CN114171761A - 一种质子交换膜燃料电池快速低温启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池快速低温启动方法，所述启动方法为：低温时启用冷启动循环回路，并根据燃料电池温度判断是否开启电加热器；当电堆温度高于设定自启动温度下限时，循环水泵以第一转速运行，同时燃料电池以设定加载程序启动；当电堆温度低于设定自启动温度下限时，控制二次电池向电加热器供电，循环水泵以第二转速运行，当燃料电池温度达到设定温度时，关闭电加热器，调整循环水泵以第一转速运行，同时以设定加载程序启动。该方法将燃料电池自启动与辅助启动相结合，可以保证燃料电池在各种低温环境下低能耗、快速且安全的启动。
Description
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快速低温启动方法。
背景技术
以锂电池为基础的电动汽车和以质子交换膜燃料电池为基础的燃料电池汽车是目前比较受关注的两类新能源汽车。目前，电动汽车已实现商业化，主要应用于短距离行使(<300km)的轻型车；而燃料电池虽未实现商业化，但相比于锂电池，其能量密度更高、加氢时间更短，因此更适用于重型、长距离(>500km)运输的商用车。目前，制约燃料电池汽车商业化应用的主要障碍除了成本、寿命和基础设施建设之外，某些关键技术也是燃料电池汽车商业化应用的瓶颈，如如何快速安全地从低温环境中启动，即低温启动。
燃料电池低温启动的核心是启动过程中的水热管理，一方面需要确保燃料电池启动过程中有足够多的热量使电池升温，另一方面需要保证启动过程中产生的水不会结冰堵塞电极。现有提升燃料电池低温启动能力的技术中主要包括增加产热量、外部辅助加热提供额外热量和提高热量利用率三类。
中国专利CN111082103A公开了一种启动过程中间歇性启动或关闭空压机以及通过负载控制器调节电流实现大功率产热的启动方法。该发明提高启动过程中的过电位以增加产热量，但缺点是需要频繁启停压缩机。中国专利CN111740132A公开了一种燃料电池低温启动方法，通过对放电电流进行多次控制，在单片没有发生反极的条件下最大限度地利用电堆的废热，然而该方法在电堆温度较低时无法获得较快的启动速度，且启动过程产生的水易结冰。
中国专利CN106558713B在燃料电池系统中设置氢氧反应器，使氢气和氧气在电堆外部反应产生热量用于加热冷却液，再通过冷却液加热电堆。该方法虽然可以在极低的温度下快速启动燃料电池，但反应器的设置会增加系统体积，降低系统效率，同时氢气和氧气反应存在一定的危险性。中国专利CN108832158A公开了一种将氢气和空气的混合气通入电堆的方法，该方法存在极大的安全隐患。中国专利CN210296511U、CN210926166U和CN111987336A公开了采用电加热器加热冷却剂和反应气来加热电堆的启动方法，但由于常规冷却回路冷却剂量大，气体热容和传热系数低导致加热效率低。
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快速启动系统及方法，用于实现燃料电池在低温条件下低能耗、快速、安全的启动。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种质子交换膜燃料电池低温启动方法，所述方法包括以下步骤：
S10：启动燃料电池之前，对燃料电池堆冷却液出口温度T进行监测，若T大于等于0℃，电堆正常启动；若T小于0℃时，进入低温启动模式；
所述低温启动模式为：启动冷启动循环回路，关闭标准冷却回路；
所述冷启动循环回路由燃料电池堆依次与阀门三、循环水泵、电加热器连接组成，所述标准冷却回路由燃料电池堆依次与阀门二、散热器、阀门一连接组成；
S20：判断S10中的T是否大于等于-25℃，若是，则进行步骤S20-1，否则进行步骤S20-2；
S20-1包括如下步骤：
(1)设定冷启动循环回路中的循环水泵以第一转速运行；
(2)根据S10中的温度T，按照预设的加载程序进行加载升温；
(3)加载至所需功率时，关闭冷启动循环回路并启动标准冷却回路，电堆正常运行；
S20-2包括如下步骤：
(1)设定冷启动循环回路中的循环水泵以第二转速运行；
(2)开启电加热器；
(3)当监测到燃料电池堆冷却液出口温度大于等于-20℃时，加热器停止运行，进入步骤S20-1。
作为上述方案的优选，所述第一转速运行对应冷却剂流量为1-5L/min。
作为上述方案的优选，燃料电池系统正常启动所用到的冷却回路为标准冷却回路。
作为上述方案的优选，所述预设的加载程序是按照不同温度区间和不同加载阶段，按不同加载速率线性加载，具体包括：
(1)当温度大于等于-10℃小于0℃时，以30-50mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载到所需功率；
(2)当温度大于等于-15℃小于-10℃时，先以10-20mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，再以30-50mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载至所需功率；
