CN111082103A

CN111082103A - 一种燃料电池系统低温自启动方法

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Publication number: CN111082103A
Application number: CN201911415899.2A
Authority: CN
Inventors: 徐鑫; 甘全全; 戴戚
Original assignee: Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
Current assignee: Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN111082103B

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统低温自启动方法，所用装置包括燃料电池电堆、氧化剂系统、燃料系统，所述的低温自启动方法包括：通过燃料系统向燃料电池电堆通入燃料，控制氧化剂系统，向燃料电池电堆间歇通入氧化剂，使燃料电池电堆在低电压状态下工作产热，从而实现低温启动。与现有技术相比，本发明操作方便、系统策略简单，仅需控制压缩机间歇启动或关闭，以及通过负载控制器调整启动电流即可实现大功率产热，从而在较低温度下，如‑30℃实现自启动。

Description

一种燃料电池系统低温自启动方法

技术领域

本发明属于燃料电池系统技术领域，涉及一种燃料电池系统低温自启动方法。

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，主要包括氢气系统、空气系统、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负载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前，如果燃料电池温度没有升高到零度以上，导致低温启动失败。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。目前的燃料电池产品大部分都可以实现从-20℃低温自启动。但是如何实现更低温度比如-30℃的燃料电池低温自启动依然是一个重大难题。

燃料电池低温自启动的关键问题是在结冰堵死燃料电池内部之前产生足够的热量将燃料电池电堆温度升高至冰点以上。燃料电池电堆低温自启动时，一方面产生的能量对外输出，一方面产生热量用于加热自身。为了实现低温自启动，则需要提高产热功率，快速加热燃料电池电堆本身。中国专利CN109950578公开了一种冷启动系统及其控制方法，通过在氧化剂供应管路中加入喷射器降低进入燃料电池电堆的空气的氧气含量，通过浓差极化的作用降低燃料电池对外输出功率，提高燃料电池产热功率，从而实现低温自启动。然而该发明带来其他方面的一些问题：1)增加的喷射器导致燃料电池系统体积和质量比功率降低，成本增加；2)增加的喷射器前没有截止阀，燃料电池系统空腔体积增大，导致燃料电池停机后容易出现氢空界面，损坏燃料电池性能，缩短燃料电池寿命；3)燃料电池冷启动时空气流量需求大，增加的喷射器功率需求搞，需要额外消耗功率，降低系统发电效率；4)增加的喷射器控制策略复杂，需要随时通过燃料电池输出电压调整空压机转速，或者调整喷射器喷射频率及功率，增加系统控制的不确定度。

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燃料电池系统低温自启动方法，用于解决低温环境下燃料电池启动困难的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池系统低温自启动方法，所用装置包括燃料电池电堆、氧化剂系统、燃料系统，所述的低温自启动方法包括：通过燃料系统向燃料电池电堆通入燃料，控制氧化剂系统，向燃料电池电堆间歇通入氧化剂，使燃料电池电堆在低电压状态下工作产热，从而实现低温启动。

所述的燃料电池系统还包括分别与燃料电池电堆、氧化剂系统、燃料系统电连接的控制器。

进一步地，所述的氧化剂包括空气；所述的燃料包括氢气。

进一步地，所述的氧化剂系统包括用于向燃料电池电堆阴极提供氧化剂的压缩机；

所述的燃料系统包括分别与燃料电池电堆的阳极相连通的吹扫支路及循环支路；

所述的燃料电池系统还包括与燃料电池电堆电连接的负载控制器；

所述的低温自启动方法具体包括以下步骤：

1)开启吹扫支路并对燃料电池电堆进行阳极吹扫，之后关闭吹扫支路、开启循环支路；

2)设定循环温度阈值、终点温度阈值、启动电流，并调整压缩机的工作转速使其与第一启动电流相适配；

3)间歇启动或关闭压缩机，使燃料电池电堆的电流由零增大至启动电流再降低至零，电压由零逐渐增加至与启动电流相对应的启动电压再降低至零，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值；

