CN111740132B - 一种燃料电池电堆的低温启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆的低温启动方法，包括特定的具体步骤：分别向所述电堆的氢气腔与空气腔内通入反应气体；运行第一预设放电步骤以使反应气体充满反应区域，度过电堆启动敏感期；运行多次第二预设放电步骤以达到快速预热电堆的目的；运行多次第三预设放电步骤，完成电堆的正常启动过程。本发明实施例提供的燃料电池电堆的低温启动方法，通过对放电电流的电流密度进行多次有效控制，在电堆单片没有反极的条件下分阶段最大限度的利用电堆的废热，调节对外输出能量的比例，没有增加额外的辅助加热装置，无需增加能耗，实现了低温状态下，燃料电池的正常启动。

Description

一种燃料电池电堆的低温启动方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池电堆的低温启动方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，不受卡诺循环效应的限制，以燃料和氧气作为原料；没有机械传动部件，因此没有噪声污染，排放出的有害气体极少。质子交换膜燃料电池由于具有低温启动，结构简单、操作简便等特点，近年来越来越受到人们的重视。
在低温状态下启动燃料电池，因为电池阴极产生的水由于温度过低会出现结冰现象，无法从电池内排除，堆积的冰会使燃料电池内部结构受到损伤，导致燃料电池在低温状态下无法正常启动。在现有技术中，燃料电池的低温启动方法通常是增加辅助热源装置，实现燃料电池低温状态下的正常启动，但一方面，额外增加辅助热源装置会使得整个启动系统的结构更加复杂，另一方面，辅助热源装置的运行也会导致整个启动系统的能耗大大提升。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池电堆的低温启动方法，以解决现有的燃料电池低温启动方式会增加系统结构的复杂程度并提升能耗的技术问题，通过对放电电流的电流密度进行多次控制，能够有效实现低温状态下的燃料电池的正常启动。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种燃料电池电堆的低温启动方法，其包括：
步骤一，保持电堆处于空载状态，分别向所述电堆的氢气腔与空气腔内通入反应气体，在通入所述反应气体后所述电堆运行第一预设时间；
步骤二，分别预设第一电流密度、第二电流密度与第三电流密度，在对所述电堆进行放电的过程中，运行第一预设放电步骤，其中所述第二电流密度小于所述第三电流密度，所述第三电流密度小于或等于所述第一电流密度，所述第一预设放电步骤为：
在第一时间间隔内，将实际的电流密度加载到所述第一电流密度，在达到所述第一电流密度后运行第二预设时间；
在运行所述第二预设时间后，在第二时间间隔内，将实际的电流密度卸载到所述第二电流密度，在达到所述第二电流密度后运行第三预设时间；
在运行所述第三预设时间后，在第三时间间隔内，将实际的电流密度加载到所述第一电流密度，在达到所述第一电流密度后运行第四预设时间；
在运行所述第四预设时间后，在第四时间间隔内，将实际的电流密度卸载到所述第三电流密度，在达到所述第三电流密度后运行第五预设时间；
步骤三，分别预设第一电流密度组与第二电流密度组，在对所述电堆进行放电的过程中，运行多次第二预设放电步骤，其中，所述第一电流密度组包括阶梯式的多组第一加载电流密度，所述第二电流密度组包括阶梯式的多组卸载电流密度，多组所述第一加载电流密度均大于所述第一电流密度，多组所述卸载电流密度均大于或等于所述第一电流密度，所述第二预设放电步骤为：
在第五时间间隔内，将实际的电流密度加载到所述第一加载电流密度，在达到所述第一加载电流密度后运行第六预设时间；
在运行所述第六预设时间后，在第六时间间隔内，将实际的电流密度卸载到所述卸载电流密度，在达到所述卸载电流密度后运行第七预设时间；
在运行多次所述第二预设放电步骤时，上一次的所述第一加载电流密度不等于下一次的所述第一加载电流密度，上一次的所述卸载电流密度不等于下一次的所述卸载电流密度；
步骤四，预设第三电流密度组，在对所述电堆进行放电的过程中，运行多次第三预设放电步骤，其中，所述第三电流密度组包括阶梯式的多组第二加载电流密度，多组所述第二加载电流密度均大于任意所述第一加载电流密度，所述第三预设放电步骤为：
在第七时间间隔内，将实际的电流密度加载到所述第二加载电流密度，在达到所述第二加载电流密度后运行第八预设时间；
在运行多次所述第三预设放电步骤时，上一次的所述第二加载电流密度不等于下一次的所述第二加载电流密度。
作为优选方案，所述第一预设时间的范围为5～15s；
