CN113629270B - 一种燃料电池阴极再循环低温启动系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池阴极再循环低温启动系统及其控制方法，系统包括空气供应子系统，氢气供应子系统，冷却循环子系统，通过系统控制，使热空气直接对MEA进行加热，电堆输出的电能使PTC加热冷却液，还控制电堆运行条件以增加其自产热从而联合对电堆进行加热升温，最大化利用能量对电堆进行加热升温，增强低温启动能力；当电堆出口冷却液温度达到0℃时，电堆预热升温阶段完成。与现有技术相比，本发明有助于实现低温环境下燃料电池的快速启动，降低燃料电池的低温启动的故障率，延长低温下燃料电池的使用寿命。

Description

一种燃料电池阴极再循环低温启动系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池阴极再循环低温启动系统及其控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种直接将燃料(如氢气)的化学能转化为电能的电化学发电装置。只要不断地供应燃料和氧化剂(空气或氧气)，燃料电池就能源源不断地输出电能，以及产物水和热量。其具有发电效率高，低噪音，零排放和动态响应快等优点，被认为是清洁和高效的新能源发电装置之一，可被广泛地应用于汽车领域。
然而在低温(＜0℃)下燃料电池生成的水可能结冰，冰覆盖扩散层，催化层，阻碍反应物的气体传输，降低膜内质子传导能力，降低性能输出，进而影响电堆在低温下的启动能力，为适应环境全天候和全地区的广泛使用，加快对燃料电池低温冷启动的研究具有重要意义。
现有技术可分为采用保温和加热的方法，保温是将电池温度维持在0℃以上，避免其发生冷启动过程，但此方法耗能严重，需要额外增加系统的复杂程度。加热一般采用PTC或氢气催化对冷却液加热，如利用氢/氧催化反应放热进而加热冷却液，但高温热流不能充分利用，造成大量的浪费，氢气浓度可能引起安全问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池阴极再循环低温启动系统及其控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池阴极再循环低温启动系统，包括电堆，连接电堆阴极的空气供应子系统，连接电堆阳极的氢气供应子系统，还包括与电堆连接的冷却循环子系统，分别与空气供应子系统、氢气供应子系统连接的废气混合箱以及用以控制各子系统的控制器。
所述空气供应子系统包括空气过滤器，该空气过滤器的空气进气管路与空气质量流量计、空气压缩机、中冷器和进堆温压一体传感器依次连接，所述空气循环泵所在管道接入中冷器和进堆传感器之间，与三通阀相连，所述三通阀的另外两端分别连接气液分离器和废气混合箱，气液分离器另外两端与电堆阴极出口和电磁阀相连。
所述三通阀根据控制器的指令，控制电堆出口排出的空气循环量，所述空气循环泵根据控制器的指令，控制空气循环，在低温冷启动情形下，通过控制三通阀和空气循环泵，使部分高温空气回流。
所述氢气供应子系统包括高压氢气罐，该高压氢气罐的氢气进气管道依次安装有减压阀、氢气进气比例阀、氢气引射器和阳极进气压力传感器后接入电堆的阳极入口。
进一步地，所述电堆的阳极出口设有一管路，该管路设有气液分离器，所述气液分离器的一处连接用以循环氢气的氢气循环泵，所述氢气循环泵接入阳极入口处的氢气进气管道，并与所述氢气引射器并联，另一处分别通过排氢电磁阀、排水电磁阀连接废气混合箱。
所述冷却循环子系统包括循环水泵、散热器总成、节温器、PTC加热器和三通阀，所述冷却循环子系统的中冷器回路设有电磁阀，电堆冷却循环入口设有三通阀和PTC加热器。
进一步地，所述空气供应子系统、所述氢气供应子系统和所述冷却循环子系统分别设有用以检测进堆流体的温度和压力的温度传感器和压力传感器。