(3)当温度大于等于-20℃小于-15℃时，先以3-5mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，再以10-20mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，最后以30-50mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载至所需功率；
(4)当温度大于等于-25℃小于-20℃时，先以3-5mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，再以10-15mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载10-30s，最后以15-30mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载至所需功率；
作为上述方案的优选，所述第二转速运行对应冷却剂流量为10-20L/min。
作为上述方案的优选，所述电加热器通过二次电池加热；所述二次电池包括锂电池、铅酸电池、镍氢电池。
作为上述方案的优选，所述步骤S20-2中，当燃料电池堆冷却液出口温度大于等于-20℃后，先以3-5mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，再以10-20mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，最后以30-50mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载至所需功率。
本发明的有益效果在于：
(1)将燃料电池自启动与辅助启动相结合，当电堆温度处在自启动可以安全快速的启动时采用自启动，当自启动无法保证电堆安全快速的启动时，采用电加热器加热冷却液至电堆温度达到自启动温度，可以保证该方法适用温度范围大，同时能保证在不同温度条件下都能快速，安全的启动燃料电池。
(2)在冷启动循环回路中设置加热器，启动过程温度响应速度快，同时增加了对燃料电池产生热量和外加热量的利用率，有利于降低能耗。
(3)加载阶段和加热阶段采用不同冷却剂流量，加载阶段冷却剂流量小，可以避免过多热量被冷却剂带走，加热阶段冷却剂流量大，可以在相同时间内为电堆带入更多热量，有利于提高能量利用率，提升启动速度。
(4)低电流启动时有利于充分发挥催化层和膜的储水能力，可以延长低温启动的持续时间，但较大的电流是启动速度的保证，为了同时发挥低电流下结冰速率慢和高电流下产热速率快的特点，启动初期，电流较低，允许膜有足够长的时间吸收产生的水，从而有效避免冰的形成，随着启动的进行，电流线性增加，产生的热量逐渐增加，在加载过程中按温度范围和时间段以不同加载速率进行线性加载，可以降低启动过程中结冰的风险，同时保证较快的启动速度。
附图说明
图1为本发明的燃料电池低温启动方法的示意性流程图；
图2为本发明燃料电池低温启动系统结构示意图；
图3为实施例1的燃料电池低温启动过程中功率和温度随温度变化曲线；
图4为实施例2的燃料电池低温启动过程中加热器功率、电流和温度随时间变化曲线。
图中：
1.电加热器，2.散热器，3.循环水泵，S1.阀门一，S2.阀门二，S3.阀门三。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。本实例采用如图2所示结构低温启动系统，包括冷启动循环回路和标准冷却回路，标准冷却回路由燃料电池堆依次与阀门二S2、散热器2、阀门一S1连接组成，冷启动循环回路由燃料电池堆依次与阀门三S3、循环水泵3、电加热器1连接组成。通过设置在冷启动循环回路和标准冷却回路上的阀门可以实现两个冷却回路的自由切换。同时关闭阀门一S1、阀门二S2，打开阀门三S3，开启循环水泵3，可启用冷启动循环回来。同时，在电堆冷却液入口设置了电加热器1，既可以对冷启动循环回路中冷却液加热同时也能对标准冷却回路中的冷却液加热。
实施例1
燃料电池电堆从-15℃条件下低温启动，低温启动过程中功率和温度随温度变化曲线如图3所示。具体启动方法为：
低温启动前，由设置在燃料电池电堆冷却液出口管道上的温度传感器测量冷却液温度为-15℃，判断-15℃<0℃，燃料电池进入低温启动模式；
启用冷启动循环回路，关闭标准冷却回路；
判断冷却液温度>-25℃，循环水泵以冷却剂流量1L/min对应转速运行；
判断冷却液温度介于-15℃～-10℃，先以3A/s的加载速率加载7s，再以7A/s的加载速率加载至5kw；
达到所需功率后，低温启动结束，关闭冷启动循环回路，打开标准冷却回路进行正常运行。
实施例2
燃料电池电堆从-40℃条件下低温启动过程，低温启动过程中功率和温度随温度变化曲线如图4所示。具体启动方法为：
低温启动前，由设置在燃料电池电堆冷却液出口管道上的温度传感器测量冷却液温度为-40℃，判断-15℃<0℃，燃料电池进入低温启动模式；
