[0001] 本发明涉及燃料电池系统领域，具体为一种用于集中供气模式下燃料电池低温启动系统。

[0002] 目前，燃料电池单系统功率较低，针对大功率应用场景，通常采用多套燃料电池并联输出，但这种方式会导致零部件数量多、体积大和控制复杂的问题。

[0003] 相关技术中，采用一体化集中供气模式可以有效解决上述问题，但集中供气模式无法保证压缩空气入堆温度，受环境、季节和距离等多种因素的影响。低温启动或运行时，
压缩空气入堆温度过低会降低化学反应速率，引起电压问题，从而影响系统的输出功率和
效率。

[0023] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0024] 下面参考附图描述根据本发明实施例的燃料电池用启动系统。

[0025] 如图1所示，根据本发明实施例的燃料电池用启动系统包括第一控制组件1、加热组件2、换热组件3和增湿组件4。

[0026] 第一控制组件1适于与燃料电池电堆连通，以便第一控制组件1控制经燃料电池电堆流出的冷却液的流量。具体地，如图1所示，第一控制组件1为压缩空气流量控制器，第一
控制组件1的进口与燃料电池电堆的电堆冷却液出口连通，使得燃料电池电堆内升温后的
冷却液流入第一控制组件1，第一控制组件1用于控制冷却液的流量。

[0027] 换热组件3的一端通入压缩空气，启动系统具有第一工作状态和第二工作状态，在第一工作状态，加热组件2与第一控制组件1连通，以便经第一控制组件1流出的冷却液的流
入加热组件2加热，加热组件2和换热组件3的一端连通，以便经加热组件2加热后的冷却液
流入换热组件3以加热换热组件3内的压缩空气，在第二工作状态，第二工作状态，换热组件
3的一端与第一控制组件1连通，以便第一控制组件1流出的冷却液流入换热组件3以加热换
热组件3内的压缩空气。

[0028] 具体地，如图1所示，换热组件3的进口可通入压缩空气，加热组件2可以为不限于PTC加热器，在燃料电池低温启动或运行时，启动系统处于第一工作状态，由于，燃料电池电
堆的电堆冷却液出口流出的冷却液温度较低，将换热组件3的进口与第一控制组件1的出口
连通，第一控制组件1流出的冷却液流入加热组件2以对冷却液进行加热，加热组件2的出口
与换热组件3的进口连通，使得加热后的冷却液流入换热组件3，使得换热组件3内加热后的
冷却液与换热组件3内的压缩空气换热以使压缩空气温度升高，在燃料电池运行高功率运
行时，电堆因发生电化学反应而放出大量的热量，产生的废热被冷却液吸收，启动系统处于
第一工作状态，换热组件3的进口与第一控制组件1的出口连通，燃料电池电堆的电堆冷却
液出口流出的冷却液通过第一控制组件1流入换热组件3，使得换热组件3内的冷却液与换
热组件3内的压缩空气换热以使压缩空气温度升高。

[0029] 增湿组件4与换热组件3的另一端连通，以便经换热组件3换热后的压缩空气流入增湿组件4以增加流入增湿组件4内的压缩空气的湿度，增湿组件4适于与燃料电池电堆连
通，以便经增湿组件4增湿后的压缩空气流入燃料电池电堆内。具体地，如图1所示，增湿组
件4为增湿器且增湿组件4的进口与换热组件3的出口连通，使得换热组件3加热后的压缩空
气流入增湿组件4，通过增湿组件4增加压缩空气的湿度，增湿组件4的出口与燃料电池电堆
连通，从而使得加热增湿后的压缩空气流入燃料电池电堆内以保证燃料电池电堆内的反应
效率。

