CN113258103B - 一种燃料电池冷启动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池冷启动系统及其控制方法，该系统包括电磁感应加热组件、控制器、温度传感器、燃料供应组件、氧化剂供应组件、燃料电池；电磁感应加热组件包括电池、感应线圈、逆变器，感应线圈的第一端和逆变器的第一端分别与电池的第一极相连，感应线圈的第二端和逆变器的第二端分别与电池的第二极相连，感应线圈围绕在燃料电池的四周。燃料电池在冷启动过程中，逆变器将直流电改成交流电，感应线圈在交流电的作用下使燃料电池中产生热量，实现加热，电磁感应加热加热时间短、加热效率快，还可以通过调节电流强度、感应线圈匝数等来调节加热深度，提升加热均匀性；当燃料电池正常启动后，感应线圈通直流电，提升燃料电池的电化学性能。

Description

一种燃料电池冷启动系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池冷启动系统及其控制方法。

背景技术

在节能环保的背景下，燃料电池技术发展的一大难点是低温环境下的冷启动问题，若燃料电池电堆中的电极反应产生的水在顺利排出之前发生结冰现象，便会发生反应物的传质通道被堵塞以及反应位点被冰层掩盖等不良情况，最终导致冷启动失败。所以，当环境温度较低时，如-30℃以下，车用燃料电池电堆在冷启动之前必须通过辅助装置进行预热。

目前，对燃料电池进行低温冷启动常采用加热法，即通过外加热源来使燃料电池快速达到工作状态，根据加热介质及热源类型的不同，可细分为冷却液加热、进气加热、催化燃烧等。其中，冷却液加热及进气加热是通过高温的冷却液及反应气体对燃料电池进行加热，催化燃烧法是通过向阴极通入低氢气含量的混合气体以发生催化燃烧来对燃料电池进行加热。无论哪一种加热方式均存在前期加热时间长、加热效率低的问题，并且，冷却液加热和进气加热还可能造成不均匀的温度场分布，使得燃料电池的整体电化学输出性能有所降低。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

本申请的目的是提供一种燃料电池冷启动系统及其控制方法，以缩短加热时间、提升加热效率，同时为燃料电池提供均匀的加热，提升燃料电池的电化学性能。

为解决上述技术问题，本申请提供一种燃料电池冷启动系统，包括电磁感应加热组件、控制器、温度传感器、燃料供应组件、氧化剂供应组件、燃料电池；

所述电磁感应加热组件包括电池、感应线圈、逆变器，所述感应线圈的第一端和所述逆变器的第一端分别与所述电池的第一极相连，所述感应线圈的第二端和所述逆变器的第二端分别与所述电池的第二极相连，所述感应线圈围绕在所述燃料电池的四周。

可选的，所述氧化剂供应组件包括：

空气过滤器、空气压缩机、中冷器和加湿器，其中，空气过滤器的出口端与所述空气压缩机的进口端连接，所述空气压缩机的出口端与所述中冷器的进口端连接，所述中冷器的出口端与所述加湿器的进口端连接，所述加湿器的出口端与所述燃料电池的氧化剂进气口连接。

可选的，所述氧化剂供应组件还包括：

位于所述加湿器和所述氧化剂进气口之间的、与所述控制器连接的止通阀门。

可选的，所述燃料供应组件包括：

燃料源、流量控制阀和流量计。

可选的，所述燃料供应组件还包括：

气体循环设备，用于将所述燃料电池中未反应的燃料循环进入所述燃料电池。

可选的，所述气体循环设备为循环泵。

可选的，所述燃料供应组件还包括：

压力控制阀。

可选的，所述感应线圈的缠绕方向与所述燃料电池中双极板和膜电极所在的平面平行。

本申请还提供一种燃料电池冷启动系统控制方法，包括：

温度传感器测量燃料电池的温度；

控制器确定所述温度与预设温度阈值的大小关系；

当所述温度小于所述预设温度阈值时，所述控制器控制所述电磁感应加热组件产生交流电，以使围绕在燃料电池四周的感应线圈在所述燃料电池中产生热量；

当所述温度不小于所述预设温度阈值时，所述控制器控制所述电磁感应加热组件产生直流电，并控制燃料供应组件和氧化剂供应组件为所述燃料电池供应燃料和氧化剂；

其中，所述电磁感应加热组件包括电池、所述感应线圈、逆变器。

可选的，还包括：

所述控制器发送第一调整指令至流量控制阀、压力控制阀，以调整所述燃料供应组件中燃料的流量、压力；

所述控制器发送第二调整指令至空气压缩机，以调整所述氧化剂供应组件中空气的流量。

本申请所提供的一种燃料电池冷启动系统，包括电磁感应加热组件、控制器、温度传感器、燃料供应组件、氧化剂供应组件、燃料电池；所述电磁感应加热组件包括电池、感应线圈、逆变器，所述感应线圈的第一端和所述逆变器的第一端分别与所述电池的第一极相连，所述感应线圈的第二端和所述逆变器的第二端分别与所述电池的第二极相连，所述感应线圈围绕在所述燃料电池的四周。

