CN113206277B - 一种燃料电池低温快速自启动方法及系统 - Google Patents

一种燃料电池低温快速自启动方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池低温快速自启动的方法及系统，所述系统包括氢气供给系统、DCDC控制系统以及阴极交替进气子系统。所述低温快速自启动方法包括：向燃料电池电堆通入氢气和氧化剂，通过阴极交替进气子系统实现从阴极进气口和出气口交替供给氧化剂，同时使燃料电池在较低的电压条件下工作产热，从而实现无辅助快速低温启动。与现有技术相比，本发明系统简单，操作方便，仅在完全自启动的基础上使氧化剂交替从阴极进出口供给即可实现低温快速自启动，且启动过程电池内温度分布均匀性得到明显提升。

Description

一种燃料电池低温快速自启动方法及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池低温自启动方法及系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将储存在氢气和氧气中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，其能量转换效率不受卡诺循环的限制，理论效率高达83％，实际效率也能达到60％；其次，PEMFC的产物只有水，因此可以实现真正的零污染零排放。因此，在中国承诺2030年达到碳排放高峰和2060年实现碳中和的进程中必将发挥巨大的作用。
质子交换膜燃料电池被广泛认为是替代内燃机作为新能源汽车动力源的理想候选者，除了能量转化效率高和零排放外，燃料电池汽车的加氢时间和行使里程均与燃油车相接近，驾驶者可以获得与传统燃油车相似的驾驶体验；而且，即便在寒冷的冬天，正常工作的燃料电池汽车不会出现里程缩短的问题，同时燃料电池工作过程产生的热量还可以用于车内供暖，减少空调的使用。
然而，燃料电池汽车在实现商业化之前，仍然存在一些亟待解决的技术难题。其中，由于燃料电池的产物是水，在零度以下的低温环境中容易发生冻结，水结冰后可能会破坏电池结构，影响使用寿命，同时还会堵塞气体供应从而使得电池无法在低温环境中启动。因此，燃料电池汽车的低温启动性能已成为各国燃料电池发展的重要技术指标之一。
现有的燃料电池低温启动解决方案主要分为两类，一类是基于电化学反应的自启动，另一类是基于外部加热的辅助启动。前者是通过控制电池工作条件，例如：通过控制电压、电流、反应气化学计量比等来提高燃料电池的废热产生量从而加热电池；后者通过外部加热，例如：加热冷却剂、加热端板、加热反应气以及催化氢氧反应等外部辅助的方式加热电池。采用外部加热辅助冷启动的方法最大的缺点在于其增加系统的复杂度，降低系统效率，因此自启动是燃料电池低温启动的首选方法同时也是最终目标。
此外，当前商业化的燃料电池流场大多采用长流道，目的是为了获得较为均匀的气体分布和较大的有效电化学面积，而正是由于长流道的设计，在实际低温自启动过程中会出现沿流道方向温度分布不均匀的问题，通过冷却剂可以改善温度分布的均匀性，但冷却剂会大大增加启动时间从而降低启动能力。
发明内容
本发明的目的就是为了弥补上述技术缺陷而提供一种燃料电池低温自启动的方法及系统，用于提高燃料电池低温自启动能力和启动过程温度分布均匀性。
本发明一方面提供了一种燃料电池低温自启动方法，所述方法为：启动过程中氧化剂(如空气)的供给方式为从燃料电池电堆阴极进气口和阴极出气口交替通入。
基于上述方案，优选地，所述低温自启动方法包括以下步骤：
1)打开氢气供给系统，向燃料电池电堆的阳极进气口通入氢气；
2)打开空气压缩机，从燃料电池电堆阴极进气口和阴极出气口以一定时间间隔t0交替通入氧化剂；
3)启动DCDC控制器，设定燃料电池电堆低温启动电压；