其中，所述电堆的出口设有温度传感器，其与循环水泵和节温器相连，所述节温器的其他两端分别与散热器总成和管路相连，所述电堆的进口设有进堆温压传感器，所述三通阀与进堆温压传感器和PTC加热器相连。
一种燃料电池阴极再循环低温启动系统的控制方法，该方法包括下列步骤：
S1：检测环境和电堆温度，当温度低于0℃，特别是-20℃及以下，准备燃料电池系统低温启动。
S2：控制器根据目标升温时间、低温启动温度和电堆热容计算电堆目标拉载输出电流。
S3：控制空气供应子系统的空气压缩机和氢气供应子系统的氢气进气比例阀向电堆阴极通过空气和氢气，开启冷却子系统的循环水泵且为最低转速，同时保持中冷器冷却路的电磁阀关闭，经过空气压缩机的高温空气直接进入电堆加热膜电极。
S4：调节电堆输出至目标电流，控制空气供应子系统的三通阀开度和空气循环泵以降低空气进堆氧气浓度，增大浓差极化，使电堆输出平均单电池电压为V1,V1在0.3-0.5V之间，且最低单电池电压Vmin>0V，同时阳极进气压力跟随空气进气压力，控制阳极进气压力大于阴极进气压力，且二者差额在50Kpa以内。
S5：控制冷却循环子系统的三通阀，使冷却液经过PTC加热器，根据电堆产生的电能直接向PTC加热器供电，进而直接加热冷却液。
S6：PTC加热器和电堆自产热联合对电堆进行加热升温，当电堆出口冷却液温度达到0℃时，电堆预热升温阶段完成，低温启动结束，PTC加热器停止加热，切换冷却循环子系统的三通阀，开启中冷器回路的电磁阀，电堆进行正常工作模式。
所述电堆目标拉载输出电流的计算式为：
Figure BDA0003183970880000031
式中，Cstack为电堆固有的热容，同时包含冷却液热容；ΔT为电堆温度T与0℃的差值；N为电堆片数；Δt为目标升温时间；β为环境影响因子。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过系统设计和控制，热空气，PTC加热循环液和电堆自产热联合对电堆进行联合加热以升温，进而保证在环境温度低于0℃时,燃料电池系统可以正常启动，可以快速达到正常运行状态，有助于实现低温环境下燃料电池的快速启动，保证燃料电池的运行寿命，可有效降低燃料电池系统的低温运行故障率。
2)控制器可根据冷却液温度传感器检测冷却液温度和电堆的输出性能控制各执行器的执行，来保证电堆正常的运行，具有高效的控制效率。
附图说明
图1为本发明实施例中燃料电池阴极再循环低温启动系统结构示意图；
图2为本发明实施例中燃料电池阴极再循环低温启动系统的控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中燃料电池阴极再循环低温启动系统的控制方法的原理示意图；
图1中标号所示：
氢气供应子系统：
1.高压氢气罐；2.减压阀；3.氢气进气比例阀；4.排水电磁阀；5.排气电磁阀；6.氢气引射器；7.氢气循环泵；8.第一气液分离器；9.阳极进气压力传感器；
空气供应子系统：
A.空气过滤器；B.空气质量流量计；C.空气压缩机；D.中冷器；E.空气循环泵；F.进堆温压一体传感器；G.第一三通阀；H.排水电磁阀；I.第二气液分离器；
冷却循环子系统：
α.散热器总成(外加风扇)；β.节温器；γ.电磁阀；ω.循环水泵；μ.PTC加热器；υ.出堆温度传感器；ζ.第二三通阀；σ.进堆温压一体传感器；
其它：
Ⅰ.废气混合箱；Ⅱ.电堆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明涉及一种燃料电池阴极再循环低温启动系统，该燃料电池系统包括空气过滤器A、空气流量计B、空气压缩机C、中冷器D、进气温压一体传感器F、空气循环泵E、第二气液分离器I、第一三通阀G、燃料电池电堆(以下简称电堆Ⅱ)、氢气源(本实施例中采用高压氢气罐1)、比例阀3、氢气引射器6及氢气循环泵7、氢气尾排装置Ⅰ、冷却液水泵ω、节温器β、散热器总成(外加风扇)α、多个电磁阀和PTC加热器μ等，空气供应子系统、氢气供应子系统、冷却循环子系统分别与电堆Ⅱ连接，空气供应子系统连接电堆Ⅱ的阴极，氢气供应子系统连接电堆Ⅱ的阳极，废气混合箱Ⅰ分别与空气供应子系统、氢气供应子系统连接，空气尾排废气和氢气尾排废气流在废气混合箱Ⅰ里充分混合，以保证氢气浓度低于4％，在安全范围之内以排向大气。各子系统都通过控制器控制。燃料电池系统中各部件的连接关系如元件连线如图1所示，实线为各部件连接管道，箭头表示流动方向。
