CN111180758B - 一种燃料电池系统低温启动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统低温启动装置及方法，装置包括燃料电池电堆、电子开关、DCDC控制器、阳极加热电阻、阴极加热电阻；其中，燃料电池电堆、DCDC控制器电连接构成控制回路；电子开关、阳极加热电阻、燃料电池电堆、阴极加热电阻电连接构成加热回路；方法包括闭合电子开关连通加热回路，使加热电阻在燃料电池电堆的电流作用下产生热量，加热燃料电池电堆的阴阳极侧的单片电池。与现有技术相比，本发明结构简单，操作方便，只需控制加热回路与控制回路即可实现对燃料电池两端进行加热，改进过程对燃料电池电堆影响较小，切断加热回路即可停止加热电阻工作，不影响两端单片温度，并且不会出现高电压，不影响燃料电池效率及寿命。

Description

一种燃料电池系统低温启动装置及方法

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启动装置及方法。

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。因为其高效、清洁等特性，燃料电池得到越来越多的重视。

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，低温启动成为燃料电池越来越重要的一个指标。

现有的燃料电池低温启动的解决方法，一种是燃料电池自启动，另外一种是通过外部加热装置辅助燃料电池启动。前者主要是通过控制电流电压、反应物计量比等方式，提高电流，降低燃料电池输出电压，从而提高反应热。后者则通过外部能量加热冷却水、加热双极板、加热进气或加热端板。

燃料电池低温启动时靠近端板的两片电池由于一侧接触端板，热量来源较少，导致该两片电池温度较低，结冰多，输出电压较低，成为燃料电池低温自启动的瓶颈，制约了燃料电池从更低温度以及快速启动。

中国专利CN109904488A披露了一种燃料电池系统及其低温启动方法，在燃料电池电堆和端板之间增加加热单元，采用燃料电池自身的电流加热燃料电池电堆。但是由于直接接在燃料电池中，额外增加了集流板的数量，增加了电堆成本和装配难度；此外由于加热单元接入正常负载中，如果正常运行过程中不停止加热单元，首先造成功率浪费，降低燃料电池效率，其次集流板处单片由于加热单元的作用温度较高，造成该单片易损坏，导致燃料电池失效；并且由于燃料电池系统DCDC控制器与加热电阻串联设置，造成在正常运行过程中如果需要停止加热单元，则在停止加热切换时必须先停止燃料电池的运行，再重新开启燃料电池，操作复杂，而且燃料电池每次开机会形成高电位，损坏燃料电池性能，造成电堆寿命减少。

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启动装置及方法，用于解决由于燃料电池中端板附近的单片电池温度较低，从而使燃料电池低温启动受限，以及用于低温启动的加热电阻因接入燃料电池的正常负载导致电池效率降低，或者因切断接入燃料电池的正常负载线路中的加热电阻而产生高电位进而影响燃料电池性能及燃料电池寿命的问题。

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启动装置，包括燃料电池电堆、电子开关、燃料电池系统DCDC控制器、阳极加热电阻、阴极加热电阻；

所述的燃料电池电堆、燃料电池系统DCDC控制器电连接构成控制回路；

所述的电子开关、阳极加热电阻、燃料电池电堆、阴极加热电阻电连接构成加热回路；

通过控制回路控制燃料电池电堆的输出电流，使加热回路中的阳极加热电阻、阴极加热电阻在输出电流的作用下，加热燃料电池电堆的阴阳极侧的单片电池，进而完成低温启动。

进一步地，所述的燃料电池系统低温启动装置还包括阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阴极集流板、阴极绝缘板及阴极端板；

所述的控制回路还包括阳极集流板及阴极集流板，所述的控制回路的连接顺序为：阳极集流板、燃料电池电堆、阴极集流板、燃料电池系统DCDC控制器、阳极集流板；

所述的加热回路还包括阳极集流板、阴极集流板，所述的加热回路的连接顺序为阳极加热电阻、阳极集流板、燃料电池电堆、阴极集流板、阴极加热电阻、电子开关、阳极加热电阻。

所述的阳极端板及阴极端板用于支撑燃料电池电堆；所述的阳极集流板与阴极集流板用于传导燃料电池电堆电流；所述的阳极加热电阻、阴极加热电阻在闭合回路内用于加热燃料电池两端；所述的阳极绝缘板、阴极绝缘板分别用于绝缘阳极端板与阳极加热电阻、阴极端板与阴极加热电阻，以避免阳极加热电阻、阴极加热电阻接入燃料电池的负载电路，从而造成功率浪费、电池效率降低的问题。

