阅读说明：本技术 一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器和加热方法 (Self-heating fuel cell automobile cold start heater and heating method ) 是由 高帷韬 王诚 张泽坪 陈启忠 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器和加热方法。该加热器包括自热剂罐体,自热剂罐体的内腔中填充有自热剂粉末,自热剂罐体开设有与空压机相连的空气进口,自热剂粉末与通过空气进口进入的空气发生氧化还原反应产生大量热量,从而实现冷启动过程中对需要加热的部件进行快速加热；自热剂罐体开设有与燃料电池发动机的氢气路相连的氢气进口,通过氢气进口进入的氢气对自热剂粉末进行还原,并以氢气作为保护气将自热剂粉末密封保存。本发明提供一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器,结构简单,稳定可靠,成本较低,氢安全性好,在整个冷启动过程中对整车动力系统均不造成损伤,适用于任何需要在严寒地区冷启动的燃料电池汽车。(The invention provides a cold start heater and a heating method for an auto-heating fuel cell automobile. The heater comprises a self-heating agent tank body, self-heating agent powder is filled in an inner cavity of the self-heating agent tank body, the self-heating agent tank body is provided with an air inlet connected with an air compressor, and the self-heating agent powder and air entering through the air inlet are subjected to oxidation-reduction reaction to generate a large amount of heat, so that the components needing to be heated are quickly heated in the cold starting process; the self-heating agent tank body is provided with a hydrogen inlet connected with a hydrogen gas path of the fuel cell engine, the self-heating agent powder is reduced by the hydrogen entering from the hydrogen inlet, and the self-heating agent powder is sealed and stored by taking the hydrogen as protective gas. The invention provides a cold start heater of a self-heating fuel cell automobile, which has the advantages of simple structure, stability, reliability, lower cost and good hydrogen safety, does not damage the power system of the whole automobile in the whole cold start process, and is suitable for any fuel cell automobile needing cold start in a severe cold area.)

一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器和加热方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器和加热方法。

背景技术

燃料电池汽车的冷启动问题是实际应用中的一大难题。作为交通工具，必须具备在严寒气候下(例如我国东北地区)运行的能力。目前，为保证系统寿命，燃料电池汽车一般采用串联式电-电混合动力系统，即燃料电池发动机进行化学反应发电后，所产生的电能不直接驱动汽车，而是存入动力电池中，之后再由动力电池释放电能来驱动汽车。因此，在严寒环境下，若希望为整车动力系统进行加热升温，热能的源头只可能来自于动力电池中存有的电能，或燃料电池汽车高压氢气瓶储存氢气中的化学能。

在当前技术体系下，氢燃料电池发动机的启动温度一般不低于零下四十度，且绝大部分氢燃料电池发动机无法在低于零下三十度的温度下启动，而动力电池的低温启动特性一般还要差于氢燃料电池发动机。

为解决燃料电池发动机的低温冷启动问题，众多学者进行了广泛的研究。第一类思路是借助电能对燃料电池发动机进行加热。清华大学的研究团队提出过许多基于这种思路的方案，例如由电能驱动燃料电池发动机中的空压机，实现由电能到机械能最终至热能的能量转化路径；再比如基于“氢泵”思想，由电能直接加热燃料电池堆，同时不损伤燃料电池堆的结构和寿命。这一种思路在实验室阶段往往都能取得较好的实验结果，但在实际应用阶段则面临困难。燃料电池汽车在严寒环境中很难获得电能来源，因为动力电池中储存的电能在低温下无法释放出来。由于上述原因，目前这一种思路还停留在实验室阶段。

现有的第二类思路是利用氢气瓶中储存的化学能来进行发热。世界上第一款量产的燃料电池乘用车丰田MIRAI即采用了这种思路。在冷启动时，MIRAI会限制空气供给，同时通过DC/DC对电堆施加大电流负载，此时的电堆浓差极化非常大，电堆处于低电压水平(单片平均电压0.08V左右)，电功率输出效率低，输入的氢气化学能中有约94％被转化为热能，由此实现电堆迅速自加热。但是，这种方法对电堆的鲁棒性要求极高，且难以避免对电堆造成一定损害。

