一种提升燃料电池阴阳极进气温度的装置及方法

摘要

本发明公开了一种提升燃料电池阴阳极进气温度的装置及方法，包括空气进排系统、氢气进排系统，空气进排系统采用多路阀和各支路的温度、压力和湿度传感器进行检测和精确控制，通过利用空压机的自增压做功将升压后温度适宜的空气通过多路旁通进入电堆，提高阴极进气温度，无外部辅助设备冗余，无过多成本投入，便于车载运行。氢气进排系统采用冷却回路通过水热循环实现换热系统给阳极氢气进行提温处理。同时进行阴极空气的温度提升，最直接融化了扩散层的冰晶，满足电化学反应的要求，真正意义上实现了无靠热传导，能够最简单地完全解决燃料电池发动机的核心部件电堆低温启动遇到的问题，缩短低温启动时间。且在常规温度下仍可采用低温模式。

权利要求

1.一种提升燃料电池阴阳极进气温度的装置，其特征在于：包括空气进排系统、氢气进排系统；

所述空气进排系统包括通过管道依次连通的空压机、中冷器、增湿器，增湿器通过多路阀与燃料电池电堆连接，多路阀分别与各连接管道连通，且各连接管道上均设置有温度传感器、压力传感器和湿度传感器，空压机和中冷器分别连接有一个冷却回路；

所述空气进排系统还包括压后消音器件，与空压机的出气口连通；背压电磁阀，与增湿器的尾气出口连通；尾排消音器，与背压电磁阀的出气口连通；

所述氢气进排系统包括通过管道依次连通的进气高低压氢气控制阀组件、氢气换热组件、氢气缓冲组件，氢气缓冲组件与燃料电池电堆的进气口连通，燃料电池电堆的出气口与气水分离排氢阀组件连通，气水分离排氢阀组件的出气口与氢气缓冲组件连通，各连接管道上均设置有温度传感器和压力传感器，氢气换热组件、氢气缓冲组件及气水分离排氢阀组件分别连接有一个冷却回路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述空气进排系统还包括依次连通的空气进气防雨管路、空气进气滤清器、压前消音器件，压前消音器件与空压机的进气口连通。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述氢气换热组件、氢气缓冲组件及气水分离排氢阀组件的进水口处均设置有PTC加热组件。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述冷却回路包括水箱、水泵、过滤器组件、温控阀组件以及离子浓度监测组件，所述水泵一端与水箱连通，另一端依次连通温控阀组件、过滤器组件、离子浓度监测组件，离子浓度监测组件出水口分别与待冷却装置及水箱连通。

5.一种提升燃料电池阴阳极进气温度的方法，其特征在于：包括：当中冷器前端的传感器检测到环境温度低于燃料电池发动机正常启动温度TO1时，关闭空压机与中冷器之间的多路阀，同时提高空压机转速，将空压机进行背压；

当空压机内部空气温度达到进堆温度T02时，旁路直接进气至电堆；

当空压机内部空气温度高于进堆温度T02时，打开空压机与中冷器之间的多路阀，并调整各路多路阀的开度比例，使空气进入中冷器进行降温、进入增湿器进行增湿；

当增湿器前端的传感器检测到温度、压力及湿度满足进堆要求时，空气经中冷器进入电堆。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：空压机背压时，空压机内部进行增压后涡轮将对空压机密闭腔内气体做功，实现空压机内部空气的迅速温升。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括：氢气进入电堆前也利用冷却回路通过水热循环实现提温处理。

说明书

一种提升燃料电池阴阳极进气温度的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新能源氢燃料电池发动机低温启动技术领域，具体涉及一种提升燃料电池阴阳极进气温度的装置及方法。

背景技术

[0002] 燃料电池是一种能量转化装置，通过其内部的氢气和氧气在催化的作用下，完成化学反应放电，进而实现能量转化。其优点是反应后的唯一产物是水，因此被称为是“二十
一世纪的终极能源”。因其被看做是替代化石能源的主要能源，目前其主要应用在新能源汽
车领域，我们称之为氢燃料电池发动机。目前氢燃料电池发动机技术逐渐成熟，稳定性向好
发展，得到公共交通领域的高度关注，但其在环境适应性的短板也逐渐凸显，如低温情况下
的燃料电池发动机启动性能和运行可靠性能。由于燃料电池在化学反应后，电池内部产生
大连纯水，加之在膜电极的扩散层级流道内存在非常细密的孔道，致使燃料电池在低温情
况下，非常容易出现被冻结和无法启动状态，进而造成燃料电池无法为整车提供动力输出，
车辆无法稳定可靠运行。