进一步地，所述的阳极绝缘板、阴极绝缘板的厚度为1-5mm。

进一步地，所述的阳极加热电阻及阴极加热电阻的电阻值，可根据相应要求的热熔、加热时间、加热功率、燃料电池节数确定，

其中，所述的阳极加热电阻及阴极加热电阻的电阻值均可选用0.005-0.05Ω。

作为优选的技术方案，所述的阳极加热电阻及阴极加热电阻的电阻值均为0.01Ω。

进一步地，所述的燃料电池电堆包括100-300节单电池。

作为优选的技术方案，所述的燃料电池电堆包括200节单电池。

进一步地，所述的装置能够在-30℃至0℃的环境温度下实现低温自启动。

一种基于上述燃料电池系统低温启动装置的燃料电池系统低温启动方法，包括闭合电子开关连通加热回路，通过控制回路控制燃料电池电堆输出电流，并使阳极加热电阻及阴极加热电阻在燃料电池电堆的输出电流作用下产生热量，加热燃料电池电堆的阴阳极侧的单片电池，进而完成低温启动。

进一步地，所述的燃料电池系统低温启动方法具体包括以下步骤：

1)闭合电子开关连通加热回路；

2)设置循环温度阈值、终点温度阈值以及输出电流，使阳极加热电阻及阴极加热电阻对燃料电池电堆的阴阳极侧的单片电池进行加热，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值；

3)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4)，若否，则重新设定循环温度阈值、输出电流，对燃料电池电堆的阴阳极侧的单片电池进行加热，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值，并重复步骤3)；

4)断开电子开关，燃料电池电堆进入正常工作模式，冷启动完成。

进一步地，步骤2)中，所述的循环温度阈值的初始值为-30℃至-10℃；所述的输出电流的初始值为80-120A；所述的终点温度阈值为0-25℃。

进一步地，步骤3)中，每次循环后，循环温度阈值的增加幅度为10-30℃；输出电流的增加幅度为10-50A。

工作原理：冷启动过程中由于外界温度较低，燃料电池产生的热量很容易向外界散失；此外，靠近端板的单片电池产热除加热自身外，还需要加热集流板、绝缘板以及端板；以上两个原因导致靠近燃料电池端板的两单片电池温度较低，相对中间单片靠近端板的单片电池中产生的水更容易结冰，堵塞电池，造成低温启动失败；

在本发明中，电子开关闭合后，阳极加热电阻、阴极加热电阻与燃料电池电堆构成加热回路，产生的热量用于加热集流板、绝缘板、端板及阴阳极侧的单片电池；当检测到燃料电池电堆温度达到零度以上或者正常工作温度，则切断电子开关，不会影响燃料电池正常工作。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)结构简单，操作方便，只需在燃料电池两端增加两片加热电阻，并与电子开关构成回路，通过控制回路即可实现对燃料电池两端进行加热，改进过程对燃料电池电堆影响较小；

2)切断加热电阻控制回路即可停止加热电阻工作，不影响两端单片温度，并且不会出现高电压，不影响燃料电池效率及寿命；

3)在加热电阻后面增加导热系数低的绝缘板，减少燃料电池电堆热量散失到端板及外界环境中，提高电堆低温启动能力；

4)相较于串联设置的工作模式，本发明将加热电阻与燃料电池系统DCDC控制器并联设置，使得加热回路的开启或关闭对燃料电池系统的影响较小，并避免由于频繁开启燃料电池导致的燃料电池性能损伤、电堆寿命减少的问题。

