CN114597452A - 燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法及系统，包括：将燃料电池系统当前总能量进行数据采集；将燃料电池系统总能量值与冷启动目标极值进行比较后选择冷启动控制方式，分别为根据各部件所需换热量分配选择冷启动方法和根据各供能方式逐级加热系统各部件。根据供热端和燃料电池系统被加热各部件所需热量进行能量分配使系统保持热平衡，有效兼顾了冷启动过程的快速性与系统安全性。
Description
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
质子交换膜燃料电池是一种能够将氢燃料和空气中的化学能直接转化为电能的装置，具有高效率、无噪音、无污染等优点，成为实现碳中和节能减排目标的有效途径。燃料电池在低温环境中进行启动时，水作为电化学反应的生成物产生于质子交换膜阴极，在流动过程中容易受温度影响结冰于燃料电池催化层、微孔层、气体扩散层中，造成流道堵塞使燃料电池启动失败。水结冰时体积发生膨胀，冰在燃料电池中的反复形成与融化对燃料电池造成不可逆的损伤，并使其使用寿命大幅下降。
目前，质子交换膜燃料电池冷启动的方式主要分为两类，分别为自启动和辅助启动。自启动方式结构简单耗功量少，但能够为电堆提供的温升有限。而辅助启动方法需要增加额外附件，增加系统复杂性但能够提供多种方法迅速加热电堆。两种方法都具有不可代替性，因此燃料电池自启动与辅助启动相结合的方式能够实现更低的冷启动温度并加快冷启动时间。
为解决上述问题，发明专利CN107492673B“一种冷启动分级预热的PEM电堆及系统”，将电堆分成三个组件进行分级预热，分别为双极板和MEA组件、端板、绝缘板和集流板组件、冷却介质及管路和设备，该方法缩短了预热时间但没有明确给出各级的加热方式和控制方法，并且着重于燃料电池辅助启动，未结合自启动方法。发明专利CN111785992B“一种燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法”，根据启动过程将冷启动分为两个启动阶段，缩短了启动时间但辅助启动方法中仅应用了PTC加热，自启动方法中仅应用电堆自启动。以上发明专利中没有将冷启动系统与储能系统耦合控制，在一定程度上存在能量的浪费。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，通过多模式启动方法实现在不同冷启动温度下质子交换膜燃料电池的快速冷启动。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，包括：
将燃料电池系统总能量值与冷启动目标极值进行比较后选择冷启动控制方式，具体包括辅助预热方式和自启动方式：
当电堆温度低于零时燃料电池系统进入冷启动过程，当电堆温度在第一阈值至零之间且系统供能低于冷启动目标换热量极小值时，选择自启动方法对燃料电池进行冷启动；
当电堆温度低于第一阈值且系统供能高于冷启动目标换热量极大值时，选择辅助加热方法对电堆各部件进行预热；
每种冷启动控制方式下根据各供能方式逐级加热系统各部件。
进一步的技术方案，燃料电池系统进入冷启动过程后对燃料电池系统当前各部件初始状态参数进行数据采集与分析。
进一步的技术方案，对燃料电池系统当前各部件初始状态参数进行数据采集，包括：通过传感器和流量计确定燃料电池系统初始参数，包括电堆温度、动力电池荷电状态、储热罐温度、冷却液温度、燃烧器中的燃料供应量。
进一步的技术方案，对燃料电池系统当前各部件初始状态参数进行数据采集之后，确定冷启动目标极值，具体为：
通过系统冷启动温度计算达到所需目标的换热量，将此作为冷启动目标的极小值；
通过电堆最佳工作范围中的最高工作温度计算冷启动目标的极大值。
进一步的技术方案，还包括：
将燃料电池系统按材料进行划分为五部分，分别为阴阳极反应物气体、循环冷却液及管路、端板集流板、双极板、膜电极组件；
根据燃料电池系统中各部件参数计算其所需换热量。
进一步的技术方案，对各冷启动方法能够提供的换热量进行计算，两种自启动方法，分别为加载电流斜率启动模式、供气系统通入氢氧混合气体自生温方法，辅助启动方法各有五种，分别为端板集流板加热、双极板加热、冷却液和冷却系统加热、阴阳极供气预热、氢氧混合物催化燃烧加热。
