CN114583211A - 一种燃料电池系统及燃料电池系统低温启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统及燃料电池系统低温启动方法。该方法首先检测燃料电池温度T，在燃料电池温度T低于低温自启动最低温度T1时，控制提高燃料电池温度并提高至低温自启动最低温度T1，提高的手段包括空压机以最大压缩比工作以及加热装置工作；然后启动燃料电池系统，使燃料电池电流维持在设定小电流范围内工作；当单片电压升高至设定小电压范围内时，控制降低空气压缩机的压缩比，并调节旁通阀的开度，使单片平均电压保持在设定小电压范围内，直至燃料电池温度提高至低温启动完成温度T2。本发明实现燃料电池快速低温启动的同时保证了燃料电池电堆的一致性，减少燃料电池电堆的损坏，保证了燃料电池的寿命。

Description

一种燃料电池系统及燃料电池系统低温启动方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统及燃料电池系统低温启动方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换为电能的化学装置，较为常用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池和氢燃料电池，以燃料和氢气作为原料，由于其没有机械传动部件而没有噪声污染，且排出的有害气体极少，具有发电效率高、环境污染少等优点，越来越受到人们的重视，具有广阔的应用前景。
燃料电池产物包括水，所以燃料电池的电阴极常常残存有水，这些水在温度过低会出现结冰现象，无法从燃料电池电池内排出，堆积的冰会使燃料电池在低温下无法正常启动，甚至对燃料电池的寿命产生影响。
现有技术中采用了多种不同的方式来使燃料电池在低温情况下启动。例如，在燃料电池两端增加加热装置来加热电堆使电堆完成预热，但是该种方式较为简单粗暴，在预热完成后直接加载运行，燃料电池受热不均的情况下，一致性很差，对燃料电池损害较大。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池系统及燃料电池系统低温启动方法，用以解决现有技术的低温启动方法会损害燃料电池的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：
本发明提供了一种燃料电池系统低温启动方法，包括如下步骤：
1)检测燃料电池温度T，在燃料电池温度T低于低温自启动最低温度T1时，控制提高燃料电池温度并提高至低温自启动最低温度T1；其中，控制提高燃料电池温度的手段包括：
控制燃料电池系统的空气进气管路和空气出气管路导通、并使空气进气管路上设置的空气压缩机以最大压缩比工作；和/或
控制电堆冷却小循环管路导通，并使电堆冷却小循环管路上设置的加热装置工作；所述电堆冷却小循环管路用于连接电堆的出水口和进水口；
2)在燃料电池温度提高至低温自启动最低温度T1时，启动燃料电池系统，控制燃料电池电流维持在设定小电流范围内工作，且使燃料电池电压升高；当燃料电池单片电压升高至设定小电压范围内时，控制降低空气压缩机的压缩比，并调节旁通阀的开度，使燃料电池电流维持在设定小电流范围内的同时单片平均电压保持在设定小电压范围内，直至燃料电池温度提高至低温启动完成温度T2；其中，空气压缩机下游的空气进气管路通过旁路管路连接燃料电池系统的尾排口，所述旁通阀设置在所述旁路管路上；
3)在燃料电池温度提高至低温启动完成温度T2时，控制加热装置停止工作，使燃料电池正常加载运行。
本发明还提供了一种燃料电池系统，包括：
电堆，包括进氢口、出氢口、进空口、出空口、出水口和进水口；
温度传感器，用于检测燃料电池温度；
空气进气管路，空气进气管路上设置有空气压缩机，连接电堆的进空口；
空气出气管路，连接电堆的出空口；
电堆冷却小循环管路，电堆冷却小循环管路上设置有加热装置，两端连接电堆的出水口和进水口；
旁路管路，旁路管路上设置有旁通阀，连接空气压缩机下游的空气进气管路以及燃料电池系统的尾排口；
还包括控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述介绍的燃料电池系统低温启动方法。
上述技术方案的有益效果为：本发明燃料电池系统所采用的低温启动方法包括两个阶段，第一阶段通过控制空气压缩机以最大压缩比工作和/或控制加热装置工作的方式，以通过提高加热空气和加热冷却液的方式来加热燃料电池，使燃料电池的温度快速提升至低温自启动最低温度T1，以完成第一阶段，进入第二阶段；进入第二阶段后，启动燃料电池系统，使燃料电池以恒定的小电流进行工作，该过程中燃料电池电压会维持在设定小电压范围内，在单片平均电压在设定小电压范围内时，降低空气压缩机的压缩比并调整旁通阀的开度，来使燃料电池系统以恒定的小电流、恒定的小电压的状态下工作，从而在进一步提高燃料电池温度的同时还保证了燃料电池电堆的一致性，减少燃料电池电堆的损坏，保证了燃料电池的寿命。
作为方法的进一步改进，所述设定小电流范围为[50，60]A。
