[發明專利]燃料電池低溫快速啟動系統及其啟動方法

在審

• 申請號: 201210510972.6
• 申請日: 2012-12-03
• 公開（公告）號: CN103855416A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 陳雪松;陳沛
• 申請（專利權）人: 上海汽車集團股份有限公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 譚佐晞;嚴志軍

技術領域

本發明涉及車載燃料電池系統，尤其涉及一種燃料電池低溫快速啟動系統及其啟動方法。

背景技術

為了適應瞬息萬變的全天候、全地區的工作條件，車載燃料電池必須具有良好的冷啟動（即低溫啟動）特性。而冷啟動最大的問題在于低溫下水生成冰，阻礙了氫氣和空氣在膜電極（MEA）內部的擴散和質子交換膜燃料電池PEMFC陰極生成水的排除，從而造成冷啟動的失敗。

作為相關技術，燃料電池低溫啟動的策略分為兩個大的類別，分別是“保溫”與“加熱融冰”方法。為了達到保溫的目的一方面需要減少電堆（即燃料電池組）與環境間的換熱，另外一方面需要在停機以后向電堆補充熱量以使得電堆的溫度維持在零度以上。例如通用汽車公司設計了一種用于低溫環境的燃料電池能量管理系統，在需要加熱的時候氫氣閥門和空氣壓縮機開啟使一部分燃料電池開始工作，產生的電能使加熱器開始對電堆和冷卻液加熱。日產汽車公司設計了一種根據環境溫度的歷史記錄和使用者輸入的待機時間而自動在保溫和加熱狀態間切換熱管理系統。

用于加熱的熱源可以根據來源分為兩大類：一類為外部熱源，這種熱量主要在電堆外部產生通過導熱介質傳遞到電堆和各個子系統。另外一類為內部熱源，這種熱量主要在電堆內部產生，比如催化層上產生的化學反應熱或者氫氣在氣體流道內燃燒產生的熱量。例如日產公司設計了一種燃燒室將氫氣燃燒，并通過換熱器把生成的熱量帶入冷卻液體循環系統，通過冷卻液體對電堆進行加熱。但是這種加熱方式降低了燃料的經濟性，增加了系統的體積、質量和生產成本。

中國發明專利200610134075.4公開了一種燃料電池低溫啟動的方法及裝置，將燃料電池與直流電源串聯，雙向開關控制器可選擇燃料電池與負載或直流電源相連。燃料電池低溫啟動時，燃料電池與直流電源相連，氫氣、空氣分別通入陽極和陰極，調節電流、電壓控制器使一定的電流通過燃料電池。氫泵作用，氫氣在陰極產生，氫氣與空氣中的氧氣反應放熱，使膜電極快速升溫達到燃料電池能正常啟動運行溫度。該發明屬于上述提到的“加熱融冰”方法，通過增加額外的附屬設備，達到快速啟動的目的。

綜上所述，現有技術均需增加額外的附屬設備，既增加了車載燃料電池系統的體積和重量，又增加了成本，而且會消耗額外的燃料，降低了燃料的經濟性。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種無需增加額外附屬設備的燃料電池低溫快速啟動系統及其啟動方法，縮短在低溫條件下燃料電池的啟動時間，迅速達到燃料電池正常工作狀態，以保證燃料電池汽車的正常啟動。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種燃料電池低溫快速啟動系統，包括空氣壓縮機和燃料電池組，所述空氣壓縮機通過一輸氣管與燃料電池組相連，所述空氣壓縮機的進氣口連接有一進氣管，所述進氣管上設有入口空氣閥，所述燃料電池組的出氣口連接有一排氣管，所述排氣管上設有限壓閥，所述燃料電池組上設有用于檢測燃料電池組內部溫度的溫度傳感器，所述燃料電池組的出氣口還設有一支路管道與空氣壓縮機的進氣口相連，使所述空氣壓縮機、輸氣管、燃料電池組及支路管道構成一循環回路，并且所述循環回路上設有一控制所述支路管道通斷的回路空氣閥，所述空氣壓縮機、入口空氣閥、限壓閥、溫度傳感器及回路空氣閥均與一控制器連接。

進一步地，所述空氣壓縮機上設有用于檢測氧氣含量的氧傳感器，所述氧傳感器與控制器連接。

優選地，所述進氣管上設有過濾空氣中雜質的過濾器。

本發明還包括上述燃料電池低溫快速啟動系統的啟動方法，包括以下階段：a）預熱階段：控制器控制入口空氣閥打開，限壓閥關閉，回路空氣閥打開，空氣壓縮機開啟向燃料電池組提供壓縮空氣，壓縮空氣沿所述循環回路循環流動，當溫度傳感器檢測到燃料電池組的溫度達到0℃及以上時，入口空氣閥關閉，限壓閥及回路空氣閥狀態不變；b）冷啟動階段：當燃料電池組進入正常工作狀態時，入口空氣閥打開，限壓閥打開，回路空氣閥關閉。

優選地，上述步驟a中，所述空氣壓縮機對空氣進行絕熱壓縮。

進一步地，上述步驟b中，燃料電池組進入正常工作狀態前有一段緩慢工作狀態，所述空氣壓縮機上設有氧傳感器，氧傳感器檢測空氣壓縮機進氣口處的氧氣含量，并將檢測的氧氣含量值與控制器中的預設值比較，當低于預設值時，控制器控制入口空氣閥及限壓閥開啟，當高于預設值時，控制器控制入口空氣閥及限壓閥關閉；

進一步地，所述控制器中的預設值不低于17%。

通過以上技術方案，本發明具有以下技術效果：