CN112186224A - 安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池领域，公开了一种安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统及控制方法，通过在燃料电池停机后立刻向内通入热空气流，辅助电池内残留的热量共同烘干膜电极内存留的水，使其在电堆内温度降低到0℃之前大幅降低水的饱和度；通过向电堆进水口处通入热水，通过热传导的方式来对堆中的双极板进行加热，从而均匀预热整个电堆；启动前向流道中通入热水，利用热传导方式加速电堆冷启动；设置有保温和间歇加热功能的水箱可以将余热保存用于启动前对系统的预热，当用户离车时间过长时，启动前两小时开启间歇加热模式预热水箱中的液体。本发明能够有效避免膜电极结冰、加快启动速度、安全无损伤以及外部能量消耗小。

Description

安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统及控制方法，具体涉及一种可以实现安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统。

背景技术

目前，燃料电池是一种可以直接将化学能转换为电能的装置。其中，以氢气和氧气作为燃料和氧化剂的质子交换膜燃料电池因其启动快、能量转换效率高且产物是水无污染等特性，在近几年的发展和应用前景尤其被看好，在汽车动力领域的应用最引人注目。尽管如此，燃料电池在零下环境下，其电化学反应生成的产物水会因低温而结冰，一旦催化剂结冰就会破坏聚合物膜结构，使膜膨胀、破裂、穿孔。除此之外，当电池产生的热将冰融化后，膜电极的体积又会缩小，反复的结冰/解冻会减少电池寿命。目前解决质子交换膜燃料电池低温启动困难的方法主要有：1)向电堆中通入反向电压，使电堆进入电解水状态，电堆变成加热器向内部加热，这种方法虽然使电堆可以发热，但容易在阳极侧产生氧气，阴极侧产生氢气。2)在电堆内部加入电加热丝，利用电加热丝的热量辅助电堆升温，但这种方法能耗较高，对膜电极的损伤严重。现有技术多是从低温启动的角度考量，而燃料电池在零下的低温环境中停机时，膜上的含水量过多也会增加膜的机械损伤。因此，本文发明一个燃料电池控制系统，结合上述两个方面(安全停机和启动)，以最快的速度、最小的外部能量消耗、安全的对电堆进行冷启动。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的向电堆中通入反向电压，使电堆进入电解水状态，电堆变成加热器向内部加热，这种方法虽然使电堆可以发热，但容易在阳极侧产生氧气，阴极侧产生氢气。现有技术多是从低温启动的角度考量，而燃料电池在零下的低温环境中停机时，膜上的含水量过多也会增加膜的机械损伤。

解决以上问题及缺陷的难度为：

如何以最快的速度、最小的外部能量消耗、安全的对电堆进行冷启动。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明能够实现当温度低于冰点后膜电极不易大面积结冰，有效缓解结冰对膜电极结构的破坏；当环境温度低于冰点时，燃料电池能够较快启动。

还能利用电堆运行产生的热量在电堆启动前再一次预热电堆，减少外部能力消耗。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统及控制方法。

本发明是这样实现的，一种安全停机和快速低温启动的燃料电池控制方法，包括：

在电池停机后即时向内部通入热空气流加热膜电极，蒸发掉一部分水，同时一部分热气流从进水口通入后进入极板流道，将流道中的液体清除；

电池低温启动，根据离车时间的不同，当离开车辆时间小于水箱保温时间，则无需对水箱进行加热，利用电堆产生的热量加热的循环液在可间歇加热的保温水箱中再一次对电堆进行循环加热；

当离开车辆时间大于水箱保温时间，电堆启动前，自动开启加热装置来间歇式加热水箱，实现电池堆的快速启动。

2、如权利要求1所述的安全停机和快速低温启动的燃料电池控制方法，其特征在于，所述电池停机的方法具体包括：

2)环境温度高于0℃，正常停机；

2)环境温度低于0℃，即时启动离心风机和热转换器，将空气压缩机中流过的冷空气进行加热后，通过第一流量控制阀门和第二流量控制阀门，经过控制流量后的热空气分别进入电池5的阴极气体入口和进水口，对膜电极和极板流道中残余的大量水分进行吹扫，吹扫后的气体携带水分从阴极出口和水出口处排出；

