CN105449242A - 一种车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统及方法，所述控制系统包括控制器，燃料电池电堆，空气供给单元，氢气供给单元，温度控制单元，选通开关P，选通开关N，双向DC/DC变换器，车载蓄电池。所述控制方法是：控制器通过控制金属双极板通电产生热能、控制温度控制单元加热器产生热能、控制空压机输入热空气产生热能、控制氢气与空气中的氧气在燃料电池电堆氢气流道内发生电化学反应产生热能等四种方式对燃料电池电堆加热，使得其温度快速上升，实现低温启动。本发明在车载燃料电池系统的基础上，优化结构和控制策略即可实现，不需要增加核心部件，结构紧凑，启动速度快。

Description

一种车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统及方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，特别是一种车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统及方法。
背景技术
燃料电池是一种以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将燃料的化学能直接转化为电能的电化学发电装置，具有比能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点。它被公认为是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术，可用于新能源汽车、备用电源、水下电源、航空电源、固定电站、便携式电源等诸多领域。
世界各国及各大汽车公司都瞄准在2015年实现燃料电池汽车的产业化。2013年1月24日，在燃料电池车处于领先地位的日本丰田公司，与德国宝马公司达成协议，双方将共同开发燃料电池汽车技术。4天后的1月28日，日产雷诺集团、德国戴姆勒及美国福特汽车宣布合作，尽快实现燃料电池汽车量产普及。2013年7月2日日本本田和美国通用汽车正式宣布，将在燃料电池车等领域开展合作，在2020年前合作开发下一代燃料电池系统和氢储存技术。2013年2月，韩国现代汽车公司推出了途胜ix35燃料电池汽车，续航里程达600公里，时速可达160公里。现代公司还表示，未来两年里将生产1000辆ix35氢燃料版投放使用。本田公司在2011年的东京车展展出FCV-R燃料电池汽车，这款车一次充满燃料的续航里程达到700公里，其能量转换效率比内燃机要高2到3倍，燃料电池车的续航时间为纯电动车5倍左右。其加注燃料时间较短，而电动车需耗费8小时左右充满电量。其单价将从百万美元级别削减至约5万美元，减少95％左右。丰田公司的Mirai燃料电池汽车已于2014年12月上市，巡航里程达500公里。
由于车辆对燃料电池的体积、重量要求非常严格，体积小、重量轻、功率密度大的金属双极板燃料电池是车用燃料电池的重要发展方向，丰田公司的Mirai燃料电池汽车用的就是金属双极板燃料电池，世界各大汽车公司及研究机构正在大力开展车用金属双极板燃料电池研发。
低温启动技术是燃料电池汽车量产的重要瓶颈之一。车用燃料电池的最佳运行稳定在65℃作用，而其环境温度变化范围非常大，要求能在-40℃环境下快速启动并运行。燃料电池催化剂在-40℃环境下几乎没有活性，难以正常发电，必须设计低温启动控制系统使得燃料电池的温度快速上升。
车用金属双极板燃料电池电堆一般由上百片，甚至数百片单电池串联而成。每片电池的核心组件是膜电极，膜电极两端加上金属极板即构成单电池，因此燃料电池电堆每片电池之间都有双极板。
现有的燃料电池低温启动方法主要有氢气直接氧化放热法、氢氧燃烧放热法、循环水加热法等，这些方法效率不高，启动速度慢，而且系统庞大，难以在车辆上使用，必须寻求一种高效、综合的车载燃料电池低温启动方法。
发明内容
本发明旨在提供一种车载金属双极板燃料电池低温快速启动控制系统及方法，实现燃料电池在低至-40℃低温时的快速启动，为燃料电池汽车的产业化奠定技术基础。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统，包括控制器，燃料电池电堆，空气供给单元，氢气供给单元，温度控制单元，选通开关P，选通开关N，双向DC/DC变换器，车载蓄电池。燃料电池电堆金属双极板依次独立接入选通开关P的一端，选通开关P的另一端均与双向DC/DC变换器一端的正极相连；各金属双极板上另取一点，依次独立接入选通开关N的一端，选通开关N的另一端均与双向DC/DC变换器一端的负极相连。双向DC/DC变换器的另一端并联连接车载蓄电池和负载。空气供给单元、氢气供给单元、温度控制单元分别接入燃料电池电堆对应的端口。控制器信号线及控制线与选通开关P、选通开关N、双向DC/DC变换器、空气供给单元、氢气供给单元和温度控制单元相连。控制器通过控制金属双极板通电产生热能、温度控制单元加热器产生热能、空气供给单元输入热空气产生热能、氢气与空气中的氧气在燃料电池电堆氢气流道内发生电化学反应产生热能等四种方式对燃料电池电堆加热，使得其温度快速上升，实现低温启动。
