CN109004249B - 一种辅助燃料电池系统冷启动的装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域的一种辅助燃料电池系统冷启动的装置及其使用方法，散热水泵、电热丝、节温器通过管道连成一个用于进行热量传递的小循环回路；在单刀开关处于闭合状态时蓄电池组与电热丝构成一电流回路；在单刀双掷开关切换到a端时蓄电池组、负荷装置、燃料电池堆、DC/DC变换器、单刀双掷开关的a端构成一电流回路；在单刀双掷开关切换到b端、且单刀开关处于闭合状态时，蓄电池组、负荷装置、燃料电池堆、DC/DC变换器、单刀双掷开关的b端、单刀开关、电热丝构成一电流回路。结合利用蓄电池组、燃料电池堆在冷启动过程中产生的电能，降低了冷启动过程中蓄电池组的供电负荷，同时缩短了冷启动时间。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体来说，是一种辅助燃料电池系统冷启动的装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将氢气和氧气中的化学能转化为电能的电化学装置。其反应副产物只有水，且能量转化效率可高达60％～70％。随着新能源汽车的导向性政策的开展，质子交换膜燃料电池在汽车(FCV)动力领域受到广泛关注。目前FCV的商业化推广仍有多方面的困难和挑战。燃料电池系统(FCS)冷启动的制约就是FCV商业化的主要屏障之一。如何快速可靠的使FCS在0℃以下，甚至更低的-30℃时启动并且尽可能的缩短启动时间是迫切需要解决的问题。
由于结冰会对电堆造成不可逆的损伤，在冷启动中需尽量避免电堆经历“结冰/解冻”过程。除了对电堆材料提出针对冷启动的改进措施外，相比于自启动策略，辅助启动策略主要通过停机吹扫和辅助电堆加热来实现，但大大增加了冷启动可靠性并获得更好的启动性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种辅助燃料电池系统冷启动的装置，结合利用蓄电池组、燃料电池堆在冷启动过程中产生的电能，降低了冷启动过程中蓄电池组的供电负荷，同时缩短了冷启动时间。
本发明的目的是这样实现的：一种辅助燃料电池系统冷启动的装置,包括燃料电池堆、散热水泵、散热器、节温器、温控部件、贮液箱、蓄电池组、与散热器配套的风扇，所述散热水泵、散热器、贮液箱、节温器、燃料电池堆通过管道连成一个用于进行热量传递的大循环回路，该系统还包括电热丝、单刀开关、单刀双掷开关、DC/DC变换器，其中单刀双掷开关的接电端分为a端和b端；所述散热水泵、电热丝、节温器、燃料电池堆通过管道连成一个用于进行热量传递的小循环回路；所述蓄电池组与电热丝电性连接，且在单刀开关处于闭合状态时蓄电池组与电热丝构成一电流回路；在所述单刀双掷开关切换到a端时所述蓄电池组、负荷装置、燃料电池堆、DC/DC变换器、单刀双掷开关的a端构成一电流回路；在所述单刀双掷开关切换到b端、且单刀开关处于闭合状态时，所述蓄电池组、负荷装置、燃料电池堆、DC/DC变换器、单刀双掷开关的b端、单刀开关、电热丝构成一电流回路；所述温控部件形成两个分别监测大循环回路、小循环回路温度的感应部，且所述温控部件的输出部与单刀双掷开关、单刀开关形成控制关联关系。
进一步地，所述温控部件包括同时处于大循环回路以及小循环回路上的温度传感器一，所述温度传感器一对应温控部件的其中一个感应部，且所述温度传感器一接近燃料电池堆。
进一步地，所述温控部件包括温度传感器二，所述温度传感器二处于上述大循环回路上，所述温度传感器二对应温控部件的另一个感应部。
进一步地，所述温控部件还包括控制管理单元，所述控制管理单元对应温控部件的输出部，所述温度传感器一、温度传感器二通过信号线与控制管理单元连接。
进一步地，所述单刀双掷开关、单刀开关通过信号线与控制管理单元连接。
进一步地，所述电热丝由导热导电材料制成。
进一步地，所述大循环回路、小循环回路均贯穿燃料电池堆。
