CN114614049B - 一种燃料电池的快速冷启动系统及方法 - Google Patents

一种燃料电池的快速冷启动系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114614049B
CN114614049B CN202210234264.8A CN202210234264A CN114614049B CN 114614049 B CN114614049 B CN 114614049B CN 202210234264 A CN202210234264 A CN 202210234264A CN 114614049 B CN114614049 B CN 114614049B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
heating
air
cold start
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210234264.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114614049A (zh
Inventor
蒋恩杰
程准
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Re Fire Energy and Technology Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Re Fire Energy and Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Re Fire Energy and Technology Co Ltd filed Critical Shanghai Re Fire Energy and Technology Co Ltd
Priority to CN202210234264.8A priority Critical patent/CN114614049B/zh
Publication of CN114614049A publication Critical patent/CN114614049A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114614049B publication Critical patent/CN114614049B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了燃料电池低温启动技术领域的一种燃料电池的快速冷启动系统及方法，包括燃料电池模块，燃料电池模块包括燃料电池电堆和壳体，壳体和燃料电池电堆之间形成气室；内加热模块，内加热模块与燃料电池电堆连接，用于向燃料电池电堆内部输送对燃料电池电堆进行内部加热的第一加热流体；外加热模块，外加热模块与壳体连接，用于向气室内输送对燃料电池电堆进行外部加热的第二加热流体。本发明采用内外加热同时进行的方式，缩短了燃料电池在低温下的冷启动时长，改善了燃料电池电堆内外部温度分布不均的问题；本发明还通过燃料电池系统的自身控制来维持燃料电池系统的正常运行，避免出现频繁开关现象并提升燃料电池系统的使用寿命。

Description

一种燃料电池的快速冷启动系统及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池低温启动技术领域，具体涉及一种燃料电池的快速冷启动系统及方法。
背景技术
氢燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是水，且氢燃料电池的工作过程不会产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出，因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的实现零排放和零污染的车。但氢燃然电池生成的水在低温下容易结冰，并影响氢燃料电池电堆内部质子的传递，导致燃料电池系统启动时需要更多的热量及更长的时间，从而使得搭载燃料电池系统的汽车，需要等待很长一段时间才能正常运行，严重影响用户体验。
现有的燃料电池低温启动方式主要有两种，一种是无外加热源电堆自发热低温启动，该方式通过气体和电力的精确控制，实现燃料电池电堆自发热升温，但是该方式存在启动失败的可能，而且一次启动失败后很难再次启动；另一种是外加热源辅助低温启动，外加热源辅助低温启动一般采用在冷却液输送管路上设置加热器的方式，通过热冷却液对燃料电池电堆内部进行加热，实现燃料电池电堆的逐渐升温；该方式存在升温速度慢，燃料电池电堆温度分布不均，容易出现单低或反极现象的缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池的快速冷启动系统，以解决现有燃料电池低温冷启动时长较长的技术问题。
本发明所采用的技术方案为：一种燃料电池的快速冷启动系统，包括：
燃料电池模块，所述燃料电池模块包括燃料电池电堆和壳体，所述壳体和所述燃料电池电堆之间形成气室；
内加热模块，所述内加热模块与所述燃料电池电堆连接，用于向所述燃料电池电堆内部输送对所述燃料电池电堆进行内部加热的第一加热流体；