调节流量完毕后，通过出口处设置的第一湿度检测器和第二湿度检测器判断残留水分是否达到不结冰的要求，两个湿度传感器同时达到目标湿度值后，执行下一步电池低温启动。

进一步，湿度值根据不同的膜电极吸水状况确定；

在远程控制的时间输入器中输入离车时间决定系统再次启动的方式；

当检测到的气体湿度小于目标值≤30％时，关闭第二流量控制阀门至关闭状态；在出水口处设置的第二湿度传感器检测到的气体湿度小于目标值时，关闭空气压缩机、热转换器、关闭第一流量控制阀门。

进一步，所述电池低温启动方法具体包括：

1)当环境温度高于0℃：打开第二流量控制阀门向阴极通入燃料气，正常启动水箱中的循环水散热，正常启动电堆；

2)当环境温度低于0℃，离车时间小于可间歇加热的保温水箱保温时间：启动前先向进水口处通入可间歇加热的保温水箱中的循环液，直至出水口温度达到目标值，根据不同的电堆启动温度自行判断，温差为10-20℃，打开压缩机和第二流量控制阀，关闭热转换器后正常启动；

3)当环境温度低于0℃，离车时间大于可间歇加热的保温水箱保温时间：根据用户在时间输入器中输入的离车时间，在系统准备启动前两个小时，开启加热装置进行间歇加热，当水箱达到一定温度时，自动控制开启或关闭加热功能，对水箱中循环液进行预热，启动前5分钟，将加热过的循环液通入进水口中对电堆预热，直至出口处热电偶检测到液体出口温度达到定值后，正常启动。

进一步，当离开车辆时间大于水箱保温时间，电堆启动前，自动开启加热装置来间歇式加热水箱，实现电池堆的快速启动中，停机后热气流即时通过第二流量控制阀控制流速后进入电堆阴极对膜电极部分的水分进行蒸干；冷却后的燃料电池堆在重新启动前，通过可间歇加热的保温水箱中的循环水通过流道来对整个电池堆进行预热处理，实现快速的低温启动。

本发明另一目的在于提供一种安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统包括空气压缩机；

所述空气压缩机通过管道连接热转换器；所述热转换器通过管道分别连接第一流量控制阀、第二流量控制阀；所述第一流量控制阀通过进水口连接燃料电池电堆；所述第二流量控制阀通过阴极气体入口连接燃料电池电堆；燃料电池电堆的阴极气体出口上安装有第一湿度传感器；燃料电池电堆的出水口上安装有第二湿度传感器；氢气罐通过氧极气体入口连接燃料电池电堆；可间接加热的保温水箱通过热电偶连接燃料电池电堆的出水口；所述可间接加热的保温水箱内安装有加热装置；

时间输入器的通过导线一端连接加热装置，另一端连接第一流量控制阀。

进一步，所述加热装置为电加热丝。

本发明另一目的在于提供一种与所述安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统无线连接的远程控制终端，所述远程控制终端包括智能手机。

本发明另一目的在于提供一种搭载所述安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统的电动车辆能源提供设备。

本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

在电池停机后即时向内部通入热空气流加热膜电极，蒸发掉一部分水，同时一部分热气流从进水口通入后进入极板流道，将流道中的液体清除；

电池低温启动，根据离车时间的不同，当离开车辆时间小于水箱保温时间，则无需对水箱进行加热，利用电堆产生的热量加热的循环液在可间歇加热的保温水箱中再一次对电堆进行循环加热；

当离开车辆时间大于水箱保温时间，电堆启动前，自动开启加热装置来间歇式加热水箱，实现电池堆的快速启动。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明综合考虑了燃料电池低温启动的两个解决方向(安全停机和低温下冷启动)，质子交换膜燃料电池无需经历反复结冰/解冻的过程。在停车时立即向燃料电池堆阴极通入热空气可以有效地减缓膜电极结冰从而避免膜电极膨胀、穿孔等现象发生。在启动前控制系统通过在质子交换膜燃料电池堆进水口处通入热水加热电堆，可以在电池低温启动前辅助升温，提高电池启动速度。

