CN113764701B - 一种燃料电池的低温冷启动方法 - Google Patents

一种燃料电池的低温冷启动方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池的低温冷启动方法，用于防止低温冷启动时燃料电池工作生成的水结冰，包括将低温冷启动过程划分为启动准备过程、低温活化过程和升温启动过程，本发明的低温活化过程首先在水泵尚未运转的情况下使燃料电池电堆开始运转，活化燃料电池电堆，避免了在燃料电池电堆温度未上升至足量温度的情况下与冷却水循环回路进行热交换进而导致其温度过低，最终导致燃料电池系统启动失败的不良后果，在低温活化过程结束后又逐步控制水泵的速度，使得燃料电池电堆在随后的升温启动过程中即使与冷却水循环回路进行热交换，在低温下也具备稳定的功率输出能力，从而能够在升温启动过程中稳定输出功率的同时完成低温冷启动，节能效果好，发热性能稳定。

Description

一种燃料电池的低温冷启动方法
技术领域
本发明涉及汽车燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的低温冷启动方法。
背景技术
在燃料电池中，质子交换膜燃料电池由于其较高的质子传导能力和低温下的稳定性，具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单和操作方便等优点，被公认为电动汽车和固定发电站等的首选能源，成为了目前燃料电池汽车的主流电池。然而，在低温环境中启动时，由于质子交换膜上的水会出现结冰现象，阴极侧反应后生成的水也会残留在电堆的内部，其在冰点以下时会结成冰，这些结冰现象会使质子交换膜的体积膨胀，而电池启动之后产生的热会将这些冰融化成水，体积又会减小，这种反复的相变会对电池材料结构、电池性能及寿命产生很大的影响。尤其是在极低的环境中，发动机系统可能会出现启动缓慢、甚至无法启动或启动失败等问题。由于冰的形成和反复的冻结/融化循环，燃料电池内部单体可能会发生性能衰退，甚至导致不可逆转的损坏。常见的燃料电池系统冷启动过程中仅有一个升温启动过程，燃料电池系统中的冷却水泵在低温时会迅速冷却电堆，使得电堆很难在低温下稳定输出较大功率，进而导致燃料电池系统可能冷启动失败。
目前，燃料电池电堆冷启动的升温方式主要有两大类，即外部加热方式和内部升温方式。外部加热方式可以一定程度上满足低温冷启动的需求，但需要增加额外的外部加热设备，会难以避免地占用额外的空间和重量并消耗大量的能量，同时也增加了整体成本，所以内部升温的方式将是未来发展的主要趋势。内部升温的方式大体可分为以下几种：控制电堆输出特性自升温；通过缺气进行自升温；通过向电堆内通入反应气体混合物自升温。综合来说，控制电堆输出特性来实现自升温的方法具有更佳的节能效果，比其他加热方案更加有效。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种通过控制电堆输出特性来实现自升温的燃料电池的低温冷启动方法。
本发明提供燃料电池的低温冷启动方法的包括以下步骤：
启动准备过程：为电堆供氧供氢，使燃料电池系统开始对外输出功率；
低温活化过程：在保证燃料电池系统对外输出功率的同时，保持水泵停转预定的持续时长ttargetpump；
升温启动过程：在水泵停转计时结束后，根据电堆温度Tstack控制水泵转速Npump，直到电堆温度Tstack大于电堆目标启动成功温度Ttarget；
燃料电池的低温冷启动的时间t表示为生成的水从冰加热到融点重新成为液态水需要的热量Qwater、冷却水循环回路从燃料电池电堆带走的热量Qpump、燃料电池电堆自身的发热量QFC和液态水凝结成冰所消耗热量Qice相关的函数，且满足关系
Figure GDA0004010924990000021
其中t1为冷启动过程的起始时间，t2为冷启动过程的结束时间。
进一步地，所述启动准备过程包括：启动准备过程参数获取：设定电堆目标平均电压Utarget和电堆目标启动成功温度Ttarget，获取电堆温度Tstack；启动准备过程控制：为电堆供氧供氢，使燃料电池系统开始对外输出功率，通过控制燃料电池系统的输出功率控制电堆单体电压U；
