CN110429303A - 氢燃料电池发动机冷启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢燃料电池发动机冷启动方法，该氢燃料电池发动机冷启动方法包括：对电器件进行通信检查；若通信检查无故障，则进行开机检查；若开机检查无故障，则闭合接触器以开机；令氢燃料电池输出预设电流，若预设时间内未检测到故障，则对所述氢燃料电池进行加载，使其输出功率至少达到额定功率的50％。本发明在对氢燃料电池加载之前，先以预设小电流进行预热，利用该预热过程中的电化学反应产生的热量使质子交换膜上冰霜融化，防止冰霜影响氢燃料电池的启动速度，以及避免过低温度造成单节燃料电池电压过低而造成冷启动失败，从而提高冷启动成功率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种氢燃料电池发动机冷启动方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、工作温度低、零污染、能量密度高、燃料来源广等优点，是一种高效、环境友好的新能源发电装置，可广泛应用于汽车动力、备用电源、分布式电站等许多领域。
氢燃料电池在低温环境中工作时，内部阴极侧H+离子和通入的O2反应生成的水残留在电堆的内部，在冰点以下的低温环境中会发生结冰，导致电堆内催化层、扩散层堵塞，阻碍电化学反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对氢燃料电池内部结构造成破坏，导致燃料电池反应性能降低。从而造成对整个燃料电池发动机系统的启动造成影响，尤其在极低的环境中发动机系统可能会出现启动缓慢、甚至无法启动或启动失败等问题。
良好的低温冷启动能力对于提高氢燃料电池使用范围和寿命至关重要，特别是在冷启动多次失败后，膜电极上的催化剂结构会发生变化，严重影响着电堆的性能。现如今质子交换膜燃料电池的环境适应性是其能否大范围商业化应用的重要因素，特别是在交通领域中，北方寒冷的冬天零摄氏度以下的低温环境的燃料电池发动机冷启动是目前氢燃料电池汽车面临的重要挑战之一。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种氢燃料电池发动机冷启动方法，旨在解决现有技术中氢燃料电池发动机冷启动困难的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种氢燃料电池发动机冷启动方法，该氢燃料电池发动机冷启动方法包括：
对电器件进行通信检查，所述电器件包括电池控制器、传感器和辅助设备；
若通信检查无故障，则进行开机检查，所述开机检查的对象包括电堆、氢气循环泵、氢气喷射器、节气门、旁通阀、空压机、水泵和节温器；
若开机检查无故障，则闭合接触器以开机；
令氢燃料电池输出预设电流，若预设时间内未检测到故障，则对所述氢燃料电池进行加载，使其输出功率至少达到额定功率的50％。
优选地，氢燃料电池发动机冷启动方法还包括：
开启氢气循环泵和氢气尾排阀，并且对所述氢气循环泵和氢气尾排阀进行加热；
所述闭合接触器的条件还包括：所述氢气循环泵和氢气尾排阀的温度均不低于预设值。
优选地，氢燃料电池发动机冷启动方法还包括：
当在所述对氢燃料电池进行加载的过程中检测到故障时，打开与电堆的空气入口连通的吹扫电磁阀、关闭与电堆的空气入口连通的入堆节气门，对电堆进行吹扫。
优选地，所述对电堆进行吹扫包括：
保持氢燃料电池空载，并对所述电堆持续吹扫至少4分钟，所述氢气尾排阀在吹扫开始时的两分钟内保持开1秒、关1秒循环交替的工作频率，其余时间内保持开0.5秒、关2.5秒循环交替的工作频率。
优选地，所述对电器件进行通信检查包括：
对电池控制器进行通信检查；
若所述电池控制器通信异常，则进行故障诊断；
若所述电池控制器通信正常，则对所述传感器和辅助设备进行通信检查；
当所述传感器和辅助设备通信正常时，进行开机检查。
优选地，所述若开机检查无故障，则闭合接触器以开机包括：
闭合预充接触器；
若所述预充接触器闭合后无故障，则闭合主接触器。
优选地，所述对所述氢燃料电池进行加载，使其输出功率至少达到额定功率的50％包括：
对氢燃料电池进行加载，并检测所述氢燃料电池中各单节燃料电池的电压；
若所有单节燃料电池的电压均不低于0.3V，则以5A/s的斜率加载；
若所述氢燃料电池中存在单节燃料电池的电压低于0.3V，则以3A/s的斜率加载；
若所述氢燃料电池中存在现单节燃料电池的电压低于0.15V，则以斜率15A/s开始降载；
