[发明专利]具有冷启动功能的车用燃料电池空气系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种具有冷启动功能的车用燃料电池空气系统，包括空气供给单元、燃料电池电堆以及燃料电池控制器，所述空气供给单元与燃料电池电堆连接，所述燃料电池控制器分别与空气供给单元和燃料电池电堆连接；所述空气供给单元包括固体吸附式储热器，所述固体吸附式储热器吸附空气中的水分并释放用于为燃料电池电堆加热以实现冷启动的吸附热；本发明还公开了一种具有冷启动功能的车用燃料电池空气系统的控制方法。本发明巧妙地利用固体吸附式储能的原理，通过吸附剂在吸附吸附质的过程中释放出大量的吸附热为燃料电池电堆进行预热，以实现燃料电池的冷启动，避免了现有技术所带来的缩减燃料电池汽车续航里程的弊端。

技术领域

本发明属于燃料电池动力系统热管理技术领域，具体涉及一种具有冷启动功能的车用燃料电池空气系统及控制方法。

背景技术

当前，作为汽车电动化的解决方案之一的燃料电池汽车的大规模商业化还存在着成本高、寿命短、氢基础设施薄弱等问题。其中，燃料电池冷启动问题则是阻碍燃料电池商业化的关键技术瓶颈之一，是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。

当燃料电池在不采取任何保护措施情况下在低于0℃的低温环境中冷启动时，其反应所产生的水首先会在催化层内部结冰，导致催化层反应活性位点被覆盖和氧气传输受阻，电压出现骤降；当催化层完全被冰覆盖而电堆温度还未升至0℃以上则会在扩散层和流道内结冰导致冷启动失败。另一方面，催化层的结冰过程会导致催化剂层和质子交换膜之间出现间隙，同时结冰/融化循环会引起催化层微孔结构的崩塌和致密化以及催化层中铂颗粒的粗化，致使电化学活性表面积减小并难以恢复，从而对燃料电池发电性能造成永久性损害，而且循环次数越多冷启温度越低对电池损害越大。

目前燃料电池冷启动的解决策略分为两类：一类是在电堆停机时利用气体吹扫来降低燃料电池膜电极的含水量，从而减少固态冰的形成，但是在电堆温度未升至0℃以上时只要启动电堆产生水就会结冰，而且首先是在铂颗粒表面与Nafion树脂接触的部位产生冰，一旦温度升至室温铂与Nafion界面的冰融化就会造成界面的脱离，导致不可逆的电化学活性面积的损失；另一类是通过车载动力电池电加热或车载氢气催化燃烧放热等方式对电堆及其内部极板和膜电极进行预热，前者则会消耗一部分车载动力电池的电量，而且在低温环境中动力电池也同样存在着冷启动困难和放电容量大幅缩减的情况，后者则会消耗一部分车载氢气，二者均会缩短燃料电池汽车的续航里程。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种具有冷启动功能的车用燃料电池空气系统。

本发明的另一目的是提供一种具有冷启动功能的车用燃料电池空气系统的控制方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有冷启动功能的车用燃料电池空气系统，包括空气供给单元、燃料电池电堆以及燃料电池控制器，所述空气供给单元与燃料电池电堆连接，所述燃料电池控制器分别与空气供给单元和燃料电池电堆连接；

所述空气供给单元包括固体吸附式储热器，所述固体吸附式储热器吸附空气中的水分并释放用于为燃料电池电堆加热以实现冷启动的吸附热。

优选地，所述空气供给单元进一步包括空气压缩机、增湿器、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀、真空泵、第一温度传感器以及第二温度传感器；所述空气压缩机的空气出口与增湿器的空气进口连接，所述增湿器的空气出口与第一三通电磁阀的输入端连接，所述第一三通电磁阀的一个输出端与固体吸附式储热器的空气进口连接，所述第一三通电磁阀的另一个输出端与燃料电池电堆的空气进口连接，所述固体吸附式储热器的空气出口与第二三通电磁阀的输入端连接，所述第二三通电磁阀的一个输出端与燃料电池电堆的空气进口连接，所述第二三通电磁阀的另一个输出端与真空泵的进气口连接，所述第一温度传感器设置在所述固体吸附式储热器的空气出口处，所述第二温度传感器设置在固体吸附式储热器内部。