进一步的技术方案，对自启动方法及辅助启动方法能够提供的换热量进行计算，自启动方法能够提供的换热量进行计算，包括：
电堆启动时加载电流斜率过程中电堆自身产热量；
阴阳极供气系统通入氢氧混合气体自生温方法利用氢气和氧气在铂催化作用下可以低温反应放热这一特性为电堆提供热量。
进一步的技术方案，辅助启动方法能够提供的换热量进行计算，包括：
电堆中端板集流板通过在电堆中加装电热片实现加热过程的产热量；
双极板通过在其内部嵌入电阻丝实现加热过程的产热量；
冷却液和冷却系统加热通过冷却工质在换热器中对流换热实现对电堆的加热过程的产热量；
阴阳极供气预热通过电热板、储热罐或燃烧器提供热量实现加热过程的产热量；
氢氧混合物催化燃烧是辅助预热过程中为冷启动过程提供热量的化学反应供热方式，在电堆外部的燃烧器中进行的产热量。
进一步的技术方案，还包括：
回收自启动阶段电堆尾气中的氢氧混合气体到燃烧器中作为反应物直接燃烧；
待电堆温度高于设定值时回收燃料电池系统各部件做功产生的热量、循环冷却液热量、尾气余热到储热罐中。
第二方面，公开了燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制系统，包括：
数据采集模块，用于将燃料电池系统当前总能量进行数据采集；
冷启动控制模块，用于将燃料电池系统总能量值与冷启动目标极值进行比较后选择冷启动控制方式，分别为根据各部件所需换热量分配选择冷启动方法和根据各供能方式逐级加热系统各部件。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
针对单一的冷启动方法难以实现极端低温环境下燃料电池的快速启动过程的问题，本发明提供了一种自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，将冷启动过程分为辅助预热和自启动两个阶段，并在每个阶段内提供了多级并行的冷启动方法，使热源和电能同时加热燃料电池系统中的不同部件，并对动力电池进行加热以提高其放电速率，该冷启动方法通过多模式启动方法实现了在不同冷启动温度下质子交换膜燃料电池的快速冷启动。根据供热端和燃料电池系统被加热各部件所需热量进行能量分配使系统保持热平衡，有效兼顾了冷启动过程的快速性与系统安全性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1燃料电池冷启动方法控制流程示意图；
图2燃料电池冷启动系统控制流程示意图；
图3燃料电池混合冷启动控制流程示意图；
图4为混合低温冷启动控制系统框架图；
图5为混合低温冷启动控制系统示意图；
图中，1-高压氢罐，2-减压阀，3-第一加湿器，11-第二加湿器，7-质子交换膜燃料电池，12-空气压缩机，13-空气滤清器，16-氢气循环泵，18-气体混合室，20-催化燃烧反应器，22-冷却风扇，23-换热器，32-储热罐，35-去离子装置，36-混热器，37-动力电池，41-离子检测传感器，42-冷却水循环泵。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，通过多模式启动方法实现在不同冷启动温度下质子交换膜燃料电池的快速冷启动。将冷启动过程分为辅助预热和自启动两个阶段，并在每个阶段内提供了多级并行的冷启动方法，大幅缩减冷启动时间，且在冷启动过程中对余热和尾气进行回收再利用提高了系统效率。
电堆内的水含量是影响冷启动的关键因素，但吹扫工作一般在燃料电池系统停机前进行效果较好，因此在进行冷启动前需对燃料电池系统进行吹扫以确保电堆内没有液态水及水蒸气。
燃料电池冷启动方法控制流程如图1所示。主要将冷启动过程分为辅助预热阶段和自启动阶段，根据目标冷启动温度及时间选择进入不同的冷启动阶段。
当电堆温度低于0℃时燃料电池系统进入冷启动过程，当电堆温度在-20℃～0℃之间时尽量选择自启动方法进行燃料电池冷启动，由于自启动方式应用于更低温的冷启动过程中会对电堆造成不可逆损伤并造成冷启动失败。选择自启动方式可以大量减少系统部件并在短时间内完成冷启动过程，如循环冷却系统、储能装置、电堆内加装电热丝等。但辅助预热方法的加入可以在低温冷启动过程中使冷启动时间大幅减少。
当电堆低于-20℃时主要选择辅助加热方法对电堆各部件进行预热，并在多种冷启动方式并行的条件下使燃料电池系统能够在极低温的环境下实现快速冷启动过程。
