CN114976110B - 燃料电池及低温环境运行控制方法 - Google Patents

燃料电池及低温环境运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池及低温环境运行控制方法，燃料电池包括外壳体，设有第一开口；内壳体，设置在外壳体中，内壳体设有朝向第一开口的第二开口，内壳体与外壳体之间形成夹层通道；盖体，同时密封连接在第一开口和第二开口，盖体内部设有盖体通道，盖体通道和夹层通道连通形成外腔室，盖体和内壳体之间形成内腔室，内腔室和外腔室之间互不连通并分别保持真空。盖体通道和夹层通道连通形成外腔室，盖体和内壳体之间形成内腔室，内腔室和外腔室之间互不连通并分别保持真空，形成内外两层真空空间，在低温环境下，燃料电池的热量损失将极其缓慢，有利于热量聚集、快速升温。

Description

燃料电池及低温环境运行控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池及低温环境运行控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池车，具有高效率，零排放，燃料加注速率快等优点，是新能源车辆发展的主要方向之一，但其发电核心电堆，在发电的同时将会反应生成水，而水在零下的低温环境下将会结冰，阻碍电化学反应发生，导致启动失败。如何提高车辆在低温环境下冷启动成功率，一直是相关研究的重点。
现有技术中的电池保温壳的保温效果较差，导致在低温下，加热电堆的热量易被电池保温壳散出，影响低温环境下的电池加热效率，影响车辆在低温环境下冷启动成功率。
通常燃料电池需要在正常的工作温度区间(如70℃至80℃)进行工作，较低的工作温度将减慢燃料电池内部的电化学反应速率，降低发电效率，产生额外的热功率。但在低温环境下，燃料电池自身所产生的热功率，不足以抵消较大温差对流所带来的热功率耗散，通过外部PTC加热以维持燃料电池正常工作温度的传统方法，会带来额外的寄生功率消耗，影响燃料电池系统经济性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池，以解决电池加热低温环境下的电池加热效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，一种电池保温壳，包括：
外壳体，设有第一开口；
内壳体，设置在所述外壳体中，所述内壳体设有朝向所述第一开口的第二开口，所述内壳体与所述外壳体之间形成夹层通道；
盖体，同时密封连接所述第一开口和所述第二开口，所述盖体内部设有盖体通道，所述盖体通道和所述夹层通道连通形成外腔室，所述盖体和所述内壳体之间形成内腔室，所述内腔室和所述外腔室之间互不连通并分别保持真空；
电堆，设置在所述内腔室，所述电堆设有散热管；以及
第一三通阀、第二三通阀、循环泵和PTC加热器，均设置所述内腔室中，所述第一三通阀的第一端连接进液管，所述第一三通阀的第二端连通至所述电堆的散热管入口，所述第一三通阀的第三端依次连通所述循环泵、所述PTC加热器和所述第二三通阀的第一端，所述第二三通阀的第二端连通至所述电堆的散热管出口，所述第二三通阀的第三端连通至出液管。
作为优选，所述外壳体设有第一通孔和第二通孔，所述内壳体设有第三通孔，所述第三通孔和所述第二通孔之间设有连接管；
燃料电池还包括第一真空泵和第二真空泵，所述第一真空泵与所述第一通孔连通，所述第二真空泵与所述第二通孔连通。
作为优选，所述盖体包括：
外盖板，与所述外壳体的边缘密封卡接；以及
内盖板，与所述内壳体的边缘密封卡接，所述内盖板和所述外盖板之间间隔布置并形成所述盖体通道。
作为优选，所述外盖板设有用于卡接所述外壳体的第一卡槽，所述内盖板设有用于卡接内壳体的第二卡槽，所述第一卡槽和所述第二卡槽的表面均设有密封垫。
作为优选，所述外壳体的内表面设有支撑部，所述支撑部抵接所述内壳体的外表面；和/或
所述内壳体的外表面设有所述支撑部，所述支撑部抵接所述外壳体的内表面。
第二方面，一种燃料电池低温环境运行控制方法，包括以下步骤：
获取环境温度；
若所述环境温度低于预设低温，且燃料电池温度大于第三预设电池温度，则打开第一三通阀和第二三通阀，调整空气计量比为第三计量比，其中，第三预设电池温度为所述燃料电池正常工作模式下的基准温度，所述第三计量比为燃料电池额定电压对应的基准计量比。