[0030] 本发明实施例的燃料电池用启动系统100，设置通过第一控制组件1、加热组件2和换热组件3，通过加热组件2和换热组件3的协同工作，在燃料电池低温启动或运行时，通过
加热冷却液对压缩空气进行加热，在燃料电池运行高功率运行时，利用燃料电池电堆自身
产生的废热通过冷却液加热压缩空气，使得燃料电池用启动系统100可兼顾燃料电池启动
与运行两种模式，确保压缩空气的温度满足燃料电池电堆的需求，提高燃料电池电堆效率
和可靠性，相对于相关技术，无需对加热组件2进行改造，有效利用电堆自身产热，减少电功
率的消耗，减小了燃料电池用启动系统100的运行成本。

[0031] 在一些实施例中，燃料电池用启动系统100还包括第二控制组件7，第二控制组件7的一端适于通入压缩空气，第二控制组件7的另一端与换热组件3的一端连通，第二控制组
件7用于控制流入换热组件3内的压缩空气流量。具体地，如图1所示，第二控制组件7为空气
流量控制器，第二控制组件7的一端可与集中供气系统连通，从而使得集中供气系统产生的
压缩气体流入第二控制组件7，第二控制组件7的出口与换热组件3的进口连通，通过第二控
制组件7控制流入换热组件3内的压缩气体。

[0032] 在一些实施例中，启动系统还包括第三工作状态，在第三工作状态，第一控制组件1与加热组件2和换热组件3连通，以便经第一控制组件1流出的冷却液分别流入加热组件2
和换热组件3，加热组件2加热后的冷却液和第一控制组件1流出的冷却液混合后流入换热
组件3以加热换热组件3内的压缩空气。具体地，在集中供气模式下当燃料电池低功率或者
中间功率段运行时，燃料电池电堆自身能够产生一部分热量，但该热量不足满足加热压缩
气体入堆温度需求，启动系统处于第三工作状态，在第三工作状态，第一控制组件1的出口
分别与加热组件2的进口和加热组件2的进口连通，使得经第一控制组件1流出的冷却液分
成两股，一股流入加热组件2加热，另一股流入换热组件3，加热组件2的出口与换热组件3的
进口连通，使得两股冷却液在换热组件3内混合以加热压缩空气，从而降低了加热组件2的
电消耗，减小了启动系统的启动成本。

[0033] 在一些实施例中，燃料电池用启动系统100还包括连通件5，连通件5具有腔室、进口、第一出口和第二出口，进口、第一出口和第二出口均与腔室连通，进口与第一控制组件1
连通，以便经第一控制组件1流出的冷却液通过进口流入连通件5，在第一工作状态，第一出
口与加热组件2连通，以便连通件5内的冷却液流入加热组件2，在第二工作状态，第二出口
与换热组件3的一端连通，以便连通件5内的冷却液流入换热组件3，在第三工作状态，加热
组件2分别与第一出口和换热组件3的一端连通，以便连通件5内的冷却液流入加热组件2加
热且通过加热组件2流入换热组件3，第二出口与换热组件3的一端连通，以便经连通件5内
的换热组件3流入换热组件3。具体地，如图1所示，连通件5可以为电子三通阀，连通件5的进
口与第一控制组件1的出口连通，使得经第一控制组件1流出的冷却液流入连通件5内，第一
出口与加热组件2的进口连通，使得第一出口流出的冷却液流入加热组件2加热，第二出口
与换热组件3的进口连通，可使得连通件5内的冷却液流入换热组件3内，在第一工作状态，
连通件5的进口和第一出口开启，在第二工作状态，连通件5的进口和第二出口开启，在第三
工作状态，连通件5的进口、第一出口和第二出口均开启，由此，可通过连通件5在不同工作
状态下进行切换，可确保燃料电池在不同工况下的稳定运行。

