CN113140749A - 一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统 - Google Patents

一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统，包括以下步骤：对燃料电池堆设置用于流通循环冷却液的辅助加热冷却回路和散热冷却回路，并获取燃料电池堆冷却液初始温度值；当冷却液初始温度值低于冷启动预设阈值时，燃料电池执行低温快速启动控制策略，冷却液由辅助加热冷却回路进行循环流通；当冷却液初始温度值高于冷启动预设阈值时，燃料电池执行常温启动控制策略，冷却液由散热冷却回路进行循环流通或由辅助加热冷却回路和散热冷却回路同时进行循环流通。本发明能够克服现有技术在环境温度低时冷启动困难或无法启动的缺陷。

Description

一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统。
背景技术
燃料电池运行时电池内部发生电化学反应生成大量水，同时有大量余热产生，当燃料电池启动温度低于零点时，电堆内部生成的液态水会快速冻结，且在燃料电池内部温度达到0℃前，反应生成的水发生冻结后会堵塞电池催化层燃料或空气(氧气)进气通道，阻碍局部区域正常化学反应，同时液态水发生冻结后体积膨胀，损坏燃料电池内部结构，使燃料电池低温启动失败或导致燃料电池损坏。所以，燃料电池在低于零点环境温度下无法满足正常启动需求，需要解决水结冰这一问题。
现有燃料电池低温冷启动主要有自启动，常规自启动能够很好的控制燃料电池系统生产成本和系统复杂程度，但启动过程允许温度范围较窄，启动效率较差，无法满足更低温度下快速启动。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统，能够克服现有技术在环境温度低时冷启动困难或无法启动的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池低温快速启动控制方法，包括以下步骤：
对燃料电池堆设置用于流通循环冷却液的辅助加热冷却回路和散热冷却回路，并获取燃料电池堆冷却液初始温度值；
当冷却液初始温度值低于冷启动预设阈值时，燃料电池执行低温快速启动控制策略，冷却液由辅助加热冷却回路进行循环流通；
当冷却液初始温度值高于冷启动预设阈值时，燃料电池执行常温启动控制策略，冷却液由散热冷却回路进行循环流通或由辅助加热冷却回路和散热冷却回路同时进行循环流通。
作为本发明的进一步改进，还包括：燃料电池堆运行启动后，实时监测燃料电池堆入堆冷却液温度值，并通过控制冷却液在辅助加热冷却回路和散热冷却回路中循环的流量比，使入堆冷却液温度值始终大于所述冷启动预设阈值。
作为本发明的进一步改进，还包括：当燃料电池执行低温快速启动控制策略时，对所述燃料电池堆进行空气内部循环供应，调节进入燃料电池的空气流量和氧含量，使燃料电池模块快速升温。
一种燃料电池低温快速启动控制系统，包括燃料电池堆、辅助加热冷却回路管路、散热冷却回路管路、温压一体传感器和燃料电池控制器，其中：
所述辅助加热冷却回路管路，分别与所述燃料电池堆和所述散热冷却回路管路连接，用于对循环流入燃料电池堆的冷却液进行辅助加热；
所述散热冷却回路管路，连接所述燃料电池堆，用于对循环流入燃料电池堆的冷却液进行散热降温；
所述温压一体传感器，设置于所述燃料电池堆的冷却液入口，用于监测获取燃料电池堆冷却液初始温度值并将初始温度值反馈到所述燃料电池控制器；
所述燃料电池控制器，用于根据冷启动预设阈值和所述初始温度值决定启动控制策略：
当冷却液初始温度值低于冷启动预设阈值时，所述燃料电池控制器控制燃料电池执行低温快速启动控制策略，即控制冷却液由辅助加热冷却回路管路进行循环流通；
