CN115832359A - 一种燃料电池的冷启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的冷启动方法，冷启动方法运行于冷却系统上，冷却系统包括电堆、主水泵、旁通水泵、散热器和单向阀，电堆包括冷却液入口和冷却液出口，电堆的冷却液出口、主水泵、散热器、单向阀和电堆的冷却液入口依次连接；旁通水泵一端连接电堆的冷却液出口、另一端连接电堆的冷却液入口；旁通水泵用于：燃料电池进行冷启动过程时，关闭主水泵、散热器和单向阀，开启旁通水泵以第一转速运行且旁通水泵按设定频率正反交替运转。本发明能够缩短燃料电池的冷启动时间，并提高冷启动效率和成功率。

Description

一种燃料电池的冷启动方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池的冷启动方法。

背景技术

由于现有的质子交换膜燃料电池在工作的时候会产生热量，因此，现有的质子交换膜燃料电池都会设置一个冷却系统，冷却系统的作用是将质子交换膜燃料电池工作中产生的热量带走，并将质子交换膜燃料电池维持在一个最理想的温度状态下。另外，质子交换膜燃料电池在寒冷的天气下，需要对质子交换膜燃料电池在启动时进行冷启动处理，使得质子交换膜燃料电池能够快速地进入最理想的发电状态。

目前质子交换膜燃料电池的冷启动问题仍存在改善的空间，冷启动过程中冷却系统的控制有重要影响。在冰点温度以下，燃料电池通过降低发电效率来增加产生的废热，以加热电堆并尽快使之达到冰点温度以上，该过程中冷却系统维持一定冷却液循环流量使电堆整体均匀升温，防止局部过热，但是电堆冷却液进出口仍会存在较大温差，影响电堆启动性能，除此之外，冷却液循环流动使得需要加热的冷却液体积较大，从而降低了电堆的升温速率，延长了电堆达到冰点温度以上的时间，严重时会导致冷启动失败。

基于以上原因，燃料电池冷却系统和针对冷启动的控制方法还存在优化空间。

发明内容

本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池的冷启动方法，能够缩短燃料电池的冷启动时间，并提高冷启动效率和成功率。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池的冷却系统，包括电堆、主水泵、散热器和单向阀，所述电堆包括冷却液入口和冷却液出口，电堆的冷却液出口、主水泵、散热器、单向阀和电堆的冷却液入口依次连接；所述冷却系统还包括旁通水泵，所述旁通水泵一端连接电堆的冷却液出口、另一端连接电堆的冷却液入口；

所述旁通水泵用于：燃料电池进行冷启动过程时，关闭主水泵、散热器和单向阀，开启旁通水泵以第一转速运行且旁通水泵按设定频率正反交替运转。

本发明另一目的是提供一种燃料电池的冷启动方法，其运行于所述一种燃料电池的冷却系统上，包括以下步骤：

在燃料电池启动前，检测冷却液入口起始温度和冷却液出口起始温度，计算电堆起始温度T1=冷却液入口起始温度和冷却液出口起始温度的平均温度；

判定电堆起始温度T1是否小于等于0℃，若起始温度T1大于0℃，则进入燃料电池的常温启动过程；若起始温度T1小于等于0℃，则燃料电池进入冷启动过程；

燃料电池进入冷启动第一阶段：关闭主水泵、散热器和单向阀，开启旁通水泵以第一转速运行且旁通水泵按设定频率正反交替运转；对电堆进行电流拉载，使电堆电压处于低位状态；

实时检测冷却液入口温度和冷却液出口温度，并计算电堆的实时平均温度=冷却液入口温度和冷却液出口温度之间的平均温度；当电堆的实时平均温度达到T2时，燃料电池进入冷启动第二阶段：降低电堆拉载电流，使得电堆电压提升至第二电压状态；停止旁通水泵以第一转速正反交替运转，使旁通水泵以第二转速正向运转；

当电堆的实时平均温度达到T3时，燃料电池进入冷启动第三阶段：恢复电堆电压至正常电压状态；启动主水泵、散热器和单向阀；经过设定时间后，停止旁通水泵运转；当电堆温度达到正常运行温度T4后，冷启动过程完成。

进一步的，所述第一转速范围为500rpm ~1000rpm，所述设定频率范围为0.5HZ ~1HZ；所述电堆电压处于低位状态指的是电堆平均单体电压处于0.2V~0.4V；

所述第二转速范围为1000rpm ~3000rpm，所述T2温度范围为5℃~10℃，所述第二电压状态指的是电堆平均单体电压处于0.5V~0.6V；

所述T3范围为30℃~40℃，所述T4范围为60℃~80℃，所述正常电压状态指的是电堆平均单体电压处于0.65V ~0.85V。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过设置一个旁通水泵，且旁通水泵可以实现正转与反转，在需要对燃料电池进行冷启动时，只需要启动旁通水泵，旁通水泵以设定的频率正反运转，使得冷却液在电堆内部往复运动，而且冷却液不断地在电堆内部加热，电堆电化学反应产生的热量直接作用于冷却液并且没有被外界消耗热量，从而使得电堆快速达到正常运行温度，大大减少了燃料电池的冷启动时间，从而大大提高了冷启动效率以及冷启动成功率。