[0034] 在一些实施例中，燃料电池用启动系统100还包括连通管6，在第一工作状态，连通管6分别与加热组件2和换热组件3的一端连通，以便经加热组件2加热后的冷却液通过连通
管6流入换热组件3，在第二工作状态，连通管6分别与第二出口和换热组件3的一端连通，以
便经连通件5流出的冷却液流入换热组件3，在第三工作状态，连通管6的一端分别与第二出
口和加热组件2连通，以便第二出口和加热组件2流出的冷却液均流入连通管6，连通管6的
另一端与换热组件3的一端连通，以便经连通管6流出的冷却液流入换热组件3。具体地，如
图1所示，连通管6的进口与第二出口连通，连通管6的出口与换热组件3的进口连通，且加热
组件2的出口与连通管6的中部连通，由此，在第一工作状态，加热组件2加热后的冷却液通
过连通管6流入换热组件3内，在第二工作状态，连通件5内的冷却液通过连通管6流入换热
组件3内，在第三工作状态，连通件5内的冷却液一部分流入加热组件2加热，另一部分流入
连通管6内，加热组件2加热后的冷却液流入连通管6内以与连通管6内的冷却液混合，再将
混合后的冷却液流入换热组件3内，由此，使得燃料电池用启动系统100设置更合理。

[0035] 在一些实施例中，燃料电池用启动系统100还包括输送组件8，在第一工作状态和第三工作状态，输送组件8的两端分别与加热组件2和连通管6连通，输送组件8用于将加热
组件2加热后的冷却液输送至连通管6内。具体地，如图1所示，输送组件8可以为水泵，输送
组件8的进口与第一出口连通，输送组件8的出口与连通管6的中部连通，在第一工作状态和
第三工作状态，输送组件8开启，使得连通件5内的冷却液通过输送组件流入连通管6内，从
而为冷却液的输送提供动力基础。

[0036] 在一些实施例中，燃料电池用启动系统100还包括背压阀9，背压阀9与增湿组件4连通，以便背压阀9调整增湿组件4内的压力。具体地，如图1所示，背压阀9与增湿组件4的出
口连通，背压阀9用于维持增湿组件4内的压力恒定，当增湿组件4内的压力超过设定值时，
背压阀9会打开，释放多余的气体或液体，从而降低增湿组件4内的压力，当增湿组件4内压
力低于设定值时，背压阀9会关闭，保持增湿组件4内压力，从而可通过背压阀9确保增湿组
件4内的气体或液体流量稳定，提高系统的整体效率。

[0037] 在一些实施例中，增湿组件4适于与燃料电池电堆连通，以便经燃料电池电堆流出的高温高湿的气体流入增湿组件4以对增湿组件4内的压缩空气的增湿。由此，使得燃料电
池电堆在工作过程中产生高温高湿的废气与压缩空气进行热交换和湿交换，使压缩空气的
湿度增加，确保电堆的入堆空气湿度达到最佳水平。

[0038] 在一些实施例中，换热组件3包括可进行热交换的第一通道(图中未示意出)和第二通道(图中未示意出)，在第一工作状态，第一通道与加热组件2连通，以便经加热组件2内
流出的冷却液流入第一通道，在第二工作状态，第一通道与第一控制组件1连通，以便经第
一控制组件1流出的冷却液流入第一通道内，在第一工作状态和第二工作状态，第二通道适
于通入压缩空气，以便第一通道内的冷却液通过第二通道加热压缩空气。

[0039] 具体地，第一通道为液体通道，第二通道为气体通道，且第一通道和第二通道可进行热交换，第一通道的进口与连通管6的出口连通，在第一工作状态，加热组件2内流出的冷
却液流入第一通道，在第二工作状态，第一控制组件1流出的冷却液通过连通件5流入第一
通道内，在第三工作状态，加热组件2和第二出口流出的冷却液在连通管6内混合后流入第
一通道内，第二通道的进口可与第二控制组件7的出口连通，使得第二控制组件7流出的压
缩空气流入第二通道内，使得压缩空气和冷却液在第一通道和第二通道内换热以提高压缩
空气的温度，第二通道的出口与增湿组件4连通，使得加热后的压缩空气流入增湿组件4内
增湿，从而使得换热组件3设置更合理。