若所述氢燃料电池中存在单节燃料电池的电压低于0.05V，则以不大于30A/s的斜率降载关机，并对所述电堆进行吹扫。
优选地，所述预设电流的电流值为4A，预设时间为15秒。
本发明在对氢燃料电池加载之前，先以预设小电流进行预热，利用该预热过程中的电化学反应产生的热量使质子交换膜上的少量的冰霜融化，防止冰霜影响氢燃料电池的启动速度，以及避免过低温度造成单节燃料电池电压过低而造成冷启动失败，从而提高冷启动成功率。
附图说明
图1为本发明实施例中氢燃料电池系统的结构示意图；
图2为本发明的氢燃料电池发动机冷启动方法的部分流程示意图；
图3为本发明的氢燃料电池发动机冷启动方法的部分流程示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同标号表示相同的元件或具有相同功能的元件。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，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种可在低温环境下快速自启动的氢燃料电池发动机冷启动方法，该方法建立于氢燃料电池系统的结构基础上，如图1所示，氢燃料电池系统包括电堆1、空气供给模块、氢气供给模块和冷却模块。其中，电堆1设有空气入口、空气出口、氢气入口、氢气出口、冷却液入口和冷却液出口。空气供给模块包括依次串联的空压机2、中冷器3、增湿器4、分别与增湿器4的两出口连接的入堆节气门5与尾排节气门6、与增湿器4和入堆节气门5并联的吹扫电磁阀7、与空压机2的出口连通的旁通阀8、和进气端分别连接增湿器4、旁通阀8和电堆1的空气出口的排气阀9，吹扫电磁阀7和入堆节气门5都连接于电堆1的空气入口，尾排节气门6连接于电堆1的空气出口，排气阀9的进气端与电堆1的空气出口连通以排出电堆1内的空气废气，旁通阀8用于当空压机2进入喘振边界时分散空气流量，从而防止喘振现象。氢气供给模块包括依次串联的储氢罐10、供氢电磁阀11、氢气喷射器12，氢气喷射器12与电堆1的氢气入口连接；氢气供给模块还包括气水分离器13、氢气循环泵14和氢气尾排阀15，气水分离器13与电堆1的氢气出口连接，且与氢气循环泵14串联，氢气尾排阀15的两端分别与氢气出口和排气阀9连通。冷却模块包括储液箱16、水泵17、散热器18和节温器19，水泵17的入口与储液箱16的出口连接，水泵17的出口具有两条支路，其中一支路连接节温器19的第一入口，另一支路连接散热器18的入口，散热器18的出口与节温器19的第二入口连接，节温器19的出口与冷却液入口连接，冷却液出口与水泵17的入口连接。中冷器3中设有散热管，该散热管的入口与节温器19的出口连接，散热管的出口与水泵17的入口连接。此外，氢燃料电池还包括电池控制器20和接触器，均与其上位控制系统(整车控制器)连接通信，以控制氢燃料电池系统的冷启动过程。接触器通过触点的开闭来控制电流的通断，以控制氢燃料电池的电压输出，即对外带载，接触器包括预充接触器和主接触器，其中预充接触器并联在主接触器上，用于缓冲电流冲击，防止主接触器接通时瞬间高压对电器件造成损伤。
基于上述氢燃料电池系统，本发明的氢燃料电池发动机冷启动方法主要包括通信检查、开机检查、开机、开机加载和关机吹扫等步骤，具体如图2和图3所示。
其中，如图2所示，对电器件进行通信检查的过程为：首先氢燃料电池在开机前输入24V低压直流电，对电池控制器20进行通信检查；如果电池控制器20通信异常，则返回上一步进行故障诊断和解决，直至电池控制器20通信正常；若电池控制器20通信正常，则开始下一步电气件通信检查，具体包括电堆1巡检电压、DCDC或电子负载等；和传感器检查，具体包括查看传感器(如设置于空气入口和空气出口位置用于检测入堆和出堆空气温度的温度传感器等)显示的初始值是否正常；以及所有辅助设备的通信检查，具体包括空压机2、氢气循环泵14、水泵17、氢气喷射器12、入堆节气门5和尾排节气门6等所有辅助设备。
若发现上述任一检测项(电气件、传感器和辅助设备通信)存在故障，则进行故障诊断，并向用户显示相应的故障代码，以帮助用户根据相应的故障代码代表的故障问题去解决故障，解决故障之后则重新进行通信检查，若上述检测项无故障，或排出故障后未再出现故障，则进行下一步开机检查。