当冷却液初始温度值高于冷启动预设阈值时，所述燃料电池控制器控制燃料电池执行常温启动控制策略，即控制冷却液由散热冷却回路管路进行循环流通或由辅助加热冷却回路管路和散热冷却回路管路同时进行循环流通。
作为本发明的进一步改进，所述辅助加热冷却回路管路和所述散热冷却回路管路之间设有调节阀，所述燃料电池控制器连接所述调节阀，所述燃料电池控制器通过控制所述调节阀的开度选择冷却液进行循环流通的管路。
作为本发明的进一步改进，所述温压一体传感器还用于实时监测燃料电池堆入堆冷却液温度值并反馈到所述燃料电池控制器，所述燃料电池控制器调节所述调节阀的开度使入堆冷却液温度值始终大于所述冷启动预设阈值。
作为本发明的进一步改进，所述辅助加热冷却回路管路上设有加热器。
作为本发明的进一步改进，所述散热冷却回路管路上设有散热器。
作为本发明的进一步改进，所述燃料电池堆还连接有空气循环回路管路，燃料电池在执行低温快速启动控制策略时，所述燃料电池控制器控制所述空气循环回路管路打开对所述燃料电池堆进行空气内部循环供应。
作为本发明的进一步改进，所述空气循环回路管路上设有空压机和比例阀，所述空压机和所述比例阀分别连接所述燃料电池控制器，所述燃料电池控制器通过控制所述空压机的转速来控制燃料电池空气供应流量，并通过控制所述比例阀开度调节进入燃料电池堆的空气氧含量。
本发明的有益效果：本发明燃料电池低温快速启动时冷却液仅在辅助加热冷却回路进行流通，辅助加热回路产生的热量迅速加热循环冷却液，可以使电堆温度快速提升，从而在短时间内迅速实现迅速冷启动；进一步的，通过燃料电池尾排空气循环利用，降低燃料电池入口空去氧含量浓度，提高燃料电池运行时浓差极化，使燃料电池快速产热，缩短冷启动时长，有效防止燃料电池启动时间过长造成启动失败或启动困难。
附图说明
图1是本发明实施例中燃料电池启动控制策略流程示意图；
图2是本发明实施例中燃料电池低温快速启动冷却回路控制策略流程示意图；
图3是本发明实施例中的一种优选方式的系统结构示意图；
图4是本发明实施例中燃料电池低温快速启动空气供应控制策略流程示意图；
图5为本发明实施例中燃料电池低温快速启动控制策略一种优选方式流程示意图；
图中标号说明：1、辅助加热冷却回路管路，2、PTC加热器，3、调节阀，4、冷却循环水泵，5、温压一体传感器，6、燃料电池堆，7、温压一体传感器，8、散热冷却回路管路，9、散热器，10、空进管路，11、化学过滤器，12、空压机，13、中冷器，14、增湿器，15、空出管路，16、比例阀，17、空气循环回路管路，18、空出管路，19、燃料电池控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参考图1和图2，本发明实施例提供一种燃料电池低温快速启动控制方法，包括以下步骤：
对燃料电池堆设置用于流通循环冷却液的辅助加热冷却回路和散热冷却回路(即冷却回路a和冷却回路b)，并获取燃料电池堆冷却液初始温度值T2；
当冷却液初始温度值T2低于冷启动预设阈值T1时，燃料电池执行低温快速启动控制策略，冷却液由辅助加热冷却回路进行循环流通；
当冷却液初始温度值T2高于冷启动预设阈值T1时，燃料电池执行常温启动控制策略，冷却液由散热冷却回路进行循环流通或由辅助加热冷却回路和散热冷却回路同时进行循环流通。
具体的，当冷却液初始温度T2＜T1时，燃料电池执行低温快速启动控制策略，使冷却回路b处于断路状态，冷却液无法由冷却回路b进行流通，仅通过冷却回路a进行流通；所述燃料电池冷却液无法由冷却回路b进行流通，仅通过冷却回路a进行流通时，辅助加热回路具有加热功能，提升冷却液a回路冷却液温度，从而达到提高燃料电池运行温度，实现燃料电池快速冷启动；当冷却液初始温度T2≥T1时，燃料电池执行常温启动控制策略，使冷却液回路b与燃料电池冷却回路处于连通状态，冷却液由冷却回路a和冷却回路b进行流通，预设阈值T1由具体燃料电池膜电极表面反应生成的液态水冷冻临界值决定。
