CN116014184B - 一种燃料电池系统冷启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统冷启动方法，进入冷启动后，计算在当前温度值下，电堆升温至规定温度阈值时所需的计算电压Vt；判断此时电堆的输出电压Vp是否大于计算电压Vt，若输出电压Vp大于计算电压Vt，则启动PTC加热器；若电堆输出电压Vp小于等于计算电压Vt，且同时小于等于保护电压，启动PTC加热器加热冷却液用于辅助电堆升温；其中，规定电压大于保护电压；若电堆输出电压Vp小于等于计算电压Vt，但同时大于保护电压，则无需启动PTC加热器。本发明使用辅助加热作为补救措施，保证冷启动有比较大的容错空间，并保证了电堆能够正常启动运行。

Description

一种燃料电池系统冷启动方法

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系统冷启动方法。

背景技术

燃料电池电堆在寒冷的天气情况下，需要进行冷启动操作，使电堆能够正常工作。

现有的冷启动方法包括：1、无辅热电堆自热启动：使用各种方法，把电堆发电效率降低，相应地，电堆发热效率会增加，利用这部分热量加热电堆。

优点：启动时间短、无需额外部件、无需额外功耗、无需额外电源。

缺点：需要精确控制电堆输出，若失败会损坏电堆；随着电堆老化，启动方法不根据电堆状态调整可能会失效。

2、完全辅热启动：在燃料电池系统的冷却水回路中增加一个加热器，当冷启动时，先用额外的电源给加热器供电，让加热器工作加热冷却液，从而提升电堆温度。

优点：启动时间长、方法简单、稳定、可靠、成功率高。

缺点：需要增加额外部件、需要额外电源提供电能。

3、混合启动：在自热启动的同时，使用加热器加热冷却液帮助电堆升温。

优点：启动时间短，成功率高。

缺点：需要额外电源提供电能。

发明内容

本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池系统冷启动方法，优先使用电堆自热启动，以降低整套系统的功耗，但当自热启动出现问题时，使用辅助加热作为补救措施，保证冷启动有比较大的容错空间，并保证了电堆能够正常启动运行。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统冷启动方法，所述燃料电池系统包括电堆、水泵、三通阀、散热器、电磁阀、PTC加热器和出口温度传感器，所述电堆包括冷却液入口和冷却液出口，所述三通阀包括A端、B端和C端，电堆的冷却液出口、水泵和三通阀的A端依次相连，三通阀的C端、散热器、电磁阀、PTC加热器和冷却液入口依次相连，三通阀的B端连接PTC加热器；所述的一种燃料电池系统冷启动方法，包括以下步骤：

燃料电池系统接收启动信号后，启动水泵并以低转速状态运作，关闭电磁阀，PTC加热器处于关机状态，关闭三通阀的C端，将冷却液从三通阀的A端流向B端后进入PTC加热器；同时，对电堆输入氢气和氧气，电堆进行电化学反应；

持续对电堆输入氢气和氧气并实时检测电堆的开路电压Vocp，直至电堆的开路电压Vocp达到目标电压；

电堆的开路电压Vocp达到目标电压后，出口温度传感器检测电堆温度，并判断电堆温度是否大于规定温度阈值；

若电堆温度大于规定温度阈值，则燃料电池系统正常启动运行，结束冷启动；若电堆温度小于等于规定温度阈值，则燃料电池系统进入冷启动过程；

进入冷启动后，记录进入冷启动瞬间的温度值，计算在当前温度值下，电堆升温至规定温度阈值时所需的计算电压Vt；

判断此时电堆的输出电压Vp是否大于计算电压Vt，若输出电压Vp大于计算电压Vt，则启动PTC加热器；

若电堆输出电压Vp小于等于计算电压Vt，且同时小于等于保护电压，启动PTC加热器加热冷却液用于辅助电堆升温；其中，计算电压Vt大于保护电压；

若电堆输出电压Vp小于等于计算电压Vt，但同时大于保护电压，则无需启动PTC加热器，维持燃料电池系统当前的运转状态；进入冷启动并经过规定时间后，判断此时电堆温度与规定时间前电堆温度的温度差值是否大于目标值T_u，若温度差值小于目标值T_u，启动PTC加热器；若温度差值大于等于目标值T_u，维持燃料电池系统当前的运转状态；