开机检查的过程为：整车控制器下达开机检查命令，以进行开机前的检查工作，具体包括检查电堆1内部氢压、氢气循环泵14的转速、氢气喷射器12的压力、节气门(包括入堆节气门5和尾排节气门6等)的开关度及反馈、旁通阀8的开关状态、空压机2的运行状态(如输出功率，输出空气流量等)、水泵17和节温器19的运行状态。若上述检查项均无故障，即均处于预设的正常范围内，则算完成开机检查，此时可进行下一步的开机检查。作为优选，在进行开机检查的过程中，可同时开启氢气循环泵14和氢气尾排阀15的加热功能使二者温度升高，当氢气循环泵14和氢气尾排阀15的温度升高至不低于40℃以满足冷启动的温度要求时，再执行下一步的开机动作。加热氢气循环泵14和氢气尾排阀15的作用是在开机前提高电堆1内部温度。开机检查过程中，若其中任一检测项存在故障，则进行故障诊断，并向用户显示相应的故障代码，以帮助用户根据相应的故障代码代表的故障问题去解决故障，解决故障之后则重新进行开机检查。此外，氢气尾排阀15的温度达到50℃时则停止加热。
开机动作即闭合接触器，具体包括：首先整车控制器发出开机指令，令预充接触器闭合，若预充接触器闭合出现故障则进行故障诊断和解决，若预充接触器闭合正常则令主接触器闭合，主接触器闭合完成无故障之后开机完成。主接触器的作用在于根据整车控制器的命令控制氢燃料电池的电压输出，使之对外带载，从而实现下一步的开机加载过程。
开机加载的过程包括：在开机后，首先令氢燃料电池输出一个很小的电流，加载到预设电流，优选4A，并等待预设时间，预设时间优选15秒，该过程中，电堆1内电化学反应产生的热能使质子交换膜表面少量因低温产生的冰或霜融化，同时升高膜电极的温度，防止电堆1内单节燃料电池因质子交换膜表面的冰或霜的影响导致电压过低而报故障关机，致使冷启动失败。在上述预热过程中，若出现故障，则进行故障诊断并根据故障代码解决相应的问题。若氢燃料电池未出现故障就可以继续加载到更大功率，至少达到氢燃料电池的额定功率的50％才算冷启动成功。
其中，继续加载至少达到额定功率的50％的过程具体为：在对氢燃料电池进行加载过程中，同时检测各单节燃料电池的电压。如果各单节燃料电池的电压不低于0.3V，则视为正常，按照加载斜率5A/s进行加载；若各单节燃料电池中存在单节燃料电池电压低于0.3V，则将加载斜率变为3A/s，当所有单节燃料电池的电压均高于0.3V时，恢复正常加载斜率5A/s进行加载；若各单节燃料电池中存在单节燃料电池电压低于0.15V，则视为单节燃料电池电压过低，此时需立刻降载，降载斜率优选15A/s，降载斜率最大不超过30A/s，若各单节燃料电池的电压恢复高于0.15V或高于0.3V时，在按照对应的加载斜率3A/s或5A/s继续加载；若各单节燃料电池中存在单节燃料电池电压低于0.05V，则报故障并降载关机，其降载斜率最大不超过30A/s。在加载过程中，增加氢气循环泵14转速，利用其加热功能，加快氢气循环的速度即可令进入电堆1的氢气温度增高，进一步防止质子交换膜结冰。在降载过程中，则增加氢气尾排阀15的开启频率，以加快电堆1内废气、杂质和水分的排出。
整个开机加载过程中，如果出现故障，则直接开始降载关机，为进一步防止关机后，电堆1内残留的液体结冰或霜的情况，最好再进行关机吹扫。
该关机吹扫过程具体为：关闭与电堆1的空气入口连接的入堆节气门5，保持与电堆1的空气出口连接的排气阀9开启，打开与电堆1的空气入口连接的吹扫电磁阀7，利用空压机2通过吹扫电磁阀7向电堆1内吹扫未经增湿器4增湿的干燥空气，并通过排气阀9排出，使电堆1内空气侧的水份和杂质等物快速排出，与此同时，氢燃料电池处于空载状态。本关机吹扫过程至少持续4分钟，氢气尾排阀15在该过程中的开启频率为开启后前两分钟内间隔1秒开启，即开1s、关1s循环交替，再保持0.5s、关2.5s循环交替的开启频率持续至少2分钟。在吹扫过程中，电堆1内的氢气和空气压差维持在5kPa左右。水泵17的转速为氢燃料电池的功率为额定功率的50％时的转速。节温器19增加第一入口的冷却液流量，减小第二入口的冷却液流量，即利用中冷器3中通过的空气的热量将电堆1中通过的冷却液的温度维持在45℃以上。吹扫完成后下电关机，整个冷启动过程完成。
此外，当正常关机(如结束氢燃料电池的使用)的情况下也可以进入关机吹扫过程，同理的，其过程具体为：关闭与电堆1的空气入口连接的入堆节气门5，保持与电堆1的空气出口连接的排气阀9开启，打开与电堆1的空气入口连接的吹扫电磁阀7，利用空压机2通过吹扫电磁阀7向电堆1内吹扫未经增湿器4增湿的干燥空气，并通过排气阀9排出，使电堆1内空气侧的水份和杂质等物快速排出。该吹扫过程至少持续5分钟，吹扫开始时电堆1在氢燃料电池带载的状态下被连续吹扫至少2分钟，此过程中，氢气尾排阀15的开启频率为间隔一秒开启，即开1s、关1s循环交替；再在氢燃料电池空载的状态下被连续吹扫至少3分钟，此过程中，氢气尾排阀15保持开0.5s、关2.5s循环交替的开启频率。吹扫过程中，电堆1内的氢气和空气压差维持在5kPa左右。水泵17的转速为氢燃料电池的功率为额定功率的50％时的转速。节温器19和中冷器3配合使通过电堆1的冷却液的温度维持在45℃以上。