附图说明

图1为本发明中一种燃料电池系统低温启动装置的结构示意图；

图2为实施例2中的步骤2)中的燃料电池电堆10中各单片电池的电压分布图；

图3为实施例2中的步骤3)中的燃料电池电堆10中各单片电池的电压分布图；

图4为实施例2中的步骤4)中的燃料电池电堆10中各单片电池的电压分布图；

图中标记说明：

1-阳极端板、2-阴极端板、3-阳极绝缘板、4-阴极绝缘板、5-阳极加热电阻、6-阴极加热电阻、7-阳极集流板、8-阴极集流板、9-电子开关、10-燃料电池电堆、11-燃料电池系统DCDC控制器。

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1所示的一种燃料电池系统低温启动装置，包括电子开关9、燃料电池系统DCDC控制器11，以及依次设置的阳极端板1、阳极绝缘板3、阳极加热电阻5、阳极集流板7、燃料电池电堆10、阴极集流板8、阴极加热电阻6、阴极绝缘板4、阴极端板2、燃料电池系统DCDC控制器；并且阳极加热电阻5、阳极集流板7、燃料电池电堆10、阴极集流板8、阴极加热电阻6及电子开关9构成加热回路；阳极集流板7、燃料电池电堆10、阴极集流板8及燃料电池系统DCDC控制器11构成控制回路；

其中，阳极加热电阻5及阴极加热电阻6的电阻值均为0.01Ω，阳极及阴极绝缘板厚度为4mm，燃料电池电堆10包括200节单电池。

实施例2：

一种基于实施例1中的装置的燃料电池系统低温启动方法，包括以下步骤：

1)燃料电池系统收到启动信号，检测到外界环境温度-30℃，启动冷启动程序，电子开关9闭合连通加热回路；

2)燃料电池电堆10输出电流通过燃料电池系统DCDC控制器11设置为100A，阳极加热电阻5及阴极加热电阻6在燃料电池电堆10的输出电压作用下产生热量，并加热阳极端板1、阴极端板2以及燃料电池电堆10的阴阳极侧的单片电池，加热功率为100W，直至燃料电池电堆10的阴极出口空气温度达到-20℃；

3)燃料电池电堆10输出电流通过燃料电池系统DCDC控制器11设置为150A，阳极加热电阻5及阴极加热电阻6的加热功率分别增加至225W，直至燃料电池电堆10的阴极出口空气温度达到-10℃；

4)燃料电池电堆10输出电流通过燃料电池系统DCDC控制器11设置为200A，阳极加热电阻5及阴极加热电阻6的加热功率分别增加至400W，直至燃料电池电堆10的阴极出口空气温度达到20℃；

5)开启燃料电池系统冷却液循环，断开电子开关9，燃料电池电堆10进入正常工作模式，冷启动完成。

其中，步骤2)、步骤3)及步骤4)中，燃料电池电堆10中各单片电池的电压分布分别如图2、图3及图4所示，图2中第1和200片单片电压稍微低于平均电压值，是由于此时加热电阻功率稍低，还不足以弥补电堆端板需要的热量，第1、200片单电池温度稍微低于内部单片温度；图3中由于输出电流进一步提高，加热电阻功率增大，第1、200片温度提高至和电堆内部单片温度一致，其电压和平均电压基本相同；图4中由于运行电流继续提高，加热功率进一步提升，第1、200片温度高于电堆内部单片温度，其电压高于平均单片电压。上述过程，说明实施例1中的燃料电池系统低温启动装置可以有效解决因燃料电池两端温度较低，导致燃料电池低温自启动受限的问题。

实施例3：

本实施例的燃料电池系统低温启动装置中，阳极加热电阻5及阴极加热电阻6的电阻值均为0.005Ω，阳极及阴极绝缘板厚度均为1mm，燃料电池电堆10包括100节单电池，其余同实施例1。

基于上述装置的燃料电池系统低温启动方法，包括以下步骤：

1)闭合电子开关9连通加热回路；

2)设置循环温度阈值、终点温度阈值以及输出电流，使阳极加热电阻5及阴极加热电阻6对燃料电池电堆10的阴阳极侧的单片电池进行加热，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值；

3)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4)，若否，则重新设定循环温度阈值、输出电流，对燃料电池电堆10的阴阳极侧的单片电池进行加热，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值，并重复步骤3)；