进一步的，燃料电池堆运行启动后，实时监测燃料电池堆入堆冷却液温度值T3，并通过控制冷却液在辅助加热冷却回路和散热冷却回路中循环的流量比，使入堆冷却液温度值T3始终大于所述冷启动预设阈值T1。T3＞T1时，可通过散热冷却回路对冷却回路多余热量散去，维持燃料电池运行温度在合理温度范围内。
实施例二
参考图3，本发明实施例提供一种燃料电池低温快速启动控制系统，包括燃料电池堆6、辅助加热冷却回路管路1、散热冷却回路管路8、温压一体传感器5和燃料电池控制器19，其中：
辅助加热冷却回路管路1，分别与燃料电池堆6和散热冷却回路管路8连接，用于对循环流入燃料电池堆6的冷却液进行辅助加热；
散热冷却回路管路8，连接燃料电池堆6，用于对循环流入燃料电池堆6的冷却液进行散热降温；
温压一体传感器5，设置于燃料电池堆的冷却液入口，用于监测获取燃料电池堆6冷却液初始温度值T2并将初始温度值T2反馈到燃料电池控制器19；
燃料电池控制器19，用于根据冷启动预设阈值T1和初始温度值T2决定启动控制策略：
当冷却液初始温度值T2低于冷启动预设阈值T1时，燃料电池控制器19控制燃料电池执行低温快速启动控制策略，即控制冷却液由辅助加热冷却回路管路1进行循环流通；
当冷却液初始温度值T2高于冷启动预设阈值T1时，燃料电池控制器19控制燃料电池执行常温启动控制策略，即控制冷却液由散热冷却回路管路8进行循环流通或由辅助加热冷却回路管路1和散热冷却回路管路8同时进行循环流通。
具体的，辅助加热冷却回路管路1和散热冷却回路管路8之间设有调节阀3，这里调节阀3选用节温器或三通阀，当冷却液初始温度T2＜T1时，燃料电池执行低温快速启动控制策略，燃料电池控制器19控制节温器或三通阀开度，使冷却回路b与燃料电池冷却回路处于断路状态，冷却液无法由冷却回路b进行流通，仅通过冷却回路a进行流通；当冷却液初始温度T2≥T1时，燃料电池执行常温启动控制策略，控制节温器或三通阀开度，使冷却液回路b与燃料电池冷却回路处于连通状态，冷却液由冷却回路a和冷却回路b进行流通，冷却液分别由冷却回路a和冷却回路b流通流量通过节温器或三通阀开度控制。
燃料电池运行时，通过温压一体传感器5实时监测燃料电池堆入堆冷却液温度值T3并反馈到燃料电池控制器19，燃料电池控制器19调节节温器或三通阀开度大小或断开冷却回路b连通，使入堆冷却液温度值T3始终大于冷启动预设阈值T1。
具体的，系统还包括设在冷却回路上的冷却循环水泵4和设在燃料电池堆出口的温压一体传感器7，出口的温压一体传感器7用于监测冷却液出液温度值并反馈到燃料电池控制器19，辅助监测冷却液温度，使冷却液温度在一定合理温度范围内，辅助加热冷却回路管路1上设有加热器，在本实施例里采用PTC加热器2，运行冷却循环水泵4，调节冷却液回路节温器或三通比例阀开度、使冷却液仅在冷却回路a流通，运行PTC加热器2，使电堆循环回路a冷却液温度快速提升，启动燃料电池。
具体的，散热冷却回路管路8上设有散热器9，运行冷却循环水泵4，调节冷却液回路节温器或三通比例阀开度，通过燃料电池散热器9对冷却回路多余热量散去，维持燃料电池运行温度在合理温度范围内。
实施例三
参考图3-图5，本发明实施例提供一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统，还包括燃料电池堆6还连接有空气循环回路管路17，空气循环回路管路17上设有比例阀16和空压机12，具体的，还包括依次连接的空进管路10、化学过滤器11、空压机12、中冷器13、增湿器14，用于为燃料电池堆6进行空气供应，空气循环回路管路17上还通过比例阀16设有空出管路15和空出管路18，空出管路15连接增湿器14，比例阀16连接控制进入空压机12的循环进气；在燃料电池执行低温快速启动控制策略时，通过降低由外部环境进入空气管路10空气流量，控制燃料电池氧气过量系数处于较低状态，增加启动过程浓差过电位；同时，增加空压机12转速，调节比例阀16开度，使燃料电池内部阴极通道气体流量以较快流速进行流通，减少由于氧气计量比较低带来的局部区域反应活性差异，高转速空压机运行过程中产生大量热易被燃料电池本体吸收，此外，阴极循环尾气可有效提高燃料电池进气温度。
