CN105406095A - 一种燃料电池系统的低温启动控制方法 - Google Patents

一种燃料电池系统的低温启动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的低温启动控制方法，包括以下步骤：停车控制和启动控制。本发明在停车控制时，维持燃料电池处于较大的反应气供应量，可以起到吹扫的作用，除去燃料电池内部残余的液态水，而同时维持燃料电池处于较低的间歇加载电流，又可以对燃料电池的质子交换膜进行间歇补水，防止其出现质子交换膜失水过多的情况。本发明在燃料电池系统启动时，燃料电池利用自身反应放热升温，无需额外的辅助能源进行加热，且采用与停车后处理过程相对应的起始条件及电流密度进行加载启动，确保燃料电池系统的低温启动过程可成功实施。本发明可以控制燃料电池在低温环境下停车后处于适当的状态，并能够在低温环境下以该状态快速再次启动。

Description

一种燃料电池系统的低温启动控制方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，更具体的涉及一种可实现低温启动的燃料电池系统的控制方法
背景技术
质子交换膜燃料电池(下称燃料电池)以氢气、空气(或氧气)为反应原料，在对外供能的过程中生成产物水，并释放热量。作为高效、洁净的能源转换装置，燃料电池应用于车用动力系统，需要满足适应低温环境的应用要求。燃料电池在运行过程中生成产物水，并且，其质子交换膜需要保证一定的含水量，以实现其内部的质子传导过程。因此，燃料电池在低温(低于0℃)环境下应用时，停车及再次启动时面临着如何处理电池内部水量以及如何获取热量实现升温的问题。
目前，关于燃料电池低温启动的相关专利主要对启动过程进行控制，对停车过程少有描述。如，中国专利CN100527510C提供一种采用附加直流电源以实现低温启动的燃料电池装置及方法，在低温启动时采用附加直流电源实现电池的升温，中国专利CN102386430B提供了一种涉及三组电加热丝及两组水泵等的燃料电池系统及低温启动方法，通过控制循环水的流量及加热的方法实现系统的低温启动，中国专利CN202712345U则提供了一种含有空气加热丝结构的燃料电池系统，用于实现电池的低温启动，上述专利均对低温启动过程的实现方法进行了详细介绍及说明，仅有CN100527510C及CN202712345U在提供一种低温启动的燃料电池装置及方法时，简单提及在系统停车后需要采用空气或氮气对燃料电池阴极及阳极流场进行吹扫，以去除电池内部残留水。
上述专利所提供的低温启动装置及方法，均是在存在辅助电源或加热部件的情况下实现的低温启动，上述方法的缺点在于增加了辅助启动的部件，也增加了燃料电池系统的复杂程度，同时附加的电源及加热部件也增加了燃料电池系统在低温启动过程中的辅助能量消耗，即：提供的方法并非利用电堆的自放热所实现的无辅助低温启动，而且方法缺乏对停车后的后处理过程的控制。需要重视的是，电池需要在低温环境下实现无辅助的自启动，不仅需要设计燃料电池系统及启动过程的控制方法，其启动前的上一次停车的处理过程也至关重要，上述专利所提供的方法中，并未提供对应的低温停车方法，而在实际应用过程中，缺乏针对性的停车控制方法，停车后的低温环境极易造成电池的膜电极损伤，导致低温启动无法实现。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种燃料电池系统的低温启动控制方法，即：一种在低温环境下自停车至下一次启动过程的控制方法，适用于燃料电池系统在低温环境下的停车及再次启动。
本发明的目的还在于燃料电池系统在低温环境下的无辅助启动，即无需外部能源或热量，仅通过燃料电池发生反应的热量实现其温度的升高。
本发明包括燃料电池系统实现无辅助低温启动相应的快速停车处理方法及快速启动控制方法。