外加热模块，所述外加热模块与所述壳体连接，用于向所述气室内输送对所述燃料电池电堆进行外部加热的第二加热流体。
优选的，所述外加热模块包括与所述燃料电池电堆连接的空气输送主管路和与所述壳体连接的空气输送支管路，所述空气输送主管路上设有空压机和中冷器，所述空气输送支管路的进气端与所述空压机和所述中冷器之间的所述空气输送主管路连通，且所述空气输送支管路上设有比例阀，所述比例阀用于调节所述空气输送主管路向所述燃料电池电堆阴极输送的空气流量和所述空气输送支管路向所述气室输送的空气流量。
优选的，所述空压机与所述燃料电池电堆电连接，用于消耗所述燃料电池电堆的输出电力并提高所述外加热模块对所述燃料电池电堆的外部加热效果。
优选的，所述内加热模块包括与所述燃料电池电堆连接的冷却液输送管路，所述冷却液输送管路上设有并联的大循环管路、小循环管路和加热管路，所述加热管路用于向所述燃料电池电堆输送对所述燃料电池电堆进行内部加热的冷却液。
优选的，所述加热管路上设有电池阀和保温罐，所述保温罐内设有用于对冷却液进行加热的加热器，以使所述保温罐向所述燃料电池电堆输送恒温冷却液。
优选的，所述内加热模块还包括与所述燃料电池电堆连接的氢气循环管路，所述氢气循环管路上设有分水器和循环泵。
本发明的另一目的在于提供一种燃料电池的快速冷启动方法，所述方法使用的是上述燃料电池的快速冷启动系统，所述方法包括如下步骤：
S10：获取所述燃料电池电堆的实时温度T；
S20：判断所述实时温度T与第一温度阈值T1的大小关系；
S30：当所述实时温度T小于第一温度阈值T1时，判定所述燃料电池进入低温冷启动模式；向所述燃料电池电堆内部输送第一加热流体，实现所述燃料电池电堆的内部加热；向所述气室内部输送第二加热流体，实现所述燃料电池电堆的外部加热；
当所述实时温度T大于第一温度阈值T1时，判定所述燃料电池进入常规启动模式。
优选的，所述低温冷启动模式包括低温冷启动阶段和低拉载启动阶段；
当所述实时温度T小于第二温度阈值T2时，判定所述燃料电池进入低温冷启动阶段；
在所述低温冷启动阶段，通过所述外加热模块的空气输送支管路将空压机的增压空气全部输送至所述气室内，实现所述燃料电池电堆的外部加热；通过所述内加热模块的加热管路将保温罐内加热后的冷却液输送至所述燃料电池电堆内，实现所述燃料电池电堆的内部加热；
当所述实时温度T大于第二温度阈值T2并小于第一温度阈值T1时，判定所述燃料电池进入低拉载启动阶段；
在所述低拉载启动阶段，通过所述外加热模块的空气输送支管路将空压机的大部分增压空气输送至所述气室，实现所述燃料电池电堆的外部加热；通过所述外加热模块的空气输送主管路将空压机的小部分增压空气输送至所述燃料电池电堆的阴极，实现所述燃料电池电堆的自发热；通过所述内加热模块的加热管路将保温罐内加热后的冷却液输送至所述燃料电池电堆内，实现所述燃料电池电堆的内部加热。
优选的，在所述低拉载启动阶段，当所述燃料电池模块的运行功率大于动力电池的充电功率时，通过提高空压机的功率消耗所述燃料电池模块的富余功率，并将增加的空气流量通入所述气室。
优选的，所述常规启动模式包括：当所述实时温度T大于第三温度阈值T3时，关闭所述加热管路上的电池阀并将所述冷却液输送管路与所述小循环管路连通。
优选的，所述第一温度阈值T1为5℃，所述第二温度阈值T2为-15℃，所述第三温度阈值T3为40℃。
本发明的有益效果：
1、本发明采用内外加热同时进行的方式，通过内加热模块向燃料电池电堆内部输送第一加热流体，实现燃料电池电堆的内部加热，通过外加热模块向燃料电池电堆和壳体间的气室内输送第二加热流体，实现燃料电池电堆的外部保温和加热，不仅使得燃料电池电堆内外温度分布均匀，还可缩短燃料电池电堆的低温启动时长。
2、本发明通过空气输送支管路和比例阀控制增压空气的流向，不仅可以使低温冷启动状态下的燃料电池电堆包裹于热空气中，实现燃料电池电堆的外部加热和保温，减少燃料电池电堆升温过程中的热量损失；还可控制燃料电池电堆在低温冷启动过程中低拉载启动，通过燃料电池电堆的自发热缩短燃料电池的低温冷启动时长。
3、本发明通过空气输送支管路将空压机的出气口与燃料电池电堆与壳体之间的气室连通，利用空压机为燃料电池电堆的外部加热提供热源，具有结构简单，成本低廉，体积小，适用于对现有燃料电池进行改装的优点。
4、本发明中的空压机与燃料电池电堆电连接，在低温冷启动过程中，当燃料电池系统的运行功率大于动力电池的充电功率时，空压机可大功率运行消耗燃料电池系统的富余功率，以维持燃料电池系统的电平衡，防止频繁开机现象的发生，进而延长燃料电池系统的使用寿命；同时空压机的大功率运行，还可以高增压空气的升温速度和增加流向气室的空气流量，从而提高燃料电池电堆的外部加热效果，并缩短燃料电池的低温冷启动时长。
5、本发明通过与冷却液输送管路的大循环管路和小循环管路并联的加热管路对冷却液进行加热，不仅可以缩短加热的冷却液在冷却液输送管路上的行程，减少冷却液热量的损失，同时通过将电池阀设置在加热管路上，可以减少冷却液在大循环管路和小循环管路上流动时的流阻，有利于提高冷却液对燃料电池电堆的冷却效果。
附图说明
图1为本发明的燃料电池的快速冷启动系统的结构示意图；
图2为本发明的燃料电池的快速冷启动方法的流程框图。
图中附图标记说明：
100、燃料电池模块；
110、燃料电池电堆；120、壳体；130、气室；
200、内加热模块；
210、冷却液输送管路；211、大循环管路；212、小循环管路；213、加热管路；214、电池阀；215、保温罐；216、节温器；217、散热器；218、水泵；
