CN113130933B - 一种带掺氮、氢吹扫装置的pemfc冷启动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，包括控制器FCU、PEMFC电堆、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体混合装置及温湿度采集装置，PEMFC电堆上的阳极和阴极分别与温湿度采集装置连接，控制器FCU与温湿度采集装置连接，PEMFC电堆上的阳极与氢气系统连接，氮气系统和氢气系统连接，氮气系统和氢气系统与空气系统连接，气体混合装置设置在空气系统与之间的管道上，氮气系统与气体加热装置连接。本发明创造所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，加热效率高，结构排布紧凑，适合多种环境下的低温冷启动作业，该技术主要用于燃料电池汽车。

Description

一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法

技术领域

本发明创造属于燃料电池领域，尤其是涉及一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，对能源的需求与消耗迅速增大，石油、煤、天然气等非再生能源的日渐枯竭，随之带来的环境污染也日渐严重。氢能具有潜在量大、清洁低碳、燃烧性能好、储存运输多样化等优势被诸多国家列入重点研究开发对象，可用于发电、储能、家用燃料和各种交通工具燃料。燃料电池是氢能高效利用的重要途径。质子交换膜燃料电池所涉及的领域较多，包括车辆、航天、船舶等，尤其是在燃料电池电站、电动汽车、高效便携式电源等方面具有很大的市场潜力。在过去的数十年，质子交换膜燃料电池技术的研究取得了较大成果，但仍存在一些技术上的难题和挑战，如冷启动、水热管理及交换膜的制备等。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作原理为阳极和阴极分别通入氢气和空气，在催化剂的作用下阳极H²催化成H⁺穿过质子交换膜到达阴极与氧气发生反应，生成水并产生一定的热量。由于PEMFC在整个工作过程中都会涉及到水，因此在低温环境下，容易造成PEM（质子交换膜）、催化层、扩散层和流道内等多处结冰阻塞反应进行甚至损伤电堆内部结构，从而影响PEMFC的寿命。

解决燃料电池低温冷启动问题是燃料电池商业化发展的必经之路。目前，PEMFC冷启动系统及控制方法的专利也是各有千秋，如公开号：CN110931829A，该专利在冷启动时分别对氢气和空气加热，工作结束时采用可加热的氮气吹扫装置吹扫PEMFC的阴阳极，该专利虽然可以防止在低温环境下燃料电池工作结束后堆内结冰，但消耗气体量较大且吹扫效率较低；公告号：CN210723237U，该专利把燃料电池系统分成三个部分，分别为第一气路、第二气路和加热组件并受控于中央控制系统，冷启动效率高，加热较为充分，但其控制逻辑较为复杂，能耗较大；公告号：CN209374566U，该专利设计了微泵循环系统用于电堆的保温和加热，可以辅助冷启动过程，但不能解决燃料电池长时间处于0℃以下时的结冰现象。

针对以上的技术不足，本发明提供一种在PEMFC电池的阴极通入掺氮的氢气的冷启动系统及控制方法，其包含控制器FCU、PEMFC电堆、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体加热装置、气体混合装置及温湿度采集装置。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，过将氢气与氧气在阴极催化层上的反应完全转化为热能并结合气体加热器辅助加热来实现PEMFC电堆的快速加热，缩短低温冷启动所需要的时间，同时通过合理控制进气量来控制燃料电池化学反应，使电池能够快速升高到最佳工作温度。除此之外，在PEMFC工作结束停机时，氮气经吹扫加热装置吹扫阴极和阳极以防止电堆内部结冰损伤电堆，同时为下一次冷启动做准备。本发明加热效率高，结构排布紧凑，适合多种环境下的低温冷启动作业，该技术主要用于燃料电池汽车。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法，包括控制器FCU、PEMFC电堆、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体混合装置及温湿度采集装置，PEMFC电堆上的阳极和阴极分别与温湿度采集装置连接，所述控制器FCU与温湿度采集装置连接，所述PEMFC电堆上的阳极与氢气系统连接，所述氮气系统和氢气系统连接，所述氮气系统、氢气系统分别与空气系统连接，所述气体混合装置设置在空气系统与氮气系统之间的管道上，所述氮气系统与气体加热装置连接，所述气体吹扫装置设置在氮气系统和氢气系统上，所述空气系统与PEMFC电堆上的阴极连接。

