CN111048806A - 一种燃料电池系统快速低温启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统快速低温启动方法，用于在检测到外部温度低于零摄氏度时，快速启动燃料电池系统，包括以下步骤：S1)打开氢气子系统，向燃料电池电堆通入氢气；S2)启动DCDC控制器，并设定第一启动电流；S3)打开空气子系统，向燃料电池电堆通入空气；S4)燃料电池开始发电，输出电流增大至第一启动电流；S5)继续加载至燃料电池达到50％额定输出功率，完成快速低温启动，与现有技术相比，本发明具有操作简单、缩短燃料电池系统低温启动时间等优点。

Description

一种燃料电池系统快速低温启动方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统快速低温启动方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)，也叫聚电解质燃料电池(PEFC)，是一种将还原剂与氧化剂的化学能直接转化为电能的装置。燃料电池在使用时，通常都需要一套相应的辅助系统，主要包括氢气子系统、空气子系统、冷却系统、功率输出系统和电压检测系统等附件系统，其整体构成燃料电池发动机系统。其中，氢气子系统为燃料电池电堆提供氢气，并根据运行工况调节进入电堆的氢气压力和流量等；空气子系统为电堆提供适量的氧化剂(空气或氧气)，并根据工况调节进入电堆的氧化剂的压力和流量等；冷却系统能够使电堆温度保持合适水平，进而保证电堆的稳定可靠工作；功率输出系统则是通过DCDC来调节电堆的输出电压、电流的大小和变化速率；电压检测系统则通过电压检测器来监视燃料电池电堆每一个单片电压，为功率输出系统调节提供指导。

当燃料电池温度低于零度启动时，由于燃料电池产物为水，产生的水会在燃料电池内部结冰。燃料电池内部结冰后，阻碍了反应气体到达催化剂表面。当结冰完全堵死燃料电池内部时，如果燃料电池温度没有升高到零度以上，结冰导致催化层被堵，反应气体不能到达催化剂表面，反应无法进行，燃料电池电堆停止放电，低温启动失败。同时，内部的结冰会对燃料电池材料关键材料造成破坏，导致性能降低，缩短燃料电池寿命。随着燃料电池的商业化应用，低温自启动成为燃料电池越来越重要的一个指标。美国能源部订立了燃料电池低温启动的要求，要求燃料电池电堆从-20℃启动到达到50％额定输出功率的时间小于30秒。虽然目前的燃料电池产品大部分都可以实现从-20℃低温自启动，但是需要在30秒内达到50％额定输出功率还是有很大难度的，比如一台燃料电池系统额定电流为400A，按照中国专利CN110429303A所述，加载斜率一般为3A/s或者5A/s，如果达到50％额定功率需要的电流～180A，则加载时间为36～60s，再加上前期预设小电流预热时间15s，则启动时间为51～75s，远低于DOE的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种缩短燃料电池系统低温启动时间的燃料电池系统快速低温启动方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池系统快速低温启动方法，用于在燃料电池系统检测到外部温度低于零摄氏度时，快速启动燃料电池系统，包括以下步骤：

S1)打开氢气子系统，向燃料电池电堆通入氢气；

S2)启动DCDC控制器，并设定燃料电池电堆电流值为第一启动电流；

S3)打开空气子系统，向燃料电池电堆通入空气；

S4)燃料电池开始发电，输出电流增大至第一启动电流；

S5)继续加载至燃料电池达到50％额定输出功率，完成快速低温启动。

进一步地，所述的步骤S1)具体包括：

S101)打开氢气减压阀，持续通入设定压力的氢气；

S102)打开氢气排气电磁阀，关闭氢气循环电磁阀，进行阳极吹扫；

S103)吹扫结束后关闭氢气排气电磁阀；

S104)打开氢气循环电磁阀，并设定氢气循环泵的转速和氢气喷射器的气体压力，向燃料电池电堆通入氢气。

进一步优选地，所述的氢气喷射器设定为第一启动电流对应的气体压力，所述的氢气循环泵设定为第一启动电流对应的转速，为后续燃料电池系统快速达到第一启动电流提供足够的氢气。