4)判断氧化剂出口温度是否达到终点温度阈值，若是，则执行步骤5)，若否，则重新设定循环温度阈值、启动电流、压缩机的工作转速，并返回步骤3)；

5)燃料电池系统正常工作直至氧化剂出口温度达到0℃以上，即完成低温启动。

进一步地，步骤1)中，阳极吹扫过程中，吹扫压力为20-50kPa，吹扫时间为5-10s；

循环支路开启后，阳极燃料压力为20-50kPa。

进一步地，步骤2)中，所述的循环温度阈值的起始值为-30℃至-20℃；该温度下燃料电池电堆难以正常冷启动，需要产生更多的热量才能自启动；

所述的终点温度阈值为-15℃至-10℃，该温度下燃料电池电堆基本可以正常工作；

所述的启动电流的起始值为50-100A，启动温度太低时，初始启动电流不宜过大，以免损坏燃料电池，启动电流的具体起始值需要根据实验标定。

进一步地，步骤3)中，间歇启动或关闭压缩机(3)过程中，压缩机(3)的开启时间为3-6s，关闭时间为2-3s。

进一步地，步骤4)中，每次循环后，循环温度阈值的增长幅度为5-10℃；

启动电流的增长幅度为10-50A，并需要根据实验标定。

进一步地，所述的氧化剂系统还包括氧化剂过滤器、氧化剂流量计、氧化剂进气节气门、氧化剂增湿器、氧化剂入口温压一体传感器、氧化剂出口温压一体传感器、氧化剂出气节气门、混合排气管；

所述的氧化剂过滤器、氧化剂流量计、压缩机、氧化剂进气节气门、氧化剂增湿器、氧化剂入口温压一体传感器、燃料电池电堆、氧化剂出口温压一体传感器、氧化剂增湿器、氧化剂出气节气门、燃料和氧化剂混合排气管依次串联设置；

所述的燃料系统包括燃料减压阀、燃料喷射器、燃料入口压力传感器、第一气用电磁阀、燃料循环泵、第二气用电磁阀；

所述的燃料减压阀、燃料喷射器、燃料入口压力传感器、燃料电池电堆、第一气用电磁阀、混合排气管依次串联设置构成吹扫支路；

所述的燃料喷射器、燃料入口压力传感器、燃料电池电堆、燃料循环泵、第二气用电磁阀依次循环连通构成循环支路；

所述的第二气用电磁阀的出口端与混合排气管相连通。

进一步地，所述的燃料电池系统还包括单片电压监测器，以及用于监测燃料电池电堆输出电流的输出电流传感器、监测输出电压的输出电压传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明操作方便、系统策略简单，仅需控制压缩机间歇启动或关闭，以及通过负载控制器调整启动电流即可实现燃料电池的低温启动，无需随时调整控制策略；

2)产热功率大，可以在较低温度下(-30℃)实现自启动；

3)本发明通过间歇启动或关闭压缩机，控制燃料电池中氧化剂浓度在低温启动低电流时产热更多，可以实现更低温度启动。

附图说明

图1为本发明中一种燃料电池系统低温自启动方法的工作流程图；

图2为本发明中一种燃料电池系统低温自启动装置的结构示意图；

图3为采用本发明中的燃料电池系统低温自启动方法的输出电压和输出电流曲线示意图；

图4为正常情况下燃料电池的输出电压和输出电流曲线示意图；

图5为实施例1中燃料电池进口流量及出口温度曲线图；

图6为实施例1中燃料电池系统低温自启动过程的输出电压和输出电流曲线图；

图中标记说明：

1-氧化剂过滤器、2-氧化剂流量计、3-压缩机、4-氧化剂进气节气门、5-氧化剂增湿器、6-氧化剂入口温压一体传感器、7-燃料电池电堆、8-氧化剂出口温压一体传感器、9-氧化剂出气节气门、10-燃料减压阀、11-燃料喷射器、12-燃料入口压力传感器、13-第二气用电磁阀、14-燃料循环泵、15-第一气用电磁阀、16-混合排气管、17-负载控制器、18-输出电流传感器、19-输出电压传感器、20-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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图2所示的一种燃料电池系统低温自启动装置，包括燃料电池电堆7、氧化剂系统、燃料系统、功率控制系统，以及单片电压监测器20。

其中，氧化剂系统包括氧化剂过滤器1、氧化剂流量计2、压缩机3、氧化剂进气节气门4、氧化剂增湿器5、氧化剂入口温压一体传感器6、氧化剂出口温压一体传感器8、氧化剂出气节气门9、混合排气管16；