如图1，先根据电堆温度选择需不需要混合启动(辅助启动和自启动)。如何混合启动如图2和图3，图2是加热燃料电池的方法，图3为实现图2启动方法的控制方法。
燃料电池冷启动系统控制流程如图2所示。在燃料电池系统进入冷启动过程后首先对系统当前各部件初始状态参数进行数据采集与分析。
第一步，通过传感器和流量计确定系统初始参数，其中包括电堆温度、动力电池荷电状态、储热罐温度、冷却液温度、燃烧器中的燃料供应量等。用于燃料电池冷启动过程中燃料电池所需热量和各启动方法提供热量之间的供需匹配分析。
第二步，确定冷启动目标极值。通过系统冷启动温度计算达到所需目标的换热量，将此作为冷启动目标的极小值。通过电堆最佳工作范围60～80℃中的最高工作温度计算冷启动目标的极大值。目标极值如公式(1)所示：
QFC＝mFCCFC(T0-Ti) (1)
式中，mFC为电堆总质量，CFC为电堆等效比热容，T0为燃料电池目标启动温度，Ti为电堆的初始温度。
具体的，当目标启动温度为0℃所得Q为极小值，目标启动温度为60℃所得Q为极大值。
在零下环境温度中增大了电池内阻，动力电池的化学反应效率下降，放电速率随之下降，因此在冷启动过程中对动力电池加热有利于提高动力电池的放电速率并对动力电池形成保护。根据动力电池的最佳工作温度0～45℃，计算通过对流换热加热动力电池的换热量极值，所需热量如公式(2)所示：
QB＝mBCB(TB0-TBi) (2)
式中，mB为动力电池总质量，CB为动力电池比热容，TB0为动力电池目标加热温度，TBi为动力电池的初始温度。
第三步，将燃料电池系统按材料进行划分为五部分，分别为阴阳极反应物气体、循环冷却液及管路、端板集流板、双极板、膜电极组件(MEA)，如图3燃料电池混合冷启动控制流程示意图所示。并根据燃料电池系统中各部件参数计算其所需换热量，如公式(3)所示：
Qi＝miCi(Ti0-Tii) (3)
式中，mi为该部件总质量，Ci为该部件比热容，Ti0为该部件目标加热温度，Tii为该部件的初始温度。
第四步，对各冷启动方法能够提供的换热量进行计算。根据燃料电池冷启动过程的特点选择典型且技术成熟的自启动和辅助启动方法作为可选择的燃料电池冷启动方法。其中包括两种自启动方法，分别为加载电流斜率启动模式、供气系统通入氢氧混合气体自生温方法。辅助启动方法各有五种，分别为端板集流板加热、双极板加热、冷却液和冷却系统加热、阴阳极供气预热、氢氧混合物催化燃烧加热。辅助启动方法中包括预热方法一种，热能供应方法一种。
自启动方法所提供换热量如公式(4)和(5)所示：
电堆启动时加载电流斜率过程中电堆自身产热量QFCT如公式(4)所示：
QFCT＝nAIt(1.48-V) (4)
式中，n为电堆单电池数量，A为单电池面积，I为电堆运行电流，V为电堆运行电压，t为电堆运行时间。
阴阳极供气系统通入氢氧混合气体自生温方法利用氢气和氧气在铂催化作用下可以低温反应放热这一特性为电堆提供热量，氢气在铂表面上催化反应机理如表(1)所示，涉及5种表面组分：H(s)、O(s)、OH(s)、H2O(s)、Pt(s)和6种气相组分：H2、O2、H、O、OH、H2O。H2氢分子、O2氧分子、H氢原子、O氧原子、OH羟基自由基、H2O水，产热量QHO如公式(5)所示：
式中，
为第i种粒子的标准生成焓，Ri为表面反应的物质i产生速率，N是数值。
辅助启动方法共有五种，产热量计算如公式(6)-(10)所示：
电堆中端板集流板通过在电堆中加装电热片实现加热过程，产热量QEnd如公式(6)所示：
QEnd＝nEndIEnd 2REndtEnd (6)
式中，nEnd为电热片数量，IEnd为电热片工作电压，REnd为电热片工作电流，tEnd为电热片工作时间。
双极板通过在其内部嵌入电阻丝实现加热过程，产热量QP如公式(7)所示：
QP＝nPIP 2RPtP (7)
式中，nP为电阻丝数量，IP为电阻丝工作电压，RP为电阻丝工作电流，tP为电阻丝工作时间。
冷却液和冷却系统加热通过冷却工质在换热器中对流换热实现对电堆的加热过程，产热量QCool如公式(8)所示：
QCool＝CCoolρCoolVCool(TC0-TCi)tCool (8)
式中，CCool为冷却工质比热容，ρCool为冷却工质密度，VCool为冷却工质体积流量，TC0为冷却工质加热后温度，TCi为冷却工质初始温度，tCool为冷却系统运行时间。
