换热器11、氢气-冷却液换热器12、氢气催化燃烧换热器13、水泵14、散热器15；
[0051] 其中，空气-冷却液换热器11位于燃料电池系统的空气输送管路21上，用于与待进入燃料电池电堆的空气换热；例如，空气-冷却液换热器11的
位置可以同时或独立设置在空气压缩机进气口、空气压缩机出口、燃料电池电堆23空气尾排处，流经该换热器的冷却液和空气换热。
[0052] 所述氢气-冷却液换热器12位于燃料电池系统的氢气输送管路22上，用于与待进入燃料电池电堆的氢气换热；例如，氢气-冷却液换热器的位置可以同时或者独立设置在燃料电池电堆的氢气入口处，或者燃料电池电堆氢气出口处。流经该换热器的冷却液和氢气换热。
[0053] 所述氢气催化燃烧换热器13用于使冷却液循环系统中循环的冷却液升温，该氢气催化燃烧换热器13通过第一氢气输送支路16连通所述燃料电池系统的氢气源24；经由所述氢气催化燃烧换热器13的冷却液通过水泵14在所述冷却液循环系统中循环。
[0054] 也就是说，氢气催化燃烧换热器13将第一氢气输送支路16输送的氢气直接催化为
热能，以加热冷却液循环系统中的冷却液，实现燃料电池系统的快速低温启动。
[0055] 氢气催化燃烧换热器13为使用氢气与空气在催化固定床内催化燃烧，实现快速升温的反应器。在整个低温启动系统中可能同时具有稀释氢气降低浓度含量的作用。氢气催化燃烧换热器13中的氢气来源是氢气源的直接纯氢或者如图2所示的燃料电池电堆反应的尾排气体氢气。氢气催化燃烧换热器13中的空气来源是直接空压机供气、自然
对流或其他设备供应或者燃料电池电堆反应空气尾排废气。
[0056] 举例来说，本实施例中的空气-冷却液换热器11可为板式换热器、翅片式换热器、管壳式换热器中的一种；和/或，氢气-冷却液换热器12可为板式换热器、翅片式换热器、管壳式换热器中的一种；和/或，氢气催化燃烧换热器13可为板式换热器、翅片式换热器、管壳式换热器中的一种。
[0057] 在实际应用中，为更好的燃料电池低温启动系统的启动和运行，上述的冷却液循环系统还包括：用于监测冷却液温度的冷却液温度传感器18；该冷却液温度传感器18连接所述燃料电池系统的控制器(图中未示出)，该控制器连接所述燃料电池系统的空气压缩机、所有的电磁阀、节温器、散热器15，以及连接所述冷却液循环系统的水泵14；
[0058] 所述控制器根据所述冷却液温度传感器18检测的冷却液温度控制所述水泵的启动，以及控制燃料电池系统中空气输送管路、氢气输送管路的通断。
[0059] 本实施例的燃料电池低温启动系统，通过在燃料电池系统中增加冷却液循环系统，使得冷却液循环系统中的空气-冷却液换热器可与空气输送管路中的空气换热，以及氢气-冷却液换热器可与氢气输送管路中的氢气换热，保证在燃料电池系统的环境温度低于0℃时，燃料电池系统可以正常启动，且保证正常运行，进而实现低温环境下燃料电池的快速启动，且保证低温下燃料电池运行寿命，可有效降低燃料电池的低温运行故障率。
[0060] 另外，在实际应用中，为减少成本，且降低燃料电池系统的结构复杂度，上述冷却液循环系统中的散热器15可为燃料电池系统的散热器，如图2所示，在图2中水泵14连接散热器的一端还连接所述燃料电池系统的节温器25；
[0061] 散热器15远离所述水泵14的一端连接节温器25的一端，所述节温器25的另一端连接所述空气-冷却液换热器11，形成冷却液的循环环路。
[0062] 优选地，为充分利用氢气或氢能加热冷却液循环系统中的冷却液，还可使氢气催化燃烧换热器13通过第二氢气输送支路17连通所述燃料电池系统的氢气排放装置26。
[0063] 进而在检测到所述燃料电池系统的氢气排放装置中排放的氢气温度超过第二预设温度时，打开第二氢气输送支路，关闭第一氢气输送支路，使氢气排放装置的排放氢气催化加热氢气催化燃烧换热器中的冷却液。
[0064] 另外，在一种优选实施方式中，燃料电池系统的空气输送管路上还可设置有用于监测空气温度的空气温度传感器27，该空气温度传感器27连接所述控制器，由此，在燃料电池系统的环境温度低于0℃时，可根据冷却液温度传感器的检测值以及空气温度传感器27的检测值确定是否向燃料电池电堆中通入氢气和空气。
[0065] 进一步地，前述的空气-冷却液换热器11、氢气-冷却液换热器12、氢气催化燃烧换热器13中的一个或多个换热器上还可设有电辅助加热设备(图中未示出)；每一电辅助加热设备均连接燃烧电池系统的电源。
[0066] 举例来说，电辅助加热设备可包括下述的一种或多种：电阻丝、PTC贴片、红外设备或激光设备。上述各换热器上可通过
串联或粘贴方式附加电辅助加热设备。