[0003] 在中国专利CN201210228053.X“一种燃料电池低温启动的空气回流加热系统及其方法”说明书中公开了采用燃料电池尾排废空气进行回流，将进气加热，进而改善低温启动
温度，使燃料电池能够在较低温度下启动。但因尾排气体温度回流热量损失严重，无法满足
发燃料电池发动机快速低温启动需求；在中国专利CN201110379850.3“一种燃料电池发电
系统低温启动的热管理系统及其方法”说明书中公开了对内循环水加装PTC外部辅助加热
的方法来提升冷却液温度，通过极板传热进行提问，改善膜电极的及极板周围温度，进而改
善电堆内部结冰状态，提升发动机的低温启动能力。虽然外部PTC可以实现低温启动，但阴
阳极气体无辅助加热，进入电堆内部后温度交变非常剧烈，电堆启动稳定性不好；在中国专
利CN201210539730.X“一种‑20℃快速启动质子交换膜燃料电池系统”说明书中公开了采用
空气进气外加辅助加热装置，通过外部电源加热空气进气温度的方法，连少空气热量损失，
改善低温启动时间，提高燃料电池的低温启动性能。该系统采用空气利用外部辅助加热方
法，增加更多的气体辅助加热装置，系统零部件冗余严重，无法实现车载条件下的低温启动
产业化应用；在中国专利CN201820653353.5“一种燃料电池低温启动控制装置”说明书中公
开了采用外部燃料燃烧加热冷却循环系统，提升燃料电池低温启动能力，实现了低温情况
下的快速启动。该装置利用外部设备，燃料浪费严重，辅助系统部件过多，产业化受限；在中
国专利CN200910012179.1“一种质子交换膜燃料电池低温启动系统及启动方法”说明书中
公开采用了热量存储装置，收集燃料电池运行中的废热进行有效存储，在低温时不需要外
部加热方法，将储藏热量释放出来，进而实现燃料电池的低温启动。但废热的收集和存储存
在技术难度，而且存储量也严重受限，无法实现真正意义上的能力全回收，全利用。

发明内容

[0004] 本发明针对以上问题进行设计和实验测试验证，提供一种提升燃料电池阴阳极进气温度的装置及方法，有利于彻底根除燃料电池的低温启动难题。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

[0006] 一种提升燃料电池阴阳极进气温度的装置，包括空气进排系统、氢气进排系统；

[0007] 所述空气进排系统包括通过管道依次连通的空压机、中冷器、增湿器，增湿器通过多路阀与燃料电池电堆连接，多路阀分别与各连接管道连通，且各连接管道上均设置有温
度传感器、压力传感器和湿度传感器，空压机和中冷器分别连接有一个冷却回路；

[0008] 所述空气进排系统还包括压后消音器件，与空压机的出气口连通；背压电磁阀，与增湿器的尾气出口连通；尾排消音器，与背压电磁阀的出气口连通；

[0009] 所述氢气进排系统包括通过管道依次连通的进气高低压氢气控制阀组件、氢气换热组件、氢气缓冲组件，氢气缓冲组件与燃料电池电堆的进气口连通，燃料电池电堆的出气
口与气水分离排氢阀组件连通，气水分离排氢阀组件的出气口与氢气缓冲组件连通，各连
接管道上均设置有温度传感器和压力传感器，氢气换热组件、氢气缓冲组件及气水分离排
氢阀组件分别连接有一个冷却回路。

[0010] 作为上述方案的优选，所述空气进排系统还包括依次连通的空气进气防雨管路、空气进气滤清器、压前消音器件，压前消音器件与空压机的进气口连通。

[0011] 作为上述方案的优选，所述氢气换热组件、氢气缓冲组件及气水分离排氢阀组件的进水口处均设置有PTC加热组件。

[0012] 作为上述方案的优选，所述冷却回路包括水箱、水泵、过滤器组件、温控阀组件以及离子浓度监测组件，所述水泵一端与水箱连通，另一端依次连通温控阀组件、过滤器组
件、离子浓度监测组件，离子浓度监测组件出水口分别与待冷却装置及水箱连通。

