[實用新型]氫燃料電池系統(tǒng)的冷啟動裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201820262816.5
• 申請日: 2018-02-23
• 公開（公告）號: CN207868281U
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發(fā)明（設計）人: 應俊波
• 申請（專利權）人: 北京億華通科技股份有限公司
• 主分類號: H01M8/04029
• 分類號: H01M8/04029;H01M8/04007;H01M8/04225;H01M8/04223;H01M8/1007
• 代理公司: 北京高文律師事務所 11359
• 代理人: 姚李英

本實用新型提供了一種氫燃料電池系統(tǒng)的冷啟動裝置。氫燃料電池系統(tǒng)包括：燃料電池電堆、副循環(huán)回路、補水路；副循環(huán)回路包括：冷卻液循環(huán)管路；補水路包括：為冷卻液循環(huán)管路補充冷卻液的膨脹水箱。冷啟動裝置包括：為冷卻液循環(huán)管路中的冷卻液進行加熱的副循環(huán)加熱裝置；以及設置于膨脹水箱和冷卻液循環(huán)管路之間的管路上，為補充至冷卻液循環(huán)管路的補充冷卻液進行加熱的補水路加熱裝置。冷啟動裝置中，補水路加熱裝置為補充至冷卻液循環(huán)管路的補充冷卻液進行加熱，副循環(huán)加熱裝置為冷卻液循環(huán)管路中的冷卻液進行加熱，兩個加熱裝置共同作用，可加速燃料電池電堆內(nèi)部副循環(huán)回路的升溫過程，降低冷啟動的時間。

技術領域

本實用新型涉及清潔能源技術領域，尤其涉及一種氫燃料電池系統(tǒng)的冷啟動裝置。

背景技術

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC)，因其零污染，高效率，常溫下反應穩(wěn)定可控等優(yōu)點被廣泛應用于汽車、軌道交通領域。

質(zhì)子交換膜燃料電池在工作中會產(chǎn)生大量熱量，熱量集中會導致質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的迅速溫升，這將影響燃料電池的工作效率，故通常使用風冷或液冷的方式，對燃料電池內(nèi)部進行冷卻。一般大功率質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)(輸出功率：5kW以上)使用液冷方式，控制冷卻液的溫度波動范圍：55～70℃。故質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)(PEMFC)除了自身的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆(PEMFC Stack)以外，還需要一套配合的冷卻散熱系統(tǒng)。

目前，對質(zhì)子交換膜燃料電池的環(huán)境溫度適應性或耐候性的應用與標準中，對低溫冷啟動在加熱功率、時間方面均有要求。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的冷啟動方法，目前有如下幾種：

(1)燃料電池小功率輸出、迅速大量產(chǎn)熱的方式；

(2)燃料電池循環(huán)冷卻回路循環(huán)加熱保溫方式；

(3)燃料電池副循環(huán)內(nèi)部加熱的方式。

上述方案中，冷啟動方式(1)主要針對特定的燃料電池電堆類型，其對電堆自身的低溫冷啟動、冷卻循環(huán)、電堆的加載特性有極高的要求，不適用于普通燃料電池電堆。

冷啟動方式(2)是一種比較原始的、有效的燃料電池電堆在低溫狀態(tài)下的性能維護與保存方式。其主要依賴外界提供電加熱或熱源，維持燃料電池電堆整體溫度在零上4℃以上。這種方式受外界條件的限制比較多，近年來逐漸被其他兩種方式所取代。

冷啟動方式(3)是目前應用較為廣泛的方式。圖1為采用冷啟動方式(3)的理想燃料電池冷卻系統(tǒng)回路的示意圖。在圖1中，實線對應的管路為冷卻液管路，虛線對應的管路為排氣管路。排氣管路的功能是將冷卻液中的氣體排出至膨脹水箱42。該排氣管路一般用于系統(tǒng)第一次加水排氣，以及后期點檢維護用，正常工況下，該排氣管路是關閉的。

請參考圖1，其主要利用了冷卻循環(huán)回路中，隨著副循環(huán)回路內(nèi)部的副循環(huán)加熱裝置21的加熱作用、副循環(huán)回路中的冷卻液逐步升溫，當副循環(huán)冷卻液溫度達到5.5℃，燃料電池控制系統(tǒng)判斷冷啟動完成，開啟燃料電池電堆，隨著燃料電池電池輸出功率的升高，副循環(huán)回路中的冷卻液溫度逐步攀升。當經(jīng)過節(jié)溫器23的感溫結構的冷卻液溫度到達節(jié)溫器的開啟溫度后，冷卻回路由“副循環(huán)狀態(tài)”切換至“主循環(huán)狀態(tài)”，冷卻回路的溫度進一步升高。當散熱單元的出水口溫度到達目標值60℃時，散熱單元中的冷卻風扇開啟，大量引入周圍環(huán)境的冷態(tài)空氣，通過散熱單元的“管帶-翅片”結構與散熱單元中的冷卻液迅速換熱，維持散熱單元的出水口溫度低于目標值60℃，保證燃料電池電堆的正常工作狀態(tài)。

冷啟動方式(3)的冷啟動過程中有兩個關鍵點：1、節(jié)溫器23的感溫開啟溫度；2、冷啟動階段以及起堆階段的副循環(huán)回路的有效封閉性。第1點比較好理解，因為這個開啟溫度是副循環(huán)階段與主循環(huán)階段的臨界溫度點。第2點的“有效封閉”這一概念需要被正確認識。