專利名稱：一種燃料電池低溫啟動(dòng)的空氣加熱系統(tǒng)及其控制方法
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(dòng)的空氣加熱系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
環(huán)境溫度在零度以下時(shí)的燃料電池啟動(dòng)是個(gè)整個(gè)燃料電池行業(yè)的難題，因?yàn)橘|(zhì)子交換膜燃料電池是個(gè)有水參與的反應(yīng)，在環(huán)境溫度低于0°c時(shí)，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(gè)問題，在溫度低于0°c的時(shí)候，燃料電池內(nèi)部的水會(huì)結(jié) 晶成冰，盡管經(jīng)過吹掃等處理仍會(huì)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(dòng)或者啟動(dòng)過慢。燃料電池在啟動(dòng)時(shí)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(dòng)整個(gè)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(dòng)過程中就會(huì)長時(shí)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(shí)性能下降，長時(shí)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(dòng)，快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。如圖3所示，現(xiàn)有技術(shù)的零下低溫啟動(dòng)系統(tǒng)，一般包括空氣濾清器、空氣泵、增濕器、燃料電池堆和堆溫度傳感器，不包含空氣加熱器，不對空氣反應(yīng)界面和其組件進(jìn)行加熱，而是依靠燃料電池自身發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的廢熱來提高自己的溫度，這樣溫度上升比較慢，容易損傷電極，且大量消耗蓄電池等輔助電源的電量，不利于低溫啟動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在零度以下低溫狀態(tài)下啟動(dòng)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(dòng)的空氣加熱系統(tǒng)及其控制方法，可以實(shí)現(xiàn)燃料電池快速升溫，使燃料電池快速啟動(dòng)并正常工作。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種燃料電池低溫啟動(dòng)的空氣加熱系統(tǒng)，包括空氣濾清器、空氣泵、空氣加熱器、增濕器、入口溫度傳感器、燃料電池堆、堆溫度傳感器、蓄電池和控制器，所述的空氣濾清器通過管路依次與空氣泵、空氣加熱器、增濕器、入口溫度傳感器、燃料電池堆連接；所述的空氣加熱器通過電路與蓄電池、燃料電池堆相連；所述的燃料電池堆上安裝有堆溫度傳感器；所述的控制器接收空氣加熱器、入口溫度傳感器、堆溫度傳感器和蓄電池上傳的信息并控制空氣加熱器加熱以及蓄電池開關(guān)。一種燃料電池低溫啟動(dòng)的空氣系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟A、啟動(dòng)燃料電池堆，通過堆溫度傳感器檢測燃料電池堆溫度T2，當(dāng)T2彡(TC時(shí)，由蓄電池供電啟動(dòng)空氣加熱器，當(dāng)T2 > (TC時(shí)則不啟動(dòng)空氣加熱器；B、通過入口溫度傳感器檢測空氣溫度Tl，并將空氣溫度Tl傳給控制器，控制器控制空氣加熱器保持溫度T3，所述T3為70-100°C ；C、當(dāng)蓄電池電量低于其容量的40%時(shí)，控制器接收到信號后切斷蓄電池，轉(zhuǎn)為由燃料電池堆供電；D、當(dāng)燃料電池堆溫度T2 > (TC時(shí)，控制空氣加熱器停止加熱。本發(fā)明工作時(shí)，主要依靠空氣加熱器加熱后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。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果燃料電池在零度以下溫度的啟動(dòng)是個(gè)整個(gè)燃料電池行業(yè)的難題，因?yàn)橘|(zhì)子交換膜 燃料電池是個(gè)有水參與的反應(yīng)，在環(huán)境溫度低于o°c時(shí)，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(dòng)技術(shù)一般是以燃料電池發(fā)電時(shí)自己產(chǎn)生的廢熱來加熱自己，融化冰晶，耗時(shí)較長，在車載等采用蓄電池作為輔助啟動(dòng)電源的情況下，由于燃料電池在低溫下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(dòng)失敗，同時(shí)蓄電池由于低溫放電，性能變差，壽命降低。本發(fā)明利用空氣加熱器加熱后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，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(huì)因大功率發(fā)電致使局部過熱而損傷電極，力口速溫度處于零度以下燃料電池的啟動(dòng)，同時(shí)燃料電池快速啟動(dòng)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(dòng)燃料電池現(xiàn)象，延長蓄電池的使用壽命。