一种辅助燃料电池系统冷启动的装置的冷启动方法，至少包含下述步骤：
a)在整个系统处于零下温度的环境时，在上一次停机过程中利用空气压缩机吸入的空气流吹扫燃料电池堆的空气腔和氢气腔，直至燃料电池堆的空气腔和氢气腔处于相对干燥状态；
b)温度传感器一将小循环回路中的温度信号传递给控制管理单元，控制管理单元处理温度传感器一传回的温度信号，当测得的小循环温度T22小于等于单刀开关闭合的温度值T26set时，冷启动开始，控制管理单元控制单刀开关闭合；蓄电池组与电热丝电相连，电热丝以系统额定功率的20％的功率对小循环内的循环水/防冻液加热；当小循环温度T22大于等于单刀双掷开关b端闭合的温度值Tbset，且小于等于单刀开关闭合的温度值T26set时，控制管理单元控制单刀双掷开关b端闭合，启动燃料电池堆，并以系统额定功率40％的功率持续运行。
当小循环温度T22大于等于所述单刀开关闭合的温度值T26set时，所述控制管理单元控制所述节温器开启，使得小循环与大循环流量比α＝0.5，大循环内低温循环水/防冻液逐渐与小循环内高温循环水/防冻液混合，循环水/防冻液流经大循环中的所述散热器，所述风扇不启动，整个系统以额定功率80％的功率运行。
温度传感器二将大循环回路中的温度信号传递给控制管理单元，控制管理单元处理温度传感器二传回的温度信号，当大循环温度T23大于等于所述单刀双掷开关a端闭合的温度值Taset时，所述控制管理单元控制所述单刀开关断开，所述单刀双掷开关a端闭合，所述电热丝停止加热，所述燃料电池堆发出的电经所述DC/DC变换器和所述蓄电池组并用于负载装置。
本发明的有益效果在于：充分利用了蓄电池组、燃料电池堆在冷启动过程中产生的电能，降低了冷启动过程中蓄电池组的供电负荷，同时缩短了冷启动时间；通过对节温器和电热丝的调节和控制，可使得整个系统能够平稳地进行升温，以避免整个系统经历冻结、解冻的反复交替现象，从而避免上述冻结、解冻现象燃料电池堆造成的损害。
附图说明
图1是本发明的总体布置示意图。
图2为本发明的冷启动方法流程示意图。
图3为本发明实施例一的温度变化图。
图中，11燃料电池堆，12散热水泵，13电热丝，14散热器，15风扇，16节温器，21控制管理单元，22温度传感器一，23温度传感器二，24DC/DC变换器，25单刀双掷开关，26单刀开关，27蓄电池组，28负荷装置，29贮液箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，辅助燃料电池系统冷启动的装置包括燃料电池堆11、散热水泵12、散热器14、节温器16、温控部件、贮液箱29、蓄电池组27、与散热器14配套的风扇15，散热水泵12、散热器14、贮液箱29、节温器16、燃料电池堆11通过管道连成一个用于进行热量传递的大循环回路，该系统还包括电热丝13、单刀开关26、单刀双掷开关25、DC/DC变换器24，其中单刀双掷开关25的接电端分为a端和b端。
上述散热水泵12、电热丝13、节温器16、燃料电池堆11通过管道连成一个用于进行热量传递的小循环回路。
上述蓄电池组27与电热丝13电性连接，且在单刀开关26处于闭合状态时蓄电池组27与电热丝13构成一电流回路。
在单刀双掷开关25切换到a端时蓄电池组27、负荷装置28、燃料电池堆11、DC/DC变换器24、单刀双掷开关25的a端构成一电流回路。
在单刀双掷开关25切换到b端、且单刀开关26处于闭合状态时，蓄电池组27、负荷装置28、燃料电池堆11、DC/DC变换器24、单刀双掷开关25的b端、单刀开关26、电热丝13构成一电流回路。
上述温控部件形成两个分别监测大循环回路、小循环回路温度的感应部，且温控部件的输出部与单刀双掷开关25、单刀开关26形成控制关联关系。
上述温控部件包括同时处于大循环回路以及小循环回路上的温度传感器一22，温度传感器一22对应温控部件的其中一个感应部，且温度传感器一22接近燃料电池堆11。
上述温控部件包括温度传感器二23，温度传感器二23处于上述大循环回路上，温度传感器二23对应温控部件的另一个感应部。