4)监测所述燃料电池电堆进气口、中间以及出气口位置的温度；
5)当所述燃料电池电堆的进气、中间以及出气口位置的温度达到设定值T0时，将阴极进气口和出气口的交替进气切换为正常进气，燃料电池正常运行。
基于上述方案，优选地，所述通入燃料电池电堆的氢气压力设定为0-50kPa，流速为燃料电池电堆中每节单电池0.5-1.5L/min。
基于上述方案，优选地，启动过程中通入燃料电池电堆的氧化剂压力(即启动过程中空气侧)为常压，流速为燃料电池电堆中每节单电池3-15L/min。
基于上述方案，优选地，所述阴极交替通入空气时间间隔根据燃料电池电堆自身的冷启动实验设定，优选为3～60s。
基于上述方案，优选地，所述燃料电池电堆低温启动电压根据燃料电池电堆自身的冷启动实验设定，优选为单节电池0.2～0.7V之间。
进一步地，所述燃料电池电堆低温快速自启动方法启动过程产生的热量全部来源于电池内部发生的电化学反应，属于无辅助低温自启动。
基于上述方案，优选地，所述方法适用于燃料电池在-30℃～0℃温度下启动。
另一方面，本发明提供了一种燃料电池低温自启动系统，所述燃料电池低温快速自启动系统包括燃料电池电堆、氢气供给子系统、阴极交替进气子系统；所述氢气供给子系统用于向燃料电池电堆的阳极进气口通入氢气；所述阴极交替进气子系统用于控制氧化剂从燃料电池电堆阴极进气口和阴极出气口交替通入。
进一步地，所述的阴极交替进气子系统包括正向进气回路和反向进气回路；所述正向进气回路用于从燃料电池阴极进气口进气，从燃料电池阴极出气口排气；所述反向进气回路用于从燃料电池阴极出气口进气，从燃料电池阴极进气口排气；所述正向进气回路和反向进气回路交替使用。
更进一步，所述正向进气回路和反向进气回路上各自设有电磁或气动阀门，所述氧化剂的交替通入是通过脉冲信号控制器控制电磁或气动阀门实现的。所述正向进气回路工作时由脉冲信号同时控制阴极反向进气阀门和阴极反向出气阀门关闭，阴极正向进气阀门和阴极正向出气阀门打开实现；所述反向进气回路工作时由脉冲信号同时控制阴极正向进气阀门和阴极正向出气阀门打开，阴极反向进气阀门和阴极反向出气阀门关闭实现。
进一步地，所述燃料电池低温快速自启动系统还包括DCDC控制系统，所述DCDC控制系统用于控制燃料电池电堆的启动电压。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明在启动过程中保持氢气正常供给而使空气从阴极进出口交替通入，优点在于可以将启动过程中电池内部核心反应区均匀分配到电池的各个区域，可以提高燃料电池不同区域温度分布的均匀性，避免局部热点的产生。
(2)阴极交替进气可以使电堆进出口区域同时加热，减小入口区域电流密度增加的速度，从而减小入口区域冰的积累速度，防止电池因入口区域结冰过快导致的催化层孔隙率不能完全利用就停机的发生，因此该方法能提高燃料电池低温启动能力。
(3)本发明无需外部提供热量加热电堆，启动过程完全依靠电化学反应释放的废热，与辅助低温启动相比操作更方便，成本更低，安全性也更高。
(4)本发明所采用的的启动方法，其热量来源于电堆运行过程的废热，因此可以在启动初期较短时间内对外输出功率。
(5)本发明所采用的低温自启动系统无需改变燃料电池系统结构，只需要在阴极进气管路和排气管路上添加一组阀门即可，不改变阳极气体管路，系统简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明的燃料电池系统结构示意图。
图2为实施例1中燃料电池低温自启动的温度曲线。
图3为实施例1中燃料电池自启动的电流和输出功率图。
图4为对比例1中燃料电池低温自启动的温度曲线。
图5为对比例1中燃料电池自启动的电流和输出功率图。
图中标记说明：