作为方法的进一步改进，所述设定小电压范围为[U1-k，U1+k]，且U1的取值范围为0.4V≤U1≤0.6V，且k＝0.05。
作为方法的进一步改进，通过检测电堆的进水口温度和出水口温度来确定燃料电池温度T：将进水口温度和出水口温度中的较低者作为燃料电池温度T。
作为系统的进一步改进，还包括电堆冷却大循环管路，电堆冷却大循环管路上设置有散热器，用于连接电堆的出水口和进水口。
作为系统的进一步改进，所述空气进气管路上还设置有空气过滤器、中冷器、进气节气门和增湿器。
作为系统的进一步改进，所述加热装置为PTC。
作为系统的进一步改进，所述温度传感器包括两个温度传感器，分别设置在进水口处和出水口处。
附图说明
图1是本发明的燃料电池系统的结构连接图；其中：
1-过滤器，2-电磁阀，3-比例阀，4-氢气循环泵，5-分离装置，6-单向阀，7-排氮阀，8-排水阀，9-出气节气门，10-空滤，11-空压机，12-中冷器，13-进气节气门，14-增湿器，15-旁通阀，16-水泵，17-PTC，18-节温器，19-散热器，20-水滤，21-去离子罐，22-膨胀水箱，23-电堆；
图2是本发明的燃料电池系统低温启动方法的流程图；
图3是本发明的控制装置的结构图。
具体实施方式
燃料电池系统实施例：
本发明的一种燃料电池系统实施例，如图1所示，为氢燃料电池系统，包括燃料电池电堆23(以下称为电堆)，电堆包括进氢口、出氢口、进空口、出空口、进水口和出水口。
进氢口连接有氢气进气管路，氢气进气管路上设置有过滤器1、电磁阀2和比例阀3。
出氢口连接分离装置5的进口；分离装置5除了进口外，还包括三个出口，第一个出口通过氢循环泵4以及单向阀6连接至电堆的进氢口，第二个出口通过排氮阀7连接至尾排口，第三个出口通过排水阀8连接至尾排口。
电堆的进空口连接有空气进气管路，空气进气管路上依次设置有空滤10、空气压缩机11(以下称为空压机)、中冷器12、进气节气门13、以及增湿器14；电堆的出空口连接空气出气管路，空气出气管路上依次设置有增湿器14、出气节气门9，以连接至燃料电池系统的尾排口；而且，由于空气进气管路和空气出气管路均通过增湿器14，还可实现对电堆排出的空气中湿气的循环利用；进气节气门的进口还通过旁通管路连接尾排口，旁通管路上设置有旁通阀15，可以将多余空气排出。
电堆的出水口依次经过水泵16、PTC17、节温器18连接电堆的进水口，该条管路为电堆冷却小循环管路；水泵的出口还通过散热器19、水滤20连接至节温器18，经过水泵16、散热器19、水滤16、节温器18的管路为电堆冷却大循环管路；水泵16的出口还通过去离子罐21、膨胀水箱22连接至水泵16的进口，以通过去离子罐21吸收冷却液中离子，使冷却液电导率降低。而且，在电堆的出水口的和进水口处均设置有温度传感器(图1中未画出)，用于确定燃料电池温度。
该燃料电池系统还包括控制装置(图1中未画出)，其结构如图3所示，控制装置包括存储器和处理器，处理器和存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互，处理器用于执行存储在存储器中的指令可以实现本发明的一种燃料电池低温启动方法。本实施例的控制装置为整车控制器，存储器和处理器均为整车控制器中的存储器和处理器。
对于上述燃料电池系统，可采用本发明的一种燃料电池低温启动方法，实现对燃料电池的低温启动。下面结合图2对该方法进行详细说明。
步骤一，实时检测电堆的进水口温度和电堆的出水口温度以确定燃料电池温度T，若电堆的进水口温度或者电堆的出水口温度低于低温自启动最低温度T1时(T＜T1)，打开节温器、调整水泵转速且控制PTC工作，使燃料电池冷却回路处于小循环状态，以通过加热冷却液的方式来加热电堆；同时，打开进气节气门和出气节气门，控制空压机以最大压缩比工作以通过加热空气的方式来加热电堆，对燃料电池进行预热，使燃料电池温度快速升高，直至电堆的进水口温度和电堆的出水口温度均达到温自启动最低温度T1。本实施例中，燃料电池温度T实际上为电堆的进水口温度和电堆的出水口温度中的较低者。
步骤二，在电堆的进水口温度和电堆的出水口温度均达到低温自启动最低温度T1时(T1≤T＜T2，T2为低温启动完成温度)，启动燃料电池，以一定加载速率来提高燃料电池电流和燃料电池电压。该过程中，PTC继续工作，使燃料电池电流维持在设定小电流范围内工作，该过程中，随着燃料电池温度升高性能变好，燃料电池电压会维持在设定小电压范围，当燃料电池单片电压达到至设定小电压范围内时，需要降低空压机的压缩比(降低空压机转速)，适当降低空气进气量，打开旁通阀且调整旁通阀的开度，以在进一步提高燃料电池温度T的同时，使燃料电池电流维持在设定小电流范围内工作，以及燃料电池单片平均电压维持在设定小电压范围内持续工作，直至燃料电池温度T升高至低温启动完成温度T2，此时控制PTC停止加热，燃料电池正常运行，完成燃料电池低温快速启动。
其中，设定小电流范围为[50，60]A，设定小电压范围为[U1-0.05，U1+0.05]，且U1的取值范围为0.4V≤U1≤0.6V。