上述温控部件还包括控制管理单元21，控制管理单元21对应温控部件的输出部，温度传感器一22、温度传感器二23通过信号线与控制管理单元21连接。
上述单刀双掷开关25、单刀开关26通过信号线与控制管理单元21连接。
上述电热丝13由导热导电材料制成。
上述大循环回路、小循环回路均贯穿燃料电池堆11。
下面结合图1、2来阐述质子交换膜燃料电池系统的冷启动方法。
实施例1：
现以25KW质子交换膜燃料电池系统-30℃启动为例，说明其冷启动过程。
首先，在冷启动前系统最后一次停机时，利用空气压缩机吸入的空气流吹扫燃料电池堆11的空气腔和氢气腔，直至燃料电池堆11的空气腔和氢气腔处于相对干燥状态。
在进行冷启动时，单刀开关26闭合，使得蓄电池组27电连接电热丝13，蓄电池组27输出5kW的功率以加热小循环内循环水/防冻液，至温度传感器一22检测小循环温度为-10℃，用时约为230s。
然后，在控制管理单元21的控制下，单刀双掷开关25的b端闭合，燃料电池堆11、蓄电池组27共同输出10kW的功率作用于电热丝13上，燃料电池堆11输出电通过DC/DC变换器24的转换后接到电热丝13上，与蓄电池组27提供的5kW功率共同用于小循环内循环水/防冻液的升温，直至温度传感器一22检测到小循环温度为40℃，用时约为117s。
接下来，燃料电池堆11、蓄电池组27共同输出20kW功率以运行整个系统。开启节温器16，使小循环与大循环流量比α＝0.5，使大循环内低温防冻液逐渐与小循环内高温防冻液混合，至温度传感器二23检测到大循环温度达到40℃，单刀开关26断开，单刀双掷开关25的a端闭合，用时约为133，冷启动结束。
参考图3可知整个冷启动过程中系统温度的变化，在温度达到40℃之后，系统温度不会有太大的波动，避免了冻结、解冻的反复交替。
实施例2：
以60kW燃料电池车用系统-10℃启动为例，说明其冷启动过程。
首先，在冷启动前最后一次停机时，利用空气压缩机吸入的空气流吹扫燃料电池堆11的空气腔和氢气腔，直至燃料电池堆11的空气腔和氢气腔处于相对干燥状态；单刀开关26闭合，单刀双掷开关25的b端闭合，使得蓄电池组27、燃料电池堆11共同输出20kW功率作用于电热丝13上，燃料电池堆11输出电通过DC/DC变换器24的转换后接到电热丝13上，与蓄电池组27提供的10kW功率共同用于小循环内循环水/防冻液升温，直至温度传感器一22检测到小循环温度为40℃，用时约为70s。
接下来，蓄电池组27、燃料电池堆11共同输出40kW功率。节温器16开启使小循环与大循环流量比α＝0.5，使大循环内低温防冻液逐渐与小循环内高温防冻液混合，至温度传感器二23检测大循环温度达到40℃，单刀开关26断开，单刀双掷开关25的a端闭合，用时约为100s，冷启动结束。
参考图3可知整个冷启动过程中系统温度的变化，在温度达到40℃之后，系统温度不会有太大的波动，避免了冻结、解冻的反复交替。
以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种辅助燃料电池系统冷启动的装置,包括燃料电池堆(11)、散热水泵(12)、散热器(14)、节温器(16)、温控部件、贮液箱(29)、蓄电池组(27)、与散热器(14)配套的风扇(15)，所述散热水泵(12)、散热器(14)、贮液箱(29)、节温器(16)、燃料电池堆(11)通过管道连成一个用于进行热量传递的大循环回路，其特征在于：该系统还包括电热丝(13)、单刀开关(26)、单刀双掷开关(25)、DC/DC变换器(24)，其中单刀双掷开关(25)的接电端分为a端和b端；
所述散热水泵(12)、电热丝(13)、节温器(16)、燃料电池堆(11)通过管道连成一个用于进行热量传递的小循环回路；
所述蓄电池组(27)与电热丝(13)电性连接，且在单刀开关(26)处于闭合状态时蓄电池组(27)与电热丝(13)构成一电流回路；