作为优选方案，所述第二预设时间、所述第三预设时间、所述第四预设时间、所述第五预设时间、所述第六预设时间、所述第七预设时间与所述第八预设时间的范围均为4～8s。
作为优选方案，所述第一电流密度的范围为50～100mA/cm2；
作为优选方案，所述第二电流密度的范围为20～40mA/cm2；
作为优选方案，所述第三电流密度的范围为40～90mA/cm2。
作为优选方案，所述第一时间间隔、所述第二时间间隔、所述第三时间间隔、所述第四时间间隔、所述第五时间间隔、所述第六时间间隔与所述第七时间间隔均为1s。
相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，首先在空载状态下，向燃料电池电堆的两腔内通入反应气体并保持一段时间，建立起开路电压，使电池反应区域充满反应气体，并使电堆度过启动敏感期；然后通过多个较小的震荡载荷电流，对电堆进行适当的加热，在保证电堆整体电压较高且没有单片电池反极的前提下，最大限度的利用电堆的废热，起到预热电堆的目的；接着加大发电电流，并加大放电电流的幅度，起到快速加热电堆的目的；最后，通过多次并连续加载放电电流密度，使得电堆产生更多的热量。整个启动过程对放电电流的电流密度进行多次有效控制，采用多段式加热步骤，在电堆单片没有反极的条件下分阶段最大限度的利用电堆的废热，调节对外输出能量的比例，没有增加额外的辅助装置，无需增加能耗，实现了低温状态下，燃料电池的正常启动。
附图说明
图1是本发明实施例中的燃料电池电堆的低温启动方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中的不同步骤下的时间载荷数据图表；
图3是本发明实施例中的电流密度的变化示意图；
图4是本发明实施例中的-30℃低温启动过程的电压电流变化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
需要说明的是，除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
在燃料电池中，电堆是电池发生电化学反应场所，是燃料电池动力系统核心部分。电堆在启动时，电堆两腔体内通入的反应气体(一般为氢气和氧气)被分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应生成水等其他物质，再由双极板将水分带走，为了保证低温状态下电池内部不会有堆积的冰，最大程度地保证燃料电池电堆在低温状态下正常的初始性能，本发明一实施例提供了一种燃料电池电堆的低温启动方法，具体的，请参见图1，图1为本发明实施例提供的燃料电池电堆的低温启动方法的流程示意图，其包括以下具体步骤：
步骤一，保持电堆处于空载状态，分别向所述电堆的氢气腔与空气腔内通入反应气体，在通入所述反应气体后所述电堆运行第一预设时间，需要说明的是，空载状态是指电堆在通入一定反应气体的条件下，对外输出载荷为0A。
步骤二，分别预设第一电流密度、第二电流密度与第三电流密度，在对所述电堆进行放电的过程中，运行第一预设放电步骤，其中所述第二电流密度小于所述第三电流密度，所述第三电流密度小于或等于所述第一电流密度，作为优选地，在本实施例中，第一电流密度的范围为50～100mA/cm2，第二电流密度的范围为20～40mA/cm2，第三电流密度的范围为40～90mA/cm2，第一时间间隔，第二时间间隔，第三时间间隔与第四时间间隔均为1s，第二预设时间，第三预设时间，第四预设时间与第五预设时间的范围均为4～8s，电堆在启动时还装有单片电压检测器(cvm)，如果启动条件不合适会有单片反极发生，通过观察单片的电压情况来调节电堆的启动条件，保证电堆不会出现反极现象。所述第一预设放电步骤具体为：
在1s的时间内，将放电电流的电流密度加载到50～100mA/cm2，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度卸载到20～40mA/cm2，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度加载到50～100mA/cm2，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度卸载到40～90mA/cm2，并在此电流密度条件下运行4～8s。
步骤三，分别预设第一电流密度组与第二电流密度组，在对所述电堆进行放电的过程中，运行多次第二预设放电步骤，其中，所述第一电流密度组包括阶梯式的多组第一加载电流密度，所述第二电流密度组包括阶梯式的多组卸载电流密度，作为优选地，在本实施例中，第一电流密度组包括六组第一加载电流密度，第二电流密度组包括六组卸载电流密度，每次运行的时间间隔均为1s，每次控制电堆运行的预设时间均为4～8s，其中的具体数值与具体的第二预设放电步骤如下所述：