所述低温活化过程包括：低温活化过程参数获取：将水泵转速Npump设置为零，设定水泵转速为零的持续时长ttargetpump；低温活化过程控制：控制燃料电池系统继续对外输出功率，并在整个水泵转速为零的持续时长ttargetpump内，保持水泵停转；
所述升温启动过程包括：升温启动过程控制开始：燃料电池系统保持对外输出功率，控制水泵转速Npump，使水泵开始运转；升温启动过程控制结束：保持水泵运转，直到电堆温度Tstack大于电堆目标启动成功温度Ttarget。
进一步地，在启动准备过程参数获取的步骤中，电堆目标平均电压Utarget和电堆目标启动成功温度Ttarget分别为冷启动过程中电堆的电压和温度所要达到的目标值。
进一步地，在低温活化过程参数获取的步骤中，水泵转速为零的持续时长ttargetpump为根据实际工况获取的标定值。
进一步地，生成的水从冰加热到融点重新成为液态水需要的热量Qwater，表示为燃料电池电堆工作时产生的水的质量流量Mf、水的比热容为Cp_water、水的冰点温度Tice、燃料电池系统的环境温度Tenvir和冰融化成水的过程中冰的百分比x相关的函数Qwater＝xMfCp_water(Tice-Tenvir)。
进一步地，冷却水循环回路从燃料电池电堆带走的热量Qpump表示为水泵转速Npump的函数Qpump(Npump)。
进一步地，燃料电池电堆自身的发热量QFC直接与燃料电池本身的氧化还原反应相关，每生成1摩尔的水，产生的热量QFC为286KJ。
进一步地，液态水凝结成冰所消耗的热量Qice表示为燃料电池电堆冷却液出口处和燃料电池电堆冷却液入口处的温度差ΔTcool、冰的比热容Cp_ice、燃料电池电堆工作时产生的水的质量流量Mf和冰融化成水过程中冰的百分比x相关的函数Qice＝(1-x)MfCp_iceΔTcool。
本发明将低温冷启动过程划分为启动准备过程、低温活化过程和升温启动过程，本发明的低温活化过程首先在水泵尚未运转的情况下使燃料电池电堆开始运转，活化燃料电池电堆，避免了在燃料电池电堆温度未上升至足量温度的情况下与冷却水循环回路进行热交换进而导致其温度过低，最终导致燃料电池系统启动失败的不良后果，在低温活化过程结束后又逐步控制水泵的速度，使得燃料电池电堆在随后的升温启动过程中即使与冷却水循环回路进行热交换，在低温下也具备稳定的功率输出能力，从而能够在升温启动过程中稳定输出功率的同时完成低温冷启动，节能效果好，发热性能稳定。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为燃料电池系统的示意图。
图2为本发明的燃料电池的低温冷启动方法的示意图。
图3为常规冷启动方法与本发明的冷启动方法的过程对比示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如下。
如图1所示，燃料电池电堆连接了负载和冷却水循环回路，负载包括燃料电池系统中除了水泵与燃料电池电堆外的其它耗电辅件，在燃料电池电堆启动成功后消耗燃料电池电堆所产生的电能。冷却水循环回路包括水泵，水泵驱动冷却液在冷却水循环回路内流转，在本实施例中，冷却液为体积分数为50％的乙二醇水溶液，其冰点为-40℃。
燃料电池电堆运转的过程会发生氧化还原反应，在电堆阳极消耗氢气，在电堆阴极消耗氧气，同时生成液态水。根据热力学原理，此反应为放热反应，即在燃料电池工作过程中会产生大量的热量，而燃料电池电堆则是整个系统中唯一的热源，只有冷却水循环回路与燃料电池电堆发生了热量的交换。水泵能够使燃料电池电堆与冷却水循环回路进行热量交换，防止燃料电池电堆过温，但是在低温冷启动时，水泵却会带走大量的热量使燃料电池电堆难以到达其正常运行条件并使水结冰导致冷启动失败。
本发明的燃料电池的低温冷启动方法通过先对燃料电池电堆进行低温活化，在低温活化时保证燃料电池系统对外输出功率，同时保持水泵停转，然后再对燃料电池电堆升温启动来达到低温冷启动的目的，如图2所示，该方法具体包括以下步骤：