进一步的，所述温湿度采集装置包括阴极温湿度采集装置和阳极温湿度采集装置，所述阴极温湿度采集装置和PEMFC电堆的阴极连接，所述阳极温湿度采集装置与PEMFC电堆的阳极连接，气体混合装置包括稳压腔，所述稳压腔与空气压缩机通过管道连接，所述稳压腔与PEMFC电堆上的阴极连接。所述气体混合装置主要用于氢气、氮气与氧气的充分混合，并提高低温条件下的进气温度；阴极通过调节压缩机转速及出口调压阀的开度实现阴极气体压力及流量的控制；阳极通过吹扫阀的开闭来实现电堆工作过程中的吹扫；所述氮气系统的气体加热装置采用风道式气体加热器，该加热器加热效率高，加热均匀，且可调节加热温度，适用于不同的环境与工况。

进一步的，所述氢气系统包括高压氢气瓶、第一电磁比例阀、第一减压阀、小氢气泵、第一电磁开关阀、残余氢气储存罐、气液分离器、液态水收集装置，高压氢气瓶、第一电磁比例阀、第一减压阀、小氢气泵、第一电磁开关阀、残余氢气储存罐、气液分离器、液态水收集装置依次通过管道连接，所述空气系统包括空气源、电磁阀、滤清器、空气压缩机，空气源、电磁阀、滤清器、空气压缩机依次通过管道连接；所述空气压缩机与稳压腔通过管道连接，所述氮气系统包括高压氮气瓶、第二电磁比例阀、第二减压阀，高压氮气瓶、第二电磁比例阀、第二减压阀依次通过管道连接，所述气体吹扫装置包括氢气吹扫阀、吹扫排水阀、吹扫背压阀，所述氢气吹扫阀和气液分离器通过管道连接，所述吹扫排水阀与液态水收集装置连接，所述吹扫背压阀与阴极温湿度采集装置连接。

进一步的，所述第一减压阀与第二电磁开关阀通过管道连接，第二电磁开关阀与PEMFC电堆的阳极通过管道连接，所述气液分离器与阳极温湿度采集装置通过管道连接，所述第一减压阀、小氢气泵之间的管道上连接有第三电磁开关阀，所述第三电磁开关阀和第四电磁开关阀通过管道连接，所述第四电磁开关阀与稳压腔通过管道连接，所述气体加热装置包括PTC加热器，所述PTC加热器设置在第四电磁开关阀与第三电磁开关阀的管道之间。

一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动控制方法，包括

第一步：PEMFC启动时，当温湿度采集装置检测到PEMFC温度低于10℃，通过PTC加热氮气，并将氮气、氢气、空气混合通到阴极反应来提升电堆温度。

第二步：当PEMFC温度大于10℃小于30℃时，氢气不再通入到阴极，氮气流路关闭，阴阳极分别通入空气与氢气，通过降低阴极的化学计量比，使得电堆产热量增加，加快电堆温度升高速度。