所述控制器闭合选通开关P及选通开关N，将金属双极板全部并联接入双向DC/DC变换器，控制双向DC/DC变换器由车载蓄电池向金属双极板恒流供电，电流流过金属双极板产生热能，使得金属双极板及与之接触的膜电极温度上升。
所述控制器控制空气供给单元空气流量达最大值，开通空气供给单元的电磁阀，同时向燃料电池电堆空气流道和氢气流道供给空压机输出的热空气，并控制氢气以不大于空气流量3％的流量流出氢气供给单元，使得氢气与空气的混合气体通入燃料电池膜电极阳极，在每片膜电极阳极催化剂作用下发生电化学反应，产生热能。
所述控制器控制温度控制单元循环水泵运行，开启加热器，低温下水流经循环水泵、节温器、加热器后进入燃料电池电堆，不经过散热器和水箱。温度上升到设定阈值后，加热器停止加热，节温器自动关闭流经加热器的通道，开启流经散热器的通道，水流经循环水泵、节温器、散热器和水箱后进入燃料电池电堆。
所述空气供给单元通向氢气供给单元的管路装有单向阀，所述氢气供给单元经单向阀后再与空气供给单元管路汇接。
所述燃料电池电堆温度低于启动阈值时，所述的金属双极板通电加热、热空气及氢氧电化学反应加热、温度控制单元加热同时启用，使得燃料电池电堆温度快速上升。燃料电池电堆温度达到启动后，所述控制器断开选通开关P和选通开关N，停止双向DC/DC变换器，停止金属双极板通电加热；关闭空气供给单元电磁阀，停止向氢气供给单元输送空气；按正常启动方式调大氢气供给单元氢气流量，使燃料电池工作于发电状态。控制器闭合选通开关P与燃料电池正极相连的开关Spk及选通开关N与燃料电池负极相连的开关Sn1,将燃料电池电堆正负极接入双向DC/DC变换器，控制器控制双向DC/DC变换器从燃料电池电堆取电，向负载供电或向车载蓄电池充电。
本发明与现有技术相比，其优点是：(1)能够明显缩短金属双极板燃料电池的低温启动时间。(2)在车载燃料电池系统的基础上，优化结构和控制策略即可实现，不需要增加核心部件，结构紧凑，应用成本低。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为本发明的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图1所示，本发明一种车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统控制器，燃料电池电堆，空气供给单元，氢气供给单元，温度控制单元，选通开关P，选通开关N，双向DC/DC变换器，车载蓄电池。
所述燃料电池电堆金属双极板依次独立接入选通开关P的一端，选通开关P的另一端均与双向DC/DC变换器一端的正极相连；各金属双极板上另取一点，依次独立接入选通开关N的一端，选通开关N的另一端均与双向DC/DC变换器一端的负极相连。双向DC/DC变换器的另一端并联连接车载蓄电池和负载。空气供给单元、氢气供给单元、温度控制单元分别接入燃料电池电堆对应的端口。
所述控制器信号线及控制线与选通开关P、选通开关N、双向DC/DC变换器、空气供给单元、氢气供给单元和温度控制单元相连。控制器通过控制金属双极板通电产生热能、温度控制单元加热器产生热能、空气供给单元输入热空气产生热能、氢气与空气中的氧气在燃料电池电堆氢气流道内发生电化学反应产生热能等四种方式对燃料电池电堆加热，使得其温度快速上升，实现低温启动。
所述控制器闭合选通开关P及选通开关N，将金属双极板全部并联接入双向DC/DC变换器，控制双向DC/DC变换器由车载蓄电池向金属双极板恒流供电，电流流过金属双极板产生热能，使得金属双极板及与之接触的膜电极温度上升。同一金属双极板上，接入选通开关P及选通开关N的2点应关于金属双极板中心点对称，使得2点间的电阻最大，从而使得通电时的热功率最大。
所述控制器控制空气供给单元空气流量达最大值，开通空气供给单元的电磁阀，同时向燃料电池电堆空气流道和氢气流道供给空压机输出的热空气，并控制氢气以不大于空气流量3％的流量流出氢气供给单元，使得氢气与空气的混合气体通入燃料电池膜电极阳极，在每片膜电极阳极催化剂作用下发生电化学反应，产生热能。
所述控制器控制温度控制单元循环水泵运行，开启加热器，低温下水流经循环水泵、节温器、加热器后进入燃料电池电堆，不经过散热器和水箱。温度上升到设定阈值后，加热器停止加热，节温器自动关闭流经加热器的通道，开启流经散热器的通道，水流经循环水泵、节温器、散热器和水箱后进入燃料电池电堆。