附图说明

图1为本发明冷却系统的结构示意图。

图2为本发明冷启动方法的步骤流程图。

图3为本发明实施例2在燃料电池冷启动过程中，电堆电流、电堆电压、电堆温度、旁通水泵转速和主水泵的变化示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例公开一种燃料电池的冷却系统，包括电堆1、主水泵2、散热器3、旁通水泵4、单向阀5、冷却液入口温度传感器6、冷却液出口温度传感器7和控制模块8，所述电堆1包括冷却液入口和冷却液出口，电堆1的冷却液出口、主水泵2、散热器3、单向阀5和电堆1的冷却液入口依次连接，所述单向阀5的流动方向为：散热器3的冷却液单向通过单向阀5后进入电堆1的冷却液入口；所述旁通水泵4一端连接电堆1的冷却液出口、另一端连接电堆1的冷却液入口；所述冷却液入口温度传感器6连接电堆1的冷却液入口或者内置于冷却液入口，所述冷却液出口温度传感器7连接电堆1的冷却液出口或者内置于冷却液出口；所述控制模块8连接主水泵2、旁通水泵4、单向阀5、冷却液入口温度传感器6和冷却液出口温度传感器7，所述控制模块8用于接收冷却液入口温度传感器6和冷却液出口温度传感器7传输的温度数据以及用于控制主水泵2和旁通水泵4的转动。

在燃料电池处于正常运行过程中，关闭旁通水泵4，打开主水泵2、散热器3和单向阀5，主水泵2用于推动冷却系统的冷却液进行正向流动（即在电堆1的内部，冷却液从冷却液入口流进去电堆1，最后从冷却液出口流出），散热器3对带有热量的冷却液进行散热，散热后的冷却液经过单向阀5后再通过冷却液入口进入电堆1。

旁通水泵4为齿轮泵或罗茨泵，可以实现正转与反转，当旁通水泵4正转时，冷却液正向流动（即在电堆1的内部，冷却液从冷却液入口流进去电堆1，最后从冷却液出口流出），当旁通水泵反转时，冷却液反向流动（即在电堆1的内部，冷却液从冷却液出口流进去电堆1，最后从冷却液入口流出）。旁通水泵4位于旁通管路上，主水泵2位于主管路上，燃料电池正常运行时，通过改变主水泵2的转速从而调整主管路冷却液流量，通过改变旁通水泵4转速调整旁通管路冷却液流量。

所述旁通水泵4用于：燃料电池进行冷启动过程时，关闭主水泵2、散热器3和单向阀5，开启旁通水泵4以第一转速运行且旁通水泵4按设定频率正反交替运转。

实施例2

如图2所示和图3所示，本实施例公开一种燃料电池的冷启动方法，其运行于实施例1的冷却系统上，包括以下步骤：

在燃料电池启动前，冷却液入口温度传感器6检测冷却液入口起始温度，冷却液出口温度传感器7检测冷却液出口起始温度，计算电堆1起始温度T1=冷却液入口起始温度和冷却液出口起始温度的平均温度；

判定电堆1起始温度T1是否小于等于0℃，若起始温度T1大于0℃，则燃料电池不进入冷启动过程，直接进入燃料电池的常温启动过程；若起始温度T1小于等于0℃，则燃料电池进入冷启动过程；

燃料电池进入冷启动第一阶段：关闭主水泵2、散热器3和单向阀5，开启旁通水泵4以第一转速运行且旁通水泵4按设定频率正反交替运转，从而使电堆1内部中的冷却液快速地来回流动；优选的，所述第一转速范围为500rpm ~1000rpm，具体数值根据水泵性能标定，目的是使电堆1内部的冷却液流量处于30L/min~60L/min范围；所述设定频率优选范围为0.5HZ ~1HZ；对电堆1进行电流拉载，使电堆1电压处于低位状态（电堆1电压处于低位状态指的是电堆1平均单体电压处于0.2V~0.4V），以降低发电效率，增加废热生成，电堆1受热升温，由于加热的冷却液只有电堆1内部的冷却液，因此电堆1升温速率快，同时电堆1内部的冷却液来回、反复的流动，可以使电堆1整体温度分布均匀，抑制局部过热现象发生；