步骤S1.1，启动准备过程参数获取：设定电堆目标平均电压Utarget和电堆目标启动成功温度Ttarget，获取电堆温度Tstack；
具体地，在本实施例中，电堆目标平均电压Utarget和电堆目标启动成功温度Ttarget均为输入的参数，电堆目标平均电压Utarget是冷启动过程中电堆电压U最终要达到的目标值，在本实施例中可取500mV～800mV之间的值，在其他实施例中也可以根据燃料电池系统使用者的需求来定义；
电堆目标启动成功温度Ttarget是冷启动过程中电堆温度Tstack最终要达到的目标值，在本实施例中可取20℃～40℃之间的值，越高的电堆目标启动成功温度Ttarget在燃料电池启动后能越快地输出最大功率，但是也会相对应地增加冷启动过程的总时长，在其他实施例中也可以根据燃料电池系统使用者的需求来定义；
电堆温度Tstack同时也为电堆冷却水的入堆水温，可以通过对应的传感器实时监控测得；
步骤S1.2，启动准备过程控制：为电堆供氧供氢，使燃料电池系统开始对外输出功率，通过控制燃料电池系统的输出功率，控制电堆单体电压U；
具体地，燃料电池系统开始运转后，燃料电池电堆的功率会随时变化，且以不断上升的变化趋势为主。由于在电流一定的情况下，功率越大，电压越小，因此需要通过控制燃料电池系统的输出功率来调控电堆平均电压，在本实施例中，以电堆目标平均电压Utarget为目标控制电堆单体电压U。另外，该过程的起始时间定义为冷启动过程的起始时间t1。
步骤S2.1，低温活化过程参数获取：将水泵转速Npump设置为零，获取水泵转速为零的持续时长ttargetpump；
具体地，在本实施例中，水泵转速Npump是冷却水循环回路中水泵的转速，由于低温冷启动过程中燃料电池电堆在该阶段内发热较为缓慢，如果水泵启动则会带走大量的热量进而造成启动困难，因此在该步骤中，水泵转速Npump被设置为零，即水泵保持停转，这样可以减少大部分的热量损失来使生成的水保持为液态，使燃料电池活化并稳定输出电流；
水泵转速为零的持续时长ttargetpump为燃料电池系统使用者根据实际工况和使用需求标定而来，其预先存储于系统中，由系统根据实际工况和使用需求自动选取；
步骤S2.2，低温活化过程控制：在整个水泵转速为零的持续时长ttargetpump内，控制燃料电池系统继续对外输出功率；
具体地，在保证燃料电池系统能够对外输出功率(由于燃料电池系统的特性，该输出功率在此过程中也在不断变化，但总体趋势是平稳上升的)的前提下，当水泵转速Npump的持续时长达到了水泵转速为零的持续时长ttargetpump时，表明燃料电池电堆已经得到一定程度的活化，在接下来的步骤中可以与冷却水循环回路开始进行热交换而不影响其常规的运转，也不会因为水结冰导致冷启动失败，即低温活化控制结束。
步骤S3.1，升温启动过程控制开始：燃料电池系统保持对外输出功率，并通过控制水泵转速Npump，使水泵开始运转；
具体地，电堆温度Tstack为控制水泵转速Npump的条件，即水泵转速Npump在该步骤中为与电堆温度Tstack相关的函数F(Tstack)，水泵转速Npump随电堆温度的变化而变化。
步骤S3.2，升温启动过程控制结束：控制水泵继续运转，直到电堆温度Tstack大于电堆目标启动成功温度Ttarget。
具体地，该步骤中的电堆温度Tstack也由监测电堆冷却水的入堆水温的传感器监测而来，当电堆温度Tstack到达了预设的电堆目标启动成功温度Tstack，则表明燃料电池电堆已经成功启动，除了能够稳定持续向外输出功率，还能够在冷却水循环回路中正常进行热交换，防止生成的水结冰，此时升温启动过程结束。该过程结束的时间定义为冷启动过程的结束时间t2。
燃料电池电堆在冷启动时，其本身会产生热量QFC，冷却水循环回路中的冷却液会与燃料电池电堆进行相对大量的热交换，带走热量Qpump，反应过程中生成的反应气会与燃料电池电堆进行相对少量的热交换，带走热量Qgas，水从冰加热到融点重新成为液态水需要的热量为Qwater。
具体地，请参阅图3，在燃料电池电堆的冷启动开始时，热量QFC很小，如果此时冷却水和反应气都从燃料电池电堆带走热量，燃料电池电堆的热量很容易大量流失，导致其化学反应过程中生成的水降温结冰，使低温冷启动失败，即式(1)：