所述空气供给单元通向氢气供给单元的管路装有单向阀，所述氢气供给单元经单向阀后再与空气供给单元管路汇接。
所述燃料电池电堆温度低于启动阈值时，所述的金属双极板通电加热、通入热空气及氢氧电化学反应加热、温度控制单元加热同时启用，使得燃料电池电堆温度快速上升。燃料电池电堆温度达到启动后，所述控制器断开选通开关P和选通开关N，停止双向DC/DC变换器，停止金属双极板通电加热；关闭空气供给单元电磁阀，停止向氢气供给单元输送空气；按正常启动方式调大氢气供给单元氢气流量，使燃料电池工作于发电状态。控制器闭合选通开关P与燃料电池正极相连的开关Spk及选通开关N与燃料电池负极相连的开关Sn1,将燃料电池电堆正负极接入双向DC/DC变换器，控制器控制双向DC/DC变换器从燃料电池电堆取电，向负载供电或向车载蓄电池充电。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统，包括控制器，燃料电池电堆，空气供给单元，氢气供给单元，温度控制单元，选通开关P，选通开关N，双向DC/DC变换器，车载蓄电池，其特征在于：所述燃料电池电堆金属双极板依次独立接入选通开关P的一端，选通开关P的另一端均与双向DC/DC变换器一端的正极相连；各金属双极板上另取一点，依次独立接入选通开关N的一端，选通开关N的另一端均与双向DC/DC变换器一端的负极相连。双向DC/DC变换器的另一端并联连接车载蓄电池和负载。空气供给单元、氢气供给单元、温度控制单元分别接入燃料电池电堆对应的端口。控制器信号线及控制线分别与选通开关P、选通开关N、双向DC/DC变换器、空气供给单元、氢气供给单元以及温度控制单元相连。控制器通过控制金属双极板通电产生热能、温度控制单元加热器产生热能、空气供给单元输入热空气产生热能、氢气与空气中的氧气在燃料电池电堆氢气流道内发生电化学反应产生热能等四种方式对燃料电池电堆加热，使得其温度快速上升，实现低温启动。
2.利用权利要求1所述车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统的控制方法是：所述控制器闭合选通开关P及选通开关N，将金属双极板全部并联接入双向DC/DC变换器，控制双向DC/DC变换器由车载蓄电池向金属双极板恒流供电，电流流过金属双极板产生热能，使得金属双极板及与之接触的膜电极温度上升。
3.利用权利要求1所述车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统的控制方法是：所述控制器控制空气供给单元空气流量达最大值，开通空气供给单元的电磁阀，同时向燃料电池电堆空气流道和氢气流道供给空压机输出的热空气，并控制一定流量的氢气流出氢气供给单元，使得氢气与空气的混合气体通入燃料电池膜电极阳极，在每片膜电极阳极催化剂作用下发生电化学反应，产生热能。
4.利用权利要求1所述车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统的控制方法是：所述控制器控制温度控制单元循环水泵运行，开启加热器，低温下水流经循环水泵、节温器、加热器后进入燃料电池电堆，不经过散热器和水箱。温度上升到设定阈值后，加热器停止加热，节温器自动关闭流经加热器的通道，开启流经散热器的通道，水流经循环水泵、节温器、散热器和水箱后进入燃料电池电堆。
5.如权利要求3所述车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统的控制方法，其特征在于：所述空气供给单元通向氢气供给单元的管路装有单向阀，所述氢气供给单元经单向阀后再与空气供给单元管路汇接。
6.如权利要求2-5任一项所述车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统的控制方法，其特征在于，燃料电池电堆温度低于启动阈值时，采用金属双极板通电加热、并通入热空气及氢氧电化学反应加热、同时温度控制单元加热启用，使得燃料电池电堆温度快速上升。燃料电池电堆温度达到启动后，所述控制器断开选通开关P和选通开关N，停止双向DC/DC变换器，停止金属双极板通电加热；关闭空气供给单元电磁阀，停止向氢气供给单元输送空气；按正常启动方式调大氢气供给单元氢气流量，使燃料电池工作于发电状态。控制器闭合选通开关P与燃料电池正极相连的开关Spk及选通开关N与燃料电池负极相连的开关Sn1,将燃料电池电堆正负极接入双向DC/DC变换器，控制器控制双向DC/DC变换器从燃料电池电堆取电，向负载供电或向车载蓄电池充电。
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