待电堆温度大于规定温度阈值，停止PTC加热器，关闭三通阀的C端，将冷却液从三通阀的A端流向B端后，电堆进入正常启动阶段。

进一步的，所述目标电压为0.8V，所述规定温度阈值为0℃，所述保护电压为0.02V~0.2V，所述目标值T_u为5℃。

进一步的，计算在当前温度值下，电堆升温至规定温度阈值时所需的计算电压Vt，其具体为：

令电堆热容值为C_S·M_S，此时温度值和0℃之间的温差为ΔT，那么冷启动过程中，需要的热量H为：H=C_S·M_S·ΔT；

若此时要求在时间t内到达0℃，那么电堆需要发热功率W_h为：W_h= H/t；

若电堆在此时温度值下，能维持的最低发电功率为W_e，电堆的单电池片数为n，那么电堆所需的输出电流I为：I=（W_e+ W_h）/（1.4n）；

而电堆的计算电压Vt为：Vt= W_e/ I。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明在燃料电池系统需要冷启动的情况下，无需第一时间开启辅助加热（PTC加热器），即使得辅助加热作为后备手段的冷启动方法，目的是优先使用电堆自热启动，以降低整套系统的功耗，但当启动出现问题时，使用辅助加热作为补救措施，这样可以保证冷启动有比较大的容错空间。

附图说明

图1为本发明燃料电池系统的结构示意图。

图2为本发明冷启动方法的步骤框图。

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。

本实施公开一种燃料电池系统冷启动方法，其运行于燃料电池系统上，如图1所示，所述燃料电池系统包括电堆1、水泵2、三通阀3、散热器4、电磁阀5、PTC加热器6和出口温度传感器7，所述电堆1包括冷却液入口和冷却液出口，所述三通阀3包括A端、B端和C端，电堆1的冷却液出口、水泵2和三通阀3的A端依次相连，三通阀3的C端、散热器4、电磁阀5、PTC加热器6和冷却液入口依次相连，三通阀3的B端连接PTC加热器6，由此可见，水泵2、PTC加热器6和电堆1组成一个冷却系统小循环回路，水泵2、散热器4、电磁阀5、PTC加热器6和电堆1组成一个冷却系统大循环回路。所述出口温度传感器7连接电堆1的冷却液出口，或者出口温度传感器7内置于冷却液出口。三通阀3用于控制冷却液的流动方向，当冷却液需要在冷却系统小循环回路流动时，关闭C端，冷却液从A端流向B端后进入PTC加热器6，当冷却液需要在冷却系统大循环回路流动时，关闭B端，冷却液从A端流向C端后进入散热器4。

如图2所示，本实施例的一种燃料电池系统冷启动方法，包括以下步骤：

燃料电池系统接收启动信号后，启动水泵2并以低转速状态运作，关闭电磁阀5，PTC加热器6处于关机状态，关闭三通阀3的C端，将冷却液从三通阀3的A端流向B端后进入PTC加热器6，此时冷却液在水泵2、PTC加热器6和电堆1（冷却系统小循环回路）循环流动，同时对电堆1输入氢气和氧气，电堆1进行电化学反应；其中，对于水泵2的转速，若水泵2的最高转速为4000转，则低转速状态运作是指水泵2低于500转速运行，若水泵2的最高转速为8000转，则低转速状态运作是指水泵2低于1000转速运行，由此可见，一般地，低于水泵2八分之一最高转速为低转速状态运作；

持续对电堆1输入氢气和氧气并实时检测电堆1的开路电压Vocp，直至电堆1的开路电压Vocp达到目标电压，所述目标电压优选为0.8V；

电堆1的开路电压Vocp达到目标电压后，出口温度传感器7检测电堆1温度（电堆1的温度等同于电堆1冷却液出口的温度），并判断电堆1温度是否大于规定温度阈值，优选的，规定温度阈值为0℃；若电堆1温度大于规定温度阈值，则燃料电池系统正常启动运行（即燃料电池执行常温启动程序），结束冷启动；若电堆1温度小于等于规定温度阈值，则燃料电池系统进入冷启动过程；

进入冷启动后，记录进入冷启动瞬间的温度值，计算在当前温度值下，电堆升温至规定温度阈值（规定温度阈值为0℃）时所需的计算电压Vt；

具体计算计算电压Vt的过程为：

假设电堆1热容值为C_S·M_S（每个型号电堆的热容值都不一样，通过其他实验可以实验得出），此时温度值和0℃之间的温差为ΔT，那么冷启动过程中，需要的热量H为：H=C_S·M_S·ΔT；

若此时要求在时间t内到达0℃，那么电堆1需要发热功率W_h为：W_h= H/t；

若电堆1在此时温度值下，能维持的电功率为W_e，电堆1的单电池片数为n，那么电堆1所需的输出电流I为：I=（W_e+ W_h）/（1.4n）；由此可得，电堆1的计算电压Vt为：Vt= W_e/ I；

判断电堆1的输出电压Vp是否大于计算的计算电压Vt，若输出电压Vp大于计算电压Vt则说明控制失败，启动PTC加热器6加热冷却液用于辅助电堆1升温；此时的控制失败指的是：燃料电池系统已经把空气的供给量降低了，但电堆输出电压Vp降低，这样电堆1发热量就不够，若不启动备用手段，电堆里的水就会被冻结，导致启动失败；