可见，本申请中的燃料电池冷启动系统除了包括电磁感应加热组件、控制器、温度传感器、燃料供应组件、氧化剂供应组件、燃料电池，电磁感应加热组件包括电池、感应线圈、逆变器，电池供应直流电，燃料电池在冷启动过程中，逆变器将直流电改成交流电，感应线圈在交流电的作用下使燃料电池中产生热量，实现为燃料电池在冷启动过程加热，电磁感应加热一方面具有加热时间短、加热效率快的优点，另一方面，可以通过调节频率、电流强度、感应线圈的匝数等来调节电磁感应加热组件的加热深度，进而提升加热的均匀性，保证燃料电池的性能不会由于短板效应而有所降低；另外，当燃料电池正常启动后，在感应线圈中通直流电，可以提升燃料电池的电化学性能，降低由于增加电磁感应装置而造成的燃料电池系统的体积与质量功率密度损失。

此外，本申请还提供一种具有上述优点的燃料电池冷启动系统控制方法。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中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为本申请实施例所提供的一种燃料电池冷启动系统的示意图；

图2为本申请实施例所提供的另一种燃料电池冷启动系统的示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种燃料电池冷启动系统控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，目前对燃料电池进行低温冷启动常采用加热法，具体有冷却液加热、进气加热、催化燃烧等。无论哪一种加热方式均存在前期加热时间长、加热效率低的问题，并且，冷却液加热和进气加热还可能造成不均匀的温度场分布，使得燃料电池的整体电化学输出性能有所降低。

有鉴于此，本申请提供了一种燃料电池冷启动系统，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种燃料电池冷启动系统的示意图，该系统包括：

电磁感应加热组件、控制器、温度传感器、燃料供应组件、氧化剂供应组件、燃料电池1；

所述电磁感应加热组件包括电池2、感应线圈4、逆变器3，所述感应线圈4的第一端和所述逆变器3的第一端分别与所述电池2的第一极相连，所述感应线圈4的第二端和所述逆变器3的第二端分别与所述电池2的第二极相连，所述感应线圈4围绕在所述燃料电池1的四周。

燃料电池1连接有负载。燃料电池1类型包括但不限于低温质子交换膜燃料电池1、高温质子交换膜燃料电池1。

逆变器3能够使电流由直流电状态向交流电状态转换。

温度传感器用于测量燃料电池1的温度，燃料供应组件用于为燃料电池1提供燃料，如氢气，氧化剂供应组件用于为燃料电池1提供氧化剂，如空气。控制器控制燃料供应组件和氧化剂供应组件为燃料电池1提供燃料和氧化剂。

所述氧化剂供应组件包括：

空气过滤器8、空气压缩机9、中冷器10和加湿器11，其中，空气过滤器8的出口端与所述空气压缩机9的进口端连接，所述空气压缩机9的出口端与所述中冷器10的进口端连接，所述中冷器10的出口端与所述加湿器11的进口端连接，所述加湿器11的出口端与所述燃料电池1的氧化剂进气口连接。

空气过滤器8过滤掉空气中的颗粒物，然后在空气压缩机9中进行压缩，当空气压缩机9的压缩比较高时，需要中冷器10对对压缩后的空气进行降温，而后空气在加湿器11中经历增湿过程，空气增湿可以避免造成燃料电池1的中膜干燥，进而避免影响燃料电池1的性能。

所述燃料供应组件包括：

燃料源5、流量控制阀6和流量计7。

本申请中对燃料源5、流量控制阀6和流量计7的安装位置不做具体限定，可自行设置。例如，燃料源5的出气口连接流量计7的一端，流量计7的另一端连接流量控制阀6的一端，流量控制阀6的另一端连接燃料电池1的燃料进气口；或者，燃料源5的出气口连接流量控制阀6的一端，流量控制阀6的另一端连接流量计7的一端，流量计7的另一端连接燃料电池1的燃料进气口。