1、阴极给气端，2、空气压缩机，3、空气入口阀门，4、阴极反向进气阀门，5、阴极正向进气阀门，6、阴极反向出气阀门，7、阴极正向出气阀门，8、阴极出口阀，9、阴极尾排，10、燃料电池电堆，11、阳极给气端，12、阳极进口阀，13、阳极入口三通阀，14、阳极出口三通阀，15、阳极循环压缩机，16、阳极尾排，17、燃料电池系统DCDC控制器。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例。本实例采用单节有效面积为270cm2的两节燃料电池短堆作为研究对象，采用金属双极板、涂有微孔层的碳纸构成的气体扩散层、阴阳极采用铂碳催化剂，其中铂催化剂担量分别为0.4mg/cm2和0.2mg/cm2的催化层，质子交换膜采用全氟磺酸质子交换膜(厚度约18um)。
图1为阴极交替进气管路的燃料电池电堆系统的示意图，但需要注意的是，这只是阴极交替进气的一种应用形式，并没有也不可能将所有实现形式穷举出来。
如图1所示，本发明所提供的燃料电池低温自启动系统包括燃料电池电堆、氢气供给子系统、阴极交替进气子系统和DCDC控制系统；所述DCDC控制系统用于控制燃料电池电堆的启动电压，所述氢气供给子系统用于向燃料电池电堆的阳极进气口通入氢气；所述阴极交替进气子系统用于控制氧化剂从燃料电池电堆阴极进气口和阴极出气口交替通入。
所述氢气供给子系统包括氢气输入管路和排出管路，氢气输入管路和排出管路分别连接燃料电池阳极入口和出口，同时在阳极出口和入口之间设有氢循环管路。
所述的阴极交替进气子系统包括正向进气回路和反向进气回路；所述正向进气回路用于从燃料电池阴极进气口进气，从燃料电池阴极出气口排气；所述反向进气回路用于从燃料电池阴极出气口进气，从燃料电池阴极进气口排气；所述正向进气回路和反向进气回路交替使用。
所述正向进气回路和反向进气回路在靠近电堆阴极进出口位置设有四个电磁阀以实现交替进气，其中，正向进气回路工作时由脉冲信号同时控制阴极反向进气阀门4和阴极反向出气阀门6关闭，阴极正向进气阀门5和阴极正向出气阀门7打开实现；反向进气回路工作时由脉冲信号同时控制阴极正向进气阀门5和阴极正向出气阀门7打开，阴极反向进气阀门4和阴极反向出气阀门6关闭实现。其中，阀门4和7、阀门5和6两两并联，阀门3是空气进气总阀门，阀门8是空气排气总阀门，在实际低温启动过程中，空气压缩机可以连续工作，无需反复启停；
所述正向进气时：空气依次经过空气入口、阀门3、阀门5、燃料电池电堆、阀门7和阀门8，最终经尾排排出；
所述反向进气时：空气依次经过空气入口、阀门3、阀门7、燃料电池电堆、阀门4和阀门8，最终经尾排排出；
上述系统工作过程如下：
1)当电堆温度传感器监测到电堆核心温度低于-10℃时，自动启动冷启动程序，本实施例中电堆核心温度为-20℃；
2)打开氢气供给系统，向燃料电池电堆通入氢气，本实施例优选氢气流量为3L/min，常压；
3)打开空气压缩机，从燃料电池电堆阴极进气口和阴极出气口以一定时间间隔t0交替通入空气，本实施例优选空气流量为12L/min，交替间隔为5s；
4)启动DCDC控制器，设定燃料电池电堆低温启动电压，本实施例优选启动电压为0.6V；
5)监测所述燃料电池电堆进气口、中间以及出气口位置的温度，本实施例测温元件设置于：靠近负极第一节的进气口和出气口区域以及靠近正极第一节的中间区域，测温元件测温点置于气体扩散层表面；
6)当所述燃料电池电堆的进气、中间以及出气口位置的温度达到设定值0℃时，启动成功；
图2为上述实施例中放置在电堆中不同部位的测温元件显示的温度变化示意图，可以看到，电堆入口和出口之间的温度分布较为均匀，142s时电堆最低温度已达到0℃，且继续启动后温度没有任何衰减的趋势。
图3为上述实施例启动过程中电流、电压以及功率输出示意图，可以看到，启动过程控制启动电压为0.6V，电流和输出功率逐渐增加，预示启动成功。
