一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统
阅读说明：本技术 一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统 (Fuel cell automobile cold start system based on eddy current heating ) 是由 刘轩羽 李羽白 高林松 李洋 吕学成 李玉龙 彭春阳 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明属于燃料电池技术领域,提供了一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统。利用电磁感应原理,使燃料电池金属极板上产生涡流,融化膜电极中的冰晶,防止燃料电池冷启动失败。燃料电池停止工作前,利用涡流使燃料电池金属极板升温,气化膜电极内的液态水。利用燃料电池阴极的空气供给系统,将干燥的空气通入燃料电池阴极侧,将燃料电池内部水蒸气排出,以降低膜电极水含量,从而降低低温条件下膜电极冰含量。相比于传统的燃料电池汽车冷启动系统具有以下的优点：冷启动时可以快速融化燃料电池膜电极中的冰晶,电池堆升温均匀。涡流加热效率高。在燃料电池停止工作前进行处理,减少低温下燃料电池内部的冰含量,有利于燃料电池汽车再启动。(The invention belongs to the technical field of fuel cells, and provides a fuel cell automobile cold start system based on eddy current heating. By using the electromagnetic induction principle, eddy current is generated on the metal polar plate of the fuel cell, ice crystals in the membrane electrode are melted, and cold start failure of the fuel cell is prevented. Before the fuel cell stops working, the metal polar plate of the fuel cell is heated by using the vortex to gasify the liquid water in the membrane electrode. And (3) introducing dry air into the cathode side of the fuel cell by using an air supply system of the cathode of the fuel cell, and discharging water vapor in the fuel cell to reduce the water content of the membrane electrode, so that the ice content of the membrane electrode under the low-temperature condition is reduced. Compared with the traditional cold start system of the fuel cell automobile, the cold start system has the following advantages: the ice crystal in the membrane electrode of the fuel cell can be melted rapidly during cold start, and the temperature of the cell stack is uniformly raised. The eddy heating efficiency is high. The fuel cell is processed before stopping working, so that the ice content in the fuel cell is reduced at low temperature, and the restarting of the fuel cell automobile is facilitated.)