燃料源5可以为灌装有氢气的氢气瓶，流量控制阀6可以控制氢气的流量，流量计7显示氢气的流量。当不需要控制流量和读取流量的大小时，燃料供应组件可以只设置一个燃料源5。

控制器控制电池2和逆变器3根据燃料电池1的不同运行状态为感应线圈4提供直流电或交流电，当处于冷启动状态时，为感应线圈4提供交流电，当处于正常运行状态时，为感应线圈4提供直流电。

需要说明的是，本申请中对控制器的数量不做具体限定，可以为一个或者两个，当控制器的数量为一个时，同时控制燃料供应组件、氧化剂供应组件、电池2和逆变器3，当控制器的数量为两个时，一个控制器控制燃料供应组件、氧化剂供应组件，另一个控制电池2和逆变器3。

感应线缠绕方向与燃料电池1的膜电极方向一致，感应线圈4的缠绕形状包括但不限于圆形、椭圆形、方形。本申请中对感应线圈4的匝数不做具体限定，视情况而定。

燃料电池1中电堆是由单电池一层层堆叠的，电堆每一层的材质是均匀的，为了提升对燃料电池1的加热性能，所述感应线圈4的缠绕方向与所述燃料电池1中双极板和膜电极所在的平面平行，此时感应线圈4对电堆中的每一层材质的加热性能提升，从而提升对燃料电池1的加热性能。

本申请中的燃料电池1冷启动系统除了包括电磁感应加热组件、控制器、温度传感器、燃料供应组件、氧化剂供应组件、燃料电池1，电磁感应加热组件包括电池2、感应线圈4、逆变器3，电池2供应直流电，燃料电池1在冷启动过程中，逆变器3将直流电改成交流电，感应线圈4在交流电的作用下使燃料电池1中产生热量，实现为燃料电池1在冷启动过程加热，电磁感应加热一方面具有加热时间短、加热效率快的优点，另一方面，可以通过调节频率、电流强度、感应线圈4的匝数等来调节电磁感应加热组件的加热深度，进而提升加热的均匀性，保证燃料电池1的性能不会由于短板效应而有所降低；另外，当燃料电池1正常启动后，在感应线圈4中通直流电，可以提升燃料电池1的电化学性能，降低由于增加电磁感应装置而造成的燃料电池1系统的体积与质量功率密度损失。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，燃料电池1冷启动系统的所述氧化剂供应组件还包括：

位于所述加湿器11和所述氧化剂进气口之间的、与所述控制器连接的止通阀门12。

通过止通阀门12的打开和关闭来控制氧化剂的供应和停止供应。

燃料在燃料电池1中发生反应，当燃料供应过量会出现反应不完全的问题，为避免燃料浪费，提升对燃料的利用率，所述燃料供应组件还包括：

气体循环设备13，用于将所述燃料电池1中未反应的燃料循环进入所述燃料电池1。

需要指出的是，本申请中对气体循环设备13的种类不做具体限定，可自行设置。例如，所述气体循环设备13为循环泵或者燃料引射器。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述燃料供应组件还包括：

压力控制阀，以调节燃料供应组件中燃料的供应压力。

本申请中对压力控制阀的安装位置不做具体限定，可自行设置。例如，压力控制阀可以安装在流量控制阀6和流量计7之间，或者连接在燃料源5的出气口处，或者连接在燃料电池1的燃料进气口处。

请参考图2，图2为本申请实施例所提供的另一种燃料电池1冷启动系统的示意图，该系统包括：

电磁感应加热组件、控制器、温度传感器、燃料供应组件、氧化剂供应组件、燃料电池1；电磁感应加热组件包括电池2、感应线圈4、逆变器3；燃料供应组件包括：燃料源5、流量控制阀6、流量计7和气体循环设备13；氧化剂供应组件包括：空气过滤器8、空气压缩机9、中冷器10、加湿器11和止通阀门12。

本申请还提供一种燃料电池冷启动系统控制方法，请参考图3，图3为本申请实施例所提供的一种燃料电池冷启动系统控制方法的流程图，该方法包括：

步骤S101：温度传感器测量燃料电池的温度。

步骤S102：控制器确定所述温度与预设温度阈值的大小关系。

本申请中对预设温度阈值不做具体限定，视情况而定。例如，预设温度阈值可以为-30℃，-20℃等等。

步骤S103：当所述温度小于所述预设温度阈值时，所述控制器控制所述电磁感应加热组件产生交流电，以使围绕在燃料电池四周的感应线圈在所述燃料电池中产生热量。

步骤S104：当所述温度不小于所述预设温度阈值时，所述控制器控制所述电磁感应加热组件产生直流电，并控制燃料供应组件和氧化剂供应组件为所述燃料电池供应燃料和氧化剂；其中，所述电磁感应加热组件包括电池、所述感应线圈、逆变器。