[0067] 在燃料电池系统的环境温度低于0℃时，启动氢气催化燃烧换热器加热冷却液循环系统中的冷却液的同时，可通过各个换热器上设置的电辅助加热设备同时加热冷却液循环系统中的冷却液。
[0068] 上述的燃料电池低温启动系统，能够保证在燃料电池系统的环境温度低于0℃时，燃料电池系统可以正常启动，且保证正常运行，进而实现低温环境下燃料电池的快速启动，且保证低温下燃料电池运行寿命，可有效降低燃料电池的低温运行故障率。
[0069] 如图3所示，图3示出了本发明一实施例提供的燃料电池低温运行方法的流程示意图，本实施例的燃料电池低温运行方法是基于燃料电池低温启动系统的运行方法，该方法包括如下步骤：
[0070] 301、在燃料电池系统的环境温度低于0℃时，通过冷却液循环系统的氢气催化燃烧换热器加热冷却液循环系统中的冷却液。
[0071] 举例来说，可打开第一氢气输送支路，使氢气源向氢气催化燃烧换热器输送用于产热的氢气，以加热冷却液循环系统中的冷却液；
[0072] 或者，在实际应用中，还可以对各换热器上设置的电辅助加热设备通电，以实现加热冷却液循环系统中的冷却液的目的。
[0073] 302、通过冷却液循环系统的水泵使加热的冷却液在冷却液循环系统中循环，进而燃料电池系统的空气输送管路中空气、氢气输送管路中氢气分别通过各自的换热器与冷却液换热。
[0074] 303、若冷却液的温度超过第一预设温度(0-5℃)，则分别向燃料电池系统的燃料电池电堆中通入换热后的空气和氢气。
[0075] 进一步地，在燃料电池系统的低温运行中，若燃料电池系统的氢气排放装置中排放的氢气温度超过第二预设温度(40℃+-5℃)时，则可打开第二氢气输送支路的电磁阀，关闭第一氢气输送支路上的电磁阀，使氢气排放装置的排放氢气催化加热氢气催化燃烧换热器中的冷却液。即，本实施例中在运行时可利用尾排氢气给冷却液循环中的冷却液加热，尾排氢气被冷却。因为尾排空气和尾排氢气会比散热器系统温度均要高一些。
[0076] 特别地，为保证燃料电池系统的使用寿命，可在所述冷却液的温度超过第三预设温度(60℃+-5℃)时，停止加热氢气催化燃烧换热器中的冷却液。
[0077] 上述方法通过冷却液循环系统以冷却液为介质实现对燃料电池电堆供
氧、供氢的温度控制，并在低温下运行。
[0078] 上述图3所示的低温运行方法可在燃料电池系统所处环境温度低于0℃启动时，首先启动燃料电池系统内的水泵带动冷却液在冷却液循环系统内循环，氢气源可通过第一氢气输送支路直接喷入氢气催化燃烧换热器中进行产热，同时还可根据锂电池状态给各换热器上的电辅助加热设备进行预热。待冷却液温度传感器测试超过冷却液的温度超过第一预设温度时，如0-5℃时，即可向燃料电池系统通入氢气，同时启动空压机供
风，完成正常启动。
[0079] 在燃料电池运行全过程中可以保持空气换热器持续与
冷却水换热，低温过程可用于加热空气，在大负载下可用于降低可能被空气压缩机加热的空气，避免对燃料电池电堆造成超温度范围影响。
[0080] 在燃料电池运行过程中，图2中所示的空气温度传感器测得低于第一预设温度如5℃时，氢气由氢气源直接进入氢气催化燃烧换热器，快速加热冷却液循环系统中的冷却液，使空气温度在最短时间内达到最利于燃料电池反应的温度。当系统温度升高至大于第二预设温度以上时，如40℃时，氢气尾排通过氢气催化换热器，利用反应剩余尾排氢气间歇性加热冷却液，充分利用氢能加热；当温度高于第三设定温度时，一般为燃料电池反应温度或稍低于燃料电池反应温度，如60℃，关闭氢气进入催化燃烧换热器，以减轻散热器的散
热压力。
[0081] 上述方法无充足启动电源的情况下燃料电池均可以完成低温启动；使得燃料电池低温启动和使用较为简单，对水
热管理要求低，不用考虑空气压缩机供风带来的电堆内部的水管理问题；
[0082] 空气换热使电堆空气温度高于零度，消除电堆工作过程中入口附近电极表面生成水被冰冻的可能性，减小低温运行故障，增加低温运行寿命。
[0083] 进一步地，上述低温启动系统中以
循环水为热管理核心，由于其
热容大
波动性较小，全系统热管理更加稳定；在燃料电池系统低温关机通过空压机吹扫系统内液态水时，由于全系统水热容较大，可以吹扫更彻底；使用以氢气催化加热为主，最大效能利用氢气
能量，增加热效率；同时加入电加热辅助，在条件允许时加快低温启动速度。
[0084] 本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的
硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0085] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明
权利要求所限定的范围。
