[发明专利]燃料电池系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池系统及其控制方法。其中，该系统包括：加热装置，连接在空气泵与燃料电池堆的第一进气口之间，用于对输入至燃料电池堆的空气进行加热；加湿换热装置，加湿换热装置的第一进气口与燃料储气装置连接，加湿换热装置的第二进气口与燃料电池堆的第一出气口连接，加湿换热装置的第一出气口与燃料电池堆的第二进气口连接，用于利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。本发明解决了现有的燃料电池在低温环境下启动，启动过程中能量效率低的技术问题。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统及其控制方法。

背景技术

燃料电池是一种采用电化学反应的方式将燃料中的化学能转化为电能的发电装置，具有环境友好、安全可靠和易于操作等优点，工作原理如图1所示。由于不受卡诺循环的限制，其直接发电效率可达45％，热电联供效率可达90％以上，可广泛应用于备用电源、分布式电站和汽车动力等多个领域。

质子交换膜燃料电池的环境适应性是其能否广泛商业化应用的重要因素，特别是在交通领域中，零下低温环境下的燃料电池冷启动是目前燃料电池汽车面临的重要挑战之一。在环境温度低于0℃时，燃料电池内部的游离态水会结晶成冰，尽管经过关机时候的吹扫等处理，仍会有微量的冰晶存在，影响质子和水的传递，使燃料电池无法发电；在电池堆温度还处于零度以下时，若是部分电池可以发电，其电化学反应生成的水在没有排出电池堆前会结冰，堵塞气体通道和催化剂活性位，导致电化学反应就会终止，燃料电池启动失败。

燃料电池发电系统要快速启动，目前常用的方法在燃料电池系统中加入辅助的电加热模块，利用车载的蓄电池给进堆空气、电池堆极板、冷却液水箱等进行电加热，其中电加热进堆空气的方法直接将热空气送入电池堆反应流道和膜电极表面，迅速使电化学反应位点升温，同时，若有融化的液态水，热气流也迅速将其吹出电堆，是最为简单快速的冷启动策略之一。然而，该方法的给电堆加热后的出堆热空气的热量未被充分利用，造成电池堆冷启动过程中能量效率偏低。车载蓄电池的电量是有限的，在零下低温环境下，蓄电池本身的电能也会发生衰减，其能输出的总电量变少，在冷启动效率较低的情况下，长时间消耗蓄电池的电量可能到导致蓄电池电量耗尽甚至损坏，使燃料电池系统BOP供电中断，系统启动失败。

针对现有的燃料电池在低温环境下启动，启动过程中能量效率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种燃料电池系统及其控制方法，以至少解决现有的燃料电池在低温环境下启动，启动过程中能量效率低的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括：加热装置，连接在空气泵与燃料电池堆的第一进气口之间，用于对输入至燃料电池堆的空气进行加热；加湿换热装置，加湿换热装置的第一进气口与燃料储气装置连接，加湿换热装置的第二进气口与燃料电池堆的第一出气口连接，加湿换热装置的第一出气口与燃料电池堆的第二进气口连接，用于利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。

进一步地，加湿换热装置包括：高分子材料制成的半透膜，半透膜允许水分子进行渗透，燃料电池堆输出的空气和输入至燃料电池堆的燃料气体分别在半透膜的两侧传输。

进一步地，高分子材料的导热系数大于10W/m·K。

进一步地，上述系统还包括：温度传感器，用于采集燃料电池堆的温度数据；控制器，与温度传感器和加热装置连接，用于根据温度数据，控制加热装置的启停和工作参数。

进一步地，上述系统还包括：供电装置，与加热装置连接，用于为加热装置供电。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括：获取输入至燃料电池堆的空气，燃料电池堆输出的空气以及输入至燃料电池堆的燃料气体；对输入至燃料电池堆的空气进行加热，并利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。