作为优选，若所述环境温度低于所述预设低温，且所述燃料电池温度等于或小于所述第三预设电池温度，之后还包括以下步骤：
调整空气计量比为第二计量比，关闭所述第一三通阀和所述第二三通阀，开启循环泵，其中，所述第二计量比为燃料电池的额定电压下降第一幅度后对应的计量比；
若所述燃料电池温度等于或小于第二预设电池温度，且燃料电池不为经济模式，则保持空气计量比为所述第二计量比，开启PTC加热器。
作为优选，所述第一幅度为10％。
作为优选，若所述燃料电池温度等于或小于第二预设电池温度，且燃料电池为经济模式，则调整空气计量比为第一计量比，电流加载至目标电流，且不超过当前上限电流，其中，所述第一计量比小于所述第二计量比；
开启PTC加热器，直到退出低温启动后结束。
作为优选，所述第一计量比为燃料电池正常运行时的下限计量比。
本发明的有益效果：
对于燃料电池，盖体通道和夹层通道连通形成外腔室，盖体和内壳体之间形成内腔室，内腔室和外腔室之间互不连通并分别保持真空，形成内外两层真空空间，在低温环境下，电池保温壳的热量损失将极其缓慢，有利于热量聚集、快速升温，提高冷启动成功率。
对于燃料电池低温环境运行控制方法，结合动力系统工作模式，综合考虑燃料电池工作温度与电、热功率分配，提升系统经济性与动力性。
附图说明
图1是本申请实施例一提供的燃料电池的第一视角的结构示意图；
图2是图1所示的燃料电池中的第二视角的结构示意图；
图3是图1所示的燃料电池的第三视角的结构示意图；
图4是图2中A-A的剖视图；
图5是图4中C圈的放大图；
图6是图5中D圈的放大图；
图7是图5中E圈的放大图；
图8是图3中B-B的剖视图；
图9是图1所示的燃料电池的第四视角的结构示意图；
图10是本申请实施例二提供的燃料电池低温环境运行控制方法的流程示意图；
图11为本申请实施例二中燃料电池的额定电压与运行温度关系的示意图；
图12为本申请实施例二中燃料电池V-I特性曲线；
图13为本申请实施例二中燃料电池额定电压与空气计量比关系示意图。
图中：
1-外壳体；11-第一通孔；12-第二通孔；14-连接管；
2-内壳体；21-第三通孔；
3-盖体；31-外盖板；32-内盖板；300-密封垫；330-连通孔；34-线束孔；
41-第一真空泵；42-第二真空泵；
5-支撑部；
6-电堆；
7-第一三通阀；
8-第二三通阀；
9-循环泵；
10-PTC加热器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
实施例一：
本实施例提供一种燃料电池，如图1-图9所示，该燃料电池包括外壳体1、内壳体2和盖体3。
外壳体1和内壳体2均为敞开结构，外壳体1具有第一开口，内壳体2设置在外壳体1的内部，内壳体2具有第二开口，第二开口朝向第一开口，内壳体2与外壳体1之间形成夹层通道。
盖体3同时密封连接在第一开口和第二开口，即外壳体1和内壳体2通过盖体3实现封闭，盖体3内部设有盖体通道，盖体通道和夹层通道连通形成外腔室，盖体3和内壳体2之间形成内腔室，内腔室用于放置电堆6，可以理解的是，外腔室位于内腔室的外侧，内腔室和外腔室之间互不连通并分别保持真空。
内腔室和外腔室之间互不连通并分别保持真空，形成内外两层真空空间，在低温环境下，燃料电池的热量损失将极其缓慢，有利于热量聚集、快速升温。
本实施例的优选方案中，外壳体1设有第一通孔11和第二通孔12，内壳体2设有第三通孔21，第三通孔21和第二通孔12之间设有连接管14。
燃料电池还包括第一真空泵41和第二真空泵42，第一真空泵41与第一通孔11连通，第二真空泵42与第二通孔12连通。
需要说明的是，第一真空泵41和第二真空泵42均自带有中空度传感器，能够分别检测外腔室和内腔室的真空度，当真空度超过预设值时，第一真空泵41和第二真空泵42能够单独开启，对其连通的内腔室和外腔室分别进行抽真空。
进一步，盖体3包括外盖板31和内盖板32，外盖板31与外壳体1的边缘密封卡接；内盖板32与内壳体2的边缘密封卡接，内盖板32和外盖板31之间间隔布置并形成上述盖体通道。
外盖板31设有用于卡接外壳体1的第一卡槽，内盖板32设有用于卡接内壳体2的第二卡槽，第一卡槽和第二卡槽的表面均设有密封垫300。
需要说明的是，第一卡槽的形状和外壳体1的第一开口的形状相同，外壳体1能够密封插接在第一卡槽中。
同理，第二卡槽的形状和内壳体2的第二开口的形状相同，内壳体2能够密封卡接在第二卡槽中。
