[發(fā)明專利]一種應用于燃料電池的輔助低溫冷啟動系統(tǒng)及其控制方法

有效

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• 申請日: 2021-07-27
• 公開（公告）號: CN113675442B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設計）人: 袁偉;李錦廣;蔣子琮;吳澤宇;柯育智;趙永豪;劉慶森;梁浩偉;林惠鋮;蘇曉晴;莊梓譯;盧彪武
• 申請（專利權）人: 華南理工大學;廣東氫機智創(chuàng)科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04223
• 分類號: H01M8/04223;H01M8/04029;H01M8/04302;H01M8/04701;H01M8/0662
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發(fā)明公開了一種應用于燃料電池的輔助低溫冷啟動系統(tǒng)及其控制方法，所述的輔助低溫冷啟動系統(tǒng)包括氫氣供給模塊、空氣供給模塊、催化燃燒加熱模塊、電加熱模塊、冷卻液循環(huán)模塊、尾氣處理模塊、控制模塊、燃料電池電堆。所述的輔助低溫冷啟動系統(tǒng)具有模式一、模式二兩種輔助啟動模式。所述的模式一啟動時，催化燃燒加熱模塊和電加熱模塊同時工作。所述的模式二啟動時，電加熱模塊工作，氫氣供給模塊和空氣供給模塊開啟，燃料電池電堆開始低功率運行。本發(fā)明提出的輔助低溫冷啟動系統(tǒng)采用模塊化設計，具有啟動速度快、能量利用率高、系統(tǒng)安全可靠等優(yōu)點。

技術領域

本發(fā)明屬于燃料電池技術領域，涉及一種應用于燃料電池的輔助低溫冷啟動系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)低溫冷啟動性能較差是制約其實際推廣應用的主要障礙之一，PEMFC工作時的反應產(chǎn)物水在超低溫很容易結冰，而冰會覆蓋在陰極側催化層表面或堵塞氣體擴散層孔隙，阻礙反應氣體進入多孔電極，使得電極電化學反應速率降低甚至停止，進而影響PEMFC的低溫啟動性能。同時，水結冰或冰融化的反復相變會導致多孔電極的體積變化劇烈，對電池材料結構產(chǎn)生破壞，并在一定程度上影響電池的工作性能及使用壽命。

專利申請CN106558713A公開了一種燃料電池低溫啟動系統(tǒng)及運行方法。該發(fā)明利用氫氣催化反應放熱來加熱冷卻液，冷卻液進而加熱氫氣和空氣，但高溫熱流無法充分利用，造成嚴重浪費。

專利申請CN109728328A公開了一種燃料電池動力系統(tǒng)組合低溫冷啟動裝置及控制方法。該組合低溫啟動裝置提供了五種啟動模式，系統(tǒng)復雜度高，可靠性低。另外，該發(fā)明的高溫燃氣加熱模式直接使用氫氧燃燒加熱的方式，危險系數(shù)較高，且未直接利用燃燒加熱器的高溫尾氣余熱，制約了系統(tǒng)能量效率提升。

專利申請CN108711630A公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池低溫狀態(tài)下啟動的方法。該發(fā)明在陽極通混合氣體催化預熱，陽極的尾氣通入陰極，使得陰陽極可同時發(fā)生催化反應，可以實現(xiàn)-45℃甚至更低溫度范圍的低溫啟動，但該方法的啟動時間較長，燃料利用率低。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述技術缺點，本發(fā)明提出了一種應用于燃料電池的輔助低溫冷啟動系統(tǒng)及其控制方法。

本發(fā)明至少通過如下技術方案之一實現(xiàn)。

一種應用于燃料電池的輔助低溫冷啟動系統(tǒng)，包括氫氣供給模塊、空氣供給模塊、冷卻液循環(huán)模塊、催化燃燒加熱模塊、電加熱模塊、尾氣處理模塊、控制模塊、燃料電池電堆(61)；

所述氫氣供給模塊和空氣供給模塊的氣體均接入催化燃燒加熱模塊和燃料電池電堆(61)；

所述催化燃燒加熱模塊的熱流經(jīng)過冷卻液循環(huán)模塊接入燃料電池電堆(61)的陽極或陰極，在燃料電池電堆(61)的電極表面發(fā)生催化反應，加熱燃料電池電堆(61)；

所述電加熱模塊用于給燃料電池電堆(61)和冷卻液換熱器(24)提供熱量；

所述空氣供給模塊與尾氣處理模塊連接，用于調(diào)控尾氣混合室(57)內(nèi)的氫氣濃度；

所述控制模塊控制各模塊的啟停、輔助啟動模式的切換。

優(yōu)選的，所述氫氣供給模塊包括水平方向依次連接的高壓儲氫罐(1)、減壓閥(2)、氫氣進氣閥(3)、第一流量計(4)、氫氣入堆電磁閥(5)、用于檢測氫氣入堆溫度和壓力的傳感器(6)、以及用于尾排氫氣循環(huán)的氫氣循環(huán)泵(7)，所述的氫氣循環(huán)泵(7)置于燃料電池電堆(61)的陽極出口和陽極入口之間；

所述空氣供給模塊包括水平方向依次連接的空氣過濾器(11)、空氣止回閥(12)、空氣壓縮機(13)、第二流量計(14)、空氣入堆電磁閥(15)、空氣加濕器(16)和用于檢測空氣入堆溫度和壓力的傳感器(17)；