CN114792823B - 一种燃料电池系统及其启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一种燃料电池系统及其启动方法，系统设置用于空气进气与氢气循环双功能切换使用的氢空切换支路，氢空切换支路包括低压循环泵，当高压电池部由于剩余电量SOC低，无法为空压机提供起动高压电时，将低压驱动的低压循环泵切换至空气侧，利用低压循环泵将外部空气提供至系统空气侧，替代空压机作为供空装置，对燃料电池系统进行低载起动。同时，燃料电池系统发电后对高压电池部进行充电，当高压电池部剩余电量SOC正常后，切换空压机作为供空装置实施正常的燃料电池系统空气侧功能；低压循环泵切换回氢气侧，实施氢气循环功能。与现有技术相比，本发明提升了车辆和系统的自适应性和可靠性，实施方便。

Description

一种燃料电池系统及其启动方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统及其启动方法。
背景技术
燃料电池车辆在长时间放置后，内部高压电池部剩余电量SOC逐步降低，当放置时间过长，导致无法为燃料电池起动时的空压机提供驱动高压，从而无法启动车辆。
一般情况下，对于高压电池部馈电的车辆，需要通过运输车运送车辆至可充电地点，对高压电池部进行充电，需要消耗额外的人力和费用。
车载燃料电池系统空压机电压等级一般为高压(300-750V)，一般从DCDC变换器中直接取电，运行过程中DCDC变换器的电能来自燃料电池堆输出功率。但是在燃料电池系统启动前燃料电池电堆暂未发电，DCDC变换器需要由车载高压电池部为燃料电池系统启动前空压机的转动提供电能。当车辆内部高压电池部馈电后，由于无法启用空压机，燃料电池系统无法启动。因此，所以如何在车辆内部高压电池部馈电后，让燃料电池系统先行工作，并对高压电池部进行充电以满足其可工作状态，成为解决这一问题的关键。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池系统及其启动方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆、氢气入口进气支路、氢气出口分离排放支路、空压机空气进气支路、空气出口排放支路、DCDC变换器、高压电池部、低压电池部，所述的燃料电池电堆连接DCDC变换器，所述的DCDC变换器和高压电池部均连接至空压机空气进气支路中的空压机，该系统还包括用于空气进气与氢气循环双功能切换使用的氢空切换支路，所述的氢空切换支路包括沿气体流动方向依次布置的进泵氢空切换阀、低压循环泵和出泵氢空切换阀，所述的进泵氢空切换阀的空气入口连接空气，所述的进泵氢空切换阀的氢气入口连接氢气出口分离排放支路的氢气出口，所述的出泵氢空切换阀的空气出口连接燃料电池电堆的空气入口，所述的出泵氢空切换阀的氢气出口连接燃料电池电堆的氢气入口，所述的DCDC变换器和低压电池部均连接至所述的低压循环泵。
优选地，所述的进泵氢空切换阀和出泵氢空切换阀均为三通阀。
优选地，当燃料电池系统正常运行时，所述的低压循环泵通过DCDC变换器的降压部供电，当燃料电池系统启动且高压电池部SOC偏低时，所述的低压循环泵通过低压电池部供电使得氢空切换支路用于燃料电池堆空气侧的空气进气。
优选地，所述的燃料电池电堆空气入口和出口处设有共用的空气增湿器，所述的空压机空气进气支路的空气出口以及出泵氢空切换阀的空气出口均连接至空气增湿器的空气入口。