外壳体1的内表面设有支撑部5，支撑部5抵接内壳体2的外表面。可选地，内壳体2的外表面设有支撑部5，支撑部5抵接外壳体1的内表面。
支撑部5实现外壳体1和内壳体2相对位置固定，并避免因外界大气压导致的变形。
本实施例中，支撑部5的导热系数的范围设置在0.001W/mK-0.01W/mK之间。
外壳体1设有四个第一侧板，内壳体2设有四个第二侧板，第一真空泵41和第二真空泵42设置在外壳体1的同一第一侧板上。
进一步，每个第一侧板均设有支撑部5。
本实施例中，外壳体1的相邻两个第一侧板相互垂直，内壳体2的相邻两个第二侧板相互垂直。第一真空泵41和第二真空泵42均设置在外壳体1的同一侧板上。
优选地，第一真空泵41和第二真空泵42均设置为外壳体1的上表面。
进一步，外盖板31和内盖板32之间设有连接部，连接部上的两条边缘设有连通孔330，连通孔330的两端分别连接至夹层通道和盖体通道。
盖体3还包括线束孔34，从外盖板31从外向内贯穿延伸至内盖板32的内侧。线束能够密封穿设线束孔34，从而保证不会影响电池保温壳的真空效果。
燃料电池还包括电堆6、第一三通阀7、第二三通阀8、循环泵9、PTC加热器10。
第一三通阀7、第二三通阀8、循环泵9和PTC加热器10均设置内腔室中，第一三通阀7的第一端连接进液管，进液管通冷却液，第一三通阀7的第二端连通至电堆6的散热管入口，第一三通阀7的第三端依次连通循环泵9、PTC加热器10和第二三通阀8的第一端，第二三通阀8的第二端连通至电堆6的散热管出口，第二三通阀8的第三端连通至出液管。
通过第一三通阀7和第二三通阀8的开闭控制，实现冷却液进出口与循环泵9连通，进行电堆续存冷却液循环，或与外部管路联通进行冷却液大循环。
实施例二：
本实施例提供一种燃料电池低温环境运行控制方法，燃料电池为实施例一提供的燃料电池。
如图10所示，该方法包括：S100、获取环境温度，及之后S200、判断环境温度是否低于预设低温。本实施例中，预设低温为0℃。需要说明的是，环境温度可通过设置在车尾的温度传感器进行获取。
若环境温度低于0℃，则进行步骤S300、判断燃料电池温度是否大于第三预设电池温度T3。
需要说明的是，第三预设电池温度T3为燃料电池正常工作模式下的基准温度，第三预设电池温度T3为70℃。
燃料电池的额定电压与运行温度关系如图11所示，T3为燃料电池正常工作模式下的基准温度，第二预设电池温度T2为其他正常工作条件不变，额定电压下降a(如5％)的温度，可选地，T2为40℃，第一预设电池温度T1为燃料电池允许正常运行的下限温度。随着温度减小，输出电压下降，可选地，T1为5℃。
燃料电池V-I特性曲线如图12所示，上方虚线至V-I曲线的部分V1，为燃料电池输出热功率的电压，V-I曲线至X轴的部分V2,为燃料电池输出电功率的电压。相比较基准温度T3，在下限温度T1的燃料电池V-I特性曲线明显下移，电功率效率下降，热功率产生增加。
若燃料电池温度大于第三预设电池温度。继续进行步骤S400、调整空气计量比为第三计量比S3。之后回到步骤S100，可以理解的是，系统运行过程中，随工况变化电堆温度也是变化的，一旦改变，需要重新判定修改操作条件。
需要说明的是，第三计量比S3为燃料电池额定电压对应的基准计量比。
燃料电池额定电压与空气计量比关系如图13所示，第三计量比S3(如2.0)为燃料电池正常工作条件下的基准计量比；第二计量比S2(1.6)为其他正常工作条件不变，额定电压下降b(本实施例中设为10％)的计量比；第一计量比S1(如1.2)为燃料电池允许正常运行的下限计量比。随着计量比降低，输出电压下降。当燃料电池工作温度变化，由于其内部的水热平衡发生变化，空气计量比应随之调整。其他工作点的Sx值，参照额定电压条件进行调整。
若燃料电池温度等于或小于第三预设电池温度，继续进行步骤400、调整空气计量比为第二计量比，关闭第一三通阀7和第二三通阀8，开启循环泵9。
步骤S500后进行步骤S600、判断燃料电池温度是否等于或小于第二预设电池温度T2。
若燃料电池温度等于或小于第二预设电池温度T2，进行步骤S700、判断燃料电池是否为经济模式。
需要说明的是，经济模式主要凸显经济性，提高整车能量利用率，需要尽可能多回收制动能量，此时，电池SOC应该需要控制的相对较低。