QFC-Qpump-Qgas<Qwater；
本发明的低温冷启动首先通过在步骤S2.1低温活化过程参数获取和步骤S2.2低温活化过程控制中进行停转水泵这一操作，规避了由冷却水循环回路进行的大部分的热交换，进而减少大部分的热量损失来使生成的水保持为液态，使燃料电池活化，稳定反应输出电流，即式(2)：
QFC-Qpump-Qgas＝QFC-Qgas>Qwater；
请一并参阅图3，当低温活化过程结束后，即步骤S2.2低温活化过程控制结束后，热量QFC会显著增大，此时电堆产生的热量QFC已经足够防止水结冰，使电堆中的水能够被气流带走只要合理调节水泵运转速度，就能与冷却水循环回路进行热交换，这样既能保证质子交换膜的湿度也能防止因结冰导致的流道堵塞，燃料电池电堆能够稳定地输出功率和产热，即式(3)：
QFC-Qpump-Qgas＞Qwater。
进一步地，本发明能够保证燃料电池系统及其负载在低温冷启动的过程中能够正常运行，并消耗最少的来自电堆的电能，同时减少冷却水循环回路与燃料电池电堆的热量交换，从而保证从燃料电池电堆产生的热量最大程度的支持其自身的冷启动过程，即最大程度的保证化学反应生成的液态水不凝结成冰，从工程热力学角度可证明如下：
具体地，通过能量分析可知，根据法拉第定律可以从一定的系统需求电流计算出燃料电池电堆工作时产生的水的质量流量Mf，假设水的比热容不随温度而变化，水的比热容为Cp_water，忽略气压对液态水冰点的影响，水的冰点温度Tice＝0℃，燃料电池系统的环境温度为Tenvir，假设冰融化成水的过程中冰的百分比为x，通过以上变量可知生成的水从冰加热到融点重新成为液态水需要的热量Qwater可表示为式(4)：
Qwater＝xMfCp_water(Tice-Tenvir)；
在燃料电池电堆和冷却水循环回路进行热交换时，冷却水循环回路会从燃料电池电堆带走热量Qpump。在燃料电池电堆正常工作情况下，该热量Qpump与冷却回路水泵转速Npump存在直接关系，因此冷却水循环回路从燃料电池电堆带走的热量Qpump可以表示为水泵转速Npump的函数，即式(5)：
Qpump(Npump)；
燃料电池电堆自身的发热量QFC直接与燃料电池本身的氧化还原反应相关，根据工程热力学原理，每生成1摩尔的水，产生的热量QFC为286KJ；
在低温冷启动过程中，由于环境温度低于液态水的冰点温度，因此在将部分冰通过化学反应焦耳热融化成液态水的过程中，液态水还会凝结成冰，在这个过程中将会消耗热量Qice。为了满足燃料电池电堆在低温冷启动成功后，燃料电池系统能正常运行，需要满足燃料电池电堆冷却液出口/入口温度差ΔTcool＝10℃，且燃料电池电堆冷却液入口温度大于等于零，结合式(4)中冰的百分比为x，可得低温冷启动过程中水的百分比为1-x，冰的比热容为Cp_ice，因此液态水凝结成冰所消耗热量Qice可表示为式(6)：
Qice＝(1-x)MfCp_iceΔTcool；
以上提到的四个热量源Qwater、QFC、Qpump和Qice，均为和其对应计算过程中物理量相关的动态量，同时它们也都是冷启动时间t(冷启动过程的开始时间t1和结束时间t2的时间差，实际上也为燃料电池电堆通电开始，直到电堆温度Tstack到达了预设的电堆目标启动成功温度Tstack)的函数，从工程热力学角度需要满足如下关系，即式(7)：
Figure GDA0004010924990000101
综上所述，本发明将低温冷启动过程划分为启动准备过程、低温活化过程和升温启动过程，本发明的低温活化过程首先在水泵尚未运转的情况下使燃料电池电堆开始运转，活化燃料电池电堆，避免了在燃料电池电堆温度未上升至足量温度的情况下与冷却水循环回路进行热交换进而导致其温度过低，最终导致燃料电池系统启动失败的不良后果，在低温活化过程结束后又逐步控制水泵的速度，使得燃料电池电堆在随后的升温启动过程中即使与冷却水循环回路进行热交换，在低温下也具备稳定的功率输出能力，从而能够在升温启动过程中稳定输出功率的同时完成低温冷启动，节能效果好，发热性能稳定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种燃料电池的低温冷启动方法，用于防止低温冷启动时燃料电池工作生成的水结冰，其特征在于：所述燃料电池的低温冷启动方法包括以下步骤：