第三步：当PEMFC温度大于30℃时，PEMFC此时处于正常工作状态，阴阳极按照较高效率的化学计量比通入反应气体。

第四步：PEMFC停机后，判定外部温度是否低于阈值温度，当高于阈值温度时可缩短氮气吹扫时间及吹扫流量，当低于阈值温度，由加热系统加热后的氮气吹扫电堆阴阳极，避免留下多余水分，防止内部结冰，并时刻检测电堆内水分，当出现结冰风险时通过加热氮气继续吹扫电堆，并降低内部水含量。冷启动时，当温湿采集装置采集到电堆温度低于10℃，控制器FCU接收到低温信息，同时对系统内的阀和执行器发出控制指令。PEMFC启动前，先进行氢气、氮气、空气的热混合气体吹扫，融化可能存在的结冰物。加入氮气的目的在于：由于氢气属于易燃且危险性较高的气体，在与空气混合过程中起到保护性气体作用，同时还能作为热量的载体，增加温升速率；加入氢气的目的在于：通入氢气后，氢气与空气在阴极催化层进行化学反应，反应产生的热量全部用于加热电堆，当温度低于0℃时，通过控制反应物供应来严格控制水含量，防止升温过程中的结冰现象，该过程的化学反应式为：

。

所述气体混合装置主要用于氢气、氮气与氧气的充分混合，并提高低温条件下的进气温度；阴极通过调节压缩机转速及出口调压阀的开度实现阴极气体压力及流量的控制；阳极通过吹扫阀的开闭来实现电堆工作过程中的吹扫；所述氮气系统的气体加热装置采用风道式气体加热器，该加热器加热效率高，加热均匀，且可调节加热温度，适用于不同的环境与工况。

所述气体吹扫装置和所述气体加热装置由控制器FCU控制，气体吹扫可以由控制器FCU控制阴阳极出口阀及氮气减压阀的压力来实现氮气吹扫流量的控制；气体加热装置可以由控制器FCU控制其加热功率以达到不同的加热目标。所述气体压缩机电源由DCDC供电，使得压缩机可以在电堆启动、工作和停机时都能压缩空气，不仅实现了一机多用，也减少了质子交换膜燃料电池整体的体积和质量。

所述PEMFC工作温度处于10℃-30℃之间时，通过控制阴极计量比来使燃料电池处于浓度差极化区，从而使得反应较多的能量用于产生热量，达到快速升温到较佳工作温度的目的。

所述PEMFC停机时，如果温度过低，氮气经加热器加热后吹扫电堆的阴极和阳极，并将电堆内部的湿度控制在相应温度的阈值内，防止堆内的水结冰损伤电堆。

相对于现有技术，本发明创造所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统及控制方法具有以下优势：

PEMFC启动时，当温湿度采集装置采集到电堆温度低于10℃，控制器FCU接收到低温信息，同时对系统内的阀和执行器发出控制指令，此时将加热后的氮气与氢气混合通入到阴极的稳压腔内与空气混合均匀通入到电堆阴极，氢气和空气在阴极催化层发生反应放出热量缩短冷启动时间，该过程中氮气主要起到吸收热量和保护性气体作用，同时在温度处于0℃以下时要严格控制阴极水生成量，防止电堆在温度升高到0℃以上之前由于阴极反应生成的水凝结并结冰而导致启动失败；当PEMFC处于10℃以上且温度低于30℃时，燃料电池分别在阴阳极通入空气与氢气，通过降低阴极空气的进气量来减少空气化学计量比，使燃料电池工作在浓度差极化区，从而增加热量的产出，使得燃料电池迅速升温到最佳工作温度；当温度高于30℃，则燃料电池按照正常的化学计量比通入气体工作从而提高发电效率；电堆工作过程中氢气吹扫或其他原因导致的阳极排出的残余氢气通过气液分离器后优先存储到氢罐中，当需要冷启动时首先启用氢罐中的氢气，当氢罐中氢气不足时采用高压氢气瓶中的氢气；停机时，FCU会不断的检测阴阳极出口的温度及湿度，并由此估测燃料电池内部水含量，当水含量存在结冰可能时，则氮气经气体加热器加热后通入到电堆的阴极和阳极进行吹扫，当湿度达到环境温度需求的阈值时停止吹扫，从而防止堆内的水结冰损伤电堆。