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统。
背景技术
随着燃料电池
技术领域
的快速发展，利用氢气作为能源的燃料电池汽车被越来越多人关注，目前以氢气作为能源的燃料电池汽车具有环境友好、噪音低等优点，因此燃料电池汽车被应用于越来越多的场景中。当外界环境温度低于冰点时，由于燃料电池在运行过程中会有液态水聚集，从而造成残留的液态水在膜电极中结冰，堵塞孔隙，导致反应气体无法扩散至催化层中，使得燃料电池冷启动失败。因此在低温条件下需要对燃料电池进行冷启动前的预热，融化膜电极内的冰晶，从而避免冷启动失败，损坏燃料电池堆。并且需要在汽车停止运行前对燃料电池内部聚集的液态水进行处理，降低燃料电池堆内部的液态水含量，从而降低低温环境下膜电极中的冰含量。因此设计一种高效可靠的燃料电池冷启动系统是提升燃料电池汽车可靠性与应用范围的必要条件。目前燃料电池冷启动系统主要采取的方式为：液体介质加热、暖风加热、电加热。例如王文智等人在“一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统”专利中(专利号：202110326129.1)提出利用辅助加热系统对燃料电池冷却液进行升温，对燃料电池进行升温，融化膜电极中的冰晶。该系统可以实现燃料电池汽车的快速冷启动，对燃料电池堆的冷却液进行加热，进而均匀的加热电池堆。
例如王光岩等人在“一种燃料电池启动用辅助装置”专利中(专利号：201811302028.5)提出向燃料电池堆与电池壳之间的风道内通入暖风从而对电池堆进行升温，融化膜电极中的冰晶。该系统降低了冷启动系统的能耗，提升了燃料电池汽车的续航里程，系统利用外界的空气对电池堆进行升温，无需额外的工质。
例如徐鑫等人在“一种燃料电池系统低温启动装置及方法”专利中(专利号：202010015579.4)提出利用燃料电池堆所提供的电能通过布置在燃料电池阴极、阳极侧的加热电阻丝，通过导热实现对整个电池堆的升温，进而实现燃料电池堆的低温冷启动。该系统结构简单，无需向燃料电池汽车内部增加额外的设备，升温速度快，系统运行可靠。
但是传统的燃料电池冷启动系统存在一些不足，液体介质加热不足在于需要额外设计一套加热循环系统，向燃料电池汽车中引入一些额外的运动部件，不利于燃料电池汽车向小型化、轻量化的方向发展。暖风加热不足在于，由于空气的比热容较低，因此对电池堆升温速度较慢，不利于燃料电池汽车的快速冷启动。电加热的不足在于，利用导热使整个电池堆温度均匀，因此在加热过程中会导致燃料电池堆温度不均，造成过大的温差热应力，严重时会缩短燃料电池寿命。
同时目前已有的冷启动方案都是集中解决低温条件下，实现对燃料电池升温和融化膜电极中的冰晶，并没有从根本上减少车辆运行结束后燃料电池内部残留的液态水含量。因此为了实现燃料电池汽车快速冷启动，不仅需要具有可靠高效的燃料电池堆升温与融冰系统，还需要减少汽车停止运行前燃料电池内部残留的液态水含量。
鉴于上述几种燃料电池汽车冷启动系统的不足，本发明提供了一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统，利用电磁感应原理，在燃料电池金属极板上感应出涡流，实现低温条件下对燃料电池堆均匀升温与融冰。为减少车辆运行结束后燃料电池内部的液态水含量，在燃料电池汽车运行结束前，向涡流线圈中通入高频交变电流，在金属极板上感应出涡流，利用涡流热效应，使燃料电池堆均匀升温，将膜电极中的液态水气化。利用燃料电池的阴极供气系统，向燃料电池阴极通入干燥洁净的空气，带走燃料电池堆中的水蒸气，以降低燃料电池堆内部的液态水含量，待阴极出口处空气相对湿度达到较低水平时，车辆完成对燃料电池内部液态水的处理，燃料电池汽车停止运行。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供了一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统，利用涡流加热实现低温条件下燃料电池堆的快速升温与融冰，且加热均匀，升温速率快，加热效率高。燃料电池汽车停止运行前，利用涡流对电池堆升温，使电池堆内部的液态水蒸发，并向阴极通入干空气，带走燃料电池内部的水蒸气，以降低燃料电池堆中的含水量，有利于降低低温条件下膜电极中冰含量，有利于下次车辆的冷启动。该系统无需复杂的设备，结构简单，加热效率高，有利于提升燃料电池汽车的续航里程。
本发明的技术方案：
一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统，其特征在于，该基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统包括：燃料电池冷启动系统、空气供给系统、后处理系统：
