[发明专利]一种燃料电池系统及其低温启动方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池系统，包括质子交换膜电堆、低温启动子系统、氢气供应子系统、空气供应子系统以及热管理子系统。实施本发明实施例，具有如下有益效果：本燃料电池系统设置有尾气排放三通阀，当质子交换膜电堆内部温度为T₃小于T₁时，催化燃烧器反应后的尾气通过尾气排放三通阀直接排入大气，避免进入到质子交换膜电堆内，其中的水蒸气由于温度过低在质子交换膜电堆内结冰；当T₃升高至大于或等于T₁时，催化燃烧器反应后的尾气再通过尾气排放三通阀进入到质子交换膜电堆内，对其中的空气进行重复利用；有效避免了质子交换膜电堆结冰故障的发生。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及其低温启动方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，被广泛应用于汽车、船舶、电站等领域。在燃料电池工作时，氢气和空气被分别通入燃料电池的阳极和阴极侧，发生电化学反应产生电能。

燃料电池系统因使用环境的要求，必须满足在低于零下温度的情况下能启动和稳定工作。围绕零下温度下启动的问题，研究人员尝试了无外加热源电堆自发热低温启动，外部保温辅助低温启动，外加热源辅助低温启动等方式。无外热源自启动需要精确的气体和电力控制，存在启动失败可能，而且一次失败后很难再次启动。外部保温低温启动受存放条件和存放时间限制，一旦低温环境下存放过长时间，系统温度过低，即会出现无法启动情况。外加热源低温启动会增加相应的外部辅助装置，但启动性能稳定，启动后不易失败的特点。外部辅助热源可以是储存的电能，热能或是其他形式能转化为热能的能量源。

专利文献CN111009670A公开了一种燃料电池低温启动系统。该发明提供的一种装置，利用催化燃烧放热加热冷却液达到加热电堆的方式实现低温启动。该发明的反应后气体直接通入电堆进气管道，可能存在气体中水蒸气在电堆内冷凝结冰，损害电堆的风险。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种燃料电池系统及其低温启动方法，用以解决现有技术中燃料电池低温启动时，催化燃烧器反应后的尾气直接通入燃料电池，尾气中的水蒸气可能会在燃料电池内结冰，损害燃料电池的技术问题。

本发明提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：质子交换膜电堆、低温启动子系统、氢气供应子系统、空气供应子系统以及热管理子系统；质子交换膜电堆包括第一氢气入口、第一氢气出口、第一空气入口、第一空气出口、第一冷却液入口、第一冷却液出口以及测温部，测温部用于检测质子交换膜电堆内部温度；低温启动子系统包括催化燃烧器与尾气排放三通阀，催化燃烧器包括第二氢气入口、第二空气入口、第二冷却液入口、第二冷却液出口以及催化燃烧尾气出口，尾气排放三通阀的一端连通催化燃烧尾气出口，尾气排放三通阀的另一端通过第一空气入口，尾气排放三通阀剩余的一端用于排放尾气；氢气供应子系统包括氢气供给部和氢气三通阀，氢气三通阀一端连通氢气供给部，另一端连通第一氢气入口，剩余一端连通第二氢气入口；空气供应子系统包括空气供给部以及空气三通阀，空气三通阀一端连通空气供给部，另一端连通第一空气入口，剩余一端连通第二空气入口；热管理子系统包括热循环泵、冷却液三通阀、散热器以及冷却液测温器，热循环泵的出水端连通第一冷却液入口，第一冷却液出口连通冷却液三通阀一端，冷却液三通阀的另一端通过散热器连通热循环泵的进水端，冷却液三通阀剩余一端连通第二冷却液入口，第二冷却液出口连通热循环泵的进水端，冷却液测温器用于测量流入第一冷却液入口的冷却液的温度。

进一步的，氢气供应子系统还包括氢气开关阀、减压稳压装置、引射器、分水器以及氢气尾气排放阀，氢气供给部依次通过氢气开关阀和减压稳压装置与氢气三通阀连通，氢气三通阀通过引射器连通第一氢气入口，第一氢气出口依次连通分水器以及氢气尾气排放阀。

进一步的，氢气供应子系统还包括氢气循环泵，氢气循环泵的进气端连通分水器，其出气端连通引射器。