本发明在对氢燃料电池加载之前，先以预设小电流进行预热，利用该预热过程中的电化学反应产生的热量使质子交换膜上少量的冰霜融化，防止冰霜影响氢燃料电池的启动速度，以及避免过低温度造成单节燃料电池电压过低而造成冷启动失败，从而提高冷启动成功率。本发明还利用氢气循环泵14的加热功能，使进入氢燃料电池的电堆1内的氢气温度保持在一定温度以上，从而提高电堆1内温度，有效减少电堆1内的结冰现象，从而提高冷启动速度和成功率，同时防止水汽在氢气循环泵14中冷凝结冰，下次开机氢气循环泵14就可快速进入工作状态。此外，本发明还利用氢气尾排阀15的加热功能，令氢气废气能够顺利排出，防止废气排出通道堵塞，进一步提高了冷启动成功率。
以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。
Claims (8)
1.一种氢燃料电池发动机冷启动方法，其特征在于，包括：
对电器件进行通信检查，所述电器件包括电池控制器、传感器和辅助设备；
若通信检查无故障，则进行开机检查，所述开机检查的对象包括电堆、氢气循环泵、氢气喷射器、节气门、旁通阀、空压机、水泵和节温器；
若开机检查无故障，则闭合接触器以开机；
令氢燃料电池输出预设电流，若预设时间内未检测到故障，则对所述氢燃料电池进行加载，使其输出功率至少达到额定功率的50％。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机冷启动方法，其特征在于，还包括：
开启氢气循环泵和氢气尾排阀，并且对所述氢气循环泵和氢气尾排阀进行加热；
所述闭合接触器的条件还包括：所述氢气循环泵和氢气尾排阀的温度均不低于预设值。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池发动机冷启动方法，其特征在于，还包括：
当在所述对氢燃料电池进行加载的过程中检测到故障时，打开与电堆的空气入口连通的吹扫电磁阀、关闭与电堆的空气入口连通的入堆节气门，对电堆进行吹扫。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池发动机冷启动方法，其特征在于，所述对电堆进行吹扫包括：
保持氢燃料电池空载，并对所述电堆持续吹扫至少4分钟，所述氢气尾排阀在吹扫开始时的两分钟内保持开1秒、关1秒循环交替的工作频率，其余时间内保持开0.5秒、关2.5秒循环交替的工作频率。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机冷启动方法，其特征在于，所述对电器件进行通信检查包括：
对电池控制器进行通信检查；
若所述电池控制器通信异常，则进行故障诊断；
若所述电池控制器通信正常，则对所述传感器和辅助设备进行通信检查；
当所述传感器和辅助设备通信正常时，进行开机检查。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机冷启动方法，其特征在于，所述若开机检查无故障，则闭合接触器以开机包括：
闭合预充接触器；
若所述预充接触器闭合后无故障，则闭合主接触器。
7.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机冷启动方法，其特征在于，所述对氢燃料电池进行加载，使其输出功率至少达到额定功率的50％包括：
对氢燃料电池进行加载，并检测所述氢燃料电池中各单节燃料电池的电压；
若所有单节燃料电池的电压均不低于0.3V，则以5A/s的斜率加载；
若所述氢燃料电池中存在单节燃料电池的电压低于0.3V，则以3A/s的斜率加载；
若所述氢燃料电池中存在单节燃料电池的电压低于0.15V，则以斜率15A/s开始降载；
若所述氢燃料电池中存在单节燃料电池的电压低于0.05V，则以不大于30A/s的降载斜率降载关机，并对所述电堆进行吹扫。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的氢燃料电池发动机冷启动方法，其特征在于，所述预设电流的电流值为4A，预设时间为15秒。
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