CN115000461A - 一种氢燃料电池电堆冷启动系统及低温冷启动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池电堆冷启动系统及低温冷启动控制方法，所述氢燃料电池电堆冷启动系统的核心部件包括电堆、双极板加热器、废气涡轮和水暖PTC；其中，所述电堆分别与双极板加热器和废气涡轮连接，所述水暖PTC与所述电堆串联，本发明通过双极板加热器和水暖PTC的配合使用，能够以较低的能耗实现电堆的低温冷启动。

Description

一种氢燃料电池电堆冷启动系统及低温冷启动控制方法
技术领域
本发明属于电池管理技术领域，涉及一种氢燃料电池电堆冷启动系统及低温冷启动控制方法。
背景技术
氢燃料电池系统是通过阴极的空气和阳极的氢气在质子交换膜上发生电化学反应而产生电能，反应过程中仅生成水而没有碳氧化合物、氮氧化物和硫化物等温室效应气体和污染物产生，因此氢燃料电池系统是一种十分清洁的能源方案；同时，氢燃料电池系统与热机相比，其不受限于卡诺循环，因此其效率可以达到50％以上，是一种非常高效的能源方案；最后，由于氢燃料电池系统与锂电池相比，其体积能量密度和质量能量密度均远高于锂电池，故氢燃料电池汽车续航里程更长，不会存在里程焦虑。
但氢燃料电池系统的缺点同样明显，首先发生电化学反应的氢气是二次能源，需要通过其他手段制备，因此当前氢气的成本昂贵，使用成本较高；其次，氢燃料电池所使用的铂催化剂成本昂贵，造成了氢燃料电池电堆的材料成本居高不下；再次，氢燃料电池受限于铂催化剂以及金属双极板涂层的老化，导致其整体寿命可以达到8000h，与热机相比还有一定的差距；最后，氢气是一种易燃易爆的气体，其爆炸极限为4％-75.6％，如果储存不当，将会带来非常危险的后果。
电堆冷启动问题是氢燃料电池在实际使用过程中急需解决的重要问题，当前氢燃料电池系统一般利用水暖PTC、热泵空调、电堆电加热器等技术方案实现电堆低温冷启动需求。
当氢燃料电池电堆在无任何加热措施的0℃以下环境中启动时，氢气和氧气反应生成的水以及加湿器提供的水会在启动过程中结冰，会导致催化剂活性面积降低，以及空气传输路径受阻，导致电堆电压骤降，从而导致电堆启动失败；同时，水从液态变成固态，体积增大，会导致质子交换膜发生不可逆的结构损伤。
CN113785423A公开了一种燃料电池系统和使用方法，提供了从蒸发冷却的燃料电池系统的阴极废气中回收电能的方法，其提供了使用专用发电机来回收多余电能的方法以及将涡轮连接到空气压缩机的公用电机来减少电动机的净输入功率。
CN102610838A公开了一种燃料电池热管理系统、燃料电池系统及具有该系统的车辆，该发明中的供暖系统包括冷却液供暖系统、尾气供暖系统、和电加热供暖系统，其中尾气供暖系统用于冷却液供暖系统最大供暖温度低于预设供暖温度时，控制尾气供暖系统启动并与冷却液供暖系统共同供暖。
针对氢燃料电池系统电堆冷启动问题，现有的冷启动方法还存在一些能量利用不充分或不合理的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢燃料电池电堆冷启动系统及低温冷启动控制方法，本发明通过双极板加热器和水暖PTC的配合使用，能够以较低的能耗实现电堆的低温冷启动。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种氢燃料电池电堆冷启动系统，所述氢燃料电池电堆冷启动系统的核心部件包括电堆、双极板加热器、废气涡轮和水暖PTC；
其中，所述电堆分别与双极板加热器和废气涡轮连接，所述水暖PTC与所述电堆串联。