若电堆1输出电压Vp小于等于计算电压Vt，但同时小于等于保护电压（保护电压的取值范围为0.02V~0.2V），但电堆电压低于保护电压时，运行在这种工况对电堆寿命就较大损害，因此，这时需要启动PTC加热器6加热冷却液用于辅助电堆1升温，并加大空气供给，提升电堆输出电压Vp；其中，计算电压Vt大于保护电压。

若电堆1输出电压Vp小于等于计算电压Vt，但同时大于保护电压，则无需启动PTC加热器6，维持燃料电池系统当前的运转状态；进入冷启动并经过规定时间（规定时间为10秒）后，判断此时电堆1温度与规定时间前电堆1温度的温度差值是否大于目标值T_u（目标值T_u具体设置来说，例如我们目标是60s完成从-30到0℃冷启动，那么平均每秒需要升温0.5℃，这时目标值Tu设为5℃），若温度差值小于目标值T_u，说明电堆升温速率低于预期，需要启动PTC加热器6辅助电堆升温；若温度差值大于等于目标值T_u，维持燃料电池系统当前的运转状态；

待电堆1温度大于等于0℃，停止PTC加热器6，关闭三通阀3的C端，将冷却液从三通阀3的A端流向B端后，电堆1进入正常启动阶段。

本实施例基于现有的冷却系统设备条件下，在燃料电池系统需要冷启动的情况下，无需第一时间开启辅助加热（PTC加热器6），即使得辅助加热作为后备手段的冷启动方法，目的是优先使用电堆自热启动，以降低整套系统的功耗，但当启动出现问题时，使用辅助加热作为补救措施，这样可以保证冷启动有比较大的容错空间。

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 (1)

1.一种燃料电池系统冷启动方法，所述燃料电池系统包括电堆、水泵、三通阀、散热器、电磁阀、PTC加热器和出口温度传感器，所述电堆包括冷却液入口和冷却液出口，所述三通阀包括A端、B端和C端，电堆的冷却液出口、水泵和三通阀的A端依次相连，三通阀的B端、散热器、电磁阀、PTC加热器和冷却液入口依次相连，三通阀的C端连接PTC加热器，其特征在于，包括以下步骤：

燃料电池系统接收启动信号后，启动水泵并以低转速状态运作，关闭电磁阀，PTC加热器处于关机状态，关闭三通阀的B端，将冷却液从三通阀的A端流向C端后进入PTC加热器；同时，对电堆输入氢气和氧气，电堆进行电化学反应；

持续对电堆输入氢气和氧气并实时检测电堆的开路电压Vocp，直至电堆的开路电压Vocp达到目标电压；

电堆的开路电压Vocp达到目标电压后，出口温度传感器检测电堆温度，并判断电堆温度是否大于规定温度阈值；

若电堆温度大于规定温度阈值，则燃料电池系统正常启动运行，结束冷启动；若电堆温度小于等于规定温度阈值，则燃料电池系统进入冷启动过程；

进入冷启动后，记录进入冷启动瞬间的温度值，计算在当前温度值下，电堆升温至规定温度阈值时所需的计算电压Vt；

判断此时电堆的输出电压Vp是否大于计算电压Vt，若输出电压Vp大于计算电压Vt，则启动PTC加热器；

若电堆输出电压Vp小于等于计算电压Vt，且同时小于等于保护电压，启动PTC加热器加热冷却液用于辅助电堆升温；其中，计算电压Vt大于保护电压；

若电堆输出电压Vp小于等于计算电压Vt，但同时大于保护电压，则无需启动PTC加热器，维持燃料电池系统当前的运转状态；进入冷启动并经过规定时间后，判断此时电堆温度与规定时间前电堆温度的温度差值是否大于目标值T_u，若温度差值小于目标值T_u，启动PTC加热器；若温度差值大于等于目标值T_u，维持燃料电池系统当前的运转状态；

待电堆温度大于规定温度阈值，停止PTC加热器，关闭三通阀的C端，将冷却液从三通阀的A端流向B端后，电堆进入正常启动阶段；

所述目标电压为0.8V，所述规定温度阈值为0℃，所述保护电压为0.02V~0.2V，所述目标值T_u为5℃；

所述计算在当前温度值下，电堆升温至规定温度阈值时所需的计算电压Vt，其具体为：

令电堆热容值为C_S·M_S，此时温度值和0℃之间的温差为ΔT，那么冷启动过程中，需要的热量H为：H=C_S·M_S·ΔT；

若此时要求在时间t内到达0℃，那么电堆需要发热功率W_h为：W_h= H/t；

若电堆在此时温度值下，能维持的最低发电功率为W_e，电堆的单电池片数为n，那么电堆所需的输出电流I为：I=（W_e+ W_h）/（1.4n）；

而电堆的计算电压Vt为：Vt= W_e / I。

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