[发明专利]一种燃料电池低温启动的空气加热回流系统及控制方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池低温启动的空气加热回流系统，用于加速车用燃料电池的低温启动，包括传感器组件、燃料电池电堆、出口背压阀以及依次通过管道连接的空气过滤器、空压机、中冷器和加湿器，所述的加湿器分别与出口背压阀以及燃料电池电堆的进口和出口通过管道连接，该系统还包括加热器、设置于空气过滤器和空压机之间的入口三通阀和设置于加湿器与燃料电池电堆出口之间的出口三通阀，所述的入口三通阀与出口三通阀通过管道连接，且加热器设置于两者之间，与现有技术相比，本发明具有无需大量增加额外附属设备，就可实现燃料电池快速升温、正常启动并工作的优点。

技术领域

本发明涉及车用燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池低温启动的空气加热回流系统及控制方法。

背景技术

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置。只要不断地供应燃料和氧化剂，燃料电池就能源源不断地输出电能和热能。其具有发电效率高，低噪音，零排放等优点，被认为是最清洁和高效的新能源发电装置之一，可被广泛地应用于汽车领域。

质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂的电化学发电装置，电化学反应产生水，在低温下燃料电池生成的水可能结冰，冰覆盖扩散层，催化层，阻碍氢气和空气传输，膜内质子传导能力差，进而影响电堆冷起动能力。为适应瞬息万变的全天候、全地区的工作环境，特别是低温地区，车载燃料电池必须具有良好的冷启动性能。

目前技术中，质子交换膜燃料电池低温的启动策略主要分为两个大类，即“保温”和“加热”方法。“保温”是为了避免燃料电池温度降到0℃以下，避免内部结冰以造成对电堆的损害和低温启动困难，故一方面要尽量减少电堆对外部的散热，另一方面需要设计系统向电堆补充能量以使电堆温度维持在0℃以上。中国专利CN 102386430A，通过对系统的设计，在电堆的空气出口和氢气出口设置干燥剂、电热丝，循环泵等，对电堆进行低温保存，但此方法对于长时间停车具有能耗高，系统设计复杂等缺点，不利于工程实际利用。

“加热”方式根据热源分为两大类：一类是外部热源，即热量主要在电堆外部产生再通过导热介质传递到电堆内和各个子系统，例如美国专利US 688760在系统外部增设催化反应加热器对冷却液加热进而加热电堆，虽然能量高，加热迅速，但降低了燃料的经济性，大大增加了系统的复杂程度，难以对燃烧室内氢氧燃烧进行控制。另一类为内部加热，这种能量主要在内部产生，比如氢气与氧气直接通入阴极或阳极进行催化燃烧放热，释放热量大，但有可能热量的分布不均对电堆造成热应力损伤，从而造成电堆的直接损害进而降低燃料电池电堆的寿命。

综上所述，现有技术需大量增加额外的附属设备，既增加了车载燃料电池系统的设计的难度和体积，还增加了成本，而且会消耗额外的燃料，降低燃料的经济性，同时也影响安全性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无需大量增加额外附属设备，就可实现燃料电池快速升温、正常启动并工作的燃料电池低温启动空气加热回流系统及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池低温启动的空气加热回流系统，用于加速车用燃料电池的低温启动，包括传感器组件、燃料电池电堆、出口背压阀以及依次通过管道连接的空气过滤器、空压机、中冷器和加湿器，所述的加湿器分别与出口背压阀以及燃料电池电堆的进口和出口通过管道连接，该系统还包括加热器、设置于空气过滤器和空压机之间的入口三通阀和设置于加湿器与燃料电池电堆出口之间的出口三通阀，所述的入口三通阀与出口三通阀通过管道连接，且加热器设置于两者之间；

低温启动燃料电池时，将空气通过空气过滤器接入管道，依次通过入口三通阀、空压机、中冷器、加湿器和燃料电池电堆后，从燃料电池电堆出口排出并通过出口三通阀分流，其一部分通过加湿器和出口背压阀排至大气，另一部分通过加热器加热后，通入入口三通阀并与通过空气过滤器接入的空气混合，形成热空气，该热空气再次通过入口三通阀、空压机、中冷器、加湿器并进入燃料电池电堆，形成循环，以达到使燃料电池电堆在低温条件下迅速冷启动的目的。