220、氢气循环管路；221、分水器；222、循环泵；
300、外加热模块；
310、空气输送主管路；311、空压机；312、中冷器；313、节气门；314、尾排汇流管；320、空气输送支管路；321、比例阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例，如图1所示，一种燃料电池的快速冷启动系统，该系统包括：
燃料电池模块100，该燃料电池模块100包括燃料电池电堆110和壳体120，壳体120罩设于燃料电池电堆110的外侧，以使壳体120和燃料电池电堆110之间形成气室130。
内加热模块200，该内加热模块200与燃料电池电堆110连接，用于向燃料电池电堆110内部输送对燃料电池电堆110进行内部加热的第一加热流体。
外加热模块300，该外加热模块300与壳体120连接，用于向气室130内输送对燃料电池电堆110进行外部加热的第二加热流体。
本申请采用内加热和外加热同时进行的方式，通过内加热模块200向燃料电池电堆110内部输送第一加热流体，实现燃料电池电堆110的内部加热，通过外加热模块300向燃料电池电堆110和壳体120间的气室130内输送第二加热流体，实现燃料电池电堆110的外部保温和加热，不仅使得燃料电池电堆110内外温度分布均匀，还可缩短燃料电池电堆110的低温冷启动时长。
在一具体实施例中，如图1所示，外加热模块300包括空气输送主管路310和空气输送支管路320，该空气输送主管路310包括进气主管和出气主管，其中，进气主管的一端与环境空气连通，另一端与燃料电池电堆110的阴极进气口连通，出气主管的一端与燃料电池电堆110的阴极出气口连通，另一端连通尾排汇流管314。在进气主管上依次设有空压机311、中冷器312、压力传感器(未示出)和温度传感器(未示出)，空压机311可使进气主管内的空气增压升温，中冷器312通过连接直管与冷却液输送管路210连接，用于对空压机311增压并流向燃料电池电堆110阴极的反应空气进行冷却或加热。出气主管上设有节气门313，该节气门313用于控制空气输送主管路310是否向燃料电池电堆110的阴极输送反应空气，尾排汇流管314用于尾气和水的集中排放。空气输送支管路320包括进气支管和放空管，进气支管的一端与空压机311和中冷器312之间的进气主管连通，另一端与壳体120的进气口连通，用于向燃料电池模块100的气室130内输送吹扫空气；放空管的一端与壳体120的出气口连通，另一端与尾排汇流管314连接，用于燃料电池模块100的气室130内部吹扫空气的外排。进气支管上设有比例阀321，可通过控制比例阀321的开合程度(简称开度)，调节空压机311增压空气的流通方向，以及增压空气通过进气主管进入燃料电池电堆110阴极的反应空气的流量和通过进气支管进入燃料电池模块100的气室130的吹扫空气的流量。如此设置，当燃料电池低温冷启动时，可先通过空压机311对进入空气输送主管路310的空气进行增压升温，再通过控制节气门313的开启和闭合，控制空压机311的增压空气是否流向燃料电池电堆110的阴极，以及通过控制比例阀321的开度，控制增压空气流向燃料电池电堆110阴极的空气流量和流向燃料电池模块100的气室130的空气流量，从而实现燃料电池的外部加热和保温，并同时控制燃料电池电堆110是否低拉载自发热启动。
优选的，第二加热流体包括90℃以上的吹扫空气。
在一具体实施例中，空压机311与燃料电池电堆110电连接(未示出)，空压机311用于消耗燃料电池电堆110的输出电力并以大功率运行，同时提高外加热模块300对燃料电池电堆110的外部加热效果。如此设置，是因为：在低温环境中，动力电池的充电电流受到限制，并使燃料电池的输出功率也受到限制；当燃料电池系统的实际运行功率大于动力电池的可充电功率时，燃料电池系统的可操作性就会变差，容易出现频繁开机现象，并降低燃料电池系统的使用寿命。将空压机311与燃料电池电堆110电连接后，可在燃料电池系统的实际运行功率大于动力电池的可充电功率时，将燃料电池系统富余的输出电力用于空压机311的大功率运行，以维持燃料电池系统的电平衡，防止燃料电池系统频繁开机现象的发生，延长燃料电池系统的使用寿命；且空压机311的大功率运行可以提高增压空气的升温速度，使进入气室130的吹扫空气快速达到90℃以上，同时增加进入气室130的吹扫空气的空气流量，进而提高外加热模块300对燃料电池电堆110的外部加热保温效果，缩短燃料电池的低温冷启动时长。
在一具体实施例中，如图1所示，内加热模块200包括冷却液输送管路210，冷却液输送管路210包括冷却液输入管和冷却液回流管，冷却液输入管的一端与燃料电池电堆110的电堆入口连接，冷却液回流管的一端与燃料电池电堆110的电堆出口连接，冷却液回流管上设有水泵218，在冷却液输入管与冷却液回流管之间并联有大循环管路211、小循环管路212和加热管路213。
