[实用新型]氢燃料电池系统的冷启动装置

说明书

本实用新型提供了一种氢燃料电池系统的冷启动装置。氢燃料电池系统包括：燃料电池电堆、副循环回路、补水路；副循环回路包括：冷却液循环管路；补水路包括：为冷却液循环管路补充冷却液的膨胀水箱。冷启动装置包括：为冷却液循环管路中的冷却液进行加热的副循环加热装置；以及设置于膨胀水箱和冷却液循环管路之间的管路上，为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热的补水路加热装置。冷启动装置中，补水路加热装置为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热，副循环加热装置为冷却液循环管路中的冷却液进行加热，两个加热装置共同作用，可加速燃料电池电堆内部副循环回路的升温过程，降低冷启动的时间。

技术领域

本实用新型涉及清洁能源技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池系统的冷启动装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)，因其零污染，高效率，常温下反应稳定可控等优点被广泛应用于汽车、轨道交通领域。

质子交换膜燃料电池在工作中会产生大量热量，热量集中会导致质子交换膜燃料电池系统内部的迅速温升，这将影响燃料电池的工作效率，故通常使用风冷或液冷的方式，对燃料电池内部进行冷却。一般大功率质子交换膜燃料电池系统(输出功率：5kW以上)使用液冷方式，控制冷却液的温度波动范围：55～70℃。故质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)除了自身的质子交换膜燃料电池电堆(PEMFC Stack)以外，还需要一套配合的冷却散热系统。

目前，对质子交换膜燃料电池的环境温度适应性或耐候性的应用与标准中，对低温冷启动在加热功率、时间方面均有要求。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷启动方法，目前有如下几种：

(1)燃料电池小功率输出、迅速大量产热的方式；

(2)燃料电池循环冷却回路循环加热保温方式；

(3)燃料电池副循环内部加热的方式。

上述方案中，冷启动方式(1)主要针对特定的燃料电池电堆类型，其对电堆自身的低温冷启动、冷却循环、电堆的加载特性有极高的要求，不适用于普通燃料电池电堆。

冷启动方式(2)是一种比较原始的、有效的燃料电池电堆在低温状态下的性能维护与保存方式。其主要依赖外界提供电加热或热源，维持燃料电池电堆整体温度在零上4℃以上。这种方式受外界条件的限制比较多，近年来逐渐被其他两种方式所取代。

冷启动方式(3)是目前应用较为广泛的方式。图1为采用冷启动方式(3)的理想燃料电池冷却系统回路的示意图。在图1中，实线对应的管路为冷却液管路，虚线对应的管路为排气管路。排气管路的功能是将冷却液中的气体排出至膨胀水箱42。该排气管路一般用于系统第一次加水排气，以及后期点检维护用，正常工况下，该排气管路是关闭的。

请参考图1，其主要利用了冷却循环回路中，随着副循环回路内部的副循环加热装置21的加热作用、副循环回路中的冷却液逐步升温，当副循环冷却液温度达到5.5℃，燃料电池控制系统判断冷启动完成，开启燃料电池电堆，随着燃料电池电池输出功率的升高，副循环回路中的冷却液温度逐步攀升。当经过节温器23的感温结构的冷却液温度到达节温器的开启温度后，冷却回路由“副循环状态”切换至“主循环状态”，冷却回路的温度进一步升高。当散热单元的出水口温度到达目标值60℃时，散热单元中的冷却风扇开启，大量引入周围环境的冷态空气，通过散热单元的“管带-翅片”结构与散热单元中的冷却液迅速换热，维持散热单元的出水口温度低于目标值60℃，保证燃料电池电堆的正常工作状态。

冷启动方式(3)的冷启动过程中有两个关键点：1、节温器23的感温开启温度；2、冷启动阶段以及起堆阶段的副循环回路的有效封闭性。第1点比较好理解，因为这个开启温度是副循环阶段与主循环阶段的临界温度点。第2点的“有效封闭”这一概念需要被正确认识。