空气供应子系统包括空气过滤器A，空气质量流量计B，空气压缩机C，中冷器D，空气循环泵E，进堆温压一体传感器F，第一三通阀G，排水电磁阀H和第二气液分离器I。空气过滤器A的空气进气管路与空气质量流量计B、空气压缩机C、中冷器D和进堆温压一体传感器F依次连接，并接入电堆Ⅱ的阴极入口，空气循环泵E所在管道在中冷器D和进堆温压一体传感器F之间接入，所述空气循环泵E连接有第一三通阀G，第一三通阀G的另外两端连接第二气液分离器I和废气混合箱Ⅰ，第二气液分离器I的另两侧与排水电磁阀H和电堆Ⅱ的阴极出口连接，排水电磁阀H经管路与废气混合箱Ⅰ相连。
其中，系统正常运行时，排水电磁阀H周期性地排出冷凝水，第一三通阀G用于控制电堆Ⅱ的出口阴极回流再循环的空气量，空气循环泵E用于循环空气，与新鲜空气混合以保证电堆Ⅱ的进气压力和湿度，保证系统的正常运行。低温冷启动情形下，通过控制第一三通阀G和空气循环泵E，让部分反应后的高温空气回流不仅进一步加热电堆Ⅱ，还可以增加电堆Ⅱ的浓差极化损失，增大电堆Ⅱ的自产热且有助于升温。
氢气供应子系统包括高压氢气罐1，减压阀2，氢气进气比例阀3，氢气引射器6，氢气循环泵7，第一气液分离器8，排氢电磁阀5，排水电磁阀4和阳极进气压力传感器9。高压氢气罐1的氢气进气管道依次安装有减压阀2、氢气进气比例阀3、氢气引射器6和阳极进气压力传感器9后接入电堆Ⅱ的阳极入口。
电堆Ⅱ的阳极出口设有一管路，该管路设有第一气液分离器8，一处连接用以循环氢气的氢气循环泵7，用于循环氢气，增加氢气利用率，氢气循环泵7接入阳极入口处的氢气进气管道；另一处分别通过排氢电磁阀5，排水电磁阀4连接废气混合箱Ⅰ，第一气液分离器8液化的冷凝水和杂质气体通过支流排入废气混合箱Ⅰ中。
其中，氢气供应子系统的引射器6和氢气循环泵7并联，用于增大阳极回流比，有利于保证电堆Ⅱ正常工作时膜的水合状态，提高电堆Ⅱ的工作性能。此外，周期性地控制排水电磁阀4、排气电磁阀5以排出第一气液分离器8的冷凝水和杂质气体，保证系统的正常工作状态。
冷却循环子系统包括循环水泵ω，散热器总成(外加风扇)α，节温器β，PTC加热器μ，第二三通阀ζ，电磁阀γ，出堆温度传感器υ，进堆温压一体传感器σ。
电堆Ⅱ出口设有温度传感器υ，其与循环水泵ω和节温器β相连，节温器β其它两端与散热器总成α和管路相连，用于控制冷却液的温度，第二三通阀ζ与进堆温压传感器σ和PTC加热器μ相连。电堆Ⅱ的进口设有进堆温压传感器σ，第二三通阀ζ与进堆温压传感器σ和PTC加热器μ相连。
其中，冷却循环子系统中的中冷器冷却液回路设有电磁阀γ，系统正常工作时，电磁阀γ保持常开状态，降低阴极侧进堆空气温度，提高电堆Ⅱ的使用寿命。第二三通阀ζ旁通PTC加热器μ，降低冷却循环路的阻力，进而降低水泵耗功。低温启动阶段关闭电磁阀γ，经过空气压缩机C的压缩后的高温气体直接经过MEA(Membrane Electrode Assembly，膜电极)，增强对电堆Ⅱ内MEA的加热升温效果。电堆Ⅱ的冷却液循环经过PTC加热器μ，通过控制PTC加热器μ对冷却液进行加热，增强电堆Ⅱ的低温启动能力。
在实际应用中,为更好地控制燃料电池系统的低温启动，上述的冷却液循环子系统、空气进气子系统、氢气供气子系统中有用于监测进电堆气体温度、压力和流量温度的相应传感器，以保证电堆的进气参数，从而使电堆输出到目标电压值。所述燃料电池系统的控制器图1中未示出，该控制器连接所述燃料电池系统的空气压缩机C、所有的电磁阀、节温器β、散热器总成(外加风扇)α，以及连接所述冷却液循环子系统的循环水泵ω等执行器相连接。