连接顺序如下：氧化剂过滤器1、氧化剂流量计2、压缩机3、氧化剂进气节气门4依次串联设置，氧化剂增湿器5的干气体入口及出口分别与氧化剂进气节气门4内的中冷器出口、燃料电池电堆7的阴极入口相连通，氧化剂增湿器5的湿气体入口及出口分别与燃料电池电堆7的阴极出口、氧化剂出气节气门9相连通，所流通的氧化剂为空气。

其中，氧化剂过滤器1用于过滤空气中污染物，如氮氧化物、硫氧化物等；氧化剂流量计2用于测量空气流量；氧化剂进气节气门4用于调节空气入堆压力及流量，停机后密封电堆；氧化剂增湿器5用于提高进入燃料电池电堆7的空气湿度；氧化剂入口温压一体传感器6用于监测入堆空气的温度和压力；氧化剂出口温压一体传感器8用于监测出堆空气的温度和压力；氧化剂出气节气门9用于调节空气入堆压力及流量，停机后密封电堆；

混合排气管16与氧化剂出气节气门9相连通，用于将出口气体排入大气；

燃料系统包括燃料减压阀10、燃料喷射器11、燃料入口压力传感器12、第一气用电磁阀15、燃料循环泵14、第二气用电磁阀13；

连接顺序如下：燃料减压阀10、燃料喷射器11、燃料入口压力传感器12、燃料电池电堆7、第一气用电磁阀15、混合排气管16依次串联设置构成吹扫支路；燃料喷射器11、燃料入口压力传感器12、燃料电池电堆7、燃料循环泵14、第二气用电磁阀13依次循环连通构成循环支路；所流通的燃料为氢气。

其中，燃料减压阀10用于与高压氢气源连接并将高压氢气减压至低压氢气，供给燃料电池电堆7；燃料喷射器11用于补充燃料电池电堆7需要的流量和压力；燃料入口压力传感器12用于监测入堆氢气的压力；第一气用电磁阀15用于电堆氢气路排气及排水；燃料循环泵14用于将燃料电池电堆7出口氢气回流至燃料电池电堆7氢气入口；第二气用电磁阀13用于在第一气用电磁阀15排气时截断氢气；

功率控制系统包括负载控制器17(DCDC)、输出电流传感器18，以及输出电压传感器19；其中，负载控制器17与燃料电池电堆7正负极并联，输出电流传感器18串联在燃料电池电堆7与负载控制器17之间，输出电压传感器18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。

将上述装置在-30℃环境中储存24h，之后基于如图1所示的方法进行燃料电池系统低温自启动，具体包括以下步骤：

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

2)燃料系统工作，第一气用电磁阀15打开，第二气用电磁阀13关闭，调整燃料减压阀10持续补入50kPa的氢气，进行10s阳极吹扫；吹扫结束后关闭第一气用电磁阀15，打开第二气用电磁阀13与燃料循环泵14，持续补入氢气使阳极压力保持在50kPa；

3)确认氢气系统可以正常工作后，通过负载控制器17设置第一启动电流为80A，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；

4)负载设置完成后，打开压缩机3，并设置转速使空气流量达到700NLPM，外界空气经过氧化剂过滤器1进入燃料电池电堆7，由于空气开始供应，燃料电池逐渐开始发电，输出电流增大至第一启动电流，燃料电池输出电压同样由零逐渐增加至第一启动电流点对应电压；

5)燃料电池输出电流达到第一启动电流后，运行6s，停止压缩机3，由于压缩机3停止工作，空气停止供应，燃料电池输出电压降低至零；

6)压缩机3停止工作后3s，重新开启压缩机3，设置为第一启动电流点对应转速，由于空气开始供应，燃料电池第二次逐渐开始发电，电流增大至第一启动电流，燃料电池电压同样由零逐渐增加至第一启动电流点对应电压；