专利CN201920565319.7中提出了另一种利用氢气化学能进行加热的办法，其在车上额外布置了一个氢气燃烧器，当燃料电池汽车需要冷启动时，直接点燃氢气获取热能。这种方法的优势在于不会对动力电池、燃料电池发动机造成任何损伤，但劣势在于大大增加了动力系统的复杂性和不稳定性，另外氢安全性也难得得到足够的保障。

综上，如何提供一种结构简单，稳定可靠，低成本，氢安全性好的燃料电池发动机冷启动加热器，以实现在整个冷启动过程中对整车动力系统不造成损伤，同时适用于任何需要在严寒地区冷启动的燃料电池汽车，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器，包括自热剂罐体，其特征在于，所述自热剂罐体的内腔中填充有自热剂粉末14，所述自热剂罐体开设有与燃料电池发动机的空压机相连的空气进口2，所述自热剂粉末14与通过空气进口2进入的空气发生氧化还原反应产生大量热量，从而对冷启动过程中对需要加热的部件进行快速加热；所述自热剂罐体开设有与燃料电池发动机的氢气路相连的氢气进口5，通过氢气进口5进入的氢气对自热剂粉末14进行还原，并以氢气作为保护气将自热剂粉末14密封保存，留待下次需要冷启动时使用。

优选的，所述空气进口2和氢气进口5上分别设置有电磁阀Ⅰ3和电磁阀Ⅱ6。

优选的，所述自热剂罐体开设有气体出口11，所述气体出口11上设置有电控背压阀12，所述气体出口11、空气进口2和氢气进口5上均设置有滤网4以防止自热剂粉末14逸出。

优选的，所述自热剂罐体上包覆有外壳9，所述外壳9与所述自热剂罐体之间设置有螺旋水道7，所述螺旋水道7的两端分别设置冷却水进口8和加热水出口15，所述冷却水进口8与燃料电池发动机的冷却水路相连，所述加热水出口15与汽车水箱相连，所述冷却水进口8上设置有冷却水路电磁阀17，所述加热水出口15上设置有加热水路电磁阀16。

优选的，所述自热剂罐体的壳体的内部均匀分布有电热丝10，所述外壳9包覆有保温层。

优选的，所述自热剂粉末14为金属粉末、合金粉末或者混合物粉末。其中，自热剂粉末14的特征包括：可与氧气反应快速放热；可被氢气还原；熔点较高不容易在高温下结块；成本可控；安全可靠。

优选的，所述自热剂粉末14为铁粉。

本发明的目的还在于提供一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器的加热方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：开启电控背压阀12，喷出绝大部分原本密封储存于自热剂罐体内的氢气，之后空气中的氧气进入自热剂罐体，开始反应放热；

第二步：开启电磁阀Ⅰ3，进一步增加自热剂与氧气的接触，加速放热；

第三步：开启冷却水路水泵、冷却水路电磁阀17和加热水路电磁阀16，冷却液将逐步被加热，并将热量传递到整车动力系统；

第四步：待电源升温足够后启动空压机，同时调整电控背压阀12的开度，配合空压机控制自热剂腔体内空气的流量和压力；

第五步：待整车动力系统升温足够后开始正式启动整车动力系统；

第六步：等待车辆进入稳定运行状态，同时确认车辆在室外通风环境下运行；

第七步：关闭电磁阀Ⅰ3、加热水路电磁阀16和冷却水路电磁阀17，冷却液和来自空压机的新鲜空气停止流经自热剂罐体，并给电热丝10通电，加热氧化后的自热剂粉末14至还原反应温度；

第八步：开启电磁阀Ⅱ6，同时调整电控背压阀12的开度，控制自热剂腔体内氢气的流量和压力，利用氢气完成自热剂粉末14的还原；

第九步：还原反应完毕后，先关闭电控背压阀12，后关闭电磁阀Ⅱ6，并确保自热剂罐体腔体内密封压力高于大气压的高纯氢气。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明提供一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器和加热方法，结构简单，稳定可靠，成本较低，氢安全性好，在整个冷启动过程中对整车动力系统均不造成损伤，适用于任何需要在严寒地区冷启动的燃料电池汽车。