为了实现燃料电池系统在低温环境下快速启动，除了外部辅助加热外，还可以提高启动时燃料电池自身产热以及反应后废气的热量利用达到快速启动的目的，提高燃料电池自身产热速率主要依靠提高燃料电池输出电流或通过增加浓差过电势降低燃料电池工作效率，从而达到快速产热的目的。增加燃料电池输出电流虽然可以使提高产热效率，但也会使膜电极催化层产生大量液态水，若燃料电池内部温度不能快速上升至冰点温度以上，液态水会发生快速结冰，覆盖在膜电极催化层表面导致燃料电池单节局部区域反极或结冰层刺穿质子膜损坏膜电极结构，致使冷启动失败、燃料电池损坏。通过增加浓差过电势可有效降低燃料电池电能输出，增加燃料电池产热效率，浓差过电势是指燃料电池发生电化学反应时不断消耗阴极腔体中的氧气，因此，腔体中氧气浓度对电化学反应效率产生巨大影响，氧气浓度越高，催化层内发生氧气还原反应过电势越低，同理，氧气浓度越低，催化层内发生氧气还原反应过电势越高。
一般情况下，通过控制燃料电池工作时氧气浓度来调节反应过程浓差过电势，浓差过电势与氧气浓度之间存在量化关系。当燃料电池中氧气浓度保持一定时，系统输出电流越大，浓差过电势越大；当燃料电池系统输出电流保持一定值，氧气浓度越低，浓差过电势越大。如图4所示，可以通过降低启动时氧气过量系数来增加反应过程浓差过电势，同时还可以将燃料电池阴极尾气进行循环来降低氧气浓度，燃料电池输出电流较低时，空气需求流量较小，通过阴极尾气循环提高燃料电池入口空气流量，可以提高燃料电池整体流量均匀性，此外，尾排空气温度较环境空气温度偏高，能够有效提高燃料电池入口空气温度，形成热量循环利用。
如图5所示，具体实施步骤如下：
步骤S101：燃料电池启动前采集并获取燃料电池冷却液入口初始冷却液温度T2；
步骤S102:判断燃料电池在该温度下采用何种启动控制策略进入启动模式，当T2＜T1时，燃料电池启动控制策略采用低温快速启动控制策略进行启动，进入步骤S201；否则，燃料电池启动控制策略采用常温启动控制策略进行启动，进入步骤S301；
步骤S201：运行冷却循环水泵4，调节冷却液回路节温器或三通比例阀开度、使冷却液仅在冷却回路a流通，运行PTC加热器2，使电堆循环冷却回路a冷却液温度快速提升，启动燃料电池，进入步骤S202；
步骤S202：调节比例阀16开度，设置空压机12转速为r1，燃料电池运行时设置最低单体阀值U1，燃料电池控制系统实时监测燃料电池单体电压并计算平均电压U2，通过控制空气供应流量和氧化剂浓度使燃料电池拉载过程中平均电压波动幅度控制在U1±△U范围内，即使燃料电池系统输出电流保持一定值，降低氧气浓度，增加浓差过电势，使燃料电池快速产热，进入步骤S203；
步骤S203：实时监测入口冷却液温度T3，当T3≥T1时，调节节温器或三通阀开度大小，使流经电堆模块冷却液温度T3≥T1，当燃料电池冷却回路三通阀调节至冷却回路b开度达到最大值，燃料电池冷却液入口温度T3＞T1时，执行燃料电池常温启动运行控制策略，进入步骤S301；
步骤S301：运行冷却循环水泵4，调节冷却液回路节温器或三通比例阀开度，通过燃料电池散热器9对冷却回路多余热量散去，维持燃料电池运行温度在合理温度范围内，断开空气循环回路，使燃料电池模块尾排空气完全由空出管路15、比例阀16和空出管路18排出。
本发明实施例通过外部PTC加热器2为冷却回路冷却液进行加热提高燃料电池运行温度；同时控制启动过程中阴极氧气过量系数，尾气快速循环控制策略，提高燃料电池启动过程自身产热效率，通过以上控制策略，提高了燃料电池系统低温启动过程燃料电池升温速率，达到快速启动的目的。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池低温快速启动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