附图说明

图1为温度大于10℃以上时系统气体流路示意图；

图2为电堆工作在浓度差极化区域的电流电压变化；

图3为温度低于10℃以下的系统气体流路图；

图4为停机吹扫时的气体流路图；

图5为不同温度下水蒸气的饱和蒸气压；

图6一种掺氮、控制氢氧反应的PEMFC冷启动及停机吹扫系统控制图；

图7a 启动时电堆气体出口温度大于30℃时阳极计量比控制；

图7b 启动时电堆气体出口温度大于30℃时阴极计量比控制；

图7c 启动时电堆气体出口温度大于30℃时PTC加热氮气功率变化；

图7d 启动时电堆气体出口温度大于30℃时电堆温度随时间变化趋势；

图8a 启动时电堆气体出口温度为15℃时阳极计量比控制；

图8b 启动时电堆气体出口温度为15℃时阴极计量比控制；

图8c 启动时电堆气体出口温度为15℃时PTC加热功率变化；

图8d 启动时电堆气体出口温度为15℃时电堆温度随时间的变化；

图9a 启动时电堆气体出口温度为-30℃时阳极计量比控制；

图9b 启动时电堆气体出口温度为-30℃时阴极计量比控制；

图9c 启动时电堆气体出口温度为-30℃时PTC功率变化；

图9d 启动时电堆气体出口温度为-30℃时PTC功率变化。

附图标记

1-高压氢气瓶；2-第一电磁比例阀；3-第一减压阀；4-小氢气泵；5-第一电磁开关阀；6-残余氢气储存罐；7-气液分离器；8-氢气吹扫阀；9-液态水收集装置；10-吹扫排水阀；11-吹扫背压阀；12-阴极温湿度采集装置；13-阳极温湿度采集装置；14-PEMFC电堆；15-第二电磁开关阀；16-第三电磁开关阀；17-PTC加热器；18-第二减压阀；19-第二电磁比例阀；20-高压氮气瓶；21-空气源；22-电磁阀；23-滤清器；24-空气压缩机；25-稳压腔；26-第四电磁开关阀。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例及附图来详细说明本发明创造。

本实施例提供一种掺氮、控制氢氧反应的PEMFC冷启动系统，其结构示意图如图1所示，该系统由空气系统、氢气系统、氮气系统、电堆共同组成，可以实现气体的吹扫、加热、混合及温湿度采集。其中氢气主要从高压氢气瓶1依次通过第一电磁比例阀2、第一减压阀3、第二电磁开关15进入电堆阳极，为电堆正常工作时氢气供给的线路，在阳极出口依次设置有阳极温湿度采集装置13、气液分离器7、氢气吹扫阀8、残余氢气储存罐6、液态水收集装置9及吹扫排水阀10。残余氢气储存罐6中的氢气通过第一电磁开关阀5、小氢气泵4、第三电磁开关阀16与氮气系统汇集；氮气则依次由高压氮气瓶20、第二电磁比例阀19、第二减压阀18、PTC加热器17流出与氢气汇集，二者通过第四电磁开关阀26在稳压腔25中与空气混合并实现三者的充分混合与预热。空气通过空气源21、电磁阀22、滤清器23、空气压缩机24、稳压腔25流入PEMFC电堆14的阴极，阴极出口设置温湿度采集装置12及吹扫背压阀11。

（1）当电堆启动时，阴阳极温湿度采集装置12与13采集到电堆温度T>30℃时，PTC不工作，PEMFC电堆中的氢气与空气系统将阴阳极氮气分别吹扫完毕后直接按照正常工作的化学计量比通入氢气与氧气反应。

氢气系统中氢气从高压氢气瓶1流出，经第一电磁比例阀2精确控制流量，再经第一减压阀3降压、第二电磁开关15流入电堆阳极。空气系统中空气从外部环境21经电磁阀22通入空气滤清器23过滤后，再经压缩机24压缩流入稳压腔25，最后空气经管道通入电堆阴极。此时的氮气系统不工作。阳极通过控制氢气流路的第一电磁比例阀2，阴极通过控制背压阀11及压缩机24分别完成氢气及空气流量及压力的控制。