优选地，所述的空压机空气进气支路上位于空压机以及出泵氢空切换阀的空气出口接入点之间设有空气截止阀。
优选地，当料电池系统正常运行时，空压机空气进气支路用于燃料电池电堆空气侧的空气进气，所述的截止阀打开；当氢空切换支路用于燃料电池堆空气侧的空气进气时，所述的截止阀闭合。
一种所述的燃料电池系统的启动方法，该方法包括：
在高压电池部剩余电量SOC不足且低压电池部剩余电量SOC充足情况下启动燃料电池电堆时，切换进泵氢空切换阀和出泵氢空切换阀使得氢空切换支路用于空气进气，低压电池部驱动低压循环泵吸入外部空气至燃料电池电堆的空气侧，对燃料电池系统进行低载启动。
优选地，燃料电池系统启动后，燃料电池电池电堆发电并对高压电池部进行充电，当高压电池部剩余电量SOC正常后，切换空压机空气进气支路为燃料电池电堆的空气侧供气，切换进泵氢空切换阀和出泵氢空切换阀使得氢空切换支路用于氢气循环。
优选地，在高压电池部剩余电量SOC充足情况下启动燃料电池电堆时，高压电池部驱动空压机空气进气支路中的空压机运作，提供燃料电池电堆的空气侧的空气，燃料电池系统正常启动。
优选地，在高压电池部剩余电量SOC以及低压电池部剩余电量SOC均不足情况下启动燃料电池电堆时，报告电池部SOC故障，系统无法启动。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明燃料电池系统设置用于空气进气与氢气循环双功能切换使用的氢空切换支路，利用低压循环泵可通过低压电池部供电的特点，在高压电池部电压不足时，利用低压循环泵将外部空气提供至系统空气侧，替代空压机作为供空装置实现燃料电池系统的低载起动，同时对高压电池部进行充电，以解决在车载燃料电池系统中当高压电池部由于SOC低无法为空压机提供起动高压电而导致的无法启动车辆，提升车辆和系统的自适应性和可靠性。
(2)本发明只需对系统进行稍作改进，将原先用于氢气循环的循环泵兼做空气循环泵，同时设置两个氢空切换阀即可实现气路的切换，实施方便。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池系统的架构示意图；
图2为本发明实施例中低压循环泵切换至空气侧时燃料电池系统空气侧架构示意图；
图3为本发明实施例中正常工作时燃料电池系统氢气侧架构示意图；
图4为发明实施例中燃料电池系统启动方法逻辑框图。
图中，1为进氢电磁阀，2为供氢模块，3为进堆氢压传感器，4为燃料电池电堆，5为分水器，6为排氢排水阀，7为进泵氢空切换阀，8为低压循环泵，9为出泵氢空切换阀，10为空气流量计，11为空压机，12为空气截止阀，13为空气增湿器，14为进堆温压一体传感器，15为空气背压阀，16为氢空尾排混合器，17为DCDC变换器，18为低压电池部，19为负载端，20为高压电池部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆4、氢气入口进气支路、氢气出口分离排放支路、空压机空气进气支路、空气出口排放支路、DCDC变换器17、高压电池部20、低压电池部18，燃料电池电堆4连接DCDC变换器17，DCDC变换器17和高压电池部20均连接至空压机空气进气支路中的空压机11，该系统还包括用于空气进气与氢气循环双功能切换使用的氢空切换支路，氢空切换支路包括沿气体流动方向依次布置的进泵氢空切换阀7、低压循环泵8和出泵氢空切换阀9，进泵氢空切换阀7的空气入口连接空气，进泵氢空切换阀7的氢气入口连接氢气出口分离排放支路的氢气出口，出泵氢空切换阀9的空气出口连接燃料电池电堆4的空气入口，出泵氢空切换阀9的氢气出口连接燃料电池电堆4的氢气入口，DCDC变换器17和低压电池部18均连接至低压循环泵8。