一种用于燃料电池低温启动的空气加热装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池低温启动的空气加热装置。


背景技术：

2.燃料电池发动机低温冷启动问题一直是业界的一大难题，实现发动机在更低温度下能够更快启动运行，对发动机的应用具有重要意义。现有技术一般是通过水温ptc加热和电堆自身产热实现低温冷启动，启动时间较长，在极低温度下无法保证启动成功，并且启动策略对发动机电堆可能产生损伤。
3.现有空气系统中大多除了中冷器，没有额外加热装置，当低温启动且水温过低时，进堆空气温度很低，不利于电堆启动。燃料电池发动机在低温冷启动时常常出现单低或者反极现象，控制较难，发动机启动时间长，而利用传统技术的水路ptc加热，温升较慢。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于燃料电池低温启动的空气加热装置，用以解决现有技术冷启动时间过长且容易出现单片单低的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种用于燃料电池低温启动的空气加热装置，壳体，加热控制器，以及设于壳体内并联且开闭独立可控的第一气体通道、第二气体通道；
6.第一气体通道内置电加热模块，该电加热模块的加热电极采用层状结构，用于通电后以对流方式快速加热通道内空气；
7.第二气体通道内无电加热模块；
8.加热控制器，用于在燃料电池冷启动时，识别入堆空气温度低于下限阈值t1时，自动打开第一气体通道、关闭第二气体通道，并启动电加热模块；以及，在电加热模块启动后，识别入堆空气温度超过上限阈值t2时，关闭电加热模块，并打开第二气体通道。
9.上述技术方案的有益效果如下：结构简单，可有效地对冷空气进行加热，实现快速低温冷启动，提升发动机低温冷启动性能。相比中冷器，不会增加空气系统的流阻，同时可保证入堆空气温度不会过高，具备过温保护功能。
10.基于上述装置的进一步改进，第一气体通道、第二气体通道采用上下结构设置；并且
11.第二气体通道配备有电控的下部筏板，用于打开或关闭该第二气体通道；下部筏板的控制端接加热控制器的输出端。
12.进一步，第二气体通道位于空气加热装置内进气口至出气口之间的直管通道上，作为低流阻的主通道；并且，
13.第一气体通道设于第二气体通道上方，作为加热气体的旁通通道；
14.加热控制器设于第二气体通道下方，以隔热。
15.进一步，该空气加热装置还包括：
16.气体温度传感器，设于空气加热装置的气体出口位置，其获取的数据作为加热控制器内的入堆空气温度，以作为判据调整该空气加热装置的工作状态。
17.进一步，该空气加热装置还包括：
18.电控气液换热器，用于启动后对加热后的空气与电堆冷却液进行换热；并且，电控气液换热器的支路一输入端接第一气体通道、第二气体通道并联后的总气体输出口，其支路一输出端接电堆的空气进口，其支路二输入端接电堆的冷却液出口，其输出端接电堆的冷却液入口。
19.进一步，第一气体通道配备有电控的上部筏板，用于打开或关闭该第一气体通道；上部筏板的控制端接加热控制器的输出端；并且，
20.加热控制器执行如下程序以辅助燃料电池冷启动：
21.在燃料电池冷启动时，获取入堆空气温度；
22.识别入堆空气温度低于下限阈值t1时，自动打开第一气体通道、关闭第二气体通道，并启动电加热模块；
23.在电加热模块启动后，识别入堆空气温度达到设定至设定值t3，启动电控气液换热器；
24.在电控气液换热器启动后，识别入堆空气温度超过上限阈值t2时，关闭电加热模块，并打开第二气体通道；
25.在识别电堆温度达到正常工作温度后，自动关闭第一气体通道。
26.进一步，t1＜t3＜t2。
27.进一步，第一气体通道内，层状结构的每一加热电极片均平行于气体流动方向设置，且从上到下均匀布设于第一气体通道内。
28.进一步，该空气加热装置还包括：
29.喷淋增湿器，设于电控气液换热器的输出端、电堆的空气进口之间，用于对入堆空气进行增湿。
30.进一步，加热控制器执行如下程序以辅助燃料电池冷启动：
31.在燃料电池冷启动时，获取入堆空气温度；
32.识别入堆空气温度低于下限阈值t1时，自动打开第一气体通道、关闭第二气体通道，并启动电加热模块，启动喷淋增湿器；
33.在电加热模块启动后，识别入堆空气温度达到设定至设定值t3，启动电控气液换热器；
34.在电控气液换热器启动后，识别入堆空气温度超过上限阈值t2时，关闭电加热模块，并打开第二气体通道；
35.在识别电堆温度达到正常工作温度后，自动关闭第一气体通道。
36.进一步，在执行电加热模块启动之前，加热控制器还执行如下程序以保护蓄电池：
37.获取环境温度；
38.识别环境温度低于0℃时，控制整车上的蓄电池为电加热模块供电，否则不执行电加热模块启动的控制命令。
39.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