所述燃料电池系统的环境温度低于0℃时，特别是-20℃及以下，通过系统控制和电堆性能输出，使热空气直接对电堆Ⅱ的MEA进行加热，PTC加热器μ加热冷却液和电堆Ⅱ自产热等方面同时对电堆Ⅱ进行加热升温，从而达到快速低温启动的目的。燃料电池系统停机后经过吹扫以排出内部多余的残余水。
本实施例还提供一种上述燃料电池阴极再循环低温启动系统的控制方法，具体启动控制步骤实例如下：
a.检测环境和电堆温度，当温度低于0℃，特别是-20℃及以下，准备燃料电池系统低温启动；
b.计算模块，控制器根据目标升温时间、电堆温度和电堆热容等计算电堆目标拉载输出电流。具体根据以下公式计算出目标输出电流：
Figure BDA0003183970880000071
其中，Cstack为电堆固有的热容，同时包含冷却液热容，单位为J/K；ΔT为电堆温度T与0℃的差值，取电堆出口冷却液温度为电堆温度；N为电堆片数；Δt为目标升温时间。β为环境影响因子，考虑到电堆与环境的换热作用，取值1.05～1.3。
举例说明：某120KW电堆，电堆热容为50kJ/K，估计冷却液的热容为电堆热容的20％，故整个电堆(包括冷却液)的热容为60KJ/K；电堆从-20℃的温度下启动，达到0℃以上；电堆片数为360片；目标升温时间为30s；取环境影响因子为1.2，故目标拉载电流I输出值为：
Figure BDA0003183970880000072
c.控制模块，控制空气子系统的空气压缩机和氢气子系统的比例阀向电堆阴极通过空气和氢气，开启冷却循环泵且为最低转速，如2000转，同时保持中冷器冷却路电磁阀关闭，经过空气压缩机的高温空气能直接进入电堆加热膜电极MEA；
实际的，低温条件下，通过空气压缩机后进入电堆的空气温度很高，以空气压缩机进气平均温度-20℃，以空压机压比2.2为例，则理论出空气压缩机温度T2：
Figure BDA0003183970880000073
式中，ΔT为空气机进出口温差；T1和T2分别为进/出口温度；η为空气压缩效率，取0.65；π为空压机压比，低温下空压机低负荷运行，取1.2；r为空气的绝热指数，取1.4(参考文献：沈维道，童钧耕.工程热力学[M].高等教育出版社，2007.)；即进电堆的温度依旧很高，可以达到直接对MEA进行加热的作用。
d.调节模块，调节电堆输出到目标电流，控制空气供应子系统的第一三通阀开度和空气循环泵以降低空气进堆氧气浓度，增大浓差极化，使电堆输出平均单电池电压0.35V，且最低单电池电压Vmin>0V，同时阳极进气压力跟随空气进气压力，阳极进气压力比阴极进气压力更大，两者差额在20Kpa，即阳极进气压力控制在2.4bar左右；
e.控制冷却循环子系统的第二三通阀，使冷却液经过PTC加热器，根据电堆产生的电能直接向PTC加热器供电，进而直接加热冷却液；
f.电堆输出功率为：
P＝I×V×N＝108×0.35×360＝13kW
式中，V为电堆输出平均单电池电压。
通过控制器向PTC加热器发出指令，让其对冷却液进行产热升温。
g.热空气，PTC加热器和电堆自产热联合对电堆进行加热升温，当电堆出口冷却液温度达到0℃时，电堆预热升温阶段完成，低温启动结束，PTC加热器停止加热，切换冷却循环子系统的第二三通阀，电堆进行正常工作模式。
本发明通过系统设计和控制，热空气，PTC加热循环液和电堆自产热联合对电堆进行联合加热以升温，进而保证在环境温度低于0℃时,燃料电池系统可以正常启动，可以快速达到正常运行状态，有助于实现低温环境下燃料电池的快速启动，保证燃料电池的运行寿命，可有效降低燃料电池系统的低温运行故障率。
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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种燃料电池阴极再循环低温启动系统的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)检测环境和电堆温度，当温度低于0℃，准备燃料电池系统低温启动；