启动准备过程：为电堆供氧供氢，使燃料电池系统开始对外输出功率；
低温活化过程：在保证燃料电池系统对外输出功率的同时，保持水泵停转预定的持续时长ttargetpump；
升温启动过程：在水泵停转计时结束后，根据电堆温度Tstack控制水泵转速Npump，直到电堆温度Tstack大于电堆目标启动成功温度Ttarget；
燃料电池的低温冷启动的时间t表示为生成的水从冰加热到融点重新成为液态水需要的热量Qwater、冷却水循环回路从燃料电池电堆带走的热量Qpump、燃料电池电堆自身的发热量QFC和液态水凝结成冰所消耗热量Qice相关的函数，且满足关系
Figure FDA0004010924980000011
其中t1为冷启动过程的起始时间，t2为冷启动过程的结束时间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的低温冷启动方法，其特征在于：所述启动准备过程包括：启动准备过程参数获取：设定电堆目标平均电压Utarget和电堆目标启动成功温度Ttarget，获取电堆温度Tstack；启动准备过程控制：为电堆供氧供氢，使燃料电池系统开始对外输出功率，通过控制燃料电池系统的输出功率控制电堆单体电压U；
所述低温活化过程包括：低温活化过程参数获取：将水泵转速Npump设置为零，设定水泵转速为零的持续时长ttargetpump；低温活化过程控制：控制燃料电池系统继续对外输出功率，并在整个水泵转速为零的持续时长ttargetpump内，保持水泵停转；
所述升温启动过程包括：升温启动过程控制开始：燃料电池系统保持对外输出功率，控制水泵转速Npump，使水泵开始运转；升温启动过程控制结束：保持水泵运转，直到电堆温度Tstack大于电堆目标启动成功温度Ttarget。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的低温冷启动方法，其特征在于：在启动准备过程参数获取的步骤中，电堆目标平均电压Utarget和电堆目标启动成功温度Ttarget分别为冷启动过程中电堆的电压和温度所要达到的目标值。
4.根据权利要求2所述的燃料电池的低温冷启动方法，其特征在于：在低温活化过程参数获取的步骤中，水泵转速为零的持续时长ttargetpump为根据实际工况获取的标定值。
5.根据权利要求1所述的燃料电池的低温冷启动方法，其特征在于：生成的水从冰加热到融点重新成为液态水需要的热量Qwater，表示为燃料电池电堆工作时产生的水的质量流量Mf、水的比热容为Cp_water、水的冰点温度Tice、燃料电池系统的环境温度Tenvir和冰融化成水的过程中冰的百分比x相关的函数Qwater＝xMfCp_water(Tice-Tenvir)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池的低温冷启动方法，其特征在于：冷却水循环回路从燃料电池电堆带走的热量Qpump表示为水泵转速Npump的函数Qpump(Npump)。
7.根据权利要求6所述的燃料电池的低温冷启动方法，其特征在于：燃料电池电堆自身的发热量QFC直接与燃料电池本身的氧化还原反应相关，每生成1摩尔的水，产生的热量QFC为286KJ。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的低温冷启动方法，其特征在于：液态水凝结成冰所消耗的热量Qice表示为燃料电池电堆冷却液出口处和燃料电池电堆冷却液入口处的温度差ΔTcool、冰的比热容Cp_ice、燃料电池电堆工作时产生的水的质量流量Mf和冰融化成水过程中冰的百分比x相关的函数Qice＝(1-x)MfCp_iceΔTcool。
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