对比例1
作为对比，本对比例将展示正向进气低温启动的情形；
1)当电堆温度传感器监测到电堆核心温度低于-10℃时，自动启动冷启动程序，本对比例中电堆核心温度为-10℃；
2)打开氢气供给系统，向燃料电池电堆通入氢气，本实施例优选氢气流量为3L/min，常压；
3)打开空气压缩机，从燃料电池电堆阴极进气口正向进气，本实施例优选空气流量为10L/min，常压；
4)启动DCDC控制器，设定燃料电池电堆低温启动电压，本实施例优选启动电压为0.8V；
5)监测所述燃料电池电堆进气口、中间以及出气口位置的温度，本实施例测温元件设置于：靠近负极第一节的进气口和出气口区域以及靠近正极第一节的中间区域，测温元件测温点置于气体扩散层表面；
6)当所述燃料电池电堆的进气、中间以及出气口位置的温度达到设定值0℃时，启动成功，反之启动失败；
图4为上述对比例启动过程中不同部位的温度分布情况，可以看到，正向进气低温自启动温度分布极不均匀，靠近入口区域温度上升迅速，沿流道方向向下游依次变慢，出口区域温度上升缓慢，最终启动失败；
图5为上述对比例启动过程中电流、电压以及功率输出情况，可以看到，在启动失败前，电流和功率持续上升，当上升到一定程度后电流和输出功率会持续降低至电池停机，预示启动失败。

Claims (7)

1.一种燃料电池低温快速自启动的方法，其特征在于，所述方法为：启动过程中氧化剂的供给方式为从燃料电池电堆阴极进气口和阴极出气口交替通入；
所述方法包括以下步骤：
1)向燃料电池电堆的阳极进气口通入氢气；
2)从燃料电池电堆阴极进气口和阴极出气口以一定时间间隔t0交替通入氧化剂，启动过程中交替通入氧化剂的时间间隔为3～60s；
3)设定燃料电池电堆低温启动电压；
4)监测所述燃料电池电堆进气口、中间以及出气口位置的温度；
5)当所述燃料电池电堆的进气口、中间以及出气口位置的温度达到设定值T0时，将阴极进气口和出气口的交替进气切换为正常进气，燃料电池正常运行。
2.根据权利要求1所述的启动的方法，其特征在于，通入燃料电池电堆的氢气压力设定为0-50kPa，流速为燃料电池电堆中每节单电池0.5-1.5L/min。
3.根据权利要求1所述的启动的方法，其特征在于，启动过程中通入燃料电池电堆的氧化剂压力为常压，流速为燃料电池电堆中每节单电池3-15L/min。
4.根据权利要求1所述的启动的方法，其特征在于，所述燃料电池电堆低温启动电压为单节电池0.2～0.7V之间。
5.根据权利要求1所述的启动的方法，其特征在于，所述方法适用于燃料电池在-30°～0℃温度下启动。
6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的方法所用的燃料电池低温快速自启动系统，其特征在于，所述燃料电池低温快速自启动系统包括燃料电池电堆、氢气供给子系统、阴极交替进气子系统；所述氢气供给子系统用于向燃料电池电堆的阳极进气口通入氢气；所述阴极交替进气子系统用于控制氧化剂从燃料电池电堆阴极进气口和阴极出气口交替通入；
所述阴极交替进气子系统包括正向进气回路和反向进气回路；所述正向进气回路用于从燃料电池阴极进气口进气，从燃料电池阴极出气口排气；所述反向进气回路用于从燃料电池阴极出气口进气，从燃料电池阴极进气口排气；所述正向进气回路和反向进气回路交替使用；
所述正向进气回路和反向进气回路各自设有电磁或气动阀门，所述氧化剂的交替通入是通过脉冲信号控制器控制所述电磁或气动阀门实现的。
7.根据权利要求6所述的燃料电池低温快速自启动系统，其特征在于，所述燃料电池低温快速自启动系统还包括DCDC控制系统，所述DCDC控制系统用于控制燃料电池电堆的启动电压。
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