在所述单刀双掷开关(25)切换到a端时所述蓄电池组(27)、负荷装置(28)、燃料电池堆(11)、DC/DC变换器(24)、单刀双掷开关(25)的a端构成一电流回路；
在所述单刀双掷开关(25)切换到b端、且单刀开关(26)处于闭合状态时，所述蓄电池组(27)、负荷装置(28)、燃料电池堆(11)、DC/DC变换器(24)、单刀双掷开关(25)的b端、单刀开关(26)、电热丝(13)构成一电流回路；
所述温控部件形成两个分别监测大循环回路、小循环回路温度的感应部，且所述温控部件的输出部与单刀双掷开关(25)、单刀开关(26)形成控制关联关系。
2.根据权利要求1所述的一种辅助燃料电池系统冷启动的装置，其特征在于：所述温控部件包括同时处于大循环回路以及小循环回路上的温度传感器一(22)，所述温度传感器一(22)对应温控部件的其中一个感应部，且所述温度传感器一(22)接近燃料电池堆(11)。
3.根据权利要求2所述的一种辅助燃料电池系统冷启动的装置，其特征在于：所述温控部件包括温度传感器二(23)，所述温度传感器二(23)处于上述大循环回路上，所述温度传感器二(23)对应温控部件的另一个感应部。
4.根据权利要求3所述的一种辅助燃料电池系统冷启动的装置，其特征在于：所述温控部件还包括控制管理单元(21)，所述控制管理单元(21)对应温控部件的输出部，所述温度传感器一(22)、温度传感器二(23)通过信号线与控制管理单元(21)连接。
5.根据权利要求4所述的一种辅助燃料电池系统冷启动的装置，其特征在于：所述单刀双掷开关(25)、单刀开关(26)通过信号线与控制管理单元(21)连接。
6.根据权利要求1所述的一种辅助燃料电池系统冷启动的装置，其特征在于：所述电热丝(13)由导热导电材料制成。
7.根据权利要求5所述的一种辅助燃料电池系统冷启动的装置，其特征在于：所述大循环回路、小循环回路均贯穿燃料电池堆(11)。
8.一种使用权利要求7所述的一种辅助燃料电池系统冷启动的装置进行的冷启动方法，其特征在于：至少包含下述步骤：
a)在整个系统处于零下温度的环境时，在上一次停机过程中利用空气压缩机吸入的空气流吹扫燃料电池堆(11)的空气腔和氢气腔，直至燃料电池堆(11)的空气腔和氢气腔处于相对干燥状态；
b)温度传感器一(22)将小循环回路中的温度信号传递给控制管理单元(21)，控制管理单元(21)处理温度传感器一(22)传回的温度信号，当测得的小循环温度T22小于等于单刀开关(26)闭合的温度值T26set时，冷启动开始，控制管理单元(21)控制单刀开关(26)闭合；蓄电池组(27)与电热丝(13)电相连，电热丝(13)以系统额定功率的20％的功率对小循环内的循环水/防冻液加热；当小循环温度T22大于等于单刀双掷开关(25)b端闭合的温度值Tbset，且小于等于单刀开关(26)闭合的温度值T26set时，控制管理单元(21)控制单刀双掷开关(25)b端闭合，启动燃料电池堆(11)，并以系统额定功率40％的功率持续运行；
当小循环温度T22大于等于所述单刀开关(26)闭合的温度值T26set时，所述控制管理单元(21)控制所述节温器(16)开启，使得小循环与大循环流量比α＝0.5，大循环内低温循环水/防冻液逐渐与小循环内高温循环水/防冻液混合，循环水/防冻液流经大循环中的所述散热器(14)，所述风扇(15)不启动，整个系统以额定功率80％的功率运行；
温度传感器二(23)将大循环回路中的温度信号传递给控制管理单元(21)，控制管理单元(21)处理温度传感器二(23)传回的温度信号，当大循环温度T23大于等于所述单刀双掷开关(25)a端闭合的温度值Taset时，所述控制管理单元(21)控制所述单刀开关(26)断开，所述单刀双掷开关(25)a端闭合，所述电热丝(13)停止加热，所述燃料电池堆(11)发出的电经所述DC/DC变换器(24)和所述蓄电池组(27)并用于负载装置(28)。
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