[0040] 在一些实施例中，第一通道与燃料电池电堆连通，以便经换热组件3换热后的冷却液流入燃料电池电堆内。具体地，如图1所示，第一通过到的出口与燃料电池电堆的冷却液
进口连通，使得降温后的冷却液流入燃料电池电堆内对燃料电池电堆降温，使得冷却液可
循环利用，减少冷却液的使用量，降低系统的运行成本。

[0041] 下面根据附图1，具体说明本发明实施例的燃料电池用启动系统100。

[0042] 实施例1：集中供气模式下当燃料电池低温启动或者低功率时，压缩空气通过第二控制组件7，根据燃料电池电堆运行工况，调控管道空气流量。

[0043] 可选的，也可以为控制开度的比例阀、第二控制组件7或其他能够调节气体流量的组件。

[0044] 换热组件3为气液交换的换热器，由第一通道和第二通道组成。当燃料电池低温启动或者低功率运行时，电堆的冷却液出口经第一控制组件1后进入连通件5的进口，通过第
一出口流出后与加热组件2的进口相连，冷却液被加热后经连通管6进入换热组件3第一通
道。换热组件3的第一通道的出口与电堆冷却液的进口相连。换热组件3的第二通道的进口
与第二控制组件7相连，第二通道的出口与增湿组件4的进口相连。所述增湿组件4的出口与
电堆的阴极入口连通，将增湿后的升温空气输入电堆。电堆出口的高温高湿的气体与增湿
组件4的湿入口连通，为增湿组件4湿度的来源。增湿组件4的湿侧出口与背压阀9连通，在废
气排出的同时，通过调节背压阀9的开度，起到调节空气进堆压力的目的。

[0045] 可选的，当电堆空气入口温度低于或高于实际需求温度时，可通过调节第一控制组件1的开度、加热组件2的功率、连通管6的转速中的一种或几种的结合来实现入堆空气温
度的精确控制。

[0046] 可选的，加热组件2包括但不限于PTC加热组件2，通电后可快速加热。

[0047] 与相关技术相比，本发明实施例燃料电池用启动系统100，主要解决集中供气模式下燃料电池低温启动或者低功率运行时温度过低的问题，通过加热组件2可有效对压缩空
气进行加热，实现低温快速冷启动，保证燃料电池的高性能与高一致性。

[0048] 实施例2：集中供气模式下当燃料电池运行尤其高功率运行时，电堆因发生电化学反应而放出大量的热量，产生的废热被冷却液吸收。电堆的高温冷却液出口经第一控制组
件1后进入连通件5的进口，通过第二出口流出进入换热组件3的第一通道，换热组件3的第
一通道的出口与电堆冷却液的进口相连。换热组件3的第二通道的进口与第二控制组件7相
连，第二通道的出口与增湿组件4的进口相连。电堆自身产生的热量被冷却液吸收后，冷却
液吸收的热量又经换热组件3被管道空气吸收，起到加热入堆空气的目的。

[0049] 附图1仅示意其中一种换热组件3进气或进冷却液的方向，具体开口位置及流动方向可根据换热组件3种类变换。

[0050] 可选的，除了能够满足换热需求的换热组件3外，将传统意义上燃料电池用的中冷器冷却液进出口反接，即电堆冷却液出口连接中冷器冷却液进口，中冷器冷却液出口连接
电堆冷却液进口，均可实现集中供气方式下燃料电池空气加热的目的。

[0051] 可选的，在燃料电池低温启动或运行时，第一控制组件1也可以为适用于冷却液的比例阀或其他能够调节冷却液流量的组件。通过控制其开度或其他可调参数，影响冷却液
流量，进而影响换热效率，以满足燃料电池不同工况下空气进堆温度的需求。

[0052] 经过换热组件3加热后的空气进入增湿组件4的干侧入口进行加湿。增湿组件4的出口与电堆的空气入口连通，将增湿后的升温空气输入电堆。电堆出口的高温高湿的气体
与增湿组件4的湿入口连通，为增湿组件4湿度的来源。