进一步地，所述的步骤S3)具体包括：

S301)打开空气压缩机；

S302)设定空气压缩机的转速为第一启动电流对应的转速；

S303)燃料电池系统中的空气浓度增大至第一启动电流对应的浓度。

优选地，所述的第一启动电流根据燃料电池系统自身的冷启动实验设定，其第一启动电流对应的启动单片电压平均值在0.3～0.5V之间。

更进一步地，当打开DCDC控制器时，燃料电池电堆内只通入氢气，燃料电池电压为零，此时不会损坏燃料电池。

更进一步地，当打开空气压缩机时，燃料电池电堆内的空气浓度增大，燃料电池输出电流增加至第一启动电流，燃料电池输出电压增加至第一启动电流对应的电压，由于DCDC控制器设定燃料电池电堆为第一启动电流，氢气子系统中各部件参数也设定为与第一启动电流对应的参数值，因此当打开空气压缩机设定为第一启动电流对应的转速时，通入燃料电池电堆的空气流量瞬间快速达到第一启动电流对应的空气流量，燃料电池输出电流和输出电压在2秒内可以迅速增加到第一启动电流，相应的，燃料电池输出电压也迅速增加到第一启动电流对应的电压值。

更进一步地，所述的步骤S5)中，所述的燃料电池系统通过设置DCDC控制器，以设定电流加载速度继续加载，直至达到额定功率的50％，继续加载的过程通过DCDC控制器控制，氢气和空气子系统会跟随，其流量、压力同时变化。

更进一步优选地，所述的电流加载速度为5A/s或者10A/s。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明首先打开DCDC控制器，并将燃料电池电堆电流值设置为第一启动电流，再打开空气压缩机，并以第一启动电流对应的转速，向燃料电池电堆鼓入空气，使得燃料电池系统的空气流量快速增加，输出电流快速达到第一启动电流，在此基础上继续加载达到50％额定输出功率，相比于传统的从输出电流为0的基础上加载达到50％额定输出功率，显著缩短低温启动时间，实现燃料电池系统的快速低温启动；

2)本发明无需改变燃料电池系统的结构，只需要通过调整现有启动程序中的启动顺序，将DCDC控制器与空气压缩机打开的顺序进行调换，就可实现燃料电池系统的快速低温启动，操作方便；

3)本发明中，打开DCDC控制器向燃料电池电堆设置启动电流时，没有空气供应，燃料电池不能发电，此时燃料电池电压为零，不会损坏燃料电池，安全性高，保证燃料电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明燃料电池低温快速启动的流程示意图；

图2为本发明的燃料电池系统结构示意图；

图3为本发明的燃料电池系统启动流程；

图4为本发明加载电流曲线与正常加载电流曲线对比关系示意图；

图5为本发明低温启动过程中的输出电压和输入电压变化曲线图；

图6为本发明低温启动过程中的空气流量变化曲线图。

其中，1、空气过滤器，2、空气流量计，3、空气压缩机，4、空气进气节气门，5、空气增湿器，6、空气入口温压一体传感器，7、燃料电池电堆，8、空气出口温压一体传感器，9、空气出气节气门，10、氢气减压阀，11、氢气喷射器，12、氢气入口压力传感器，13、氢气循环电磁阀，14、氢气循环泵，15、氢气排气电磁阀，16、氢气和空气混合排气管，17、燃料电池系统DCDC控制器，18、燃料电池电堆输出电流传感器，19、燃料电池电堆输出电压传感器，20、燃料电池单片电压监测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种燃料电池系统快速低温启动方法，在检测到外部温度低于零摄氏度时，通过本发明的方法可快速启动燃料电池系统，包括以下步骤：

S1)打开氢气子系统，向燃料电池电堆7通入氢气；

S2)启动DCDC控制器17，并设定燃料电池电堆电流值为第一启动电流；

S3)打开空气子系统，向燃料电池电堆7通入空气；

S4)燃料电池开始发电，输出电流增大至第一启动电流；

S5)继续加载至燃料电池达到50％额定输出功率，完成快速低温启动。

如图2所示，为本发明的燃料电池系统低温启动方法采用的装置，包括燃料电池电堆7、空气子系统、氢气子系统、功率控制子系统和燃料电池单片电压监测器20。

空气子系统包括空气过滤器1、空气流量计2、空气压缩机3、空气进气节气门4、空气增湿器5、空气出气节气门9以及空气入口温压一体传感器6和空气出口温压一体传感器8。

空气过滤器1连接空气流量计2，空气流量计2之后连接空气压缩机3，空气压缩机3之后连接空气进气节气门4，空气进气节气门通过中冷器与空气增湿器5的干气体入口连接，空气增湿器5的干气体出口与燃料电池电堆7的阴极入口连接，燃料电池电堆7的阴极出口与空气增湿器5的湿气体入口连接，空气增湿器5的湿气体出口与空气出气节气门9连接，空气出气节气门9与氢气和空气混合排气管16连接。