当电堆内部流出气体温度高于30℃时，PEMFC在启动时首先提高阴阳极气体流量，降低压力从而将阴阳极腔的氮气充分吹扫，之后直接在阴阳极分别通入正常计量比的空气和氢气，电堆可利用正常工作过程中产生的热量升温至最佳工作温度区间，图7给出了该过程的仿真曲线，其中阴阳极化学计量比控制曲线以及PTC的加热功率变化如图7a、图7b以及图7c所示，阳极计量比保持在1附近，阴极计量比保持在2附近，PTC不工作，电堆的控制方法及相应的温升曲线与未施加氢氧反应控制的策略重合。与此同时，阳极氢气吹扫流出的氢气在流经气液分离器7时通过在残余氢气储存罐6中形成负压，从而在其中存储部分氢气，当冷启动需要氢气加热时会优先使用储氢罐中的氢气。

（2）当PEMFC系统启动时，当阴极温湿度采集装置12与阳极温湿度采集装置13采集到电堆流出气体温度10℃<T<30℃时，此时PTC仍不工作，阴阳极的空气与氢气吹扫电堆完毕后，通过控制阴极空气的供应来影响电堆的产热。

在此条件下氢气、空气、氮气流路气体流通的路径与温度大于30℃时相同，但是此时通过控制电堆阴极的空气化学计量比，使其低于正常值，从而使得燃料电池工作在浓度差极化区，其原理图如图2所示。在相同电流I下，消耗的氢气量相同，但是正常计量比的空气供应下的电堆电压V1要高于该工况下的电堆电压V2，从而减小电功率的产生，将更多的功率通过热的方式生成来快速提高电堆的温度。

如图8a-图8d给出了该工况下电堆的仿真结果，从图中可以看出在温度低于30℃时，通过将阳极的化学计量比控制在1左右，从而提升了电堆的产热功率，使得在图8d中施加氢氧控制的电堆温度升高更快。超过30℃后，电堆阴极计量比升高到2左右，从而提高电堆的效率。

（3）当PEMFC系统启动时，当电堆温湿度采集装置采集到电堆温度T<10℃时，PEMFC处于低温状态：

氢气系统中氢气优先从残余氢气储存罐6中流出，经第一电磁开关阀5及小氢气泵4加压流出，此时第二电磁开关阀15关闭，第三电磁开关阀16开启，氢气经管道与氮气汇集（氮氢混合比例为5：1）；此时氮气PTC加热器17开启，氮气从高压氮气瓶20流出后经第二电磁比例阀19、第二减压阀18以及PTC加热器后与氢气汇集；二者通过第四电磁开关阀26后与经过过滤器23过滤，压缩机24压缩后的空气在稳压腔25中混合预热后通入阴极，最终达到加热后的混合气体吹扫电堆阴极氮气的目的，且混合气中的氢气与氧气在阴极催化剂作用下反应生成热量来快速升高电堆温度。此时的热源来自阴极反应热、氮气的加热、空气压缩机产生的热共同来实现电堆温度的升高。并严格控制电堆的水含量，防止电堆在升温过程中冻结，该目标可通过温湿度信号及控制氢氧反应物的供给来实现，该工况下的气体流动图如图3所示。

如图9a-图9d给出了该工况下电堆的仿真曲线，从图中可以看出在温度低于10℃时，PTC加热器保持固定加热功率，阴极依据产热需求通入相应量的氢气与空气，此时将氢气与控制的化学计量比控制在1：1或空气稍多，从而保证阴极的氢气与空气充分反应，此时反应物的化学能全部生成热能用于加热电堆，因此电堆温度迅速升高；当温度超过10℃以后，停止PTC加热以及氮气供应，此时在阴阳极气体供应按照温度处于10-30℃范围内的控制方法进行，产热量依旧较多；当温度大于30℃以上时，使电堆处于正常工作状态，图9d结果表明该控制方法使得电堆温度升高速度远快于一般启动方法，在100s内温度已达30℃以上，而正常启动方法在该时间段内仍未达到30℃以上。