其中，燃料电池冷启动系统包括：燃料电池堆1、涡流线圈2、逆变器4、单片机5、温度传感器10；燃料电池堆1外侧安装有涡流线圈2，向涡流线圈2中通入高频交变电流，利用汽车所提供的直流电通过逆变器4，转化为高频交变电流，为涡流线圈进行供电。温度传感器10用来实时监控燃料电池堆1温度，并将温度数据传至单片机5中，单片机5控制逆变器4调整通入涡流线圈2中的电流与电流，从而控制燃料电池堆1的升温与融冰过程。
空气供给系统包括：单片机5、湿度调节器6、中冷器7、空气压缩机8、空气过滤器9、温度传感器10；外界空气通过空气过滤器9过滤空气所携带的杂质，过滤过后的空气通过空气压缩机8获得一定的动力，通过中冷器7以调节空气的温度，此时的空气含有一定的水蒸气，利用湿度调节器6降低空气相对湿度，得到干燥洁净的空气通入燃料电池堆1阴极。空气供给系统与燃料电池阴极空气供给系统为同一个系统，极大程度的简化了冷启动系统。
后处理系统包括：燃料电池堆1、涡流线圈2、湿度传感器3、逆变器4、单片机5、湿度调节器6、中冷器7、空气压缩机8、空气过滤器9、温度传感器10；待燃料电池汽车停止运行前，燃料电池停止工作，电池内部会残留一部分液态水，利用逆变器4将车辆蓄电池提供的直流电转化为高频交变电流，为涡流线圈2供电，利用电磁感应原理，在燃料电池堆1金属极板上感应出涡流，利用涡流的热效应，燃料电池均匀升温，气化膜电极中的液态水。在燃料电池上布置有温度传感器10用来实时监控燃料电池温度，避免燃料电池温度过高而损坏。利用燃料电池阴极的空气供给系统，将洁净干燥空气通入燃料电池阴极侧，携带燃料电池内部的水蒸气并排至外界，在燃料电池阴极出口处布置有湿度传感器3，用来实时监控阴极出口处空气的相对湿度，当湿度传感器3检测到阴极出口处空气相对湿度较低时，将信号传至单片机5，控制设备关闭，车辆完成对燃料电池内部液态水的处理，燃料电池汽车停止运行。
所述的单片机5通过监测温度传感器10与湿度传感器3传递的数字信号来控制燃料电池汽车冷启动时加热融冰过程和汽车停止运行前燃料电池内部液态水后处理过程。
所述的涡流线圈2在燃料电池冷启动过程中隔空加热燃料电池堆1，使燃料电池堆2均匀升温，并融化冰晶，可以实现燃料电池汽车的快速冷启动。
所述的涡流线圈2在汽车停止运行前燃料电池内部液态水后处理过程中隔空加热燃料电池堆2，使膜电极中残留的液态水气化。
所述的逆变器4将车载蓄电池所提供的直流电转化为高频交变电流，为涡流线圈2供电。
本发明的有益效果：
1)利用电磁感应原理在燃料电池金属极板上感应出涡流，利用涡流热效应实现对燃料电池堆的均匀升温和高效融冰。
2)相比于传统的加热方式，涡流加热效率可达到95％，有利于提升燃料电池汽车的续航里程。
3)可对汽车停止运行前燃料电池内部液态水进行处理，降低车辆停止运行后燃料电池内部的含水量，从而降低低温条件下膜电极中的冰含量，有利于燃料电池的冷启动。
4)该冷启动系统无需复杂的设备和结构，有利于燃料电池汽车的小型化、轻量化。
5)由于涡流加热响应速度快，升温速率大，有利于燃料电池汽车的快速冷启动。
附图说明
图1为一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统示意图。
图中：1燃料电池堆、2涡流线圈、3湿度传感器、4逆变器、5单片机、6湿度调节器、7中冷器、8空气压缩机、9空气过滤器、10温度传感器；
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。但是应当解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权力要求的限制。
本发明公开了一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统，其特征在于，该基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统包括：燃料电池冷启动系统、空气供给系统、后处理系统：
其中，燃料电池冷启动系统包括：燃料电池堆1、涡流线圈2、逆变器4、单片机5、温度传感器10；燃料电池堆1外侧安装有涡流线圈2，向涡流线圈2中通入高频交变电流，利用汽车所提供的直流电通过逆变器4，转化为高频交变电流，为涡流线圈进行供电。温度传感器10用来实时监控燃料电池堆1温度，并将温度数据传至单片机5中，单片机5控制逆变器4调整通入涡流线圈2中的电流与电流，从而控制燃料电池堆1的升温与融冰过程。
