[发明专利]一种燃料电池空气管理器件、系统及方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池空气管理器件、系统及方法，所述的器件包括器件本体以及设置在所述器件本体内的储热颗粒，所述器件本体还包括器件本体输入口和器件本体输出口，通过燃料电池空气管理器件吸收水分并产生热量，对燃料电池电堆进行预热，以便于燃料电池电堆在较低温度下的启动，通过检测燃料电池电堆的温度并控制空气气流的流向，完成燃料电池电堆冷启动、正常启动以及燃料电池空气管理器件换热的状态控制。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及燃料电池空气管理器件、系统及方法。

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。

目前燃料电池低温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

本发明的目的是提供一种燃料电池空气管理器件、系统及方法，解决了现有燃料电池冷启动不便的问题。

本发明提供一种燃料电池空气管理器件，包括：器件本体以及设置在所述器件本体内的储热颗粒，所述器件本体还包括器件本体输入口和器件本体输出口。

可选的，所述储热颗粒包含硅胶、活性炭、活性氧化铝、金属有机骨架以及沸石中的至少一种材料。

可选的，所述器件本体包括用于装载储热颗粒的储物腔和用于保温的壳体。

可选的，在所述器件本体输入口和所述器件本体输出口相匹配的位置分别设有滤网。

一种燃料电池空气管理系统，包括：空气供给单元，所述空气供给单元包括用于加湿空气的增湿器和用于预热空气的燃料电池空气管理器件，当加湿空气经过所述燃料电池空气管理器件后能够被预热；燃料电池电堆，所述燃料电池电堆与所述空气供给单元连通；燃料电池控制器，所述燃料电池控制器用于控制所述空气供给单元以及所述燃料电池电堆的空气输入和输出，所述燃料电池控制器分别与所述空气供给单元以及所述燃料电池电堆信号连接。

可选的，所述空气供给单元还包括空气压缩机，所述空气压缩机用于压缩以及加热空气，所述空气压缩机与所述增湿器连通。

可选的，所述压缩机的输出口通过第一阀门分别与增湿器的输入口以及燃料电池电堆的输入口连通，所述压缩机的输出口还通过第二阀门分别与燃料电池空气管理器件的输入口以及所述增湿器的输入口连通，所述增湿器的输出口通过第三阀门分别与燃料电池电堆的输入口以及所述燃料电池空气管理器件的输入口连通，所述燃料电池电堆的输出口通过第四阀门分别与所述燃料电池电堆的排放口以及所述增湿器的输入口连通，所述燃料电池空气管理器件的输出口通过第五阀门分别与所述空气压缩机的输入口以及所述增湿器的输入口连通。