（4）无论电堆工作在任何温度下，当电堆停止工作时都要进行停机吹扫，从而排出电堆中多余的水，而在低温条件下该工作就显得更加重要，有效的吹扫可以避免电堆在停机过程中发生结冰现象，停机吹扫的气体流动图如图4所示：

在该工况下氢气、空气供给流路均不工作，当温度较高时，此时氮气不用PTC加热器14加热，直接通过控制第二减压阀18的压力、阴阳极出口阀11与8状态来实现氮气的定量吹扫，使电堆排出多余的水分。

当温度较高，电堆可降低吹扫时间，将湿度控制在相应温度下的水蒸气饱和蒸气压以下；当环境温度过低，电堆存在结冰的风险时，此时低温的氮气需要通过PTC加热器14来加热氮气并吹扫电堆，同时要严格检测电堆阴阳极的温湿度数据，时刻将电堆湿度控制在相应温度的阈值内，如图5所示为水蒸气在不同温度下的饱和蒸气压，通过出口水含量估测电堆内部水含量，将电堆内部水含量控制在相应温度的饱和蒸气压以下从而保证不会有结冰现象的发生。

通过上述电堆的仿真结果分析可得到如下结论：

（1）通过在低温环境下控制氢气与氧气直接在阴极反应可以极大的提升电堆的产热功率，可以使电堆温度上升速率明显提升，在50s内电堆温度从-30℃上升到了10℃以上，同时达到10℃以上后降低产热功率，电堆进入低效率发电状态，电堆产热功率仍保持较高状态从而维持较快温升，电堆在100s内达到了正常工作状态，而采用正常启动方法电堆温度在100s时仍未达到正常工作状态，并且缩短了PTC加热的工作时间。

（2）控制电堆阴极的化学计量比能够提高电堆的温度提升速度，在15℃工况下的结果表明降低阴极化学计量比可以有效提升电堆产热功率，电堆在20s内即将电堆温度升高到30℃以上。

在温度大于30℃以上时，电堆不再对阴极计量比施加限制，电堆阴极的计量比按照较高效率的目标来控制，在该情况下电堆的温度升高速率与未施加控制的方式相同。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统，其特征在于：包括控制器FCU、PEMFC电堆（14）、空气系统、氮气系统、氢气系统、气体吹扫装置、气体混合装置及温湿度采集装置，PEMFC电堆（14）上的阳极和阴极分别与温湿度采集装置连接，所述控制器FCU与温湿度采集装置连接，所述PEMFC电堆（14）上的阳极与氢气系统连接，所述氮气系统和氢气系统连接，所述氮气系统、氢气系统分别与空气系统连接，所述气体混合装置设置在空气系统与氮气系统之间的管道上，所述氮气系统与气体加热装置连接，所述气体吹扫装置设置在氮气系统和氢气系统上，所述空气系统与PEMFC电堆（14）上的阴极连接。

2.根据权利要求1所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统，其特征在于：所述温湿度采集装置包括阴极温湿度采集装置（12）和阳极温湿度采集装置（13），所述阴极温湿度采集装置（12）和PEMFC电堆（14）的阴极连接，所述阳极温湿度采集装置（13）与PEMFC电堆（14）的阳极连接，气体混合装置包括稳压腔（25），所述稳压腔（25）与PEMFC电堆（14）上的阴极连接。