[0013] 一种提升燃料电池阴阳极进气温度的方法，包括：

[0014] 当中冷器前端的传感器检测到环境温度低于燃料电池发动机正常启动温度TO1时，关闭空压机与中冷器之间的多路阀，同时提高空压机转速，将空压机进行背压；

[0015] 当空压机内部空气温度达到进堆温度T02时，旁路直接进气至电堆；

[0016] 当空压机内部空气温度高于进堆温度T02时，打开空压机与中冷器之间的多路阀，并调整各路多路阀的开度比例，使空气进入中冷器进行降温、进入增湿器进行增湿；

[0017] 当增湿器前端的传感器检测到温度、压力及湿度满足进堆要求时，空气经中冷器进入电堆。

[0018] 作为上述方案的优选，空压机背压时，空压机内部进行增压后涡轮将对空压机密闭腔内气体做功，实现空压机内部空气的迅速温升。

[0019] 作为上述方案的优选，还包括：氢气进入电堆前也利用冷却回路通过水热循环实现提温处理。

[0020] 由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

[0021] 本申请的装置及方法，能够最简单解决燃料电池发动机的核心部件电堆低温启动遇到的问题。同时进行阴极空气的温度提升，最直接融化了扩散层的冰晶，满足电化学反应
的要求。通过利用空压机的自增压做功将升压后温度适宜的空气通过多路旁通进入电堆，
提高阴极进气温度，无外部辅助设备冗余，无过多成本投入，便于车载运行。通过辅助水循
环以及阴阳极的换热循环，真正意义上实现了无靠热传导，就能完全解决低温启动过程中
的难题，缩短低温启动时间。与此同时，在常规温度下，为了更快使发动机进入到，正常运行
状态，仍然可以采用低温模式，迅速提高发动机的整体温度，进而能够迅速加载实现快速启
动，为缩减系统响应时间建立坚实的技术基础。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

[0023] 图1为本发明空气进排系统的结构示意图；

[0024] 图2为本发明氢气进排系统的结构示意图；

[0025] 图3为本发明冷却回路的结构示意图；

[0026] 图4为双极板热交换原理示意图。

具体实施方式

[0027] 下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明保护的范围。

[0028] 如图1至图3所示，本实施例提供一种提升燃料电池阴阳极进气温度的装置，包括空气进排系统、氢气进排系统、低温辅助加热系统以及相对应的电器控制系统。

[0029] 所述空气进排系统包括通过管道依次连通的空压机、中冷器、增湿器，增湿器通过多路阀与燃料电池电堆连接，多路阀(M1、M2、M3)分别与各连接管道连通，且各连接管道上
均设置有温度传感器(T1、T2、T3)和压力传感器(P1、P2、P3)和湿度传感器(RH1、RH2、RH3)，
空压机和中冷器分别连接有一个冷却回路(冷却回路1、冷却回路2)；

[0030] 所述空气进排系统还包括压后消音器件，与空压机的出气口连通；背压电磁阀，与增湿器的尾气出口连通；尾排消音器，与背压电磁阀的出气口连通；

[0031] 所述氢气进排系统包括通过管道依次连通的进气高低压氢气控制阀组件、氢气换热组件、氢气缓冲组件，氢气缓冲组件与燃料电池电堆的进气口连通，燃料电池电堆的出气
口与气水分离排氢阀组件连通，气水分离排氢阀组件的出气口与氢气缓冲组件连通，各连
接管道上均设置有温度传感器(TH1、TH2)和压力传感器(PH1、PH2)，氢气换热组件、氢气缓
冲组件及气水分离排氢阀组件分别连接有一个冷却回路(冷却回路3、冷却回路4、冷却回路
5)。

[0032] 在本实施例中，所述空气进排系统还包括依次连通的空气进气防雨管路、空气进气滤清器、压前消音器件，压前消音器件与空压机的进气口连通。

[0033] 在本实施例中，所述氢气换热组件、氢气缓冲组件及气水分离排氢阀组件的进水口处均设置有PTC加热组件。

[0034] 在本实施例中，所述冷却回路包括水箱、水泵、过滤器组件、温控阀组件以及离子浓度监测组件，所述水泵一端与水箱连通，另一端依次连通温控阀组件、过滤器组件、离子
浓度监测组件，离子浓度监测组件出水口分别与待冷却装置及水箱连通。