本发明所述氢燃料电池电堆冷启动系统分为两种工作模式：双极板加热器工作模式和水暖PTC加热模式。当氢燃料电池电堆无低温冷启动能力时(即电堆在0℃或-10℃以下时，在无辅助加热的情况下，无法冷启动)，氢燃料电池系统采用蓄电池为电堆的双极板加热器供电，通过双极板传热，保证质子交换膜的温度高于0℃，防止结冰现象发生；若蓄电池处于亏电状态，则立刻切换至水暖PTC加热模式，同时通过阴极废气通过废气涡轮带动发电机发电，为蓄电池充电，以达到可工作电压；当蓄电池达到正常工作电压后，系统自动切换至双极板加热器工作模式。当双极板加热器出现故障或蓄电池出现故障无法供电时，则采用水暖PTC加热冷却液为电堆加热，防止结冰现象出现。通过本方法可以利用较低的能耗实现电堆的低温冷启动。
所述电堆、废气涡轮、发电机、蓄电池和双极板加热器依次串联形成控制回路，组成双极板传热冷启动系统；
所述蓄电池为双极板加热器供电，用于加热电堆，防止结冰；
所述电堆产生的废气通过废气涡轮带动发电机为蓄电池充电。
优选地，所述水暖PTC、高压水泵和电堆依次串联形成控制回路，组成辅助电堆冷启动系统。
所述水暖PTC加热冷却液为电堆加热，防止结冰现象出现。
优选地，双极板传热冷启动系统采用蓄电池为电堆的双极板加热器供电，通过双极板传热，保证质子交换膜的温度高于0℃。
优选地，若蓄电池处于亏电状态，则立刻切换至水暖PTC加热模式，同时通过阴极废气通过废气涡轮带动发电机发电，为蓄电池充电，以达到可工作电压，当蓄电池达到正常工作电压后，系统自动切换至双极板加热器工作模式。
优选地，当双极板加热器出现故障或蓄电池出现故障无法供电时，则采用水暖PTC加热冷却液为电堆加热。
本发明通过对电堆阴极废气的再利用解决氢燃料电池系统电堆的冷启动问题，与现有发明相比，本发明在实现了尾气动能的回收利用，电堆的快速低温冷启动以及氢燃料电池系统能耗的降低，从而提高整车的低温冷启动性能以及整车的续航里程。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述氢燃料电池电堆冷启动系统的低温冷启动控制方法，所述低温冷启动控制方法包括：
通过双极板加热器和水暖PTC的配合使用，以较低的能耗实现电堆的低温冷启动。
优选地，电堆以i1电流密度工作，蓄电池电压为U，若蓄电池电压U＞电压要求值X进行双极板加热器启动自检，若双极板加热器无故障，双极板加热器按照标定时间工作Y，双极板加热器停止工作后进行电堆电密拉伸，若可在目标时间内拉伸至i2电流密度则系统启动成功；
其中，i1为氢燃料电池电堆在低温工况时可持续工作的最小电流密度，i2为氢燃料电池电堆50％额定功率所对应的电流密度，X为蓄电池正常工作的最低电压值，Y为电堆质子交换膜达到0℃所对应的加热时间。
优选地，电堆以i1电流密度工作，蓄电池电压为U，若蓄电池电压U＜电压要求值X上报电池低电量故障，废气涡轮带动发电机给蓄电池充电，水暖PTC和电动水泵启动自检，若水暖PTC或高压水泵无故障，水暖PTC和高压水泵工作，若冷却液温度达到Z，进行电堆电密拉伸，若可在目标时间内拉伸至i2电流密度则系统启动成功；
其中，Z为质子交换膜温度达到0℃以上时所对应的冷却液温度。
优选地，电堆以i1电流密度工作，蓄电池电压为U，若蓄电池电压U＞电压要求值X进行双极板加热器启动自检，若双极板加热器故障，上报双极板加热器故障水暖PTC和电动水泵启动自检，若水暖PTC或高压水泵无故障，水暖PTC和高压水泵工作，若冷却液温度达到Z，进行电堆电密拉伸，若可在目标时间内拉伸至i2电流密度则系统启动成功；
其中，Z为质子交换膜温度达到0℃以上时所对应的冷却液温度。
优选地，若水暖PTC或高压水泵故障，系统启动失败，并报上报水暖PTC或高压水泵故障。
优选地，若不能在目标时间内拉伸至i2电流密度，系统启动失败，并报上报水暖PTC或高压水泵故障。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过双极板加热器和水暖PTC的配合使用，能够以较低的能耗实现电堆的低温冷启动。