实验表明，本发明在电池停机后即时向内部通入热空气流加热膜电极，蒸发掉一部分水，可以有效避免了膜电极大面积结冰，同时一部分热气流从进水口通入后进入极板流道，将流道中的液体清除，避免其在流道中结冰影响电池启动；电池低温启动：根据离车时间的不同，当离开车辆时间小于水箱保温时间，则无需对水箱进行加热，利用电堆产生的热量加热的循环液(可为水或冷却液)在保温水箱10中再一次对电堆5进行循环即可达到热堆目的；当离开车辆时间大于水箱保温时间，电堆5启动前的2小时，系统自动开启加热装置12来间歇式加热水箱，此方法无需改变电堆内部结构，液体的热传导可以加速电堆升温，能量损耗小，可以实现电池堆的快速启动。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的可以实现安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统示意图。

图2是本发明实施例提供的停机工作方式流程图。

图3是本发明实施例提供的启动工作方式流程图。

其中，1空压机；2热转换器；3、第一流量控制阀；4、第二流量控制阀；5、燃料电池电堆；6、第一湿度传感器；7、第二湿度传感器；8、氢气罐；9、热电偶；10、可间歇加热的保温水箱；11、用户时间输入和计时控制器；12加热装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统及控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种从安全停机和低温启动两个方面来设计质子交换膜燃料电池低温启动系统。即可以实现安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统。

此系统依次包括空气压缩机1、热转换器2、第一流量控制阀3、第二流量控制阀4、燃料电池电堆5、第一湿度传感器6、第二湿度传感器7、氢气罐8、热电偶9、可间接加热的保温水箱10、用户时间输入和计时器11、加热装置12。

所述空气压缩机通过管道连接热转换器；所述热转换器通过管道分别连接第一流量控制阀、第二流量控制阀；所述第一流量控制阀通过进水口连接燃料电池电堆；所述第二流量控制阀通过阴极气体入口连接燃料电池电堆；燃料电池电堆的阴极气体出口上安装有第一湿度传感器；燃料电池电堆的出水口上安装有第二湿度传感器；氢气罐通过氧极气体入口连接燃料电池电堆；可间接加热的保温水箱通过热电偶连接燃料电池电堆的出水口；所述可间接加热的保温水箱内安装有加热装置；

时间输入器的通过导线一端连接加热装置，另一端连接第一流量控制阀。

加热装置12是一切可以加热的装置，例：电加热丝。热转换器是一种加热装置，可以安全有效的加热气体。

在本发明中，提供一种安全停机和快速低温启动的燃料电池控制方法，包括：

在电池停机后即时向内部通入热空气流加热膜电极，蒸发掉一部分水，同时一部分热气流从进水口通入后进入极板流道，将流道中的液体清除；

电池低温启动，根据离车时间的不同，当离开车辆时间小于水箱保温时间，则无需对水箱进行加热，利用电堆产生的热量加热的循环液在可间歇加热的保温水箱中再一次对电堆进行循环加热；

当离开车辆时间大于水箱保温时间，电堆启动前，自动开启加热装置来间歇式加热水箱，实现电池堆的快速启动。

具体实现的过程如下：

如图2所示，停机工作方式包括：

3)当环境温度高于0℃，正常停机；

2)当环境温度低于0℃，即时启动热转换器2，将空气压缩机1中流过的冷空气进行加热后，通过第一流量控制阀门3和第二流量控制阀门4，经过控制流量后的热空气分别进入燃料电池电堆5的阴极气体入口和进水口，对膜电极和极板流道中残余的大量水分进行吹扫，吹扫后的气体携带水分从阴极出口和水出口处排出；调节流量完毕后，通过出口处设置的第一湿度检测器6和第二湿度检测器7判断残留水分是否达到不结冰的要求，只有两个湿度传感器同时达到目标湿度值后，系统方可执行下一步，湿度值可根据不同的膜电极吸水状况来确定，完毕后，正常关机。执行下一步，在远程控制的时间输入器11中输入大致离车时间(系统停机到再一次启动之间的时间间隔)来决定系统再次启动的方式。