[0035] 本实施例还一种提升燃料电池阴阳极进气温度的方法，包括：

[0036] 在燃料电池处于低温环境下，当中冷器前端的传感器T1/P1/RH1检测到环境温度低于燃料电池发动机正常启动温度TO1时，切换控制模式至低温启动控制策略，进行空气路
低温启动控制，相对应的关闭空压机与中冷器之间的多路阀M1，同时提高空压机转速，将空
压机进行背压，将空压机内部进行增压后涡轮将对空压机密闭腔内气体做功，实现空压机
内部空气的迅速温升。

[0037] 通过温度检测传感器T1/P1/RH1确定温升状态，当空压机内部空气温度达到进堆温度T02时，旁路直接进气至电堆，将增压后的高温空气通入到燃料电池发动机内部，进而
实现对阴极流场膜电极的热气吹扫提升阴极的温度。该类操作办法能够最直接加热电堆内
部电极的扩散层，融化扩散层内影响传质的冰晶，满足燃料电池电堆的低温启动条件。

[0038] 当T1/P1/RH1检测空压机内部空气温度高于进堆温度T02时，由于高温空气会对燃料电池及辅助部件造成不可逆的损坏情况，因此会采用第二路多路阀M2进行控制，打开空
压机与中冷器之间的多路阀M1，并调整各路多路阀(M1、M2、M3)的开度比例，实现对进入增
湿器的气体温度的精确控制，进而实现高温压缩空气通过中冷器进行热交换降温，通过增
湿器实现调整湿度。多路阀M2主要为了实现对增压和体温后的空气进行增湿降温处理，最
终实现进入电堆的问题能够满足温度和压力要求。

[0039] 当增湿器前端的传感器T2/P2/RH2检测到温度、压力及湿度满足进堆要求时，空气经中冷器进入电堆，最终实现迅速的低温启动。

[0040] 与此同时，为了进一步提供氢气回流以及确保氢气进气的温度能够在电堆的阳极流场催化层及扩散层实现膜电极气体扩散层的升温，氢气进入电堆前也利用冷却回路通过
水热循环实现换热系统给阳极氢气进行提温处理，确保进入电堆内部的氢气在阳极能够迅
速提升扩散层温度，进而实现低温快速启动，燃料电池进入怠速状态。

[0041] 本发明的主要的技术路线内容归结为以下三个方面：

[0042] (1)在已经匹配常规车载PTC(低温冷启动加热装置)基础上，通过热量置换装置，将阴阳极分别进行辅热交换，合理控制辅助热交换热量，通过能量交换控制进堆阴阳极气
相关温湿度，达到为发动机核心部件电堆及其电极进行一定程度上的预热；

[0043] (2)在低温启动情况下，通过空压机提高空压机出口背压，让空压机对内做功，瞬间提升空压机内部气体温度，在可接受适宜区间后通过“进堆旁路‑跨过空气冷却装置以及
增湿装置”进入电堆内部，直接采用高温空气吹扫膜电极，融化电极内部气体扩散层的冰
晶，为化学反应提高事宜的温度；

[0044] (3)低温辅热系统采用多路阀控制，实现低温下辅热覆盖阴阳极进气温度加热及冷却液小循环的多路、快速加热控制方式；

[0045] 通过该技术路线，能够最简单解决燃料电池发动机的核心部件电堆低温启动遇到的问题。同时进行阴极空气的温度提升，最直接融化了扩散层的冰晶，满足电化学反应的要
求。通过利用空压机的自增压做功将升压后温度适宜的空气通过多路旁通进入电堆，无外
部辅助设备冗余，无过多成本投入，便于车载运行。其次通过辅助水循环以及阴阳极的换热
循环，真正意义上实现了无靠热传导，就能完全解决低温启动过程中的难题，缩短低温启动
时间(如图4所示的简易双极板热循环图)。与此同时，在常规温度下，为了更快使发动机进
入到，正常运行状态，仍然可以采用低温模式，迅速提高发动机的整体温度，进而能够迅速
加载实现快速启动，该方法也是为缩减系统响应时间建立坚实的技术基础。

[0046] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。