附图说明

图1为本发明的一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器的剖视图；

图2为本发明的一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器的加热方法的流程图。

图中附图标记为：

1-导线，2-空气进口，3-电磁阀Ⅰ，4-滤网，5-氢气进口，6-电磁阀Ⅱ，7-螺旋水道，8-冷却水进口，9-外壳，10-电热丝，11-气体出口，12-电控背压阀，14-自热剂粉末，15-加热水出口，16-加热水路电磁阀，17-冷却水路电磁阀。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器，包括自热剂罐体，其特征在于，所述自热剂罐体的内腔中填充有自热剂粉末14，所述自热剂罐体开设有与燃料电池发动机的空压机相连的空气进口2，所述自热剂粉末14与通过空气进口2进入的空气发生氧化还原反应产生大量热量，从而对冷启动过程中对需要加热的部件进行快速加热；所述自热剂罐体开设有与燃料电池发动机的氢气路相连的氢气进口5，通过氢气进口5进入的氢气对自热剂粉末14进行还原，并以氢气作为保护气将自热剂粉末14密封保存，留待下次需要冷启动时使用。

优选的，所述空气进口2和氢气进口5上分别设置有电磁阀Ⅰ3和电磁阀Ⅱ6。

优选的，所述自热剂罐体开设有气体出口11，所述气体出口11上设置有电控背压阀12，所述气体出口11、空气进口2和氢气进口5上均设置有滤网4以防止自热剂粉末14逸出。

优选的，所述自热剂罐体上包覆有外壳9，所述外壳9与所述自热剂罐体之间设置有螺旋水道7，所述螺旋水道7的两端分别设置冷却水进口8和加热水出口15，所述冷却水进口8与燃料电池发动机的冷却水路相连，所述加热水出口15与汽车水箱相连，所述冷却水进口8上设置有冷却水路电磁阀17，所述加热水出口15上设置有加热水路电磁阀16。

优选的，所述自热剂罐体的壳体的内部均匀分布有电热丝10，所示电热丝10通过导线1通电加热，所述外壳9包覆有保温层。

优选的，所述自热剂粉末14为金属粉末、合金粉末或者混合物粉末。其中，自热剂粉末14的特征包括：可与氧气反应快速放热；可被氢气还原；熔点较高不容易在高温下结块；成本可控；安全可靠。

优选的，所述自热剂粉末14为铁粉。

如图2所示，本发明的目的还在于提供一种自热式燃料电池汽车冷启动加热器的加热方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：开启电控背压阀12，喷出绝大部分原本密封储存于自热剂罐体内的氢气，之后空气中的氧气进入自热剂罐体，开始反应放热；

第二步：开启电磁阀Ⅰ3，进一步增加自热剂与氧气的接触，加速放热；

第三步：开启冷却水路水泵、冷却水路电磁阀17和加热水路电磁阀16，冷却液将逐步被加热，并将热量传递到整车动力系统；

第四步：待电源升温足够后启动空压机，同时调整电控背压阀12的开度，配合空压机控制自热剂腔体内空气的流量和压力；

第五步：待整车动力系统升温足够后开始正式启动整车动力系统；

第六步：等待车辆进入稳定运行状态，同时确认车辆在室外通风环境下运行；

第七步：关闭电磁阀Ⅰ3、加热水路电磁阀16和冷却水路电磁阀17，冷却液和来自空压机的新鲜空气停止流经自热剂罐体，并给电热丝10通电，加热氧化后的自热剂粉末14至还原反应温度；

第八步：开启电磁阀Ⅱ6，同时调整电控背压阀12的开度，控制自热剂腔体内氢气的流量和压力，利用氢气完成自热剂粉末14的还原；

第九步：还原反应完毕后，先关闭电控背压阀12，后关闭电磁阀Ⅱ6，并确保自热剂罐体腔体内密封压力高于大气压的高纯氢气。。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。