7)重复步骤5与步骤6)，直至检测到空气出口温度达到第一循环温度阈值，-20℃；

8)在压缩机3停止工作后，调整负载控制器17，通过负载控制器17设置第二启动电流为120A，设置压缩机3转速使空气流量为1000NLPM；

9)燃料电池输出电流达到第二启动电流后，运行6s，停止压缩机3，燃料电池输出电压降低至零；

10)压缩机3停止工作后3s，重新开启压缩机3，设置为第二启动电流点对应转速，输出电流增大至第二启动电流，输出电压逐渐增加至第二启动电流点对应电压；

11)重复步骤9)与步骤10)，直至检测到空气出口温度达到第二循环温度阈值，-10℃；

12)当检测到空气出口温度达到第二温度阈值后，压缩机3持续运行，燃料电池系统持续加载，氢气系统、空气系统和冷却系统正常工作；

13)直至空气出口温度达到零度以上，低温启动完成。

上述过程中，进口空气流量与出口空气温度变化如图5所示，电压电流变化如图6所示。

工作原理：燃料电池在工作时除输出有效功外，还会产生热量，燃料电池单片产生热量的功率：P＝(1.2-U_out)·I，

其中1.2V为燃料电池低热值理论电动势，U_out为燃料电池平均输出电压，I为燃料电池输出电流；

由该公式可知，相同电流下，输出电压越低，产热功率越大。按照本发明的低温启动方法进行低温启动时，对应的燃料电池输出电压与输出电流曲线如图3所示，在燃料电池低温启动时先供应氢气，之后通过负载向燃料电池抽取电流，由于此时燃料电池电堆7中还未有空气供应，燃料电池不能发电，此时燃料电池输出电压为零；之后再给燃料电池供应空气，由于空气含量逐渐增大，燃料电池电流也逐渐增大，燃料电池输出电压逐渐从零增加至启动电流对应电压；电压稳定后停止空气供应，由于空气含量逐渐降低，燃料电池输出电压逐渐降低，同时电流逐渐降低；两个过程中电流和输出电压变化趋势一致，而正常燃料电池输出电压和输出电流曲线如图4所示，正常燃料电池空气供应充足，在输出电流较低时，输出电压较高，接近OCV(～1.0V)，导致产热功率较低，而本实施例中的低温启动过程中，空气供应不足，燃料电池浓差极化大，输出电压低，产热功率高，因此可以实现更低温度启动。

实施例2：

如图1所示的一种基于实施例1中的燃料电池系统低温自启动装置的燃料电池系统低温自启动方法，包括

1)开启吹扫支路并对燃料电池电堆7进行阳极吹扫，之后关闭吹扫支路、开启循环支路；

2)设定循环温度阈值、终点温度阈值、启动电流，并调整压缩机3的工作转速使其与第一启动电流相适配；

3)间歇启动或关闭压缩机3，即压缩机3运行3s后关闭停运2s，之后再启动并运行3s再关闭2s，如此循环，使燃料电池电堆7的电流由零增大至启动电流再降低至零，电压由零逐渐增加至与启动电流相对应的启动电压再降低至零，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值；

4)判断氧化剂出口温度是否达到终点温度阈值，若是，则执行步骤5)，若否，则重新设定循环温度阈值、启动电流、压缩机3的工作转速，并返回步骤3)；

其中，循环温度阈值分别为-30℃、-25℃、-20℃、-15℃、-10℃；终点温度阈值为-10℃；启动电流分别为80A、90A、100A、110A、120A。

步骤1)中，阳极吹扫过程中，吹扫压力为20kPa，吹扫时间为5s；

循环支路开启后，阳极燃料压力为20kPa；

步骤3)中，压缩机3在间歇启动及关闭过程中，运行时间为6s，关闭时间为3s。

其余同实施例1。

实施例3：

本实施例中，循环温度阈值分别为-20℃、-15℃；终点温度阈值为-15℃；启动电流分别为50A、100A。

步骤1)中，阳极吹扫过程中，吹扫压力为40kPa，吹扫时间为8s；

循环支路开启后，阳极燃料压力为40kPa；

步骤3)中，压缩机3在间歇启动及关闭过程中，运行时间为5s，关闭时间为2.5s。

其余同实施例2。

实施例4：

本实施例中，循环温度阈值分别为-25℃、-19℃、-13℃；终点温度阈值为-13℃；启动电流分别为100A、120A、140A。

步骤1)中，阳极吹扫过程中，吹扫压力为50kPa，吹扫时间为10s；

循环支路开启后，阳极燃料压力为50kPa。

其余同实施例2。

实施例5：

本实施例中，循环温度阈值分别为-30℃、-20℃、-10℃；终点温度阈值为-10℃；启动电流分别为100A、120A、140A。

其余同实施例2。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种燃料电池系统低温自启动方法，所述的燃料电池系统包括燃料电池电堆(7)、氧化剂系统、燃料系统，其特征在于，