启用冷启动循环回路，关闭标准冷却回路；
判断冷却液温度<-25℃，循环水泵以冷却剂流量10L/min对应转速运行；
控制二次电池向电加热器供电，对冷却剂进行加热；
当检测到冷却剂出口温度达到-20℃时，关闭电加热器，调整循环水泵以冷却剂流量1L/min对应转速运行；
对燃料电池电堆进行加载，先以1A/s的加载速率加载8s，再以3A/s的加载速率加载7s，最后以7A/s的加载速率加载至183A；
达到所需功率后，低温启动结束，关闭冷启动循环回路，打开标准冷却回路进行正常运行。
Claims (7)
1.一种质子交换膜燃料电池低温启动方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S10：启动燃料电池之前，对燃料电池堆冷却液出口温度T进行监测，若T大于等于0℃，电堆正常启动；若T小于0℃时，进入低温启动模式；
所述低温启动模式为：启动冷启动循环回路，关闭标准冷却回路；
所述冷启动循环回路由燃料电池堆依次与阀门三、循环水泵、电加热器连接组成，所述标准冷却回路由燃料电池堆依次与阀门二、散热器、阀门一连接组成；
S20：判断S10中的T是否大于等于-25℃，若是，则进行步骤S20-1，否则进行步骤S20-2；
S20-1包括如下步骤：
(1)设定冷启动循环回路中的循环水泵以第一转速运行；
(2)根据S10中的温度T，按照预设的加载程序进行加载升温；
(3)加载至所需功率时，关闭冷启动循环回路并启动标准冷却回路，电堆正常运行；
S20-2包括如下步骤：
(1)设定冷启动循环回路中的循环水泵以第二转速运行；
(2)开启电加热器；
(3)当监测到燃料电池堆冷却液出口温度大于等于-20℃时，加热器停止运行，进入步骤S20-1。
2.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，所述第一转速运行对应冷却剂流量为1-5L/min。
3.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，燃料电池系统正常启动所用到的冷却回路为标准冷却回路。
4.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，所述预设的加载程序是按照不同温度区间和不同加载阶段，按不同加载速率线性加载，具体包括：
(1)当温度大于等于-10℃小于0℃时，以30-50mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载到所需功率；
(2)当温度大于等于-15℃小于-10℃时，先以10-20mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，再以30-50mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载至所需功率；
(3)当温度大于等于-20℃小于-15℃时，先以3-5mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，再以10-20mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，最后以30-50mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载至所需功率；
(4)当温度大于等于-25℃小于-20℃时，先以3-5mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，再以10-15mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载10-30s，最后以15-30mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载至所需功率。
5.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，所述第二转速运行对应冷却剂流量为10-20L/min。
6.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，所述电加热器通过二次电池加热；所述二次电池包括锂电池、铅酸电池、镍氢电池。
7.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，所述步骤S20-2中，当燃料电池堆冷却液出口温度大于等于-20℃后，先以3-5mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，再以10-20mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载5-10s，最后以30-50mA/(s·cm2 电极面积)的加载速率加载至所需功率。
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