[发明专利]一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法，所述的辅助低温冷启动系统包括氢气供给模块、空气供给模块、催化燃烧加热模块、电加热模块、冷却液循环模块、尾气处理模块、控制模块、燃料电池电堆。所述的辅助低温冷启动系统具有模式一、模式二两种辅助启动模式。所述的模式一启动时，催化燃烧加热模块和电加热模块同时工作。所述的模式二启动时，电加热模块工作，氢气供给模块和空气供给模块开启，燃料电池电堆开始低功率运行。本发明提出的辅助低温冷启动系统采用模块化设计，具有启动速度快、能量利用率高、系统安全可靠等优点。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)低温冷启动性能较差是制约其实际推广应用的主要障碍之一，PEMFC工作时的反应产物水在超低温很容易结冰，而冰会覆盖在阴极侧催化层表面或堵塞气体扩散层孔隙，阻碍反应气体进入多孔电极，使得电极电化学反应速率降低甚至停止，进而影响PEMFC的低温启动性能。同时，水结冰或冰融化的反复相变会导致多孔电极的体积变化剧烈，对电池材料结构产生破坏，并在一定程度上影响电池的工作性能及使用寿命。

专利申请CN106558713A公开了一种燃料电池低温启动系统及运行方法。该发明利用氢气催化反应放热来加热冷却液，冷却液进而加热氢气和空气，但高温热流无法充分利用，造成严重浪费。

专利申请CN109728328A公开了一种燃料电池动力系统组合低温冷启动装置及控制方法。该组合低温启动装置提供了五种启动模式，系统复杂度高，可靠性低。另外，该发明的高温燃气加热模式直接使用氢氧燃烧加热的方式，危险系数较高，且未直接利用燃烧加热器的高温尾气余热，制约了系统能量效率提升。

专利申请CN108711630A公开了一种质子交换膜燃料电池低温状态下启动的方法。该发明在阳极通混合气体催化预热，阳极的尾气通入阴极，使得阴阳极可同时发生催化反应，可以实现-45℃甚至更低温度范围的低温启动，但该方法的启动时间较长，燃料利用率低。

发明内容

为了克服上述技术缺点，本发明提出了一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统，包括氢气供给模块、空气供给模块、冷却液循环模块、催化燃烧加热模块、电加热模块、尾气处理模块、控制模块、燃料电池电堆(61)；

所述氢气供给模块和空气供给模块的气体均接入催化燃烧加热模块和燃料电池电堆(61)；

所述催化燃烧加热模块的热流经过冷却液循环模块接入燃料电池电堆(61)的阳极或阴极，在燃料电池电堆(61)的电极表面发生催化反应，加热燃料电池电堆(61)；

所述电加热模块用于给燃料电池电堆(61)和冷却液换热器(24)提供热量；

所述空气供给模块与尾气处理模块连接，用于调控尾气混合室(57)内的氢气浓度；

所述控制模块控制各模块的启停、辅助启动模式的切换。

优选的，所述氢气供给模块包括水平方向依次连接的高压储氢罐(1)、减压阀(2)、氢气进气阀(3)、第一流量计(4)、氢气入堆电磁阀(5)、用于检测氢气入堆温度和压力的传感器(6)、以及用于尾排氢气循环的氢气循环泵(7)，所述的氢气循环泵(7)置于燃料电池电堆(61)的阳极出口和阳极入口之间；

所述空气供给模块包括水平方向依次连接的空气过滤器(11)、空气止回阀(12)、空气压缩机(13)、第二流量计(14)、空气入堆电磁阀(15)、空气加湿器(16)和用于检测空气入堆温度和压力的传感器(17)；