本发明采用分阶段启动方式，首先控制PTC工作且控制空压机以最大压缩比工作，燃料电池温度快速升高至燃料电池预热启动温度T1，然后控制燃料电池启动，在该过程中使燃料电池以恒定的小电流工作，在燃料电池单片平均电压达到设定小电压范围内时，控制降低空压机的压缩比且调整旁通阀的开度，在燃料电池温度达到低温启动完成温度T2时才使燃料电池正常运行，以使燃料电池以恒定的小电流、恒定的小电压状态下工作，从而在进一步提高燃料电池温度的同时还保证燃料电池电堆的一致性，减少燃料电池电堆的损坏，保证了燃料电池的寿命。
本实施例中，控制装置采用整车控制器来实现其功能。作为其他实施方式，可在整车中增加一处理器和存储器专门用于进行代码执行和存储操作以实现本发明的一种燃料电池含水量控制方法。其中，处理器可以为微处理器MCU、可编程逻辑器件FPGA等处理装置；存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等，也可为利用磁能方式存储信息的各式存储器，例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘，还可为利用光学方式存储信息的各式存储器，例如CD、DVD等。
方法实施例：
本发明的一种燃料电池系统低温启动方法实施例，其流程如图2所示，具体内容如系统实施例中介绍的一种燃料电池系统低温启动方法，这里不再赘述。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统低温启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)检测燃料电池温度T，在燃料电池温度T低于低温自启动最低温度T1时，控制提高燃料电池温度并提高至低温自启动最低温度T1；其中，控制提高燃料电池温度的手段包括：
控制燃料电池系统的空气进气管路和空气出气管路导通、并使空气进气管路上设置的空气压缩机以最大压缩比工作；和/或
控制电堆冷却小循环管路导通，并使电堆冷却小循环管路上设置的加热装置工作；所述电堆冷却小循环管路用于连接电堆的出水口和进水口；
2)在燃料电池温度提高至低温自启动最低温度T1时，启动燃料电池系统，控制燃料电池电流维持在设定小电流范围内工作，且使燃料电池电压升高；当燃料电池单片电压升高至设定小电压范围内时，控制降低空气压缩机的压缩比，并调节旁通阀的开度，使燃料电池电流维持在设定小电流范围内的同时单片平均电压保持在设定小电压范围内，直至燃料电池温度提高至低温启动完成温度T2；其中，空气压缩机下游的空气进气管路通过旁路管路连接燃料电池系统的尾排口，所述旁通阀设置在所述旁路管路上；
3)在燃料电池温度提高至低温启动完成温度T2时，控制加热装置停止工作，使燃料电池正常加载运行。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统低温启动方法，其特征在于，所述设定小电流范围为[50，60]A。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统低温启动方法，其特征在于，所述设定小电压范围为[U1-k，U1+k]，且U1的取值范围为0.4V≤U1≤0.6V，且k＝0.05。
4.根据权利要求1～3任一项所述的燃料电池系统低温启动方法，其特征在于，通过检测电堆的进水口温度和出水口温度来确定燃料电池温度T：将进水口温度和出水口温度中的较低者作为燃料电池温度T。
5.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
电堆，包括进氢口、出氢口、进空口、出空口、出水口和进水口；
温度传感器，用于检测燃料电池温度；
空气进气管路，空气进气管路上设置有空气压缩机，连接电堆的进空口；
空气出气管路，连接电堆的出空口；
电堆冷却小循环管路，电堆冷却小循环管路上设置有加热装置，两端连接电堆的出水口和进水口；
旁路管路，旁路管路上设置有旁通阀，连接空气压缩机下游的空气进气管路以及燃料电池系统的尾排口；
还包括控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～4任一项所述的燃料电池系统低温启动方法。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括电堆冷却大循环管路，电堆冷却大循环管路上设置有散热器，用于连接电堆的出水口和进水口。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气进气管路上还设置有空气过滤器、中冷器、进气节气门和增湿器。
8.根据权利要求5～7任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热装置为PTC。
9.根据权利要求5所述的燃料电池系统，所述温度传感器包括两个温度传感器，分别设置在进水口处和出水口处。
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