具体为：冷却液输入管的另一端设有一节温器216，大循环管路211的一端与节温器216的第一进液口连接，另一端与冷却液回流管的另一端连接，且大循环管路211上设有散热器217；小循环管路212的一端与节温器216的第二进液口连接，另一端与冷却液回流管的另一端连接；加热管路213的一端与冷却液输入管连接，另一端与冷却液回流管连接，加热管路213用于向燃料电池电堆110输送对燃料电池电堆110进行内部加热的冷却液，且加热管路213内冷却液的流动路径小于冷却液在小循环管路212内的流动路径。如此设置，是因为，在燃料电池电堆110正常运行时需要冷却，所以向燃料电池电堆110输送冷却液的冷却液输送管路210都是易于散热的管道，但是在低温冷启动时需要通过冷却液对燃料电池电堆110内部进行加热，冷却液在管道内路径越长浪费的热量也越多，所以将加热管路213的两端与冷却液输送管路210的近电堆端连接，可以缩短冷却液的流动路径，减少热量的浪费。
优选的，在加热管路213上设有电池阀214和保温罐215，保温罐215内设有加热器(未示出)。如此设置，是因为：在保温罐215内设置加热器可以对保温罐215内的冷却液进行加热，使得回流至保温罐215的冷却液与保温罐215内部冷却液混合后，可以快速实现冷却液的升温，使得保温罐215向燃料电池电堆110输送恒温冷却液。当电池阀214处于开启状态时，节温器216处于关闭状态，燃料电池电堆110就处于内部加热的低温冷启动状态；当电池阀214处于关闭状态时，节温器216处于打开状态，燃料电池电堆110就处于正常启动状态。同时，将电池阀214设置在加热管路213上后，当燃料电池系统正常运行时，可以降低冷却液在大循环管路211或小循环管路212上的流阻，使得燃料电池电堆110的冷却效果更好。
更优选的，保温罐215的容积与燃料电池电堆110内水腔容积相同。如此设置，便于保温罐215内冷却液的恒温控制。
第一加热流体包括10℃的冷却液。
在一具体实施例中，如图1所示，内加热模块200还包括氢气循环管路220，该氢气循环管路220的两端分别与燃料电池电堆110阳极的氢气进口和氢气出口连接，在氢气循环管路220上设有分水器221和循环泵222，分水器221的出水口通过连通水管与尾排汇流管314连接。循环泵222用于驱动氢气沿氢气循环管路220流动，以使燃料电池电堆110的氢气出口外排的氢气再次进入燃料电池电堆110的阳极，实现氢气的循环以及二次利用；分水器221用于将燃料电池电堆110的氢气出口外排氢气中的水分去除，并对氢气进行加热，利用氢气的循环对燃料电池电堆110的阳极进行内部加热，进一步提高燃料电池电堆110的内部加热效果，并缩短燃料电池电堆110的低温冷启动时长。
优选的，第一加热流体包括40℃的循环氢气。
实施例2，如图2所示，一种燃料电池的快速冷启动方法，该方法使用的是上述的燃料电池的快速冷启动系统，该方法包括如下步骤：
S10：获取燃料电池电堆110的实时温度T。
具体的，可通过在燃料电池电堆110的电堆入口和电堆出口设置温度传感器，利用温度传感器直接检测燃料电池电堆110的电堆入口和电堆出口的冷却液温度，从而获取燃料电池电堆110的实时温度T。
S20：判断实时温度T与第一温度阈值T1的大小关系。
S30：当实时温度T小于第一温度阈值T1时，判定燃料电池进入低温冷启动模式；向燃料电池电堆110内部输送第一加热流体，实现燃料电池电堆110的内部加热；向气室130内部输送第二加热流体，实现燃料电池电堆110的外部加热；
当实时温度T大于或等于第一温度阈值T1时，判定燃料电池进入常规启动模式。
本申请采用内加热和外加热同时进行的方式，在燃料电池电堆110进入低温冷启动模式时，通过向燃料电池电堆110内部输送的第一加热流体对燃料电池电堆110进行内部加热，通过向气室130内部输送的第二加热流体对燃料电池电堆110进行外部加热，可有效解决燃料电池温度分布不均的问题，并缩短燃料电池的低温冷启动时长。
优选的，如图1所示，步骤S30中的低温冷启动模式包括低温冷启动阶段和低拉载启动阶段；其中：
当实时温度T小于第二温度阈值T2时，判定燃料电池进入低温冷启动阶段。
在低温冷启动阶段，可通过外加热模块300的空气输送支管路320将空压机311的增压空气全部输送至气室130内，实现燃料电池电堆110的外部加热；通过内加热模块200的加热管路213将保温罐215内的加热后的冷却液输送至燃料电池电堆110内，通过内加热模块200的氢气循环管路220将加热后的氢气输送至燃料电池电堆110的阳极内，实现燃料电池电堆110的内部加热。
当实时温度T大于等于第二温度阈值T2并小于第一温度阈值T1时，判定燃料电池进入低拉载启动阶段。
在低拉载启动阶段，可通过外加热模块300的空气输送支管路320将空压机311增压的大部分空气输送至气室130，实现燃料电池电堆110的外部加热；通过外加热模块300的空气输送主管路310将空压机311增压的小部分空气输送至燃料电池电堆110的阴极，通过燃料电池电堆110的低拉载启动实现燃料电池电堆110的自发热；通过内加热模块200的加热管路213将保温罐215内加热后的冷却液输送至燃料电池电堆110内，实现燃料电池电堆110的内部加热；通过内加热模块200的氢气循环管路220将加热后的氢气输送至燃料电池电堆110的阳极内，实现燃料电池电堆110阳极的内部加热。
如此设置，燃料电池的低温冷启动采用两段式，在温度相对较低的低温冷启动阶段，可通过冷却液对燃料电池电堆110进行内部加热、通过热氢气对燃料电池电堆110阳极进行内部加热和通过吹扫空气对燃料电池电堆110进行外部加热实现燃料电池电堆110的升温，并使燃料电池电堆110内外温度分布均匀，同时防止电堆低拉载自发热启动失败现象的发生。在温度相对较高的低拉载启动阶段，通过向燃料电池电堆110的阴极输送少量空气使燃料电池电堆110处于低拉载启动状态，利用燃料电池电堆110的自发热提高燃料电池电堆110的升温速度，进一步缩短燃料电池的低温冷启动时长。