所述的低温自启动方法包括：通过燃料系统向燃料电池电堆(7)通入燃料，控制氧化剂系统，向燃料电池电堆(7)间歇通入氧化剂，使燃料电池电堆(7)在低输出电压状态下工作产热，从而实现低温启动。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温自启动方法，其特征在于，所述的氧化剂包括空气；所述的燃料包括氢气。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温自启动方法，其特征在于，

所述的氧化剂系统包括用于向燃料电池电堆(7)阴极提供氧化剂的压缩机(3)；

所述的燃料系统包括分别与燃料电池电堆(7)的阳极相连通的吹扫支路及循环支路；

所述的低温自启动方法具体包括以下步骤：

1)开启吹扫支路并对燃料电池电堆(7)进行阳极吹扫，之后关闭吹扫支路、开启循环支路；

2)设定循环温度阈值、终点温度阈值、启动电流，并调整压缩机(3)的工作转速使其与启动电流相适配；

3)间歇启动或关闭压缩机(3)，使燃料电池电堆(7)的电流由零增大至启动电流再降低至零，电压由零逐渐增加至与启动电流相对应的启动电压再降低至零，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值；

4)判断氧化剂出口温度是否达到终点温度阈值，若是，则执行步骤5)，若否，则重新设定循环温度阈值、启动电流、压缩机(3)的工作转速，并返回步骤3)；

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统低温自启动方法，其特征在于，

步骤1)中，阳极吹扫过程中，吹扫压力为20-50kPa，吹扫时间为5-10s；

循环支路开启后，阳极燃料压力为20-50kPa。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统低温自启动方法，其特征在于，步骤2)中，所述的循环温度阈值的起始值为-30℃至-20℃；

所述的终点温度阈值为-15℃至-10℃；

所述的启动电流的起始值为50-100A。

6.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统低温自启动方法，其特征在于，步骤3)中，间歇启动或关闭压缩机(3)过程中，压缩机(3)的开启时间为2-3s，关闭时间为2-3s。

7.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统低温自启动方法，其特征在于，

步骤4)中，每次循环后，循环温度阈值的变化幅度为5-10℃；

启动电流的变化幅度为10-50A。

8.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统低温自启动方法，其特征在于，所述的氧化剂系统还包括氧化剂过滤器(1)、氧化剂流量计(2)、氧化剂进气节气门(4)、氧化剂增湿器(5)、氧化剂入口温压一体传感器(6)、氧化剂出口温压一体传感器(8)、氧化剂出气节气门(9)、混合排气管(16)；

所述的氧化剂过滤器(1)、氧化剂流量计(2)、压缩机(3)、氧化剂进气节气门(4)、氧化剂增湿器(5)、氧化剂入口温压一体传感器(6)、燃料电池电堆(7)、氧化剂出口温压一体传感器(8)、氧化剂增湿器(5)、氧化剂出气节气门(9)、燃料和氧化剂混合排气管(16)依次串联设置；

所述的燃料系统包括燃料减压阀(10)、燃料喷射器(11)、燃料入口压力传感器(12)、第一气用电磁阀(15)、燃料循环泵(14)、第二气用电磁阀(13)；

所述的燃料减压阀(10)、燃料喷射器(11)、燃料入口压力传感器(12)、燃料电池电堆(7)、第一气用电磁阀(15)、混合排气管(16)依次串联设置构成吹扫支路；

所述的燃料喷射器(11)、燃料入口压力传感器(12)、燃料电池电堆(7)、燃料循环泵(14)、第二气用电磁阀(13)依次循环连通构成循环支路；

所述的第二气用电磁阀(13)的出口端与混合排气管(16)相连通。

9.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统低温自启动方法，其特征在于，所述的燃料电池系统还包括单片电压监测器(20)，以及用于监测燃料电池电堆(7)输出电流的输出电流传感器(18)、监测输出电压的输出电压传感器(19)。