其中，进泵氢空切换阀7和出泵氢空切换阀9均为三通阀。当燃料电池系统正常运行时，低压循环泵8通过DCDC变换器17的降压部供电，当燃料电池系统启动且高压电池部20SOC偏低时，低压循环泵8通过低压电池部18供电使得氢空切换支路用于燃料电池堆空气侧的空气进气。空压机空气进气支路上位于空压机11以及出泵氢空切换阀9的空气出口接入点之间设有空气截止阀12，当料电池系统正常运行时，空压机空气进气支路用于燃料电池电堆4空气侧的空气进气，截止阀打开；当氢空切换支路用于燃料电池堆空气侧的空气进气时，截止阀闭合。
DCDC变换器17与燃料电池电堆4相连，正常运行时，电能来从燃料电池电堆4产生的电能，该电能电压需要DCDC变换器17进行升压和降压以满足电能输出和自身部件耗能；DCDC变换器17有升压部和降压部，将燃料电池电堆4电压升至高压平台以满足空压机11等部件工作，降至低压平台以满足低压循环泵8等部件工作。在燃料电池系统启动前，由高压电池部20提供电能，为DCDC变换器17提供高压直接驱动空压机11转动，同时，由DCDC内部降压部降至低压以驱动低压循环泵8转动。低压循环泵8为低压驱动，正常运行时，其电压取自DCDC变换器17降压部，当高压电池部20SOC偏低时，需要切换低压循环泵8为空气侧工作时，同时需要切换低压电池部18为低压循环泵8低压供电。
氢气入口进气支路包括进氢电磁阀1和供氢模块2，燃料电池电堆4的氢气入口设有进堆氢压传感器3，氢气出口分离排放支路包括分水器5，分水器5将燃料电池电堆4的氢气出口气态氢气和液态水进行分离，当氢空切换支路用于氢气循环时，气态氢气通过进泵氢空切换阀7进入低压循环泵8入口，通过低压循环泵8增压后进入出泵氢空切换阀9，再与供氢模块2提供的干氢气进行混合，再进入燃料电池电堆4。分水器5下部与排氢排水阀6相连，通过排氢排水阀6脉冲开闭可有效排出燃料电池系统氢气侧的液态水和空气侧渗透至氢气侧的氮气至氢空尾排混合器16，利用空气尾气对氢气浓度进行稀释。
燃料电池电堆4空气入口和出口处设有共用的空气增湿器13，空压机空气进气支路的空气出口以及出泵氢空切换阀9的空气出口均连接至空气增湿器13的空气入口。
空压机空气进气支路包括空气流量计10、空压机11和空气截止阀12，当正常启动时，高压电池部20驱动空压机空气进气支路中的空压机11运作，空气截止阀12打开，提供燃料电池电堆4的空气侧的空气，燃料电池系统正常启动。干空气通过空气截止阀12进入空气增湿器13进行增湿后，再进入燃料电池电堆4，进行电化学反应产生电能。空气背压阀15和空压机11进行配合，对进入的空气流量计10和进堆温压一体传感器14测量的空气流量和压力的进行调整。
参照图2，给出了本发明实施例中氢空切换支路切换至用于电堆空气侧供气时燃料电池系统空气侧架构示意图，图中进泵氢空切换阀7和出泵氢空切换阀9将低压循环泵8切换至空气侧。此时低压循环泵8工作，空气截止阀12关闭，可将空气途径空气流量计10输送至进泵氢空切换阀7，再通过低压循环泵8增压后，经过出泵氢空切换阀9，进入空气增湿器13。
进气燃料电池电堆4氢气出后的氢气经过分水器5后，暂时不再具有氢气循环功能，直接由排氢排水阀6通过脉冲排氢将液态水、氮气和少量氢气排出燃料电池阳极。