燃料电池系统在低温环境下的无辅助自启动过程，需满足的条件为：燃料电池自身反应可释放出足够的热量(考虑对环境的热散失)，使燃料电池自身及其循环系统的冷却液温度升高至0℃以上。而为保障启动时燃料电池可运行，需保证燃料电池在启动初始具有恰当的状态，其关键在于，燃料电池内部的气体传输通道未被阻塞，且质子交换膜含有适量的水能保证质子传输。因此，在低温环境下燃料电池系统的停车后处理过程至关重要，其关键在于，对于电池内部液态水的处理要适度，既要除去参与在电池内部的液态水，防止水结冰阻塞流场及气体扩散层的反应气传输通道，还能保证燃料电池内质子交换膜具有适当的含水量，以保证再次启动时燃料电池的质子交换膜具有适当的质子传导能力，即：燃料电池系统停车后处理要做到对电池内部水的可控，使其处于可再次启动的恰当的状态。
对于燃料电池系统，通常采用的燃料电池为多节单池组装而成的燃料电池电堆，低温环境停车后，采用一定量的气体进行吹扫以除去液态水为常用的低温停车处理方法。然而，对于燃料电池电堆，由于节数较多(通常超过100节)，吹扫过程中很难保证各节单池处于相同的含水状态，极易造成不同位置单池的干湿差异，出现部分单池仍有液态水残留而部分单池其质子交换膜已经失水的状态，从而导致再次启动无法正常进行。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种燃料电池系统的低温启动控制方法，包括以下步骤：
A、停车控制
燃料电池系统停车时，采用高反应气供应量、低电流间歇加载的方式，对燃料电池内部液态水进行处理，具体步骤如下：
按照电流密度isp0给定燃料电池的反应气流量，并按照电流密度isp1进行间歇式加载，同时检测加载时燃料电池电堆单节电池的电压值，当加载过程中，燃料电池电堆中单节电池平均电压处于0.50-0.65V时，燃料电池停车处理完成；所述的电流密度isp0为200-500mA/cm2，电流密度isp1为50-150mA/cm2；
B、启动控制
按照电流密度ist0给定燃料电池的反应气流量，按照ist1作为起始电流密度开始加载，并逐步加载至电流密度ist0，随后维持燃料电池于电流密度ist0运行，并脉冲开启冷却液循环，当在冷却液循环开启过程中，检测燃料电池电堆冷却液循环进出口温度均上升至0℃以上时，燃料电池自升温热机过程结束，燃料电池可进入正常开机过程；
所述的电流密度ist0为200-500mA/cm2，电流密度ist1为50-150mA/cm2。
本发明所述的间歇式加载，其加载时间周期tion为5-60s，其卸载时间周期tioff为5-60s；所述的脉冲开启冷却液循环，其开启时间周期tcon为1-5s区间范围，其关闭时间周期tcoff为5-20s。
本发明所述的电流密度ist1≤电流密度isp1，电流密度ist0≥电流密度isp0。
本发明所述的反应气为氢气或空气。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在停车控制时，维持燃料电池处于较大的反应气供应量，可以起到吹扫的作用，除去燃料电池内部残余的液态水，而同时维持燃料电池处于较低的间歇加载电流，又可以对燃料电池的质子交换膜进行间歇补水，防止其出现质子交换膜失水过多的情况。
2、本发明的燃料电池停车后的处理结果可通过加载后的各节燃料电池电压进行判断，在较低的加载电流密度及较大的反应气供应量情况下，燃料电池电压的高低变化主要受由质子交换膜干湿程度引起的欧姆极化影响，从而通过燃料电池的单节电压便可判断质子交换膜的干湿程度，而通过燃料电池电堆各节单池电压的均一性，也可对电堆总体的吹扫效果进行判断。
3、本发明在燃料电池系统启动时，燃料电池利用自身反应放热升温，无需额外的辅助能源进行加热，且采用与停车后处理过程相对应的起始条件及电流密度进行加载启动，确保燃料电池系统的低温启动过程可成功实施。
4、本发明可以控制燃料电池在低温环境下停车后处于适当的状态，并能够在低温环境下以该状态快速再次启动。
5、本发明适用具有自主反应气供应控制功能的燃料电池系统，还适用于由多节燃料电池构成的电堆组成的且具有对电堆中的每节燃料电池进行电压检测功能的燃料电池系统。
附图说明
本发明仅有附图1张，其中：
图1是一种燃料电池系统的框架示意图。
图中：1、燃料电池系统，2、燃料电池电堆，3、氢气供应子系统，4、空气供应子系统，5、冷却液循环系统，6、燃料电池单池电压巡检，7、辅助控制系统，8、用电负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
