[发明专利]一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法

说明书

本发明创造提供了一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，包括控制器FCU、PEMFC电堆、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体混合装置及温湿度采集装置，PEMFC电堆上的阳极和阴极分别与温湿度采集装置连接，控制器FCU与温湿度采集装置连接，PEMFC电堆上的阳极与氢气系统连接，氮气系统和氢气系统连接，氮气系统和氢气系统与空气系统连接，气体混合装置设置在空气系统与之间的管道上，氮气系统与气体加热装置连接。本发明创造所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，加热效率高，结构排布紧凑，适合多种环境下的低温冷启动作业，该技术主要用于燃料电池汽车。

技术领域

本发明创造属于燃料电池领域，尤其是涉及一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，对能源的需求与消耗迅速增大，石油、煤、天然气等非再生能源的日渐枯竭，随之带来的环境污染也日渐严重。氢能具有潜在量大、清洁低碳、燃烧性能好、储存运输多样化等优势被诸多国家列入重点研究开发对象，可用于发电、储能、家用燃料和各种交通工具燃料。燃料电池是氢能高效利用的重要途径。质子交换膜燃料电池所涉及的领域较多，包括车辆、航天、船舶等，尤其是在燃料电池电站、电动汽车、高效便携式电源等方面具有很大的市场潜力。在过去的数十年，质子交换膜燃料电池技术的研究取得了较大成果，但仍存在一些技术上的难题和挑战，如冷启动、水热管理及交换膜的制备等。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作原理为阳极和阴极分别通入氢气和空气，在催化剂的作用下阳极H²催化成H⁺穿过质子交换膜到达阴极与氧气发生反应，生成水并产生一定的热量。由于PEMFC在整个工作过程中都会涉及到水，因此在低温环境下，容易造成PEM（质子交换膜）、催化层、扩散层和流道内等多处结冰阻塞反应进行甚至损伤电堆内部结构，从而影响PEMFC的寿命。

解决燃料电池低温冷启动问题是燃料电池商业化发展的必经之路。目前，PEMFC冷启动系统及控制方法的专利也是各有千秋，如公开号：CN110931829A，该专利在冷启动时分别对氢气和空气加热，工作结束时采用可加热的氮气吹扫装置吹扫PEMFC的阴阳极，该专利虽然可以防止在低温环境下燃料电池工作结束后堆内结冰，但消耗气体量较大且吹扫效率较低；公告号：CN210723237U，该专利把燃料电池系统分成三个部分，分别为第一气路、第二气路和加热组件并受控于中央控制系统，冷启动效率高，加热较为充分，但其控制逻辑较为复杂，能耗较大；公告号：CN209374566U，该专利设计了微泵循环系统用于电堆的保温和加热，可以辅助冷启动过程，但不能解决燃料电池长时间处于0℃以下时的结冰现象。

针对以上的技术不足，本发明提供一种在PEMFC电池的阴极通入掺氮的氢气的冷启动系统及控制方法，其包含控制器FCU、PEMFC电堆、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体加热装置、气体混合装置及温湿度采集装置。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，过将氢气与氧气在阴极催化层上的反应完全转化为热能并结合气体加热器辅助加热来实现PEMFC电堆的快速加热，缩短低温冷启动所需要的时间，同时通过合理控制进气量来控制燃料电池化学反应，使电池能够快速升高到最佳工作温度。除此之外，在PEMFC工作结束停机时，氮气经吹扫加热装置吹扫阴极和阳极以防止电堆内部结冰损伤电堆，同时为下一次冷启动做准备。本发明加热效率高，结构排布紧凑，适合多种环境下的低温冷启动作业，该技术主要用于燃料电池汽车。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：