对燃料电池堆设置用于流通循环冷却液的辅助加热冷却回路和散热冷却回路，并获取燃料电池堆冷却液初始温度值；
当冷却液初始温度值低于冷启动预设阈值时，燃料电池执行低温快速启动控制策略，冷却液由辅助加热冷却回路进行循环流通；
当冷却液初始温度值高于冷启动预设阈值时，燃料电池执行常温启动控制策略，冷却液由散热冷却回路进行循环流通或由辅助加热冷却回路和散热冷却回路同时进行循环流通。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池低温快速启动控制方法，其特征在于：还包括：燃料电池堆运行启动后，实时监测燃料电池堆入堆冷却液温度值，并通过控制冷却液在辅助加热冷却回路和散热冷却回路中循环的流量比，使入堆冷却液温度值始终大于所述冷启动预设阈值。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池低温快速启动控制方法，其特征在于：还包括：当燃料电池执行低温快速启动控制策略时，对所述燃料电池堆进行空气内部循环供应，调节进入燃料电池的空气流量和氧含量，使燃料电池模块快速升温。
4.一种燃料电池低温快速启动控制系统，其特征在于：包括燃料电池堆、辅助加热冷却回路管路、散热冷却回路管路、温压一体传感器和燃料电池控制器，其中：
所述辅助加热冷却回路管路，分别与所述燃料电池堆和所述散热冷却回路管路连接，用于对循环流入燃料电池堆的冷却液进行辅助加热；
所述散热冷却回路管路，连接所述燃料电池堆，用于对循环流入燃料电池堆的冷却液进行散热降温；
所述温压一体传感器，设置于所述燃料电池堆的冷却液入口，用于监测获取燃料电池堆冷却液初始温度值并将初始温度值反馈到所述燃料电池控制器；
所述燃料电池控制器，用于根据冷启动预设阈值和所述初始温度值决定启动控制策略：
当冷却液初始温度值低于冷启动预设阈值时，所述燃料电池控制器控制燃料电池执行低温快速启动控制策略，即控制冷却液由辅助加热冷却回路管路进行循环流通；
当冷却液初始温度值高于冷启动预设阈值时，所述燃料电池控制器控制燃料电池执行常温启动控制策略，即控制冷却液由散热冷却回路管路进行循环流通或由辅助加热冷却回路管路和散热冷却回路管路同时进行循环流通。
5.如权利要求4所述的一种燃料电池低温快速启动控制系统，其特征在于：所述辅助加热冷却回路管路和所述散热冷却回路管路之间设有调节阀，所述燃料电池控制器连接所述调节阀，所述燃料电池控制器通过控制所述调节阀的开度选择冷却液进行循环流通的管路。
6.如权利要求5所述的一种燃料电池低温快速启动控制系统，其特征在于：所述温压一体传感器还用于实时监测燃料电池堆入堆冷却液温度值并反馈到所述燃料电池控制器，所述燃料电池控制器调节所述调节阀的开度使入堆冷却液温度值始终大于所述冷启动预设阈值。
7.如权利要求4所述的一种燃料电池低温快速启动控制系统，其特征在于：所述辅助加热冷却回路管路上设有加热器。
8.如权利要求4所述的一种燃料电池低温快速启动控制系统，其特征在于：所述散热冷却回路管路上设有散热器。
9.如权利要求4所述的一种燃料电池低温快速启动控制系统，其特征在于：所述燃料电池堆还连接有空气循环回路管路，燃料电池在执行低温快速启动控制策略时，所述燃料电池控制器控制所述空气循环回路管路打开对所述燃料电池堆进行空气内部循环供应。
10.如权利要求9所述的一种燃料电池低温快速启动控制系统，其特征在于：所述空气循环回路管路上设有空压机和比例阀，所述空压机和所述比例阀分别连接所述燃料电池控制器，所述燃料电池控制器通过控制所述空压机的转速来控制燃料电池空气供应流量，并通过控制所述比例阀开度调节进入燃料电池堆的空气氧含量。
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