40.1、相比现有的加热装置，可有效降低因添加加热装置引起的流阻。
41.2、可以对空气系统中的冷空气进行快速加热，大大提升发动机系统的冷启动性能表现。
42.3、配合了相应的控制方法，在空气温度过低时，可控制上部阀板打开，同时开启加热，空气流过电加热模块进行预热，当入堆空气温度达到设置的温度上限时，控制下部阀板开启，同时加热模块停止加热，空气从两个气体通道均可通过，并且主流道开启后流阻大大降低。
43.4、具备高温保护功能，气体温度传感器检测到温度达到预警值时，自动关闭加热，并且下部阀板处于全开状态。
44.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
45.通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
46.图1示出了实施例1空气加热装置组成示意图；
47.图2示出了实施例2空气加热装置组成示意图。
48.附图标记
49.1-电加热模块；2-筏板；3-加热控制器；4-气体温度传感器；5-第一气体通道；6-第二气体通道。
具体实施方式
50.下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
51.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
52.实施例1
53.本发明的一个实施例，公开了一种用于燃料电池低温启动的空气加热装置，如图1所示，主体结构包括壳体，加热控制器3，以及设于壳体内并联且开闭独立可控的第一气体通道5、第二气体通道6，此外也可根据需要设置其他零部件以及结构，例如过滤器等。
54.第一气体通道5、第二气体通道6的开闭可通过分别在第一气体通道5、第二气体通道6上设置电控筏板进行控制，如图1所示，也可通过直接设置一个电控筏板控制两个通道的开闭，如图2所示。
55.第一气体通道5内设置有电加热模块1，该电加热模块1的加热电极采用层状结构，用于通电后以对流方式快速加热通道内空气。
56.第二气体通道6内无电加热模块1。
57.加热控制器3，用于在燃料电池冷启动时，识别入堆空气温度低于下限阈值t1时，自动打开第一气体通道5、关闭第二气体通道6，并启动电加热模块1；以及，在电加热模块1启动后，识别入堆空气温度超过上限阈值t2时，关闭电加热模块1，并打开第二气体通道6。
58.实施时，当检测到入堆空气温度高于上限阈值t2时，控制模块切断电加热模块，同时控制第二气体通道6开启，第一气体通道5可保持开启状态或关闭。如果第一气体通道5保持开启状态，空气通过第一气体通道5、第二气体通道6进行混合。如果第一气体通道5关闭，空气直接通过第二气体通道6，不再加热。
59.与现有技术相比，本实施例提供的用于燃料电池低温启动的空气加热装置结构简单，可有效地对冷空气进行加热，实现快速低温冷启动，提升发动机低温冷启动性能。相比中冷器，不会增加空气系统的流阻，同时可保证入堆空气温度不会过高，具备过温保护功能。
60.实施例2
61.在实施例1的基础上进行改进，电加热模块包括但不限于ptc加热模块，通电后可快速加热。
62.优选地，第一气体通道5、第二气体通道6采用上下结构设置，内置电控筏板2，可控制开启和关闭相应空气流道。
63.并且，第一气体通道5配备有电控的上部筏板，用于打开或关闭该第一气体通道5。上部筏板的控制端接加热控制器的输出端。
64.第二气体通道6配备有电控的下部筏板，用于打开或关闭该第二气体通道6。下部筏板的控制端也接加热控制器的输出端。
65.第二气体通道6位于空气加热装置内进气口至出气口之间的直管通道上，作为低流阻的主通道。并且，第一气体通道5设于第二气体通道6上方，作为加热气体的旁通通道。在空气需要加热时，下部阀板关闭，空气只能通过电加热模块1，当空气不需要加热时，下部阀板打开，空气可快速通过，减小阻力。
66.加热控制器3设于第二气体通道6下方，以隔热。
67.优选地，该空气加热装置还包括气体温度传感器4、电控气液换热器。
68.气体温度传感器4，设于空气加热装置的气体出口位置，其获取的数据作为加热控制器3内的入堆空气温度，以作为判据调整该空气加热装置的工作状态。
69.电控气液换热器，即串联的电控阀、常规气液换热器，用于启动后对加热后的空气与电堆冷却液进行换热，未启动时气液均处于不导通状态，不换热。
70.并且，电控气液换热器的支路一输入端接第一气体通道5、第二气体通道6并联后的总气体输出口，其支路一输出端接电堆的空气进口，其支路二输入端接电堆的冷却液出口，其输出端接电堆的冷却液入口。
71.优选地，加热控制器3执行如下程序以辅助燃料电池冷启动：
72.s1.在燃料电池冷启动时，获取入堆空气温度；
73.s2.识别入堆空气温度低于下限阈值t1时，自动打开第一气体通道5、关闭第二气
体通道6，并启动电加热模块1；