4)断开电子开关9，燃料电池电堆10进入正常工作模式，冷启动完成。

其中，循环温度阈值依次为-30℃、-15℃、0℃，输出电流依次为80A、120A、160A，终点温度阈值为0℃。

实施例4：

本实施例的燃料电池系统低温启动装置中，阳极加热电阻5及阴极加热电阻6的电阻值均为0.05Ω，阳极及阴极绝缘板厚度均为5mm，燃料电池电堆10包括300节单电池，其余同实施例1。

基于上述装置的燃料电池系统低温启动方法，包括以下步骤：

1)闭合电子开关9连通加热回路；

2)设置循环温度阈值、终点温度阈值以及输出电流，使阳极加热电阻5及阴极加热电阻6对燃料电池电堆10的阴阳极侧的单片电池进行加热，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值；

3)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4)，若否，则重新设定循环温度阈值、输出电流，对燃料电池电堆10的阴阳极侧的单片电池进行加热，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值，并重复步骤3)；

4)断开电子开关9，燃料电池电堆10进入正常工作模式，冷启动完成。

其中，循环温度阈值依次为-15℃、5℃、25℃，输出电流依次为120A、130A、140A，终点温度阈值为25℃。

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 (9)

1.一种燃料电池系统低温启动装置，其特征在于，该装置包括阳极端板(1)、阳极绝缘板(3)、阳极加热电阻(5)、阳极集流板(7)、燃料电池电堆(10)、阴极集流板(8)、阴极加热电阻(6)、阴极绝缘板(4)、阴极端板(2)、电子开关(9)以及燃料电池系统DCDC控制器(11)；

所述的阳极集流板(7)、燃料电池电堆(10)、阴极集流板(8)、燃料电池系统DCDC控制器(11)、阳极集流板(7)依次电连接构成控制回路；

所述的阳极加热电阻(5)、阳极集流板(7)、燃料电池电堆(10)、阴极集流板(8)、阴极加热电阻(6)、电子开关(9)、阳极加热电阻(5)依次电连接构成加热回路；

通过控制回路控制燃料电池电堆(10)的输出电流，使加热回路中的阳极加热电阻(5)、阴极加热电阻(6)在输出电流的作用下，加热燃料电池电堆(10)的阴阳极侧的单片电池，进而完成低温启动。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温启动装置，其特征在于，所述的阳极绝缘板(3)、阴极绝缘板(4)的厚度均为1-5mm。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温启动装置，其特征在于，所述的阳极加热电阻(5)及阴极加热电阻(6)的电阻值均为0.005-0.05Ω。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温启动装置，其特征在于，所述的燃料电池电堆(10)包括100-300节单电池。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温启动装置，其特征在于，所述的装置能够在-30℃至0℃的环境温度下实现低温自启动。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的燃料电池系统低温启动装置的燃料电池系统低温启动方法，其特征在于，该方法包括闭合电子开关(9)连通加热回路，通过控制回路控制燃料电池电堆(10)输出电流，并使阳极加热电阻(5)及阴极加热电阻(6)在燃料电池电堆(10)的输出电流作用下产生热量，加热燃料电池电堆(10)的阴阳极侧的单片电池，进而完成低温启动。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池系统低温启动装置的燃料电池系统低温启动方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)闭合电子开关(9)连通加热回路；

2)设置循环温度阈值、终点温度阈值以及输出电流，使阳极加热电阻(5)及阴极加热电阻(6)对燃料电池电堆(10)的阴阳极侧的单片电池进行加热，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值；

3)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4)，若否，则重新设定循环温度阈值、输出电流，对燃料电池电堆(10)的阴阳极侧的单片电池进行加热，直至氧化剂出口温度达到循环温度阈值，并重复步骤3)；

4)断开电子开关(9)，燃料电池电堆(10)进入正常工作模式，冷启动完成。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池系统低温启动装置的燃料电池系统低温启动方法，其特征在于，步骤2)中，所述的循环温度阈值的初始值为-30℃至-10℃；所述的输出电流的初始值为80-120A；所述的终点温度阈值为0-25℃。

9.根据权利要求7所述的一种燃料电池系统低温启动装置的燃料电池系统低温启动方法，其特征在于，步骤3)中，每次循环后，循环温度阈值的增加幅度为10-30℃；输出电流的增加幅度为10-50A。

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