阴阳极供气预热通过电热板、储热罐或燃烧器提供热量实现加热过程，产热量QG如公式(9)所示：
QG＝CGρGVG(TG0-TGi)tG (9)
式中，CG为反应物气体比热容，ρG为反应物气体密度，VG为反应物气体体积流量，TG0为反应物气体加热后温度，TGi为反应物气体初始温度，tG为反应物气体被加热时间。
氢氧混合物催化燃烧是辅助预热过程中为冷启动过程提供热量的化学反应供热方式，在电堆外部的燃烧器中进行，产热量QH如公式(10)所示：
QH＝mH×1.4×108 (10)
式中，mH为氢气完全燃烧质量。
第五步，如图3所示将燃料电池系统当前总能量进行数据采集，其中包括动力电池荷电状态、储热罐热量和氢氧催化燃烧器燃烧热值。将系统总能量值与冷启动目标极值进行比较后选择冷启动控制方式，分别为根据各部件所需换热量分配选择冷启动方法和根据各供能方式逐级加热系统各部件。该方法能够在系统有限的能量输入下使多种冷启动方法同时进行，并根据其特点选择合适的加热方式提高能量利用率的同时缩短了冷启动所需时间。
将燃料电池系统当前总能量进行数据采集，具体为：通过传感器和流量计确定系统初始参数，进而确定系统内能够提供热量的来源方式及所能提供的热量值，之和为总能量。
燃料电池的冷启动过程需要热量，其中，所需热量的极小值就是冷启动目标极小值，燃料电池冷启动过程所需热量的极限值(极大值)就是冷启动目标的极大值。超过这个极大值，燃料电池无法承受，超过极小值，燃料电池冷启动失败。
燃料电池是热量的需求方，燃料电池由不同部位组成，因此不同方法能够将热量送达燃料电池不同部位，实现同时加热。因此各部件所需换热量之和是燃料电池所需加热量。
各部件参数计算其所需换热量是燃料电池结构内部组成所需热量(之和为燃料电池所需热量)。
各冷启动方法(能够抵达燃料电池不同部位的加热方法)能够提供的换热量。
燃料电池系统中各部件参数计算其所需换热量之和和各冷启动方法能够提供的换热量之和相等。
关于逐级加热系统各部件：在加热过程中有优先级顺序，以图3下方动力电池为例，电能先满足系统电功耗，剩余电能转换为热能，满足双极板加热，剩余电能转化为热能满足端板加热，若还有剩余，将热能储存于储热罐。
本发明通过不同的能量匹配，减少能量转换过程中的损耗，并先对核心部件进行加热，实现能量的高效利用。
第六步，回收自启动阶段电堆尾气中的氢氧混合气体到燃烧器中作为反应物直接燃烧。待电堆温度较高时回收燃料电池系统各部件做功产生的热量、循环冷却液热量、尾气余热到储热罐中。
实施例二
本实施例的目的是提供了燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制系统，包括：
数据采集模块，用于将燃料电池系统当前总能量进行数据采集；
冷启动控制器，用于将燃料电池系统总能量值与冷启动目标极值进行比较后选择冷启动控制方式，分别为根据各部件所需换热量分配选择冷启动方法和根据各供能方式逐级加热系统各部件。
具体的参见附图4所示，冷启动控制器分别控制供气系统、电加热、催化燃烧器、储热罐、动力电池、冷却液循环系统，冷却液循环系统进行工作并通过温度传感器获取燃料电池电堆的温度。
关于燃料电池的系统结构如图5所示，质子交换膜燃料电池7的上端一侧所连管路上依次设置有压力传感器、流量计、温度传感器、第一加湿器3、减压阀，所述减压阀2连接至高压氢罐1；质子交换膜燃料电池的上端另一侧所连管路上依次设置压力传感器、流量计、温度传感器、第二加湿器11，第二加湿器连接至空气压缩机12，空气压缩机设置有空气滤清器13。质子交换膜燃料电池阳极还连接有氢气循环泵16。
质子交换膜燃料电池的下端一侧的燃料电池冷却液循环管路连接至储热罐，质子交换膜燃料电池的下端另一侧通过液体管路连接至混热器36，混热器再通过去离子装置35连接至储热罐。另一侧所连接的液体管路上设置有压力传感器、流量计、温度传感器、离子检测传感器41及冷却水循环泵42。
储热罐还连接有冷却风扇22及换热器23，储热罐32与动力电池37连接。换热器和催化燃烧反应器传递热量，作热交换；催化燃烧器20所需的燃料工质由气体混合室18供给。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，其特征是，包括：