更优选的，如图1所示，在低拉载启动阶段，当燃料电池模块100的运行功率大于动力电池的充电功率时，可通过提高空压机311的功率的方式消耗燃料电池模块100的富余功率，并将增加的空气流量通入气室130；其中，富余功率＝燃料电池模块100的运行功率-动力电池的充电功率。如此设置，是因为：在低温环境下，整车的动力电池的升温速度较慢，动力电池的充电电流受到限制，容易出现燃料电池模块100的运行功率大于动力电池的充电功率现象，使得燃料电池模块100的输出功率受到限制，并导致燃料电池系统的可操作性型变差，并容易出现频繁开机的现象，进而影响燃料电池系统的使用寿命。使用增大空压机311功率的方式，不仅可以消耗燃料电池模块100的富余功率，维持燃料电池系统的电平衡，还可以增加进入气室130的吹扫空气的空气流量，提高燃料电池电堆110的外部加热效果。
其中，第一温度阈值T1为5℃，第二温度阈值T2为-15℃。
更优选的，在常规启动模式下，当实时温度T小于第三温度阈值T3时，通过内加热模块200的加热管路213将保温罐215内加热后的冷却液输送至燃料电池电堆110内，实现燃料电池电堆110的内部加热；当实时温度T大于第三温度阈值T3时，关闭加热管路213上的电池阀214并将冷却液输送管路210与小循环管路212连通。如此设置，当燃料电池启动并正常运行后，由于电池阀214设置在加热管路213上，在对燃料电池电堆110进行冷却时，冷却液可在大循环管路211和小循环管路212内顺畅流动，降低了燃料电池系统的流阻，提高了燃料电池电堆110的冷却效果。
其中，第三温度阈值T3为40℃。
具体实施例1，一种燃料电池的快速冷启动方法，该方法包括如下步骤：
S10：获取燃料电池电堆110的实时温度T；例如：燃料电池电堆110的初始实时温度T为-10℃。
S20：判断实时温度T与第一温度阈值T1的大小关系；其中，第一温度阈值T1为5℃。
S30：由于-10℃＜5℃，判定燃料电池进入低温冷启动模式。
S31：判断实时温度T与第二温度阈值T2的大小关系；其中，第二温度阈值T2为-15℃。
S32：由于-15℃＜-10℃，判定燃料电池进入低拉载启动阶段。
低拉载启动阶段具体为：通过空气输送支管路320将空压机311增压的大部分空气输送至气室130，利用100℃的吹扫空气对燃料电池电堆110进行外部加热；通过冷却液输送管路210将加热后的冷却液输送至燃料电池电堆110中，利用10℃的冷却液对燃料电池电堆110进行内部加热；通过氢气循环管路220将加热后的氢气输送至燃料电池电堆110的阳极，利用40℃的的氢气对燃料电池电堆110进行内部加热；通过空气输送主管路310将空压机311增压的小部分空气输送至燃料电池电堆110的阴极，利用燃料电池电堆110内部空气与氧气的化学反应生成电力，并应用于燃料电池电堆110的内部自发热。
S40：随着燃料电池电堆110温度的上升，当实时温度T≧40℃时，燃料电池系统进入正常运行状态。
具体实施例2，一种燃料电池的快速冷启动方法，该方法包括如下步骤：
S10：获取燃料电池电堆110的实时温度T；例如：燃料电池电堆110的初始实时温度T为-30℃。
S20：判断实时温度T与第一温度阈值T1的大小关系；其中，第一温度阈值T1为5℃。
S30：由于-30℃＜5℃，判定燃料电池进入低温冷启动模式。
S31：判断实时温度T与第二温度阈值T2的大小关系；其中，第二温度阈值T1为-15℃。
S32：由于-30℃＜-15℃，判定燃料电池进入低温冷启动阶段。
低温冷启动阶段具体为：通过空气输送支管路320将空压机311增压的大部分空气输送至气室130，利用100℃的吹扫空气对燃料电池电堆110进行外部加热；通过冷却液输送管路210将加热后的冷却液输送至燃料电池电堆110中，利用10℃的冷却液对燃料电池电堆110进行内部加热；通过氢气循环管路220将加热后的氢气输送至燃料电池电堆110的阳极，利用40℃的氢气对燃料电池电堆110进行内部加热。
S33：随着燃料电池电堆110温度的上升，当燃料电池电堆110的实时温度T≧-15℃时，判定燃料电池进入低拉载启动阶段。
低拉载启动阶段具体为：通过空气输送支管路320将空压机311增压的大部分空气输送至气室130，利用100℃的吹扫空气对燃料电池电堆110进行外部加热；通过冷却液输送管路210将加热后的冷却液输送至燃料电池电堆110中，利用10℃的冷却液对燃料电池电堆110进行内部加热；通过氢气循环管路220将加热后的氢气输送至燃料电池电堆110的阳极，利用40℃的的氢气对燃料电池电堆110进行内部加热；通过空气输送主管路310将空压机311增压的小部分空气输送至燃料电池电堆110的阴极，利用燃料电池电堆110内部空气与氧气的化学反应生成电力，并应用于燃料电池电堆110的内部自发热。
S40：随着燃料电池电堆110温度的上升，当实时温度T≧40℃时，燃料电池系统进入正常运行状态。
与现有技术相比，本申请至少具有以下有益技术效果：