在1s的时间内，将放电电流的电流密度加载到100～150mA/cm2(第一组第一加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度卸载到50～100mA/cm2(第一组卸载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度加载到150～200mA/cm2(第二组第一加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度卸载到100～150mA/cm2(第二组卸载电流密度)，并在此电流密度条件下运行4～8s。
在1s的时间内将上述电流密度加载到240～290mA/cm2(第三组第一加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度卸载到120～170mA/cm2(第三组卸载电流密度)，并在此电流密度条件下运行4～8s。
在1s的时间内将上述电流密度加载到275～325mA/cm2(第四组第一加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度卸载到165～215mA/cm2(第四组卸载电流密度)，并在此电流密度条件下运行4～8s。
在1s的时间内将上述电流密度加载到305～355mA/cm2(第五组第一加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度卸载到200～250mA/cm2(第五组卸载电流密度)，并在此电流密度条件下运行4～8s。
在1s的时间内将上述电流密度加载到340～390mA/cm2(第六组第一加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度卸载到200～250mA/cm2(第六组卸载电流密度)，并在此电流密度条件下运行4～8s。
需要说明的是，具体的第一加载电流密度值与卸载电流密度值由实际的电池型号与启动工艺所决定，需保证每组放电电流的电流密度变化为先加载再卸载的顺序不变，且上一次的所述第一加载电流密度不等于下一次的所述第一加载电流密度，上一次的所述卸载电流密度不等于下一次的所述卸载电流密度，以此方式保证对电池电堆的放电电流为震荡载荷电流，进一步保证电堆产生相应的热量。
步骤四，预设第三电流密度组，在对所述电堆进行放电的过程中，运行多次第三预设放电步骤，其中，所述第三电流密度组包括阶梯式的多组第二加载电流密度，作为优选地，在本实施例中，所述第三电流密度组包括五组第二加载电流密度，每次运行的时间间隔均为1s，每次控制电堆运行的预设时间均为4～8s，其中的具体数值与具体的第三预设放电步骤如下所述：
在1s的时间内，将放电电流的电流密度加载到240～290mA/cm2(第一组第二加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度加载到275～325mA/cm2(第二组第二加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度加载到305～355mA/cm2(第三组第二加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s；
在1s的时间内将上述电流密度加载到340～390mA/cm2(第四组第二加载电流密度)，并在此电流密度条件下运行4～8s。
在1s的时间内将上述电流密度加载到380～420mA/cm2(第五组第二加载电流密度)，并在此电流密度条件下控制电堆运行4～8s。
需要说明的是，具体的第二加载电流密度值由实际的电池型号与启动工艺所决定，需保证每组放电电流的电流密度变化为不断加载的顺序不变，且上一次的所述第二加载电流密度不等于下一次的所述第二加载电流密度，以此方式保证对电池电堆的放电电流为连续大电流，进一步保证电堆产生较多的热量。
优选地，在本实施例中，所述第一预设时间的范围为5～15s；
优选地，在本实施例中，所述第二预设时间、所述第三预设时间、所述第四预设时间、所述第五预设时间、所述第六预设时间、所述第七预设时间与所述第八预设时间的范围均为4～8s。
优选地，在本实施例中，所述第一电流密度的范围为50～100mA/cm2；
优选地，在本实施例中，所述第二电流密度的范围为20～40mA/cm2；
优选地，在本实施例中，所述第三电流密度的范围为40～90mA/cm2。
优选地，在本实施例中，所述第一时间间隔、所述第二时间间隔、所述第三时间间隔、所述第四时间间隔、所述第五时间间隔、所述第六时间间隔与所述第七时间间隔均为1s。