氢气子系统包括氢气减压阀10、氢气喷射器11、氢气入口压力传感器12、氢气循环泵14以及氢气排气电磁阀15和氢气循环电磁阀13。

氢气减压阀10与氢气喷射器11连接，氢气喷射器11出口与燃料电池电堆7的阳极入口连接，燃料电池电堆7的阳极出口分别与氢气排气电磁阀15及氢气循环泵14连接，氢气循环泵14与氢气循环电磁阀13连接，氢气循环电磁阀13与氢气喷射器11连接，氢气排气电磁阀15与氢气和空气混合排气管16连接。

功率控制子系统包括DCDC控制器17、燃料电池电堆输出电流传感器18和燃料电池电堆输出电压传感器19。

DCDC控制器17与燃料电池电堆7正负极并联，燃料电池电堆输出电流传感器18串联在燃料电池电堆7和DCDC控制器17之间，燃料电池电堆输出电压传感器19与燃料电池电堆7正负极并联。

单片电压监测器20分别与燃料电池电堆7的每个单片连接，监测每个单片电压。

其中，各主要部件的作用为：

空气过滤器1：过滤空气中的污染物，如氮氧化物、硫氧化物等。

空气流量计2：测量空气流量。

空气压缩机3：提供燃料电池运行时需要的空气。

空气进气节气门4：调节空气入堆压力及流量，停机后用于密封电堆。

空气增湿器5：给入堆空气增湿。

空气入口温压一体传感器6：监测入堆空气的温度和压力。

燃料电池电堆7：发电，将氢气和空气的化学能转换为电能。

空气出口温压一体传感器8：监测出堆空气的温度和压力。

空气出口节气门9：调节空气入堆压力及流量，停机后用于密封电堆。

氢气减压阀10：将高压氢气减压成低压氢气，供给电堆。

氢气喷射器11：补充电堆需要的氢气流量和压力。

氢气入口压力传感器12：监测入堆氢气的压力。

氢气循环电磁阀13：用于在氢气排气电磁阀15排气时截断氢气。

氢气循环泵14：将电堆出口氢气回流至电堆氢气入口。

氢气排气电磁阀15：电堆氢气路排气及排水。

氢气和空气混合排气管16：将氢气和空气出气混合排入大气。

DCDC控制器17：调整电堆输出电流和电压。

燃料电池电堆输出电流传感器18：监测燃料电池输出电流。

燃料电池电堆输出电压传感器19：监测燃料电池输出电压。

燃料电池单片电压监测器20：监测燃料电池单片电压。

如图3所示，本发明的燃料电池系统快速低温启动方法具体流程包括：

步骤一：燃料电池系统接收到启动信号，并检测到外界环境温度为零度以下，执行冷启动程序；

步骤二：燃料电池系统中的氢气子系统工作，利用氢气减压阀10持续补入一定压力的氢气，进行阳极吹扫，氢气排气电磁阀15打开，氢气循环电磁阀13关闭；吹扫结束后关闭氢气排气电磁阀15，打开氢气循环电磁阀13和氢气循环泵14；

步骤三：确认氢气子系统可以正常工作后，开启DCDC控制器17，将燃料电池电堆7的电流值设置为第一启动电流，此时由于空气没有供应，燃料电池不能供应电流，且各单片电压基本为零；

步骤四：DCDC控制器17设置完成后，打开空气压缩机3，并设置为第一启动电流对应的转速；

步骤五：外界空气经过空气过滤器1进入燃料电池电堆7，由于空气开始供应，燃料电池电堆7开始发电，输出电流快速增大至第一启动电流，燃料电池电压同样由零快速增加至第一启动电流对应的电压；

步骤六：确认燃料电池电堆输出电流传感器18和燃料电池电堆输出电压传感器19给出的信号正常后，通过设置DCDC控制器17，使燃料电池系统按照设定的加载速度继续加载，加载速度可以设置为5A/s或10A/s，直至达到50％额定输出功率；