本申请中的燃料电池的快速冷启动方法缩短了燃料电池在低温下的冷启动时间，改善燃料电池电堆内外部温度分布不均的问题；同时，在整车动力电池充电能力受限时，可通过燃料电池系统的自身控制，维持燃料电池系统正常运行，避免出现频繁开关现象，提升燃料电池系统的使用寿命。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种燃料电池的快速冷启动方法，所述方法使用燃料电池的快速冷启动系统，所述燃料电池的快速冷启动系统包括燃料电池模块(100)、内加热模块(200)和外加热模块(300)，所述燃料电池模块(100)包括燃料电池电堆(110)和壳体(120)，所述壳体(120)和所述燃料电池电堆(110)之间形成气室(130)；所述内加热模块(200)与所述燃料电池电堆(110)连接，用于向所述燃料电池电堆(110)内部输送对所述燃料电池电堆(110)进行内部加热的第一加热流体；所述外加热模块(300)与所述壳体(120)连接，用于向所述气室(130)内输送对所述燃料电池电堆(110)进行外部加热的第二加热流体，
其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S10：获取所述燃料电池电堆(110)的实时温度T；
S20：判断所述实时温度T与第一温度阈值T1的大小关系；
S30：当所述实时温度T小于第一温度阈值T1时，判定所述燃料电池进入低温冷启动模式；向所述燃料电池电堆(110)内部输送第一加热流体，实现所述燃料电池电堆(110)的内部加热；向所述气室(130)内部输送第二加热流体，实现所述燃料电池电堆(110)的外部加热；
当所述实时温度T大于第一温度阈值T1时，判定所述燃料电池进入常规启动模式；
所述低温冷启动模式包括低温冷启动阶段和低拉载启动阶段；
当所述实时温度T小于第二温度阈值T2时，判定所述燃料电池进入低温冷启动阶段；
在所述低温冷启动阶段，通过所述外加热模块(300)的空气输送支管路(320)将空压机(311)的增压空气全部输送至所述气室(130)内，实现所述燃料电池电堆(110)的外部加热；通过所述内加热模块(200)的加热管路(213)将加热后的冷却液输送至所述燃料电池电堆(110)内，实现所述燃料电池电堆(110)的内部加热；
当所述实时温度T大于第二温度阈值T2并小于第一温度阈值T1时，判定所述燃料电池进入低拉载启动阶段；
在所述低拉载启动阶段，通过所述外加热模块(300)的空气输送支管路(320)将空压机(311)的大部分增压空气输送至所述气室(130)，实现所述燃料电池电堆(110)的外部加热；通过所述外加热模块(300)的空气输送主管路(310)将空压机(311)的小部分增压空气输送至所述燃料电池电堆(110)的阴极，实现所述燃料电池电堆(110)的自发热；通过所述内加热模块(200)的加热管路(213)将加热后的冷却液输送至所述燃料电池电堆(110)内，实现所述燃料电池电堆(110)的内部加热。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的快速冷启动方法，其特征在于，在所述低温冷启动阶段，通过所述内加热模块(200)的加热管路(213)将保温罐(215)内加热后的冷却液输送至所述燃料电池电堆(110)内，实现所述燃料电池电堆(110)的内部加热；
在所述低拉载启动阶段，通过所述内加热模块(200)的加热管路(213)将保温罐(215)内加热后的冷却液输送至所述燃料电池电堆(110)内，实现所述燃料电池电堆(110)的内部加热。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池的快速冷启动方法，其特征在于，在所述低拉载启动阶段，当所述燃料电池模块(100)的运行功率大于动力电池的充电功率时，通过提高空压机(311)的功率消耗所述燃料电池模块(100)的富余功率，并将增加的空气流量通入所述气室(130)。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池的快速冷启动方法，其特征在于，所述常规启动模式包括：当所述实时温度T大于第三温度阈值T3时，关闭所述加热管路(213)上的电池阀(214)并将冷却液输送管路(210)与小循环管路(212)连通。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池的快速冷启动方法，其特征在于，所述第一温度阈值T1为5℃，所述第二温度阈值T2为-15℃，所述第三温度阈值T3为40℃。
6.一种燃料电池的快速冷启动系统，实施如权利要求1-5中任一项所述的一种燃料电池的快速冷启动方法，其特征在于，包括：
燃料电池模块(100)，所述燃料电池模块(100)包括燃料电池电堆(110)和壳体(120)，所述壳体(120)和所述燃料电池电堆(110)之间形成气室(130)；
内加热模块(200)，所述内加热模块(200)与所述燃料电池电堆(110)连接，用于向所述燃料电池电堆(110)内部输送对所述燃料电池电堆(110)进行内部加热的第一加热流体；
外加热模块(300)，所述外加热模块(300)与所述壳体(120)连接，用于向所述气室(130)内输送对所述燃料电池电堆(110)进行外部加热的第二加热流体。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池的快速冷启动系统，其特征在于，所述外加热模块(300)包括与所述燃料电池电堆(110)连接的空气输送主管路(310)和与所述壳体(120)连接的空气输送支管路(320)，所述空气输送主管路(310)上设有空压机(311)和中冷器(312)，