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(dòng)的空氣加熱系統(tǒng)不意圖。圖2為一種燃料電池低溫啟動(dòng)的空氣加熱系統(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、空氣泵，3、空氣加熱器，4、增濕器，5、入口溫度傳感器，6、燃料電池堆，7、堆溫度傳感器，8、蓄電池，9、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)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖I所示，一種燃料電池低溫啟動(dòng)的空氣加熱系統(tǒng)，包括空氣濾清器I、空氣泵2、空氣加熱器3、增濕器4、入口溫度傳感器5、燃料電池堆6、堆溫度傳感器7、蓄電池8和控制器9，所述的空氣濾清器I通過管路依次與空氣泵2、空氣加熱器3、增濕器4、入口溫度傳感器5、燃料電池堆6連接；所述的空氣加熱器3通過電路與蓄電池8、燃料電池堆6相連；所述的燃料電池堆6上安裝有堆溫度傳感器7 ;所述的控制器9接收空氣加熱器3、入口溫度傳感器5、堆溫度傳感器7和蓄電池8上傳的信息并控制空氣加熱器3加熱以及蓄電池8開關(guān)。如圖2所示，一種燃料電池低溫啟動(dòng)的空氣系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟A、啟動(dòng)燃料電池堆6，通過堆溫度傳感器7檢測燃料電池堆6溫度T2，當(dāng)T2彡(TC時(shí)，由蓄電池8供電啟動(dòng)空氣加熱器3，當(dāng)T2 > (TC時(shí)則不啟動(dòng)空氣加熱器3 ；B、通過入口溫度傳感器5檢測空氣溫度Tl，并將空氣溫度Tl傳給控制器9，控制器9控制空氣加熱器3保持溫度T3，所述T3為70-100°C ；C、當(dāng)蓄電池8電量低于其容量的40%時(shí)，控制器9接收到信號后切斷蓄電池8，轉(zhuǎn)為由燃料電池堆6供電；D、當(dāng)燃料電池堆6溫度T2 > (TC時(shí)，控制空氣加熱器3停止加熱。本發(fā)明工作時(shí)，主要依靠空氣加熱器3加熱后的空氣對燃料電池堆6的空n氣反應(yīng)界面以及其它電池組件加熱。 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6，用于啟動(dòng)的輔助電源為4A/h的蓄電池8，空氣加熱器3為最大功率為6KW的管道式加熱器。實(shí)驗(yàn)在環(huán)境倉中進(jìn)行。燃料電池堆6經(jīng)12小時(shí)-10°C的冷凍后，開始本實(shí)驗(yàn)。借助蓄電池8啟動(dòng)燃料電池堆6，為防止大載荷給電堆造成損傷，給燃料電池堆5KW的載荷，與空氣加熱器3 —同升溫燃料電池堆6。經(jīng)堆溫度傳感器7測量，啟動(dòng)時(shí)燃料電池堆6溫度為-10°C，即T2 < (TC，則啟動(dòng)空氣加熱器3加熱空氣，3分鐘后經(jīng)入口溫度傳感器5檢測，溫度Tl為80°C，控制器9發(fā)出信號，保持空氣溫度為80°C，此時(shí)，堆溫度傳感器7檢測到的電堆溫度T2為-4°C，蓄電池電量為58%，不低于40%，不會(huì)因?yàn)檫^度放電而損壞，控制空氣加熱器繼續(xù)加熱，2分鐘以后，蓄電池電量還有45%，燃料電池堆6溫度T2為I °C，此時(shí)控制器9控制空氣加熱器停止加熱，燃料電池完成零下低溫啟動(dòng)，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(dòng)溫升速度比現(xiàn)有技術(shù)低溫啟動(dòng)快6分鐘。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。本發(fā)明所描述的實(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(dòng)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。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池低溫啟動(dòng)的空氣加熱系統(tǒng)，其特征在于包括空氣濾清器(I)、空氣泵(2)、空氣加熱器(3)、增濕器(4)、入口溫度傳感器(5)、燃料電池堆(6)、堆溫度傳感器(7)、蓄電池(8)和控制器(9)，所述的空氣濾清器(I)通過管路依次與空氣泵(2)、空氣加熱器(3)、增濕器(4)、入口溫度傳感器(5)、燃料電池堆(6)連接；所述的空氣加熱器(3)通過電路與蓄電池(8)、燃料電池堆(6)相連；所述的燃料電池堆(6)上安裝有堆溫度傳感器(7);所述的控制器(9)接收空氣加熱器(3)、入口溫度傳感器(5)、堆溫度傳感器(7)和蓄電池(8)上傳的信息并控制空氣加熱器(3)加熱以及蓄電池(8)開關(guān)。
2.一種燃料電池低溫啟動(dòng)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(dòng)燃料電池堆(6)，通過堆溫度傳感器(7)檢測燃料電池堆(6)溫度T2，當(dāng)T2 ( (TC時(shí)，由蓄電池(8)供電啟動(dòng)空氣加熱器(3)，當(dāng)T2 > (TC時(shí)則不啟動(dòng)空氣加熱器(3)；B、通過入口溫度傳感器(5)檢測空氣溫度Tl，并將空氣溫度Tl傳給控制器(9)，控制器(9)控制空氣加熱器(3)保持溫度T3，所述T3為70-100°C； C、當(dāng)蓄電池(8)電量低于其容量的40%時(shí)，控制器(9)接收到信號后切斷蓄電池(8)，轉(zhuǎn)為由燃料電池堆(6)供電； D、當(dāng)燃料電池堆(6)溫度T2> (TC時(shí)，控制空氣加熱器(3)停止加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池低溫啟動(dòng)的空氣加熱系統(tǒng)及其控制方法，所述的系統(tǒng)包括空氣濾清器、空氣泵、空氣加熱器、增濕器、入口溫度傳感器、燃料電池堆、堆溫度傳感器、蓄電池和控制器。所述的燃料電池堆上安裝有堆溫度傳感器。本發(fā)明利用空氣加熱器加熱后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，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(huì)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(dòng)，同時(shí)燃料電池快速啟動(dòng)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(dòng)燃料電池現(xiàn)象，延長蓄電池的使用壽命。
文檔編號H01M8/04GK102769144SQ20121026447
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者侯中軍, 劉常福, 明平文, 李丹, 楊景官, 江洪春, 秦連慶, 榮瑞 申請人:新源動(dòng)力股份有限公司