[0053] 增湿组件4的湿侧出口与背压阀9连通，在废气排出的同时，通过调节背压阀9的开度，起到调节空气进堆压力的目的。

[0054] 与相关技术相比，本发明实施例燃料电池用启动系统100，主要解决集中供气模式下燃料电池高功率运行或者高功率稳定运行时空气入堆温度低的问题，通过冷却液吸收的
电堆的热量，实现对管道空气加热。

[0055] 实施例3：集中供气模式下当燃料电池低功率或者中间功率段运行时，电堆自身能够产生一部分热量，但该热量不足以加热压缩空气满足入堆温度需求时，压缩空气通过第
二控制组件7，根据燃料电池电堆运行工况，调控压缩空气流量。可选的，也可以为控制开度
的比例阀、空气质量流量控制器或其他能够调节气体流量的组件。

[0056] 换热组件3为气液交换的换热器。当燃料电池低功率或者中间功率段运行时，电堆的冷却液出口经第一控制组件1后进入连通件5的进口，通过调节连通件5的开度，冷却液一
部分经第二出口直接进入换热组件3的第一通道，一部分经第一出口流向加热组件2、连通
管6后进入换热组件3的第一通道。冷却液通过对流传热的方式将热量传递给空气后由换热
组件3的第二通道的出口流出，随后进入电堆冷却液的进口。

[0057] 可选的，当电堆空气入口温度低于或高于实际需求温度时，可通过调节第一控制组件1的开度、连通件5的开度、加热组件2的功率、连通管6的转速中的一种或几种的结合来
实现入堆空气温度的精确控制。

[0058] 与相关技术相比，本发明实施例燃料电池用启动系统100，主要解决集中供气模式下燃料电池低功率或者中间功率段运行时空气入堆温度低的问题，通过调节三通阀的开
度，实现加热组件2与冷却液热量的双利用，保证温度的同时，减少对电的消耗，提高冷却液
热量的利用。

[0059] 本发明实施例燃料电池用启动系统100，针对燃料电池大功率应用场景采用不依赖于电堆布置方式和数量的一体化集中供气模式，可有效减少零部件数量、体积以及简化
控制。由于，集中供气模式下管道输送的压缩空气温度受环境以及距离等外在因素的影响
具有不确定性。为保证燃料电池空气入堆温度，本发明实施例燃料电池用启动系统100，实
现低温启动前预热空气温度以及运行时加热入堆空气且温度随燃料电池工况可调的目的。

[0060] 综上所述：本发明实施例燃料电池用启动系统100一方面供气模式可以不依赖于电堆布置方式和数量，适应大功率发电场景的使用需求；另一方面可以满足集中供气模式
下不同运行工况加热空气入堆温度的应用需求。

[0061] 本发明实施例燃料电池用启动系统100可以兼顾燃料电池启动与运行两种模式，启动时通过电加热组件2加热冷却液，进而通过换热组件3加热管道空气，空气得到快速加
热，保证了入堆空气温度需求，达到快速启动电堆的目的；运行时通过利用燃料电池自身产
生的废热通过换热组件3加热入堆空气，有效利用电堆自身产热，避免电加热设备的使用，
减少电功率的消耗，达到加热入堆空气的目的。

[0062] 本发明实施例燃料电池用启动系统100可以摆脱管道压缩空气温度受环境、季节以及离空压机房距离远近等多种因素的限制，保证入堆温度，保障燃料电池高性能与高一
致性。

[0063] 本发明实施例燃料电池用启动系统100可以实现入堆温度调节，通过控制冷却液流量、连通管6转速、连通件5开度或加热组件2功率起到控制温度的作用，能够对空气入堆
温度进行精确控制。

[0064] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0065] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0066] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以
是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的
普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0067] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0068] 在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实
施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示
例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书
中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0069] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。