[發(fā)明專利]一種燃料電池系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010552262.4
• 申請(qǐng)日: 2020-06-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111769310A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉志祥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東國(guó)鴻氫能科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/04225
• 分類號(hào): H01M8/04225;H01M8/04223;H01M8/04029;H01M8/04089;H01M8/04119
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司 44202
• 代理人: 郭浩輝;麥小嬋

本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包括電堆、氫氣氧化加熱器、儲(chǔ)氫罐、氣水分離器、氫氣循環(huán)泵、空氣過(guò)濾器、空氣壓縮機(jī)、中冷器、空氣加濕器、冷卻液循環(huán)泵、節(jié)溫器、散熱器。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置氫氣氧化加熱器，利用氫氣和空氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來(lái)對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱，從而能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的冷啟動(dòng)；同時(shí)，利用空氣中經(jīng)過(guò)燃燒反應(yīng)后剩余的氮?dú)鈦?lái)填充陽(yáng)極流道，從而在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中避免電堆中出現(xiàn)氫空界面，從而提高燃料電池電堆的壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來(lái)，燃料電池作為一種高效、清潔的發(fā)電技術(shù)，作為車輛、船舶動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用，受到廣泛重視。作為車輛動(dòng)力的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，在北方冬天環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，必須解決低溫啟動(dòng)問(wèn)題，否則燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的水會(huì)在電堆內(nèi)部凝結(jié)成水，阻塞氣體流道，從而導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。

目前，燃料電池系統(tǒng)低溫啟動(dòng)主要有兩種技術(shù)路徑，一種是在冷卻液循環(huán)系統(tǒng)中增加冷啟動(dòng)加熱器，冷啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)外部蓄電池給冷啟動(dòng)加熱器供電，同時(shí)啟動(dòng)冷卻液循環(huán)泵，通過(guò)加熱器使冷卻液升高，并通過(guò)冷卻液使電堆的溫度升高到一定程度，確保電堆生成的水不會(huì)再次凍結(jié)成冰，再通入氫氣和空氣，以順利啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)。這種方法在實(shí)際系統(tǒng)中使用廣泛，但是缺點(diǎn)是電加熱功率有限，通常只有幾個(gè)千瓦，導(dǎo)致啟動(dòng)加熱時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要十分鐘以上的啟動(dòng)加熱時(shí)間，在寒冷地區(qū)啟動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)。可以通過(guò)增大啟動(dòng)加熱器功率的方法縮短冷卻液加熱時(shí)間，但如果要把啟動(dòng)加熱時(shí)間縮短到一分鐘以內(nèi)，啟動(dòng)電加熱器的功率需要提高到數(shù)十千瓦，這對(duì)加熱器的設(shè)計(jì)是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)，同時(shí)增大了系統(tǒng)的重量和體積，會(huì)降低燃料電池系統(tǒng)的能量密度。

另一種燃料電池低溫啟動(dòng)技術(shù)是在啟動(dòng)過(guò)程中讓燃料電池電堆工作在較低電壓下，此時(shí)氫氣的能量大部分都轉(zhuǎn)化成熱能，能夠使電堆在較短時(shí)間內(nèi)溫度升高到工作溫度。這種低溫啟動(dòng)技術(shù)在系統(tǒng)架構(gòu)上簡(jiǎn)單，不用增加其他元器件，但其控制過(guò)程非常復(fù)雜，在低溫下直接將電堆電壓拉載到很低的數(shù)值，非常容易導(dǎo)致電堆內(nèi)部的部分單電池反極化，也容易造成單電池內(nèi)部局部反極化，因此這種直接拉載低溫啟動(dòng)的方法對(duì)電堆的工作壽命可能會(huì)造成一定的影響。

對(duì)于商用車而言，可以通過(guò)電加熱方式進(jìn)行冷啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間稍長(zhǎng)一點(diǎn)不會(huì)對(duì)用戶造成多大困擾。但是，對(duì)乘用車而言，用戶往往沒(méi)有足夠的耐心等待十分鐘才啟動(dòng)車輛，啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)直接影響燃料電池車輛的市場(chǎng)反應(yīng)。燃料電池乘用車需要在20～30秒內(nèi)完成冷啟動(dòng)，這對(duì)燃料電池冷啟動(dòng)技術(shù)是一大考驗(yàn)。

另外，燃料電池系統(tǒng)停機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間后，電堆內(nèi)部陰極和陽(yáng)極流場(chǎng)中都是空氣填充，在啟動(dòng)時(shí)，往陽(yáng)極通入氫氣，在氫氣將空氣吹出電堆的過(guò)程中，陽(yáng)極形成氫氧界面，會(huì)導(dǎo)致在陰極側(cè)出現(xiàn)高電位，引起催化劑碳載體的腐蝕，從而縮短燃料電池電堆工作壽命。燃料電池系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試時(shí)，往往通過(guò)給陽(yáng)極通入氮?dú)膺M(jìn)行吹掃的方法避免氫空界面，但在實(shí)際應(yīng)用的燃料電池系統(tǒng)中，不可能再增加氮?dú)庀到y(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)中可以通過(guò)將電堆陰極進(jìn)氣和排氣口封閉，消耗掉陰極空氣中的氧氣，陰極流道中僅剩余氮?dú)獾姆椒▉?lái)避免氫空界面帶來(lái)的腐蝕，但這會(huì)增加陰極控制的難度。

綜上，現(xiàn)有的燃料電池冷啟動(dòng)技術(shù)存在的缺陷問(wèn)題尚未得到有效的解決。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實(shí)施例旨在提供一種燃料電池系統(tǒng)，以解決上述技術(shù)問(wèn)題，從而能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冷啟動(dòng)，并提高燃料電池電堆的壽命。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包括電堆、氫氣氧化加熱器、儲(chǔ)氫罐、氣水分離器、氫氣循環(huán)泵、空氣過(guò)濾器、空氣壓縮機(jī)、中冷器、空氣加濕器、冷卻液循環(huán)泵、節(jié)溫器、散熱器；所述氫氣氧化加熱器具有冷卻液入口、冷卻液出口、氫氣入口、氫氣出口和空氣入口；