本实施例中的控制方法当燃料电池的温度小于预设温度阈值时，控制器控制电磁感应加热组件产生交流电，使得围绕在燃料电池周围的感应线圈在燃料电池中产生热量，为燃料电池在冷启动过程加热，电磁感应加热一方面具有加热时间短、加热效率快的优点，另一方面，可以通过调节频率、电流强度、感应线圈的匝数等来调节电磁感应加热组件的加热深度，进而提升加热的均匀性，保证燃料电池的性能不会由于短板效应而有所降低；当燃料电池的温度不小于预设温度阈值时，控制器控制电磁感应加热组件产生直流电，可以提升燃料电池的电化学性能，降低由于增加电磁感应装置而造成的燃料电池系统的体积与质量功率密度损失。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，燃料电池冷启动系统控制方法还包括：

所述控制器发送第一调整指令至流量控制阀、压力控制阀，以调整所述燃料供应组件中燃料的流量、压力；

所述控制器发送第二调整指令至空气压缩机，以调整所述氧化剂供应组件中空气的流量。

本实施例中控制器发送第一调整指令至流量控制阀、压力控制阀，发送第二调整指令至空气压缩机，来控制燃料的流量、压力，以及空气的流量，从而调整燃料电池的反应速度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的燃料电池冷启动系统及其控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池冷启动系统，其特征在于，包括电磁感应加热组件、控制器、温度传感器、燃料供应组件、氧化剂供应组件、燃料电池；

所述电磁感应加热组件包括电池、感应线圈、逆变器，所述感应线圈的第一端和所述逆变器的第一端分别与所述电池的第一极相连，所述感应线圈的第二端和所述逆变器的第二端分别与所述电池的第二极相连，所述感应线圈围绕在所述燃料电池的四周；

其中，燃料电池在冷启动过程中，所述感应线圈通交流电，燃料电池正常启动后，所述感应线圈中通直流电；

所述燃料供应组件包括：燃料源、流量控制阀和流量计；

气体循环设备，用于将所述燃料电池中未反应的燃料循环进入所述燃料电池；所述气体循环设备为燃料引射器。

2.如权利要求1所述的燃料电池冷启动系统，其特征在于，所述氧化剂供应组件包括：

空气过滤器、空气压缩机、中冷器和加湿器，其中，空气过滤器的出口端与所述空气压缩机的进口端连接，所述空气压缩机的出口端与所述中冷器的进口端连接，所述中冷器的出口端与所述加湿器的进口端连接，所述加湿器的出口端与所述燃料电池的氧化剂进气口连接。

3.如权利要求2所述的燃料电池冷启动系统，其特征在于，所述氧化剂供应组件还包括：

位于所述加湿器和所述氧化剂进气口之间的、与所述控制器连接的止通阀门。

4.如权利要求1所述的燃料电池冷启动系统，其特征在于，所述燃料供应组件还包括：

压力控制阀。

5.如权利要求1至4任一项所述的燃料电池冷启动系统，其特征在于，所述感应线圈的缠绕方向与所述燃料电池中双极板和膜电极所在的平面平行。

6.一种用于如权利要求1所述的燃料电池冷启动系统的燃料电池冷启动系统控制方法，其特征在于，包括：

温度传感器测量燃料电池的温度；

控制器确定所述温度与预设温度阈值的大小关系；

当所述温度小于所述预设温度阈值时，所述控制器控制所述电磁感应加热组件产生交流电，以使围绕在燃料电池四周的感应线圈在所述燃料电池中产生热量；

当所述温度不小于所述预设温度阈值时，所述控制器控制所述电磁感应加热组件产生直流电，并控制燃料供应组件和氧化剂供应组件为所述燃料电池供应燃料和氧化剂；

其中，所述电磁感应加热组件包括电池、所述感应线圈、逆变器；燃料电池在冷启动过程中，所述感应线圈通交流电，燃料电池正常启动后，所述感应线圈中通直流电；所述燃料供应组件包括：燃料源、流量控制阀和流量计。

7.如权利要求6所述的燃料电池冷启动系统控制方法，其特征在于，还包括：

所述控制器发送第一调整指令至流量控制阀、压力控制阀，以调整所述燃料供应组件中燃料的流量、压力；

所述控制器发送第二调整指令至空气压缩机，以调整所述氧化剂供应组件中空气的流量。

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