步骤七：燃料电池系统冷启动完成。

本发明方法的工作原理为：

在燃料电池电堆7启动时先供应氢气，之后通过DCDC控制器17设置燃料电池电堆7的电流为第一启动电流，由于此时空气没有供应，燃料电池电堆7不能发电，燃料电池电堆输出电压为零，不会损坏燃料电池，可以有效保证燃料电池的寿命；再打开空气压缩机3给燃料电池供应空气，此时整个燃料电池系统中各部件的参数设置都与第一启动电流相对应，燃料电池电堆7中的空气浓度快速增大至与第一启动电流对应的浓度值，因此燃料电池输出电流可以在2秒内迅速增加到第一启动电流，相应的，燃料电池输出电压也快速增加到第一启动电流对应的电压值；之后在此基础上继续加载，直至燃料电池输出功率达到50％额定输出功率。通过以上方法，缩短燃料电池低温启动时间，达到快速启动的目的。如图4所示，为本发明加载电流曲线与正常加载电流曲线对比。

本实施例中，以电池节数为200，额定电流400A，50％额定功率对应电流为180A的燃料电池为例，采用本发明的方法进行低温快速启动，过程如下。

燃料电池系统收到启动信号，检测到外界环境温度-20℃，启动冷启动程序；氢气子系统开始工作，氢气喷射器11设定为100A电流对应的气体压力，氢气循环泵14转速设定为100A对应的转速，氢气循环电磁阀13正常运行；确认氢气子系统正常工作后，燃料电池系统的DCDC控制器17设定电流为100A，此时没有空气，燃料电池电压为零；确认DCDC控制器17设定完成后，启动空气压缩机3，并设定转速为100A电流对应的转速；空气压缩机3转速逐渐增大，达到100A电流对应转速的过程中，燃料电池电堆输出电流和输出电压迅速增大至100A和对应工作电压；电流稳定3s，之后再通过设置DCDC控制器17，使燃料电池系统按照5A/s的速度继续加载，直至加载至180A，耗时26s，满足要求；燃料电池输出功率达到50％，燃料电池系统低温启动完成。启动过程中电流电压变化曲线如图5所示，空气流量变化曲线如图6所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统快速低温启动方法，用于在燃料电池系统检测到外部温度低于零摄氏度时，快速启动燃料电池系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1)打开氢气子系统，向燃料电池电堆(7)通入氢气；

S2)启动DCDC控制器(17)，并设定燃料电池电堆电流值为第一启动电流；

S3)打开空气子系统，向燃料电池电堆(7)通入空气；

S4)燃料电池开始发电，输出电流增大至第一启动电流；

S5)继续加载至燃料电池达到50％额定输出功率，完成快速低温启动。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统快速低温启动方法，其特征在于，所述的步骤S1)具体包括：

S101)打开氢气减压阀(10)，持续通入设定压力的氢气；

S102)打开氢气排气电磁阀(15)，关闭氢气循环电磁阀(13)，进行阳极吹扫；

S103)吹扫结束后关闭氢气排气电磁阀(15)；

S104)打开氢气循环电磁阀(13)，并设定氢气循环泵(14)的转速和氢气喷射器(11)的气体压力，向燃料电池电堆(7)通入氢气。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统快速低温启动方法，其特征在于，所述的氢气喷射器(11)设定为第一启动电流对应的气体压力，所述的氢气循环泵(14)设定为第一启动电流对应的转速。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统快速低温启动方法，其特征在于，所述的步骤S3)具体包括：

S301)打开空气压缩机(3)；

S302)设定空气压缩机(3)的转速为第一启动电流对应的转速；

S303)燃料电池系统中的空气浓度增大至第一启动电流对应的浓度。

5.根据权利要求3或4任一项所述的一种燃料电池系统快速低温启动方法，其特征在于，所述的第一启动电流根据燃料电池系统自身的冷启动实验设定。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统快速低温启动方法，其特征在于，当打开DCDC控制器(17)时，燃料电池电堆(7)内只通入氢气，所述的燃料电池电压为零。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池系统快速低温启动方法，其特征在于，当打开空气压缩机(3)时，所述的燃料电池电堆(7)内的空气浓度增大，燃料电池输出电流增加至第一启动电流，燃料电池输出电压增加至第一启动电流对应的电压。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池系统快速低温启动方法，其特征在于，所述的步骤S5)中，所述的燃料电池系统通过设置DCDC控制器(17)，以设定的电流加载速度继续加载，直至达到额定功率的50％。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池系统快速低温启动方法，其特征在于，所述的电流加载速度为5A/s或者10A/s。

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