参照图3，给出了本发明实施例中正常工作时燃料电池系统氢气侧架构示意图，图中当当高压电池部20SOC满足正常工作，进泵氢空切换阀7和出泵氢空切换阀9将低压循环泵8切换至回氢气侧。此时低压循环泵8工作，可将分水器5出后的湿氢气吸至进泵氢空切换阀7，再通过低压循环泵8增压后，经过出泵氢空切换阀9，与供氢模块2提供的干氢气进行混合，进入燃料电池电堆4。
基于以上，被实施例提供一种燃料电池系统的启动方法，该方法包括：
在高压电池部20剩余电量SOC不足且低压电池部18剩余电量SOC充足情况下启动燃料电池电堆4时，切换进泵氢空切换阀7和出泵氢空切换阀9使得氢空切换支路用于空气进气，低压电池部18驱动低压循环泵8吸入外部空气至燃料电池电堆4的空气侧，对燃料电池系统进行低载启动；燃料电池系统启动后，燃料电池电池电堆发电并对高压电池部20进行充电，当高压电池部20剩余电量SOC正常后，切换空压机空气进气支路为燃料电池电堆4的空气侧供气，切换进泵氢空切换阀7和出泵氢空切换阀9使得氢空切换支路用于氢气循环。
在高压电池部20剩余电量SOC充足情况下启动燃料电池电堆4时，高压电池部20驱动空压机空气进气支路中的空压机11运作，提供燃料电池电堆4的空气侧的空气，燃料电池系统正常启动。
在高压电池部20剩余电量SOC以及低压电池部18剩余电量SOC均不足情况下启动燃料电池电堆4时，报告电池部SOC故障，系统无法启动。
燃料电池系统启动时会对车载高压电池部20和低压电池部18进行检测，以确认电池SOC是否满足启动要求。由于高压电池部20和低压电池部18通过DCDC变换器17相连，所以存在三种情况，高压电池部20SOC正常，同时高压电池部20可以对低压电池部18进行充电，低压电池部18SOC也正常；高压电池部20SOC低，低压电池部18正常，可进行本发明所述的启动方法；高压电池部20SOC低，低压电池部18SOC低，需要连接外部补充电能的措施。
参照图4，给出了本发明实施例中燃料电池系统启动方法逻辑图，具体实施步骤如下：
S1、燃料电池系统在接收正常启动命令。
S2、燃料电池系统对高压电池部20和低压电池部18的SOC进行检测。
S3、判断高压电池部20的SOC是否正常。
S4、如果高压电池部20的SOC正常，高压电池部20继电器闭合，为DCDC变换器17提供启动高压。
S5、燃料电池系统正常启动，供氢模块2在进氢电磁阀1打开后工作，将氢气供至燃料电池氢气侧。空气截止阀12打开，空压机11通过DCDC变换器17高压驱动工作。
S6、氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆4内进行电化学反应，产生电能，判断电堆电压是否满足可工作状态。
S7、如果电堆电压满足可工作状态，DCDC变换器17和负载端19进行拉电操作。
S8、如果电堆电压不满足可工作状态，进入系统故障反馈。
S9、如果高压电池部20的SOC偏低，进行低压电池部18的SOC判断。
S10、如果低压电池部18的SOC判断偏低，进入电池部SOC故障，系统无法启动的故障反馈。
S11、如果低压电池部18的SOC判断正常，进采用如下启动方法：
进泵氢空切换阀7和出泵氢空切换阀9将低压循环泵8切换至空气侧，空气截止阀12关闭，低压循环泵8由低压电池部18供电，进氢电磁阀1开启。
S12、低压循环泵8工作，将外部空气，通过空气流量计10进入低压循环泵8，然后进入增湿器和燃料电池电堆4，为燃料电池系统提供空气。供氢模块2工作，将氢气输送至燃料电池氢气侧，燃料电池电堆4开始产生电能.