74.s3.在电加热模块1启动后，识别入堆空气温度达到设定至设定值t3，启动电控气液换热器；
75.s4.在电控气液换热器启动后，识别入堆空气温度超过上限阈值t2时，关闭电加热模块1，并打开第二气体通道6；
76.s5.在识别电堆温度达到正常工作温度后，自动关闭第一气体通道5，空气不再进行加热，且流阻最低。
77.优选地，t1＜t3＜t2。
78.优选地，第一气体通道5内，层状结构的每一加热电极片均平行于气体流动方向设置，且从上到下均匀布设于第一气体通道5内。
79.优选地，该空气加热装置还包括喷淋增湿器，以保证电堆活性。
80.喷淋增湿器，设于电控气液换热器的输出端、电堆的空气进口之间，用于对入堆空气进行增湿。
81.优选地，加热控制器3执行如下程序以辅助燃料电池冷启动：
82.s1’.在燃料电池冷启动时，获取入堆空气温度；
83.s2’.识别入堆空气温度低于下限阈值t1时，自动打开第一气体通道5、关闭第二气体通道6，并启动电加热模块1，启动喷淋增湿器；
84.s3’.在电加热模块1启动后，识别入堆空气温度达到设定至设定值t3，启动电控气液换热器；
85.s4’.在电控气液换热器启动后，识别入堆空气温度超过上限阈值t2时，关闭电加热模块1，并打开第二气体通道6；
86.s5’.在识别电堆温度达到正常工作温度后，自动关闭第一气体通道5，空气不再进行加热，且流阻最低。
87.优选地，在执行电加热模块1启动之前，加热控制器3还执行如下程序以保护蓄电池：
88.s6.获取环境温度；
89.s7.识别环境温度低于0℃时，控制整车上的蓄电池为电加热模块1供电，否则不执行电加热模块1启动的控制命令。
90.与现有技术相比，本实施例提供的用于燃料电池低温启动的空气加热装置具有如下有益效果：
91.1、相比现有的加热装置，可有效降低因添加加热装置引起的流阻。
92.2、可以对空气系统中的冷空气进行快速加热，大大提升发动机系统的冷启动性能表现。
93.3、配合了相应的控制方法，在空气温度过低时，可控制上部阀板打开，同时开启加热，空气流过电加热模块进行预热，当入堆空气温度达到设置的温度上限时，控制下部阀板开启，同时加热模块停止加热，空气从两个气体通道均可通过，并且主流道开启后流阻大大降低。
94.4、具备高温保护功能，气体温度传感器检测到温度达到预警值时，自动关闭加热，并且下部阀板处于全开状态。
95.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：
＜t2。7.根据权利要求1、2、4、5、6任一项所述的用于燃料电池低温启动的空气加热装置，其特征在于，第一气体通道(5)内，层状结构的每一加热电极片均平行于气体流动方向设置，且从上到下均匀布设于第一气体通道(5)内。8.根据权利要求6所述的用于燃料电池低温启动的空气加热装置，其特征在于，还包括：喷淋增湿器，设于电控气液换热器的输出端、电堆的空气进口之间，用于对入堆空气进行增湿。9.根据权利要求8所述的用于燃料电池低温启动的空气加热装置，其特征在于，加热控制器(3)执行如下程序以辅助燃料电池冷启动：在燃料电池冷启动时，获取入堆空气温度；识别入堆空气温度低于下限阈值t1时，自动打开第一气体通道(5)、关闭第二气体通道(6)，并启动电加热模块(1)，启动喷淋增湿器；在电加热模块(1)启动后，识别入堆空气温度达到设定至设定值t3，启动电控气液换热器；在电控气液换热器启动后，识别入堆空气温度超过上限阈值t2时，关闭电加热模块(1)，并打开第二气体通道(6)；在识别电堆温度达到正常工作温度后，自动关闭第一气体通道(5)。10.根据权利要求9所述的用于燃料电池低温启动的空气加热装置，其特征在于，在执行电加热模块(1)启动之前，加热控制器(3)还执行如下程序以保护蓄电池：获取环境温度；识别环境温度低于0℃时，控制整车上的蓄电池为电加热模块(1)供电，否则不执行电加热模块(1)启动的控制命令。

技术总结
本发明提供了一种用于燃料电池低温启动的空气加热装置，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术冷启动时间过长且容易出现单片单低的问题。该装置包括加热控制器，以及设于壳体内并联且开闭独立可控的第一气体通道、第二气体通道。第一气体通道内设置有电加热模块，该电加热模块的加热电极采用层状结构，用于通电后以对流方式快速加热通道内空气。第二气体通道内无电加热模块。加热控制器，用于在燃料电池冷启动时，识别入堆空气温度低于下限阈值时，自动打开第一气体通道、关闭第二气体通道，并启动电加热模块；以及，在电加热模块启动后，识别入堆空气温度超过上限阈值时，关闭电加热模块，并打开第二气体通道。并打开第二气体通道。并打开第二气体通道。


技术研发人员：赵立伟 张潇丹 方川
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/7