2)控制器根据目标升温时间、低温启动温度和电堆热容计算电堆目标拉载输出电流；
电堆目标拉载输出电流的计算式为：
Figure FDA0003661945220000011
式中，Cstack为电堆固有的热容，同时包含冷却液热容；ΔT为电堆温度T与0℃的差值；N为电堆片数；Δt为目标升温时间；β为环境影响因子；
3)控制空气供应子系统的空气压缩机和氢气供应子系统的氢气进气比例阀向电堆阴极和阳极分别通入空气和氢气，开启冷却循环子系统的冷却循环水泵且为最低转速，同时保持中冷器冷却路的电磁阀关闭，经过空气压缩机的高温空气直接进入电堆加热膜电极；
4)调节电堆输出至目标拉载输出电流，控制空气供应子系统的三通阀开度和空气循环泵以让部分反应后的高温空气回流和降低空气进堆氧气浓度，增大浓差极化，使电堆输出平均单电池电压为V1,V1在0.3-0.5V之间，且最低单电池电压Vmin>0V，同时阳极进气压力跟随空气进气压力，控制阳极进气压力大于阴极进气压力，且二者差额在50Kpa以内；
5)控制冷却循环子系统的三通阀，使冷却液经过PTC加热器，根据电堆产生的电能直接向PTC加热器供电，进而直接加热冷却液；
6)PTC加热器和电堆自产热联合对电堆进行加热升温，当电堆出口冷却液温度达到0℃时，电堆预热升温阶段完成，低温启动结束，PTC加热器停止加热，切换冷却循环子系统的三通阀，开启中冷器回路的电磁阀，电堆进行正常工作模式。
2.一种利用如权利要求1所述的控制方法的燃料电池阴极再循环低温启动系统，包括电堆，连接电堆阴极的空气供应子系统，连接电堆阳极的氢气供应子系统，其特征在于，还包括与电堆连接的冷却循环子系统，分别与空气供应子系统、氢气供应子系统连接的废气混合箱以及用以控制各子系统的控制器。
3.根据权利要求2所述的燃料电池阴极再循环低温启动系统，其特征在于，所述空气供应子系统包括空气过滤器，该空气过滤器的空气进气管路与空气质量流量计、空气压缩机、中冷器和进堆温压一体传感器依次连接，所述空气循环泵所在管道接入中冷器和进堆温压一体传感器之间，与三通阀相连，所述三通阀的另外两端分别连接气液分离器和废气混合箱，气液分离器另外两端与电堆阴极出口和电磁阀相连。
4.根据权利要求3所述的燃料电池阴极再循环低温启动系统，其特征在于，所述三通阀根据控制器的指令，控制电堆出口排出的空气循环量，所述空气循环泵根据控制器的指令，控制空气循环，在低温冷启动情形下，通过控制三通阀和空气循环泵，使部分高温空气回流。
5.根据权利要求2所述的燃料电池阴极再循环低温启动系统，其特征在于，所述氢气供应子系统包括高压氢气罐，该高压氢气罐的氢气进气管道依次安装有减压阀、氢气进气比例阀、氢气引射器和阳极进气压力传感器后接入电堆的阳极入口。
6.根据权利要求5所述的燃料电池阴极再循环低温启动系统，其特征在于，所述电堆的阳极出口设有一管路，该管路设有气液分离器，所述气液分离器的一处连接用以循环氢气的氢气循环泵，所述氢气循环泵接入阳极入口处的氢气进气管道，并与所述氢气引射器并联，另一处分别通过排氢电磁阀、排水电磁阀连接废气混合箱。
7.根据权利要求3所述的燃料电池阴极再循环低温启动系统，其特征在于，所述冷却循环子系统包括循环水泵、散热器总成、节温器、PTC加热器和三通阀，所述冷却循环子系统的中冷器回路设有电磁阀，电堆冷却循环入口设有三通阀和PTC加热器。
8.根据权利要求7所述的燃料电池阴极再循环低温启动系统，其特征在于，所述空气供应子系统、所述氢气供应子系统和所述冷却循环子系统分别设有用以检测进堆流体的温度和压力的温度传感器和压力传感器。
9.根据权利要求8所述的燃料电池阴极再循环低温启动系统，其特征在于，所述电堆的出口设有温度传感器，其与循环水泵和节温器相连，所述节温器的其他两端分别与散热器总成和管路相连，所述电堆的进口设有进堆温压传感器，所述三通阀与进堆温压传感器和PTC加热器相连。
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