将燃料电池系统总能量值与冷启动目标极值进行比较后选择冷启动控制方式，具体包括辅助预热方式和自启动方式：
当电堆温度低于零时燃料电池系统进入冷启动过程，当电堆温度在第一阈值至零之间且系统供能低于冷启动目标换热量极小值时，选择自启动方法对燃料电池进行冷启动；
当电堆温度低于第一阈值且系统供能高于冷启动目标换热量极大值时，选择辅助加热方法对电堆各部件进行预热；
每种冷启动控制方式下根据各供能方式逐级加热系统各部件。
2.如权利要求1所述的燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，其特征是，燃料电池系统进入冷启动过程后对燃料电池系统当前各部件初始状态参数进行数据采集与分析。
3.如权利要求2所述的燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，其特征是，对燃料电池系统当前各部件初始状态参数进行数据采集，包括：通过传感器和流量计确定燃料电池系统初始参数，包括电堆温度、动力电池荷电状态、储热罐温度、冷却液温度、燃烧器中的燃料供应量。
4.如权利要求2所述的燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，其特征是，对燃料电池系统当前各部件初始状态参数进行数据采集之后，确定冷启动目标极值，具体为：
通过系统冷启动温度计算达到所需目标的换热量，将此作为冷启动目标的极小值；
通过电堆最佳工作范围中的最高工作温度计算冷启动目标的极大值。
5.如权利要求1所述的燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，其特征是，还包括：
将燃料电池系统按材料进行划分为五部分，分别为阴阳极反应物气体、循环冷却液及管路、端板集流板、双极板、膜电极组件；
根据燃料电池系统中各部件参数计算其所需换热量。
6.如权利要求1所述的燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，其特征是，对各冷启动方法能够提供的换热量进行计算，两种自启动方法，分别为加载电流斜率启动模式、供气系统通入氢氧混合气体自生温方法，辅助启动方法各有五种，分别为端板集流板加热、双极板加热、冷却液和冷却系统加热、阴阳极供气预热、氢氧混合物催化燃烧加热。
7.如权利要求6所述的燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，其特征是，对自启动方法及辅助启动方法能够提供的换热量进行计算，自启动方法能够提供的换热量进行计算，包括：
电堆启动时加载电流斜率过程中电堆自身产热量；
阴阳极供气系统通入氢氧混合气体自生温方法利用氢气和氧气在铂催化作用下可以低温反应放热这一特性为电堆提供热量。
8.如权利要求7所述的燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，其特征是，辅助启动方法能够提供的换热量进行计算，包括：
电堆中端板集流板通过在电堆中加装电热片实现加热过程的产热量；
双极板通过在其内部嵌入电阻丝实现加热过程的产热量；
冷却液和冷却系统加热通过冷却工质在换热器中对流换热实现对电堆的加热过程的产热量；
阴阳极供气预热通过电热板、储热罐或燃烧器提供热量实现加热过程的产热量；
氢氧混合物催化燃烧是辅助预热过程中为冷启动过程提供热量的化学反应供热方式，在电堆外部的燃烧器中进行的产热量。
9.如权利要求1所述的燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制方法，其特征是，还包括：
回收自启动阶段电堆尾气中的氢氧混合气体到燃烧器中作为反应物直接燃烧；
待电堆温度高于设定值时回收燃料电池系统各部件做功产生的热量、循环冷却液热量、尾气余热到储热罐中。
10.燃料电池自启动和辅助启动混合低温冷启动控制系统，其特征是，包括：
数据采集模块，用于将燃料电池系统当前总能量进行数据采集；
冷启动控制模块，用于将燃料电池系统总能量值与冷启动目标极值进行比较后选择冷启动控制方式，分别为根据各部件所需换热量分配选择冷启动方法和根据各供能方式逐级加热系统各部件。
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