CN111092246A

CN111092246A - 一种燃料电池系统启动方法

Info

Publication number: CN111092246A
Application number: CN201911404195.5A
Authority: CN
Inventors: 徐鑫; 甘全全; 王永湛
Original assignee: Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
Current assignee: Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-05-01

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统启动方法，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，输出电流逐渐增大至第一电流，输出电压逐渐增大至第一电流对应的电压；S5)继续加载至燃料电池功率达到整车启动需求，完成启动。与现有技术相比，本发明具有避免燃料电池开机高电位、提高燃料电池寿命等优点。

Description

一种燃料电池系统启动方法

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。

燃料电池系统停机一段时间再次开机时，通常是电堆阳极先供给氢气，进行氢气路吹扫，确认阳极没问题，之后再给电堆阴极通入空气，电堆电压达到开路电压(OCV，通常为0.95V)之后再进行加载运行。然而开机时的高电位导致阴极容易产生过氧化氢自由基，该自由基会攻击燃料电池中的质子交换膜，导致质子交换膜降解，容易出现穿孔等问题，对电堆安全和寿命造成损害。因此，快速的降低或者避免开机时的高电位能够有效的延长电堆寿命，一般认为燃料电池电压不能高于0.85V。

目前对于该方面的对应措施通常为给电堆串联一个放电电阻，燃料电池开机时将放电电阻接入燃料电池线路中，通过放电电阻放电降低燃料电池电压。该方法虽然一定程度上能够降低开路电压，但是由于电池节数较多，通常接入的电阻只能小幅度降低电压，开路电压一般仍然高于0.9V，仍然会对燃料电池质子交换膜造成较大的损害。此外，放电电阻的接入增加了系统成本以及复杂性。

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避免燃料电池开机高电位，提高燃料电池寿命的燃料电池系统启动方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池系统启动方法，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，输出电流逐渐增大至第一电流，输出电压逐渐增大至第一电流对应的电压值；

S5)继续加载至燃料电池功率达到整车启动需求，完成启动。

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电流对应的气体压力，所述的氢气循环泵设定为第一电流对应的转速，为后续燃料电池系统的输出电流达到第一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电流对应的转速；

S303)燃料电池系统中的空气浓度逐渐增大至第一电流对应的浓度。

优选地，所述的第一电流设定为怠速点电流，发动机刚启动时温度较低，通常会在怠速电流点暖机几分钟，等待发动机升温、其他子系统达到工作状态，而且发动机刚启动时，功率需求不高，一般怠速点功率即可满足需求，通常怠速点对应单片平均工作电压都在0.85V以下，满足对燃料电池启动过程中的电压要求。

进一步地，当打开DCDC控制器时，燃料电池电堆内只通入氢气，燃料电池各单片电压为零；

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逐渐增大，燃料电池输出电流逐渐增加至第一电流，燃料电池输出电压由零逐渐增加至第一电流对应的电压，在这一过程中，燃料电池电堆输出电压是从零逐渐增加的，整个启动过程不会出现高电位的状态，可以有效防止高电位对燃料电池造成损伤，延长燃料电池使用寿命；

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控制器继续加载输出电流，直至燃料电池功率达到整车需求，最终的输出功率可以是30％的额定功率、60％的额定功率甚至最大功率。

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怠速点电流，再打开空气压缩机通入空气，使电堆电压从零开始逐渐增大至怠速电压，与现有启动方法中，先通入空气使电堆电压达到开路电压后再进行加载运行相比，完全避免启动过程高电位的出现，保护效果好，最大程度保护燃料电池，延长燃料电池寿命；

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，就可完全避免启动过程高电位的出现，操作方便。

3)本发明要求的燃料电池系统简单，不用外加放电电阻，可直接采用原有燃料电池发动机系统就可实现目的，完全避免启动过程高电位的出现。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的燃料电池系统结构示意图；

图3为燃料电池系统启动的具体流程示意图；

图4为启动过程中电流电压变化曲线；

图5为启动过程中空气流量变化曲线。

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，本发明提供一种避免燃料电池开机高电位的燃料电池系统启动方法，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，输出电流逐渐增大至第一电流，输出电压逐渐增大至第一电流对应的电压；

S5)继续加载至燃料电池功率达到整车启动需求，完成启动。

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，各主要部件的作为为：

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；

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电流，即怠速点电流，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，设置为怠速电流点对应的转速；

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逐渐开始发电，输出电流逐渐增大至怠速电流，燃料电池电压同样由零逐渐增加至怠速电流点对应的怠速电压；

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，继续进行后续加载，直至达到整车启动需求；

步骤七：燃料电池系统启动完成。

本发明方法的工作原理为：

燃料电池电堆7启动时先供应氢气，之后通过DCDC控制器17向燃料电池电堆设置电流为怠速点电流，由于空气没有供应，燃料电池电堆7不能发电，此时燃料电池电堆输出电压为零；之后再打开空气压缩机3，给燃料电池供应空气，由于空气浓度逐渐增大，燃料电池电流也逐渐增大，燃料电池电堆输出电压逐渐从零增加至怠速电压，电流和电压均达到正常怠速水平，整个启动过程不会出现高电位的状态，防止高电位对燃料电池造成损伤。通过以上方法，保护燃料电池在启动过程中不出现高电位，延长燃料电池使用寿命。

本实施例中，以电池节数为200，额定电流400A，怠速点电流为30A的燃料电池为例，采用本发明的方法实现启动，过程如下。

燃料电池系统收到启动信号，开始启动；氢气子系统开始工作，氢气喷射器11设定为30A电流对应的气体压力，氢气循环泵14转速设定为30A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30A，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30A电流对应的转速；空气压缩机3转速逐渐增大，达到30A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逐渐增大至30A和对应的工作电压；电流稳定3s，之后再按照系统需求进行加载，燃料电池系统启动完成。启动过程中电流电压变化曲线如图4，单片电压始终小于0.83V，满足要求；启动过程中空气流量变化曲线如图5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

1.一种燃料电池系统启动方法，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电流；

S3)打开空气子系统，向燃料电池电堆(7)通入空气；

S5)继续加载至燃料电池功率达到整车启动需求，完成启动。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统启动方法，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启动方法，其特征在于，所述的氢气喷射器(11)设定为第一电流对应的气体压力，所述的氢气循环泵(14)设定为第一电流对应的转速。

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)的转速为第一电流对应的转速；

5.根据权利要求3或4任一项所述的一种燃料电池系统启动方法，其特征在于，所述的第一电流设定为怠速点电流。

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，燃料电池各单片电压为零。

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，燃料电池电堆(7)内的空气浓度逐渐增大，燃料电池输出电流逐渐增加至第一电流，燃料电池输出电压由零逐渐增加至第一电流对应的电压。

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)继续加载输出电流，直至燃料电池功率达到整车需求。