S13、判断电堆电压是否满足可工作状态。
S14、如果电堆电压满足可工作状态，DCDC变换器17和负载端19进行低载拉电，同时对高压电池部2020进行充电；如果电堆电压不满足可工作状态，进入S8系统故障反馈。
S15、判断高压电池部20的SOC是否正常。
S16、如果高压电池部20的SOC正常，进泵氢空切换阀7和出泵氢空切换阀9将低压循环泵8切换至氢气侧。空气截止阀12打开，DCDC变换器17升压部电力输出驱动空压机11，DCDC变换器17降压部驱动低压循环泵8。
S17、系统正常运行。
本发明针对的燃料电池系统、起动方法，通过对低压驱动的低压循环泵8切换至空气侧，利用低压循环泵8将外部空气提供至系统空气侧，替代空压机11作为供空装置。燃料电池系统可进行低载起动，同时对高压电池部20进行充电，以满足在车载燃料电池系统中，当高压电池部20由于SOC低，无法为空压机11提供起动高压电时的情况，可满足馈电车辆启动燃料电池系统的功能，提升车辆和系统的自适应性和可靠性。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆(4)、氢气入口进气支路、氢气出口分离排放支路、空压机空气进气支路、空气出口排放支路、DCDC变换器(17)、高压电池部(20)、低压电池部(18)，所述的燃料电池电堆(4)连接DCDC变换器(17)，所述的DCDC变换器(17)和高压电池部(20)均连接至空压机空气进气支路中的空压机(11)，其特征在于，该系统还包括用于空气进气与氢气循环双功能切换使用的氢空切换支路，所述的氢空切换支路包括沿气体流动方向依次布置的进泵氢空切换阀(7)、低压循环泵(8)和出泵氢空切换阀(9)，所述的进泵氢空切换阀(7)的空气入口连接空气，所述的进泵氢空切换阀(7)的氢气入口连接氢气出口分离排放支路的氢气出口，所述的出泵氢空切换阀(9)的空气出口连接燃料电池电堆(4)的空气入口，所述的出泵氢空切换阀(9)的氢气出口连接燃料电池电堆(4)的氢气入口，所述的DCDC变换器(17)和低压电池部(18)均连接至所述的低压循环泵(8)；
当燃料电池系统正常运行时，所述的低压循环泵(8)通过DCDC变换器(17)的降压部供电，当燃料电池系统启动且高压电池部(20)SOC偏低时，所述的低压循环泵(8)通过低压电池部(18)供电使得氢空切换支路用于燃料电池堆空气侧的空气进气；
所述的空压机空气进气支路上位于空压机(11)以及出泵氢空切换阀(9)的空气出口接入点之间设有空气截止阀(12)；
当燃料电池系统正常运行时，空压机空气进气支路用于燃料电池电堆(4)空气侧的空气进气，所述的截止阀打开；当氢空切换支路用于燃料电池堆空气侧的空气进气时，所述的截止阀闭合。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述的进泵氢空切换阀(7)和出泵氢空切换阀(9)均为三通阀。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述的燃料电池电堆(4)空气入口和出口处设有共用的空气增湿器(13)，所述的空压机空气进气支路的空气出口以及出泵氢空切换阀(9)的空气出口均连接至空气增湿器(13)的空气入口。
4.一种如权利要求1～3任意一项所述的燃料电池系统的启动方法，其特征在于，该方法包括：
在高压电池部(20)剩余电量SOC不足且低压电池部(18)剩余电量SOC充足情况下启动燃料电池电堆(4)时，切换进泵氢空切换阀(7)和出泵氢空切换阀(9)使得氢空切换支路用于空气进气，低压电池部(18)驱动低压循环泵(8)吸入外部空气至燃料电池电堆(4)的空气侧，对燃料电池系统进行低载启动。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统的启动方法，其特征在于，燃料电池系统启动后，燃料电池电池电堆发电并对高压电池部(20)进行充电，当高压电池部(20)剩余电量SOC正常后，切换空压机空气进气支路为燃料电池电堆(4)的空气侧供气，切换进泵氢空切换阀(7)和出泵氢空切换阀(9)使得氢空切换支路用于氢气循环。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统的启动方法，其特征在于，在高压电池部(20)剩余电量SOC充足情况下启动燃料电池电堆(4)时，高压电池部(20)驱动空压机空气进气支路中的空压机(11)运作，提供燃料电池电堆(4)的空气侧的空气，燃料电池系统正常启动。
7.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统的启动方法，其特征在于，在高压电池部(20)剩余电量SOC以及低压电池部(18)剩余电量SOC均不足情况下启动燃料电池电堆(4)时，报告电池部SOC故障，系统无法启动。
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