当检测到的气体湿度小于目标值时，例：≤30％，即时关闭第二流量控制阀门4至关闭状态，避免膜吹扫时间过长发生穿孔；在出水口处同样设置第二湿度传感器7，当检测到的气体湿度小于目标值时，关闭空气压缩机1、热转换器2、关闭第一流量控制阀门3，完成关机,此时用户在时间输入器11中输入离开车的时间。

如图3所示，启动工作方式包括：

1)当环境温度高于0℃：打开第二流量控制阀门4向阴极通入燃料气，正常启动水箱中的循环水散热，正常启动电堆5。

2)当环境温度低于0℃，离车时间小于可间歇加热的保温水箱10保温时间：启动前先向进水口处通入可间歇加热的保温水箱10中的循环液(可为水或冷却液)，直至出水口温度达到目标值(可根据不同的电堆启动温度自行判断，温差在10-20℃之内即可)，执行下一步，打开压缩机1和第二流量控制阀4，关闭热转换器2后正常启动。

在本发明中，所述可间歇加热的保温水箱10可对冷却液进行保温且内部设有加热功能可远程控制加热。

3)当环境温度低于0℃，离车时间大于可间歇加热的保温水箱10保温时间：根据用户在时间输入器11中输入的离车时间，在系统准备启动前两个小时，开启加热装置12进行间歇加热，当水箱达到一定温度时，可自动控制开启或关闭加热功能，对水箱中循环液进行预热，启动前5分钟，将加热过的循环液通入进水口中对燃料电池电堆5预热，直至出口处热电偶9检测到液体出口温度达到定值后，正常启动。

停机后热气流即时通过第二流量控制阀4控制流速后进入燃料电池电堆5阴极对其膜电极部分的水分进行蒸干。冷却后的燃料电池堆5在重新启动前，通过可间歇加热的保温水箱10中的循环水通过流道来对整个燃料电池电堆5进行预热处理，可以实现快速的低温启动。

下面结合效果对本发明作进一步描述。

质子交换膜燃料电池在低温下关机时，由于环境温度过低，阴极存留的水会在膜上结冰，水结冰后体积会膨胀9％，对膜电极的结构造成不可逆的影响。除此之外，温度较低时也会增加燃料电池的正常启动时间。

热气流具有加热水使其蒸发的作用。本发明在电池停机后即时向内部通入热空气流加热膜电极，蒸发掉一部分水，可以有效避免了膜电极大面积结冰，同时一部分热气流从进水口通入后进入极板流道，将流道中的液体清除，避免其在流道中结冰影响电池启动；电池低温启动：根据离车时间的不同，当离开车辆时间小于水箱保温时间，则无需对水箱进行加热，利用电堆产生的热量加热的循环液(可为水或冷却液)在可间歇加热的保温水箱10中再一次对燃料电池电堆5进行循环即可达到热堆目的；当离开车辆时间大于水箱保温时间，燃料电池电堆5启动前的2小时，系统自动开启加热装置12来间歇式加热水箱，此方法无需改变电堆内部结构，液体的热传导可以加速电堆升温，能量损耗小，可以实现电池堆的快速启动。

本发明不局限于上述的具体实施方式，如果将系统内设置其他装置，而不改变系统逻辑也在本发明保护范围之内。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种安全停机和快速低温启动的燃料电池控制方法，其特征在于，所述安全停机和快速低温启动的燃料电池控制方法包括：

在电池停机后即时向内部通入热空气流加热膜电极，蒸发掉一部分水，同时一部分热气流从进水口通入后进入极板流道，将流道中的液体清除；

电池低温启动，根据离车时间的不同，当离开车辆时间小于水箱保温时间，则无需对水箱进行加热，利用电堆产生的热量加热的循环液在可间歇加热的保温水箱中再一次对电堆进行循环加热；

当离开车辆时间大于水箱保温时间，电堆启动前，自动开启加热装置来间歇式加热水箱，实现电池堆的快速启动。

2.如权利要求1所述的安全停机和快速低温启动的燃料电池控制方法，其特征在于，所述电池停机的方法具体包括：

1)环境温度高于0℃，正常停机；

2)环境温度低于0℃，即时启动离心风机和热转换器，将空气压缩机中流过的冷空气进行加热后，通过第一流量控制阀门和第二流量控制阀门，经过控制流量后的热空气分别进入电池5的阴极气体入口和进水口，对膜电极和极板流道中残余的大量水分进行吹扫，吹扫后的气体携带水分从阴极出口和水出口处排出；