空气供给系统包括：单片机5、湿度调节器6、中冷器7、空气压缩机8、空气过滤器9、温度传感器10；外界空气通过空气过滤器9过滤空气所携带的杂质，过滤过后的空气通过空气压缩机8获得一定的动力，通过中冷器7以调节空气的温度，此时的空气含有一定的水蒸气，利用湿度调节器6降低空气相对湿度，得到干燥洁净的空气通入燃料电池堆1阴极。空气供给系统与燃料电池阴极空气供给系统为同一个系统，极大程度的简化了冷启动系统。
后处理系统包括：燃料电池堆1、涡流线圈2、湿度传感器3、逆变器4、单片机5、湿度调节器6、中冷器7、空气压缩机8、空气过滤器9、温度传感器10；待燃料电池汽车停止运行前，燃料电池停止工作，电池内部会残留一部分液态水，利用逆变器4将车辆蓄电池提供的直流电转化为高频交变电流，为涡流线圈2供电，利用电磁感应原理，在燃料电池堆1金属极板上感应出涡流，利用涡流的热效应，燃料电池均匀升温，气化膜电极中的液态水。在燃料电池上布置有温度传感器10用来实时监控燃料电池温度，避免燃料电池温度过高而损坏。利用燃料电池阴极的空气供给系统，将洁净干燥空气通入燃料电池阴极侧，携带燃料电池内部的水蒸气并排至外界，在燃料电池阴极出口处布置有湿度传感器3，用来实时监控阴极出口处空气的相对湿度，当湿度传感器3检测到阴极出口处空气相对湿度较低时，将信号传至单片机5，控制设备关闭，车辆完成对燃料电池内部液态水的处理，燃料电池汽车停止运行。
下面通过一个完整的实施方式对上述一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统进行详细说明。
如图1所示，当燃料电池汽车处于低温条件下时，对燃料电池汽车进行冷启动，由于膜电极中存在部分液态水，在低温条件下会产生冰晶堵塞多孔电极内部的孔隙，从而造成燃料电池冷启动失败。本系统向安装在燃料电池外侧的涡流线圈内通入高频交变电流，利用电磁感应原理在燃料电池金属极板上感应出涡流，利用涡流的热效应实现对燃料电池快速、均匀的升温和融冰，实现燃料电池的快速冷启动，在燃料电池上布置有温度传感器，用来实时监控燃料电池的冷启动过程，待燃料电池升至20℃时，单片机控制逆变器停止向涡流线圈提供高频交变电流，燃料电池的冷启动完成。
传统的燃料电池汽车停止运行后，未对燃料电池内部所积累的液态水进行处理，从而造成低温条件下膜电极内冰含量较高，不利于燃料电池汽车的冷启动。因此本系统在燃料电池汽车停止运行前对燃料电池内部液态水进行处理，当单片机检测到车辆停止运行后，单片机控制逆变器利用车载蓄电池提供的直流电流，转化成为高频交变电流，为涡流线圈供电，利用电磁感应原理，在燃料电池金属极板上感应出涡流，利用涡流的热效应实现对燃料电池的升温，使膜电极内部的液态水气化，利用燃料电池的阴极供气系统，使外界空气经过空气过滤器，将空气携带的杂质过滤，洁净的空气通过空气压缩机获得一定的动力，空气经过中冷器以调节其温度，具有适宜温度的洁净空气通过湿度调节器后成为干空气，干空气通入燃料电池阴极，将燃料电池内部的水蒸气排出。在燃料电池阴极出口处安装有湿度传感器，用来实时监控出口空气的相对湿度以预测燃料电池内部的液态水含量，待出口空气相对湿度较低时，车辆完成对燃料电池内部液态水的处理，燃料电池汽车停止运行。经过燃料电池内部液态水的处理，可以降低燃料电池堆内的液态水含量，从而降低低温条件下膜电极的含冰量，有利于燃料电池的冷启动。
综上所述，本发明公开了一种基于涡流加热的燃料电池汽车冷启动系统，利用涡流加热实现对燃料电池快速升温与融冰，并在汽车停止运行前对燃料电池内部的液态水进行处理，利用涡流加热燃料电池使内部的液态水气化，并且利用阴极供气系统向燃料电池阴极通入干燥的空气，干空气吸收燃料电池内部的水蒸气并排至大气，通过阴极出口处布置的湿度传感器实时监控出口空气的相对湿度，待出口相对湿度较低时，车辆完成对燃料电池内部液态水的处理，燃料电池汽车停止运行。本系统利用涡流加热，加热效率高、速度快、温度场均匀，有利于燃料电池汽车的快速冷启动，有利于提升燃料电池汽车续航里程。该系统结构简单，无需向系统内部加入额外的设备，有利于降低冷启动系统的成本。同时在汽车停止运行前对燃料电池内部的液态水进行处理，降低燃料电池内部液态水含量，以降低低温条件下，膜电极的含冰量，有利于车辆的冷启动。
以上所述的具体示例，对本公开的技术方案以及有益效果进行了详尽的阐述，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体示例而已，并不限制本发明。图中各元件的尺寸和形状不反应真实大小和比例，而仅表示本示例的内容。凡是在本公开的原则和精神上，所做的任何修改、改进以及等同替换等，均在本公开的保护范围之内。
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