3.根据权利要求1所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统，其特征在于：所述氢气系统包括高压氢气瓶（1）、第一电磁比例阀（2）、第一减压阀（3）、小氢气泵（4）、第一电磁开关阀（5）、残余氢气储存罐（6）、气液分离器（7）、液态水收集装置（9），高压氢气瓶（1）、第一电磁比例阀（2）、第一减压阀（3）、小氢气泵（4）、第一电磁开关阀（5）、残余氢气储存罐（6）、气液分离器（7）、液态水收集装置（9）依次通过管道连接，所述空气系统包括空气源（21）、电磁阀（22）、滤清器（23）、空气压缩机（24），空气源（21）、电磁阀（22）、滤清器（23）、空气压缩机（24）依次通过管道连接；所述空气压缩机（24）与稳压腔（25）通过管道连接，所述氮气系统包括高压氮气瓶（20）、第二电磁比例阀（19）、第二减压阀（18），高压氮气瓶（20）、第二电磁比例阀（19）、第二减压阀（18）依次通过管道连接，所述气体吹扫装置包括氢气吹扫阀（8）、吹扫排水阀（10）、吹扫背压阀（11），所述氢气吹扫阀（8）和气液分离器（7）通过管道连接，所述吹扫排水阀（10）与液态水收集装置（9）连接，所述吹扫背压阀（11）与阴极温湿度采集装置（12）连接。

4.根据权利要求3所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动系统，其特征在于：所述第一减压阀（3）与第二电磁开关（15）通过管道连接，第二电磁开关（15）与PEMFC电堆（14）的阳极通过管道连接，所述气液分离器（7）与阳极温湿度采集装置（13）通过管道连接，所述第一减压阀（3）、小氢气泵（4）之间的管道上连接有第三电磁开关阀（16），所述第三电磁开关阀（16）和第四电磁开关阀（26）通过管道连接，所述第四电磁开关阀（26）与稳压腔（25）通过管道连接，所述气体加热装置包括PTC加热器（17），所述PTC加热器（17）设置在第四电磁开关阀（26）与第三电磁开关阀（16）的管道之间。

5.一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动控制方法，应用了如权利要求1-4任一所述的PEMFC冷启动系统，其特征在于：

第一步：PEMFC启动时，当温湿度采集装置检测到PEMFC温度低于10℃，通过PTC加热氮气，并将氮气、氢气、空气混合通到阴极反应来提升电堆温度；

第二步：当PEMFC温度大于10℃小于30℃时，氢气不再通入到阴极，氮气流路关闭，阴阳极分别通入空气与氢气，通过降低阴极的化学计量比，使得电堆产热量增加，加快电堆温度升高速度；

第三步：当PEMFC温度大于30℃时，PEMFC此时处于正常工作状态，阴阳极按照较高效率的化学计量比通入反应气体；

第四步：PEMFC停机后，判定外部温度是否低于阈值温度，当高于阈值温度时可缩短氮气吹扫时间及吹扫流量，当低于阈值温度，由加热系统加热后的氮气吹扫电堆阴阳极，并时刻检测电堆内水分，当出现结冰风险时通过加热氮气继续吹扫电堆，并降低内部水含量。

6.根据权利要求5所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动控制方法，其特征在于：PEMFC电堆（14）上的阴极通过调节压缩机转速及出口调压阀的开度实现阴极气体压力及流量的控制；PEMFC电堆（14）上的阳极通过吹扫阀的开闭来实现电堆工作过程中的吹扫；所述氮气系统的气体加热装置采用风道式气体加热器。

7.根据权利要求5所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动控制方法，其特征在于：气体吹扫装置和气体加热装置由控制器FCU控制，气体吹扫由控制器FCU控制阴阳极出口阀及氮气减压阀的压力来实现氮气吹扫流量的控制，所述气体压缩机电源由DCDC供电。

8.根据权利要求5所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动控制方法，其特征在于：PEMFC工作温度处于10℃-30℃之间时，通过控制阴极计量比来使燃料电池处于浓度差极化区，从而使得反应能量用于产生热量，达到快速升温到较佳工作温度的目的。

9.根据权利要求5所述的一种带掺氮、氢吹扫装置的PEMFC冷启动控制方法，其特征在于：PEMFC停机时，温度过低，氮气经加热器加热后吹扫电堆的阴极和阳极，并将电堆内部的湿度控制在相应温度的阈值内，防止堆内的水结冰损伤电堆。

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