实时检测冷却液入口温度和冷却液出口温度，并计算电堆1的实时平均温度（图2中所示的电堆温度即为实时平均温度）=冷却液入口温度和冷却液出口温度之间的平均温度；当电堆1的实时平均温度达到T2时，燃料电池进入冷启动第二阶段：降低电堆1拉载电流，使得电堆1电压提升至第二电压状态（第二电压状态指的是电堆1平均单体电压处于0.5V~0.6V），通过改变电流和电压以提高电堆1效率，减少废热生成；同时停止旁通水泵4以第一转速正反交替运转，使旁通水泵4以第二转速正向运转，使旁路冷却液正向流入电堆1，冷却液出口温度和冷却液入口温度先后上升，由于旁路低温冷却液的流入，电堆1温度先下降，然后继续上升；优选的，所述第二转速范围为1000rpm ~3000rpm；优选的，T2温度范围为5℃~10℃；

当电堆1的实时平均温度达到T3时，燃料电池进入冷启动第三阶段：恢复电堆1电压至正常电压状态（正常电压状态指的是电堆1平均单体电压处于0.65V ~0.85V），使得燃料电池以正常效率运行，废热生成量减小；启动主水泵2、散热器3和单向阀5，使主路低温冷却液流入电堆，电堆温度先下降，然后继续上升，调整主水泵2转速以控制电堆冷却液进出口温差（2℃~10℃）；经过设定时间后，停止旁通水泵4运转；当电堆温度达到正常运行温度T4后，冷启动过程完成；优选的，所述T3范围为30℃~40℃，所述T4范围为60℃~80℃。

冷启动过程完成后，燃料电池处于正常运行过程中，即实施例1所述的过程：关闭旁通水泵4，打开主水泵2、散热器3和单向阀5，主水泵2用于推动冷却系统的冷却液进行正向流动（即在电堆1的内部，冷却液从冷却液入口流进去电堆1，最后从冷却液出口流出），散热器3对带有热量的冷却液进行散热，散热后的冷却液经过单向阀5后再通过冷却液入口进入电堆1。

本实施例在传统的燃料电池冷却系统上增加一个旁通水泵4，且旁通水泵4可以实现正转与反转，在需要对燃料电池进行冷启动时，只需要启动旁通水泵4，旁通水泵4以设定的频率正反运转，使得冷却液在电堆1内部往复运动，而且冷却液不断地在电堆1内部加热，电堆1电化学反应产生的热量直接作用于冷却液并且没有被外界消耗热量，从而使得电堆1快速达到正常运行温度T4，大大减少了燃料电池的冷启动时间，从而大大提高了冷启动效率以及冷启动成功率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (2)

1.一种燃料电池的冷启动方法，其运行于一种燃料电池的冷却系统上，所述冷却系统包括电堆、主水泵、散热器、单向阀和旁通水泵，所述电堆包括冷却液入口和冷却液出口，电堆的冷却液出口、主水泵、散热器、单向阀和电堆的冷却液入口依次连接，所述旁通水泵一端连接电堆的冷却液出口、另一端连接电堆的冷却液入口；所述旁通水泵用于：燃料电池进行冷启动过程时，关闭主水泵、散热器和单向阀，开启旁通水泵以第一转速运行且旁通水泵按设定频率正反交替运转，其特征在于，包括以下步骤：

在燃料电池启动前，检测冷却液入口起始温度和冷却液出口起始温度，计算电堆起始温度T1=冷却液入口起始温度和冷却液出口起始温度的平均温度；

判定电堆起始温度T1是否小于等于0℃，若起始温度T1大于0℃，则进入燃料电池的常温启动过程；若起始温度T1小于等于0℃，则燃料电池进入冷启动过程；

燃料电池进入冷启动第一阶段：关闭主水泵、散热器和单向阀，开启旁通水泵以第一转速运行且旁通水泵按设定频率正反交替运转；对电堆进行电流拉载，使电堆电压处于低位状态；

实时检测冷却液入口温度和冷却液出口温度，并计算电堆的实时平均温度=冷却液入口温度和冷却液出口温度之间的平均温度；当电堆的实时平均温度达到T2时，燃料电池进入冷启动第二阶段：降低电堆拉载电流，使得电堆电压提升至第二电压状态；停止旁通水泵以第一转速正反交替运转，使旁通水泵以第二转速正向运转；

当电堆的实时平均温度达到T3时，燃料电池进入冷启动第三阶段：恢复电堆电压至正常电压状态；启动主水泵、散热器和单向阀；经过设定时间后，停止旁通水泵运转；当电堆温度达到正常运行温度T4后，冷启动过程完成。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的冷启动方法，其特征在于，所述第一转速范围为500rpm ~1000rpm，所述设定频率范围为0.5HZ ~1HZ；所述电堆电压处于低位状态指的是电堆平均单体电压处于0.2V ~0.4V；

所述第二转速范围为1000rpm ~3000rpm，所述T2温度范围为5℃~10℃，所述第二电压状态指的是电堆平均单体电压处于0.5V~0.6V；

所述T3范围为30℃~40℃，所述T4范围为60℃~80℃，所述正常电压状态指的是电堆平均单体电压处于0.65V ~0.85V。

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