(2)本发明通过对电堆阴极废气的再利用解决氢燃料电池系统电堆的冷启动问题，与现有发明相比，本发明在实现了尾气动能的回收利用，电堆的快速低温冷启动以及氢燃料电池系统能耗的降低，从而提高整车的低温冷启动性能以及整车的续航里程。
附图说明
图1是本发明实施例1所述氢燃料电池电堆冷启动系统原理图，1为空压机，2为水空中冷器，3为加湿器，4、12和15为比例阀，5为电堆，6为双极板加热器，7为蓄电池，8为发电机，9为废气涡轮，10为尾排，11为高压水泵，13为汽水分离器，14为三通阀，16为水暖PTC，17为冷却模块。
图2是本发明实施例1所述双极板传热冷启动系统原理图，1为空压机，2为水空中冷器，3为加湿器，5为电堆，6为双极板加热器，7为蓄电池，8为发电机，9为废气涡轮，10为尾排。
图3是本发明实施例1所述辅助电堆冷启动系统原理图，1为空压机，2为水空中冷器，3为加湿器，5为电堆，7为蓄电池，8为发电机，9为废气涡轮，10为尾排，11为高压水泵，12和15为比例阀，13为汽水分离器，14为三通阀，16为水暖PTC。
图4是本发明实施例1所述低温冷启动控制方法的控制流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明实施例中使用的氢燃料电池电堆冷启动系统原理图如图1所示。
实施例1
本实施例提供了一种低温冷启动控制方法，所述低温冷启动控制方法如下：
(1)电堆以i1电流密度工作，蓄电池电压为U，若蓄电池电压U＞电压要求值X进行双极板加热器启动自检，若双极板加热器无故障，双极板加热器按照标定时间工作Y，双极板加热器停止工作后进行电堆电密拉伸，若可在目标时间内拉伸至i2电流密度则系统启动成功；
其中，i1为氢燃料电池电堆在低温工况时可持续工作的最小电流密度，i2为氢燃料电池电堆50％额定功率所对应的电流密度，X为蓄电池正常工作的最低电压值，Y为电堆质子交换膜达到0℃所对应的加热时间；
氢燃料电池电堆冷启动系统中的双极板传热冷启动系统部分的原理图如图2所示；
(2)电堆以i1电流密度工作，蓄电池电压为U，若蓄电池电压U＜电压要求值X上报电池低电量故障，废气涡轮带动发电机给蓄电池充电，水暖PTC和电动水泵启动自检，若水暖PTC或高压水泵无故障，水暖PTC和高压水泵工作，若冷却液温度达到Z，进行电堆电密拉伸，若可在目标时间内拉伸至i2电流密度则系统启动成功；
其中，Z为质子交换膜温度达到0℃以上时所对应的冷却液温度；
氢燃料电池电堆冷启动系统中的辅助电堆冷启动系统部分的原理图如图2所示；
(3)，电堆以i1电流密度工作，蓄电池电压为U，若蓄电池电压U＞电压要求值X进行双极板加热器启动自检，若双极板加热器故障，上报双极板加热器故障水暖PTC和电动水泵启动自检，若水暖PTC或高压水泵无故障，水暖PTC和高压水泵工作，若冷却液温度达到Z，进行电堆电密拉伸，若可在目标时间内拉伸至i2电流密度则系统启动成功；
若水暖PTC或高压水泵故障，系统启动失败，并报上报水暖PTC或高压水泵故障；
若不能在目标时间内拉伸至i2电流密度，系统启动失败，并报上报水暖PTC或高压水泵故障。
其中，Z为质子交换膜温度达到0℃以上时所对应的冷却液温度；
所述低温冷启动控制方法的控制流程图如图4所示。
本发明所述低温冷启动控制方法在运行过程中分为两种工作模式：分别为双极板加热器工作模式和水暖PTC加热模式。
当氢燃料电池电堆无低温冷启动能力时(即电堆在0℃或-10℃以下时，在无辅助加热的情况下，无法冷启动)，氢燃料电池系统采用蓄电池为电堆的双极板加热器供电，通过双极板传热，保证质子交换膜的温度高于0℃，防止结冰现象发生；若蓄电池处于亏电状态，则立刻切换至水暖PTC加热模式，同时通过阴极废气通过废气涡轮带动发电机发电，为蓄电池充电，以达到可工作电压；当蓄电池达到正常工作电压后，系统自动切换至双极板加热器工作模式。当双极板加热器出现故障或蓄电池出现故障无法供电时，则采用水暖PTC加热冷却液为电堆加热，防止结冰现象出现。通过本方法可以利用较低的能耗实现电堆的低温冷启动。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池电堆冷启动系统，其特征在于，所述氢燃料电池电堆冷启动系统的核心部件包括电堆、双极板加热器、废气涡轮和水暖PTC；