具体的，请参见图2，图2为本发明实施例提供的不同步骤下的时间载荷数据图表，由图可知，在不同的启动时刻设置相关的步骤，电堆载荷在不同的控制步骤下不断变化，通过多个控制步骤，保证电池的低温正常启动，在整个启动过程中，具体的，请参见图3与图4，图3为本发明实施例提供的电流密度的变化示意图，由图3可知，电流密度不断升高，其升高方式由振荡变换至线性提升，以此方式，使得放电电流对电堆进行不同程度的放电，使电堆产生相应热量，图4为本发明实施例提供的-30℃低温启动过程的电压电流变化示意图，由图4可知，在电堆的低温启动过程中，电堆电压随着载荷的变化不断变化，而载荷又随着电流密度的变化而不断变化，所以通过对电流密度的控制，能够实现对燃料电池的有效控制。整个低温启动过程，通过对放电电流的电流密度进行多次有效控制，在电堆单片没有反极的条件下分阶段最大限度的利用电堆的废热，调节了对外输出能量的比例，实现了低温状态下，燃料电池的正常启动，同时，整个启动过程速度较快，无需借助额外的辅助加热装置，不会增加整个系统的结构复杂程度，也不会增加整个启动过程的能耗。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池电堆的低温启动方法，其特征在于，包括：
步骤一，保持电堆处于空载状态，分别向所述电堆的氢气腔与空气腔内通入反应气体，在通入所述反应气体后所述电堆运行第一预设时间；
步骤二，分别预设第一电流密度、第二电流密度与第三电流密度，在对所述电堆进行放电的过程中，运行第一预设放电步骤，其中所述第二电流密度小于所述第三电流密度，所述第三电流密度小于或等于所述第一电流密度，所述第一预设放电步骤为：
在第一时间间隔内，将实际的电流密度加载到所述第一电流密度，在达到所述第一电流密度后运行第二预设时间；
在运行所述第二预设时间后，在第二时间间隔内，将实际的电流密度卸载到所述第二电流密度，在达到所述第二电流密度后运行第三预设时间；
在运行所述第三预设时间后，在第三时间间隔内，将实际的电流密度加载到所述第一电流密度，在达到所述第一电流密度后运行第四预设时间；
在运行所述第四预设时间后，在第四时间间隔内，将实际的电流密度卸载到所述第三电流密度，在达到所述第三电流密度后运行第五预设时间；
步骤三，分别预设第一电流密度组与第二电流密度组，在对所述电堆进行放电的过程中，运行多次第二预设放电步骤，其中，所述第一电流密度组包括阶梯式的多组第一加载电流密度，所述第二电流密度组包括阶梯式的多组卸载电流密度，多组所述第一加载电流密度均大于所述第一电流密度，多组所述卸载电流密度均大于或等于所述第一电流密度，所述第二预设放电步骤为：
在第五时间间隔内，将实际的电流密度加载到所述第一加载电流密度，在达到所述第一加载电流密度后运行第六预设时间；
在运行所述第六预设时间后，在第六时间间隔内，将实际的电流密度卸载到所述卸载电流密度，在达到所述卸载电流密度后运行第七预设时间；
在运行多次所述第二预设放电步骤时，上一次的所述第一加载电流密度不等于下一次的所述第一加载电流密度，上一次的所述卸载电流密度不等于下一次的所述卸载电流密度；
步骤四，预设第三电流密度组，在对所述电堆进行放电的过程中，运行多次第三预设放电步骤，其中，所述第三电流密度组包括阶梯式的多组第二加载电流密度，多组所述第二加载电流密度均大于任意所述第一加载电流密度，所述第三预设放电步骤为：
在第七时间间隔内，将实际的电流密度加载到所述第二加载电流密度，在达到所述第二加载电流密度后运行第八预设时间；
在运行多次所述第三预设放电步骤时，上一次的所述第二加载电流密度不等于下一次的所述第二加载电流密度。
2.如权利要求1所述的燃料电池电堆的低温启动方法，其特征在于，所述第一预设时间的范围为5～15s。
3.如权利要求1所述的燃料电池电堆的低温启动方法，其特征在于，所述第二预设时间、所述第三预设时间、所述第四预设时间、所述第五预设时间、所述第六预设时间、所述第七预设时间与所述第八预设时间的范围均为4～8s。
4.如权利要求1所述的燃料电池电堆的低温启动方法，其特征在于，所述第一电流密度的范围为50～100mA/cm2。
5.如权利要求1所述的燃料电池电堆的低温启动方法，其特征在于，所述第二电流密度的范围为20～40mA/cm2。
6.如权利要求1所述的燃料电池电堆的低温启动方法，其特征在于，所述第三电流密度的范围为40～90mA/cm2。
7.如权利要求1所述的燃料电池电堆的低温启动方法，其特征在于，所述第一时间间隔、所述第二时间间隔、所述第三时间间隔、所述第四时间间隔、所述第五时间间隔、所述第六时间间隔与所述第七时间间隔均为1s。
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