在下面的具体实施方式详述中，将结合图1对本发明的具体应用细节及应用结果进行描述，熟悉本领域的技术人员将意识到可以在本发明所阐述的技术框架内，采用类似的其他方式实现本技术的应用。
具体的燃料电池系统1的停车及启动的实施方式如下：
如图1所示为一个燃料电池系统1及由其提供能源的用电负载8，所述的燃料电池系统1由燃料电池电堆2、氢气供应子系统3、空气供应子系统4、冷却液循环系统5、燃料电池单池电压巡检6以及辅助控制系统7，所述的燃料电池电堆2由100节单电池组成，采用金属双极板，活性面积为200cm2。
依据本发明的方法，所述的燃料电池系统1在环境温度为-20℃停车时，设定氢气及空气按300mA/cm2电流密度条件供应，对用电负载8按50mA/cm2电流密度进行间歇供电，电路接通时间为5s，断开时间为20s，期间，燃料电池电压巡检6始终检测燃料电池电堆2各节单池的电压，当检测到燃料电池供电电路接通时间段内燃料电池电堆2中各节单池平均电压处于0.60-0.65V时，停车处理过程结束，燃料电池系统1卸载、停止反应气供应并停机。
依据本发明的方法，所述的燃料电池系统1在环境温度为-20℃启动时，设定氢气及空气按400mA/cm2电流密度条件供应，并暂时不启动冷却液循环系统5，设定燃料电池对耗能负载按50mA/cm2电流密度作为起始电流进行供电，并逐步加载至电流密度400mA/cm2，维持运行，并脉冲开启冷却液循环系统5，冷却液循环系统5开启及关闭时间分别为2s及10s。
当在冷却液循环开启过程中，由辅助控制系统7检测燃料电池电堆冷却液循环进出口温度，当温度上升至0℃以上时，燃料电池系统1自升温热机过程结束，燃料电池系统1进入正常工作状态。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统的低温启动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、停车控制
燃料电池系统(1)停车时，采用高反应气供应量、低电流间歇加载的方式，对燃料电池内部液态水进行处理，具体步骤如下：
按照电流密度isp0给定燃料电池的反应气流量，并按照电流密度isp1进行间歇式加载，同时检测加载时燃料电池电堆(2)单节电池的电压值，当加载过程中，燃料电池电堆(2)中单节电池平均电压处于0.50-0.65V时，燃料电池停车处理完成；所述的电流密度isp0为200-500mA/cm2，电流密度isp1为50-150mA/cm2；
B、启动控制
按照电流密度ist0给定燃料电池的反应气流量，按照ist1作为起始电流密度开始加载，并逐步加载至电流密度ist0，随后维持燃料电池于电流密度ist0运行，并脉冲开启冷却液循环，当在冷却液循环开启过程中，检测燃料电池电堆(2)冷却液循环进出口温度均上升至0℃以上时，燃料电池自升温热机过程结束，燃料电池可进入正常开机过程；
所述的电流密度ist0为200-500mA/cm2，电流密度ist1为50-150mA/cm2。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的低温启动控制方法，其特征在于：所述的间歇式加载，其加载时间周期tion为5-60s，其卸载时间周期tioff为5-60s；所述的脉冲开启冷却液循环，其开启时间周期tcon为1-5s区间范围，其关闭时间周期tcoff为5-20s。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的低温启动控制方法，其特征在于：所述的电流密度ist1≤电流密度isp1，电流密度ist0≥电流密度isp0。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的低温启动控制方法，其特征在于：所述的反应气为氢气或空气。
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