若燃料电池不为经济模式，进行步骤S800、保持空气计量比为第二计量比，开启PTC加热器10。之后回到步骤S100。之后回到步骤S100，可以理解的是，系统运行过程中，随工况变化电堆温度也是变化的，一旦改变，需要重新判定修改操作条件。
若燃料电池为经济模式，进行步骤S900、调整空气计量比为第一计量比，电流加载至目标电流，且不超过当前上限电流。以及步骤S1000、开启PTC加热器10。之后返回至步骤S100、获取环境温度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池低温环境运行控制方法，其特征在于，
所述燃料电池包括：
外壳体（1），设有第一开口；
内壳体（2），设置在所述外壳体（1）中，所述内壳体（2）设有朝向所述第一开口的第二开口，所述内壳体（2）与所述外壳体（1）之间形成夹层通道；
盖体（3），同时密封连接所述第一开口和所述第二开口，所述盖体（3）内部设有盖体通道，所述盖体通道和所述夹层通道连通形成外腔室，所述盖体（3）和所述内壳体（2）之间形成内腔室，所述内腔室和所述外腔室之间互不连通并分别保持真空；
电堆（6），设置在所述内腔室，所述电堆（6）设有散热管；以及
第一三通阀（7）、第二三通阀（8）、循环泵（9）和PTC加热器（10），均设置所述内腔室中，所述第一三通阀（7）的第一端连接进液管，所述第一三通阀（7）的第二端连通至所述电堆（6）的散热管入口，所述第一三通阀（7）的第三端依次连通所述循环泵（9）、所述PTC加热器（10）和所述第二三通阀（8）的第一端，所述第二三通阀（8）的第二端连通至所述电堆（6）的散热管出口，所述第二三通阀（8）的第三端连通至出液管；
燃料电池低温环境运行控制方法，包括以下步骤：
获取环境温度；
若所述环境温度低于预设低温，且燃料电池温度大于第三预设电池温度，则打开所述第一三通阀（7）和所述第二三通阀（8），调整空气计量比为第三计量比，其中，所述第三预设电池温度为所述燃料电池正常工作模式下的基准温度，所述第三计量比为燃料电池额定电压对应的基准计量比；
若所述环境温度低于所述预设低温，且所述燃料电池温度等于或小于所述第三预设电池温度，之后还包括以下步骤：
调整空气计量比为第二计量比，关闭所述第一三通阀（7）和所述第二三通阀（8），开启所述循环泵（9），其中，所述第二计量比为燃料电池的额定电压下降第一幅度后对应的计量比；
若所述燃料电池温度等于或小于第二预设电池温度，且燃料电池不为经济模式，则保持空气计量比为所述第二计量比，开启所述PTC加热器（10）；
若所述燃料电池温度等于或小于第二预设电池温度，且燃料电池为经济模式，则调整空气计量比为第一计量比，电流加载至目标电流，且不超过当前上限电流，其中，所述第一计量比小于所述第二计量比；
开启所述PTC加热器（10），直到退出低温启动后结束；
所述第一计量比为燃料电池正常运行时的下限计量比。
2.根据权利要求1所述的燃料电池低温环境运行控制方法，其特征在于，所述外壳体（1）设有第一通孔（11）和第二通孔（12），所述内壳体（2）设有第三通孔（21），所述第三通孔（21）和所述第二通孔（12）之间设有连接管（14）；
所述燃料电池还包括第一真空泵（41）和第二真空泵（42），所述第一真空泵（41）与所述第一通孔（11）连通，所述第二真空泵（42）与所述第二通孔（12）连通。
3.根据权利要求2所述的燃料电池低温环境运行控制方法，其特征在于，所述盖体（3）包括：
外盖板（31），与所述外壳体（1）的边缘密封卡接；以及
内盖板（32），与所述内壳体（2）的边缘密封卡接，所述内盖板（32）和所述外盖板（31）之间间隔布置并形成所述盖体通道。
4.根据权利要求3所述的燃料电池低温环境运行控制方法，其特征在于，所述外盖板（31）设有用于卡接所述外壳体（1）的第一卡槽，所述内盖板（32）设有用于卡接所述内壳体（2）的第二卡槽，所述第一卡槽和所述第二卡槽的表面均设有密封垫（300）。
5.根据权利要求3所述的燃料电池低温环境运行控制方法，其特征在于，所述外壳体（1）的内表面设有支撑部（5），所述支撑部（5）抵接所述内壳体（2）的外表面；和/或
所述内壳体（2）的外表面设有所述支撑部（5），所述支撑部（5）抵接所述外壳体（1）的内表面。
6.根据权利要求1所述的燃料电池低温环境运行控制方法，其特征在于，所述第一幅度为10%。
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