其中，所述电堆分别与双极板加热器和废气涡轮连接，所述水暖PTC与所述电堆串联。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆冷启动系统，其特征在于，所述电堆、废气涡轮、发电机、蓄电池和双极板加热器依次串联形成控制回路，组成双极板传热冷启动系统；
所述蓄电池为双极板加热器供电，用于加热电堆，防止结冰；
所述电堆产生的废气通过废气涡轮带动发电机为蓄电池充电。
3.如权利要求1或2所述的氢燃料电池电堆冷启动系统，其特征在于，所述水暖PTC、高压水泵和电堆依次串联形成控制回路，组成辅助电堆冷启动系统；
所述水暖PTC加热冷却液为电堆加热，防止结冰现象出现。
4.如权利要求1-3任一项所述的氢燃料电池电堆冷启动系统，其特征在于，双极板传热冷启动系统采用蓄电池为电堆的双极板加热器供电，通过双极板传热，保证质子交换膜的温度高于0℃。
5.如权利要求1-4任一项所述的氢燃料电池电堆冷启动系统，其特征在于，若蓄电池处于亏电状态，则立刻切换至水暖PTC加热模式，同时通过阴极废气通过废气涡轮带动发电机发电，为蓄电池充电，以达到可工作电压，当蓄电池达到正常工作电压后，系统自动切换至双极板加热器工作模式。
6.如权利要求1-5任一项所述的氢燃料电池电堆冷启动系统，其特征在于，当双极板加热器出现故障或蓄电池出现故障无法供电时，则采用水暖PTC加热冷却液为电堆加热。
7.一种如权利要求1-6任一项所述氢燃料电池电堆冷启动系统的低温冷启动控制方法，其特征在于，所述低温冷启动控制方法包括：
通过双极板加热器和水暖PTC的配合使用，实现电堆的低温冷启动。
8.如权利要求7所述的低温冷启动控制方法，其特征在于，电堆以i1电流密度工作，蓄电池电压为U，若蓄电池电压U＞电压要求值X进行双极板加热器启动自检，若双极板加热器无故障，双极板加热器按照标定时间工作Y，双极板加热器停止工作后进行电堆电密拉伸，若可在目标时间内拉伸至i2电流密度则系统启动成功；
其中，i1为氢燃料电池电堆在低温工况时可持续工作的最小电流密度，i2为氢燃料电池电堆50％额定功率所对应的电流密度，X为蓄电池正常工作的最低电压值，Y为电堆质子交换膜达到0℃所对应的加热时间。
9.如权利要求7或8所述的低温冷启动控制方法，其特征在于，电堆以i1电流密度工作，蓄电池电压为U，若蓄电池电压U＜电压要求值X上报电池低电量故障，废气涡轮带动发电机给蓄电池充电，水暖PTC和电动水泵启动自检，若水暖PTC或高压水泵无故障，水暖PTC和高压水泵工作，若冷却液温度达到Z，进行电堆电密拉伸，若可在目标时间内拉伸至i2电流密度则系统启动成功；
其中，Z为质子交换膜温度达到0℃以上时所对应的冷却液温度。
10.如权利要求7-9任一项所述的低温冷启动控制方法，其特征在于，电堆以i1电流密度工作，蓄电池电压为U，若蓄电池电压U＞电压要求值X进行双极板加热器启动自检，若双极板加热器故障，上报双极板加热器故障水暖PTC和电动水泵启动自检，若水暖PTC或高压水泵无故障，水暖PTC和高压水泵工作，若冷却液温度达到Z，进行电堆电密拉伸，若可在目标时间内拉伸至i2电流密度则系统启动成功；
其中，Z为质子交换膜温度达到0℃以上时所对应的冷却液温度；
优选地，若水暖PTC或高压水泵故障，系统启动失败，并报上报水暖PTC或高压水泵故障；
优选地，若不能在目标时间内拉伸至i2电流密度，系统启动失败，并报上报水暖PTC或高压水泵故障。
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