所述空气输送支管路(320)的进气端与所述空压机(311)和所述中冷器(312)之间的所述空气输送主管路(310)连通，且所述空气输送支管路(320)上设有比例阀(321)，所述比例阀(321)用于调节所述空气输送主管路(310)向所述燃料电池电堆(110)的阴极输送的空气流量和所述空气输送支管路(320)向所述气室(130)输送的空气流量。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池的快速冷启动系统，其特征在于，所述空压机(311)与所述燃料电池电堆(110)电连接，用于消耗所述燃料电池电堆(110)的输出电力并提高所述外加热模块(300)对所述燃料电池电堆(110)的外部加热效果。
9.根据权利要求6所述的一种燃料电池的快速冷启动系统，其特征在于，所述内加热模块(200)包括与所述燃料电池电堆(110)连接的冷却液输送管路(210)，所述冷却液输送管路(210)上设有并联的大循环管路(211)、小循环管路(212)和加热管路(213)，所述加热管路(213)用于向所述燃料电池电堆(110)输送对所述燃料电池电堆(110)进行内部加热的冷却液。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池的快速冷启动系统，其特征在于，所述加热管路(213)上设有电池阀(214)和保温罐(215)，所述保温罐(215)内设有用于对冷却液进行加热的加热器，以使所述保温罐(215)向所述燃料电池电堆(110)输送恒温冷却液。
11.根据权利要求9所述的一种燃料电池的快速冷启动系统，其特征在于，所述内加热模块(200)还包括与所述燃料电池电堆(110)连接的氢气循环管路(220)，所述氢气循环管路(220)上设有分水器(221)和循环泵(222)。
CN202210234264.8A 2022-03-10 2022-03-10 一种燃料电池的快速冷启动系统及方法 Active CN114614049B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210234264.8A CN114614049B (zh) 2022-03-10 2022-03-10 一种燃料电池的快速冷启动系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210234264.8A CN114614049B (zh) 2022-03-10 2022-03-10 一种燃料电池的快速冷启动系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114614049A CN114614049A (zh) 2022-06-10
CN114614049B true CN114614049B (zh) 2023-11-14

Family

ID=81863888

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210234264.8A Active CN114614049B (zh) 2022-03-10 2022-03-10 一种燃料电池的快速冷启动系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114614049B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116053513B (zh) * 2022-12-09 2024-09-17 潍柴动力股份有限公司 燃料电池起动装置及其控制方法、控制装置和起动系统
CN116505018B (zh) * 2023-06-14 2024-01-26 北京理工大学 一种提高电池温度均匀性的燃料电池冷却系统装置和方法
CN116558999B (zh) * 2023-07-07 2023-09-26 韵量燃料电池(广东)有限公司 一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法及系统
CN117936837A (zh) * 2024-02-19 2024-04-26 北京锦源创新科技有限公司 燃料电池及其热装置和制造方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012071942A1 (zh) * 2010-11-30 2012-06-07 新源动力股份有限公司 一种具有水热管理能力的燃料电池模块
CN103825037A (zh) * 2014-03-14 2014-05-28 江苏绿遥燃料电池系统制造有限公司 一种燃料电池冷启动快速加热系统及方法
DE102013207105A1 (de) * 2013-04-19 2014-10-23 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem zum Erwärmen einer Brennstoffzelle und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
CN111082103A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 上海神力科技有限公司 一种燃料电池系统低温自启动方法