调节流量完毕后，通过出口处设置的第一湿度检测器和第二湿度检测器判断残留水分是否达到不结冰的要求，两个湿度传感器同时达到目标湿度值后，执行下一步电池低温启动。

3.如权利要求2所述的安全停机和快速低温启动的燃料电池控制方法，其特征在于，湿度值根据不同的膜电极吸水状况确定；

在远程控制的时间输入器中输入离车时间决定系统再次启动的方式；

当检测到的气体湿度小于目标值≤30％时，关闭第二流量控制阀门至关闭状态；在出水口处设置的第二湿度传感器检测到的气体湿度小于目标值时，关闭空气压缩机、热转换器、关闭第一流量控制阀门。

4.如权利要求1所述的安全停机和快速低温启动的燃料电池控制方法，其特征在于，所述电池低温启动方法具体包括：

1)当环境温度高于0℃：打开第二流量控制阀门向阴极通入燃料气，正常启动水箱中的循环水散热，正常启动电堆；

2)当环境温度低于0℃，离车时间小于可间歇加热的保温水箱保温时间：启动前先向进水口处通入可间歇加热的保温水箱中的循环液，直至出水口温度达到目标值，根据不同的电堆启动温度自行判断，温差为10-20℃，打开压缩机和第二流量控制阀，关闭热转换器后正常启动；

3)当环境温度低于0℃，离车时间大于可间歇加热的保温水箱保温时间：根据用户在时间输入器中输入的离车时间，在系统准备启动前两个小时，开启加热装置进行间歇加热，当水箱达到一定温度时，自动控制开启或关闭加热功能，对水箱中循环液进行预热，启动前5分钟，将加热过的循环液通入进水口中对电堆预热，直至出口处热电偶检测到液体出口温度达到定值后，正常启动。

5.如权利要求1所述的安全停机和快速低温启动的燃料电池控制方法，其特征在于，当离开车辆时间大于水箱保温时间，电堆启动前，自动开启加热装置来间歇式加热水箱，实现电池堆的快速启动中，停机后热气流即时通过第二流量控制阀控制流速后进入电堆阴极对膜电极部分的水分进行蒸干；冷却后的燃料电池堆在重新启动前，通过可间歇加热的保温水箱中的循环水通过流道来对整个电池堆进行预热处理，实现快速的低温启动。

6.一种实施权利要求1～5任意一项所述控制方法的安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统，其特征在于，所述安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统包括空气压缩机；

所述空气压缩机通过管道连接热转换器；所述热转换器通过管道分别连接第一流量控制阀、第二流量控制阀；所述第一流量控制阀通过进水口连接燃料电池电堆；所述第二流量控制阀通过阴极气体入口连接燃料电池电堆；燃料电池电堆的阴极气体出口上安装有第一湿度传感器；燃料电池电堆的出水口上安装有第二湿度传感器；氢气罐通过氧极气体入口连接燃料电池电堆；可间接加热的保温水箱通过热电偶连接燃料电池电堆的出水口；所述可间接加热的保温水箱内安装有加热装置；

时间输入器的通过导线一端连接加热装置，另一端连接第一流量控制阀。

7.如权利要求6所述的安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统，其特征在于，所述加热装置为电加热丝。

8.一种与权利要求6～7任意一项所述安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统无线连接的远程控制终端，所述远程控制终端包括智能手机。

9.一种搭载权利要求6～7任意一项所述安全停机和快速低温启动的燃料电池控制系统的电动车辆能源提供设备。

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

在电池停机后即时向内部通入热空气流加热膜电极，蒸发掉一部分水，同时一部分热气流从进水口通入后进入极板流道，将流道中的液体清除；

电池低温启动，根据离车时间的不同，当离开车辆时间小于水箱保温时间，则无需对水箱进行加热，利用电堆产生的热量加热的循环液在可间歇加热的保温水箱中再一次对电堆进行循环加热；

当离开车辆时间大于水箱保温时间，电堆启动前，自动开启加热装置来间歇式加热水箱，实现电池堆的快速启动。

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