CN111725536A (zh) * 2020-06-30 2020-09-29 上海捷氢科技有限公司 一种燃料电池快速预冷和辅助加热的系统及方法
CN111952631A (zh) * 2020-08-17 2020-11-17 河南豫氢动力有限公司 一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法
CN112687910A (zh) * 2020-12-25 2021-04-20 中国第一汽车股份有限公司 汽车燃料电池冷启动控制系统和方法
CN114023995A (zh) * 2021-10-28 2022-02-08 三一汽车制造有限公司 燃料电池系统及其控制方法和控制装置、车辆

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012071942A1 (zh) * 2010-11-30 2012-06-07 新源动力股份有限公司 一种具有水热管理能力的燃料电池模块
DE102013207105A1 (de) * 2013-04-19 2014-10-23 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem zum Erwärmen einer Brennstoffzelle und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
CN103825037A (zh) * 2014-03-14 2014-05-28 江苏绿遥燃料电池系统制造有限公司 一种燃料电池冷启动快速加热系统及方法
CN111082103A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 上海神力科技有限公司 一种燃料电池系统低温自启动方法
CN111725536A (zh) * 2020-06-30 2020-09-29 上海捷氢科技有限公司 一种燃料电池快速预冷和辅助加热的系统及方法
CN111952631A (zh) * 2020-08-17 2020-11-17 河南豫氢动力有限公司 一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法
CN112687910A (zh) * 2020-12-25 2021-04-20 中国第一汽车股份有限公司 汽车燃料电池冷启动控制系统和方法
CN114023995A (zh) * 2021-10-28 2022-02-08 三一汽车制造有限公司 燃料电池系统及其控制方法和控制装置、车辆

Also Published As

Publication number Publication date
CN114614049A (zh) 2022-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114614049B (zh) 一种燃料电池的快速冷启动系统及方法
CN110957503B (zh) 一种燃料电池低温启动的空气加热回流系统及控制方法
CN113629277B (zh) 一种燃料电池系统及其停机吹扫方法
US9893371B2 (en) Fuel cell system
US10090539B2 (en) Fuel cell system
CN111403772B (zh) 一种燃料电池冷启动装置及其控制方法
JP4575701B2 (ja) 燃料電池システム
US9034530B2 (en) Fuel cell stack used as coolant heater
US7998633B2 (en) Fuel cell system
CN113506893B (zh) 一种燃料电池系统及其低温启动方法
CN113140749A (zh) 一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统
CN86100407A (zh) 燃料电池电源系统
CN101356681B (zh) 燃料电池系统及操作方法
CN114023999B (zh) 一种具有快速冷启动功能的燃料电池系统及其启动方法
CN114284524B (zh) 一种液氢燃料电池热交换系统及控制方法
KR20180068159A (ko) 연료전지 시스템
JP2020140835A (ja) 燃料電池システム
CN213816210U (zh) 一种燃料电池系统
CN110649292B (zh) 一种冷启动辅助装置与一种燃料电池发动机
CN108808035B (zh) 能-40℃以下超低温冷启动的燃料电池汽车的动力系统
CN101399349A (zh) 具有减少的效率损耗的燃料电池系统加温策略
CN111092244A (zh) 一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统
CN106450377A (zh) 燃料电池热电联产系统、开始燃料电池热电联产系统的操作的方法以及操作燃料电池热电联产系统的方法
CN216850010U (zh) 一种液氢燃料电池热交换系统
KR101338456B1 (ko) 연료 전지 차량의 수소 공급 장치

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant