CN116231006A - 一种燃料电池低温无辅热冷启动方法及系统 - Google Patents

一种燃料电池低温无辅热冷启动方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池低温无辅热冷启动方法及系统，所述方法包括：当燃料电池内部温度等于或低于燃料电池内部温度的判定阈值时；将氢气供入燃料电池的阳极，通过欠气方式将空气供入燃料电池的阴极；直至燃料电池内部温度达到设定值T1时，进入正常启动阶段；经过设定时长t1后，再次进入欠气启动阶段；直至燃料电池内部温度达到设定值T2时，进入正常启动阶段；反复循环直至燃料电池内部温度达到需求。本发明通过欠气和非欠气的循环启动方式，在加热燃料电池的同时，使得燃料电池内部产生的水被排出燃料电池，进而避免燃料电池内部聚集大量水导致的水淹现象。

Description

一种燃料电池低温无辅热冷启动方法及系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池低温无辅热冷启动方法及系统。
背景技术
燃料电池通常也称为氢燃料电池，是一种通过氢气和氧气进行氧化还原反应，将化学能转换为电能的发电装置。燃料电池工作时，阳极的氢气在催化剂作用下分解出氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜到达阴极，电子则沿着外部电路到达阴极产生电流。而在阴极内，空气中的氧气与氢离子、电子反应生成水，因此，燃料电池具有极佳的环保优势。
氢燃料电池使用过程中，内部不断产生水分，当系统停止运行时，会有部分水分附着在膜电极和氢气循环泵内，如果外界温度低于水的结冰点时，膜电极和氢气循环泵转子会出现结冰的现象，再次启动燃料电池系统时，膜电极中由于存在结冰水影响氢离子的流动，因此膜电极反应缓慢，同时还可能由于氢气循环泵转子卡死导致系统无法启动，因此低温启动不当可能导致整个燃料电池系统造成不可逆的破坏。另一方面，为了满足氢燃料电池的汽车快速启动的需求，这就和燃料电池在低温情况下启动缓慢的现象产生了矛盾。
对于燃料电池的低温启动策略，诸多现有技术采用辅助加热的方式，使得燃料电池内部快速升温，进而达到快速启动的目的，例如现有技术CN110247078B公开的一种氢燃料电池低温快速启动系统，包括：燃料电池系统；及涡流加热装置，涡流加热装置安装于燃料电池系统内的空气输送管路和氢气输送管路上，涡流加热装置包括：铝管，为中空圆柱状；加热管，为中空圆柱状，并且套设于铝管的径向外侧，与铝管紧密贴合；隔热管，为中空圆柱状，套设于加热管的径向外侧，隔热管的内壁与加热管的外壁之间形成环形空腔；及电磁线圈，缠绕于隔热管的外壁上；其中，铝管与氢气输送管路连通，环形空腔与空气输送管路连通。
采用辅助加热方式实现低温启动的方法，一方面需要增加额外加热装置，另一方面增加能量输入，导致成本增加。因此，人们又研发出一种空气路欠气拉载方法，即将阴极通入的空气流量减少，进而增加燃料电池内部的热能，实现加热以及低温启动的目的。但是当进行欠气拉载时，虽然产热速率足以超过水结冰的速率，不会造成冰堵，但是由于阴极流量过少，不足以将产生的水带出电堆，当进入正常运行初期，会由于阴极水淹现象造成电堆整体性能较差。
发明内容
为了解决现有技术中燃料电池低温启动时存在内部水分无法及时排出的技术难题，本发明提供一种燃料电池低温无辅热冷启动方法及系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种燃料电池低温无辅热冷启动方法，包括：
S1、获取燃料电池内部温度，并设定燃料电池内部温度的判定阈值，当燃料电池内部温度等于或低于燃料电池内部温度的判定阈值时，执行步骤S2，否则执行正常启动阶段；
S2、启动燃料电池，将氢气供入燃料电池的阳极，将空气供入燃料电池的阴极，此时的空气流量Q1小于燃料电池内部温度高于燃料电池内部温度判定阈值情况下的燃料电池启动时的空气流量Q；
S3、实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T1时，将空气流量调整为等于燃料电池内部温度高于燃料电池内部温度判定阈值情况下的燃料电池启动时的空气流量Q；
S4、经过设定时长t1后，将阴极通入的空气流量调整为Q2，并且空气流量Q2小于空气流量Q；
S5、实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T2时，将空气流量调整为Q；
S6、对应于设定时长t2、t3……tn，空气流量Q3、Q4……Qn+1，以及设定值T3、T4……Tn+1，循环重复步骤S4和步骤S5若干次；其中，n取大于等于2的整数；直至燃料电池内部温度达到目标温度。
进一步地，空气流量Q1、Q2……Qn+1依次增大。
进一步地，设定燃料电池内部温度的另一判定阈值，即第二判定阈值，当燃料电池内部温度等于第二判定阈值时，此时对应的阴极空气流量为Qi，则时长t1、t2、t3……ti-1依次减小，时长ti、ti+1……tn相等。
进一步地，所述燃料电池低温无辅热冷启动方法还包括：在步骤S1至步骤S6中，均监测阴极排气中的氢气浓度，根据氢气浓度调整阴极空气流量。
更进一步地，设定阴极排气中的氢气浓度的判定值为
Figure SMS_1
，当监测到的氢气浓度大于判定值/>
Figure SMS_2
时，增加空气流量；否则降低空气流量；
设定阴极排气中的氢气浓度为
Figure SMS_3
，此时对应的空气流量为Qi，若氢气浓度/>
Figure SMS_4
大于判定值/>
Figure SMS_5
时，调节后的空气流量/>
Figure SMS_6
为：
Figure SMS_7
若氢气浓度
Figure SMS_8
小于或等于判定值/>
Figure SMS_9
时，调节后的空气流量/>
Figure SMS_10
为
Figure SMS_11
本发明还提供一种燃料电池低温无辅热冷启动系统，采用上述的燃料电池低温无辅热冷启动方法，包括燃料电池堆、供空系统、冷却系统以及供氢系统，所述供空系统用于为燃料电池堆的阴极供应含有氧气的空气；所述冷却系统内的冷却介质从燃料电池堆内部一端进入，从燃料电池堆内部的另一端流出，使燃料电池堆内部温度分布均匀；所述供氢系统用于为燃料电池堆的阳极供应氢气。
更进一步地，所述供空系统包括依次连通的空气过滤器、空气压缩机、中冷器、三通阀、尾排气管路，所述燃料电池堆连接在三通阀和尾排气管路之间。
更进一步地，所述三通阀和尾排气管路之间还设置旁通管路，所述旁通管路和燃料电池堆并联设置；且所述旁通管路上设置旁通节气门。
更进一步地，所述尾排气管路上设置氢浓度传感器，用于监测阴极排气的氢浓度。
进一步地，所述冷却系统包括冷却液供应管路和冷却液排出管路，所述冷却液排出管路上设置温度传感器。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的燃料电池低温无辅热冷启动方法，通过欠气和非欠气的循环启动方式，在加热燃料电池的同时，使得燃料电池内部产生的水，在尚未结晶或聚集之前被排出燃料电池，进而避免燃料电池内部聚集大量水导致的水淹现象，同时利用间歇式欠气方式启动燃料电池，相对于辅热启动方式，节省能源和成本。
本发明提供的燃料电池低温无辅热冷启动系统，在供空系统中设置旁通管路，用于调节阴极空气流量，进而达到欠气目的，利用冷却系统的冷却液排出管路上设置温度传感器，等同测量燃料电池内部的温度，利于设备的安装和调节；本发明提供的冷启动系统结构简单，成本低，并且还能够避免阴极水淹现象。
附图说明
图1为本发明提供的冷启动的方法流程图。
图2为本发明提供的冷启动系统的结构原理图。
附图标记说明：
1、燃料电池堆，2、空气过滤器，3、空气压缩机，4、中冷器，5、尾排气管路，6、旁通管路，7、旁通节气门，8、氢浓度传感器，9、冷却液供应管路，10、冷却液排出管路，11、温度传感器。
具体实施方式
下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先，对于本文中部分用语的解释：
欠气启动阶段：表示启动时阴极的空气流量低于燃料电池正常启动阶段的空气流量。
正常启动阶段：表示燃料电池按照正常环境温度（例如室温）下的启动流程。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种燃料电池低温无辅热冷启动方法，针对外界环境温度为-30℃下的燃料电池启动，具体步骤包括：
S1、获取燃料电池内部温度，并设定燃料电池内部温度的判定阈值，本实施例中，燃料电池内部温度的判定阈值为0℃，当燃料电池内部温度等于或低于0℃时，执行步骤S2，否则执行正常启动阶段；
S2、启动燃料电池，将氢气供入燃料电池的阳极，将空气供入燃料电池的阴极，此时的空气流量Q1小于燃料电池内部温度高于燃料电池内部温度判定阈值情况下的燃料电池启动时的空气流量Q；
S3、实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T1时，本实施例中，设定值T1为-10℃；将空气流量调整为等于燃料电池内部温度高于燃料电池内部温度判定阈值情况下的燃料电池启动时的空气流量Q；
S4、经过设定时长t1后，将阴极通入的空气流量调整为Q2，并且空气流量Q2小于空气流量Q；
S5、实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T2时，本实施例中，设定值T2为0℃，将空气流量调整为Q；
S6、对应于设定时长t2、t3……tn，空气流量Q3、Q4……Qn+1，以及设定值T3、T4……Tn+1，循环重复步骤S4和步骤S5若干次；其中，n取大于等于2的整数；具体为：
经过设定时长t2后，将阴极通入的空气流量调整为Q3，并且空气流量Q3小于空气流量Q；
实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T3时，本实施例中，设定值T3为15℃，将空气流量调整为Q；
再次经过设定时长t3后，将阴极通入的空气流量调整为Q4，并且空气流量Q4小于空气流量Q；
实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T4时，本实施例中，设定值T4为30℃，将空气流量调整为Q；
再次经过设定时长t4后，将阴极通入的空气流量调整为Q5，并且空气流量Q5小于空气流量Q；
实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到目标温度T5时，本实施例中，目标温度T5为45℃，将空气流量调整为Q，冷启动阶段结束。
其中，空气流量Q1、Q2……Q5依次增大，且均在空气流量Q的0.43-0.55倍之间的范围内。
随着燃料电池内部温度的上升，燃料电池内部反应生成的水的雾化或聚集减缓，则逐步提高空气流量，能够提高温度的上升速率，缩短冷启动时间。
优选地，设定燃料电池内部温度的另一判定阈值，即第二判定阈值，当燃料电池内部温度等于第二判定阈值时，此时对应的阴极空气流量为Qi，则时长t1、t2、t3……ti-1依次减小，时长ti、ti+1……tn相等。本实施例中，第二判定阈值为10℃，此时对应的阴极空气流量为Q3，则t3、t4相等，t1大于t2，t2大于t3和t4。其中，t1、t2、t3和t4的设置范围均在4-6秒范围内。
当燃料电池内部温度低于第二判定阈值时，燃料电池内部温度相对较低，内部反应产生的水雾化粒径大，不易排出，随着温度的逐渐升高，水雾化粒径逐渐减小，则减少非欠气的运行时间，利于缩短冷启动时间。当燃料电池内部温度高于第二判定阈值时，内部水分子变化较小或趋于稳定，对应的非欠气时间也趋于稳定，利于燃料电池内部温度的稳定上升，提高启动效率。
在步骤S1至步骤S6的每一步中，均监测阴极排气中的氢气浓度，根据氢气浓度调整阴极空气流量。设定阴极排气中的氢气浓度的判定值为
Figure SMS_12
，当监测到的氢气浓度大于判定值/>
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时，增加空气流量；否则降低空气流量；设定阴极排气中的氢气浓度为/>
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，此时对应的空气流量为Qi，若氢气浓度/>
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为：
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若氢气浓度
Figure SMS_19
小于或等于判定值/>
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时，调节后的空气流量/>
Figure SMS_21
为
Figure SMS_22
实施例二
如图1所示，本实施例提供一种燃料电池低温无辅热冷启动方法，针对外界环境温度为-20℃下的燃料电池启动，具体步骤包括：
S1、获取燃料电池内部温度，并设定燃料电池内部温度的判定阈值，本实施例中，燃料电池内部温度的判定阈值为0℃，当燃料电池内部温度等于或低于0℃时，执行步骤S2，否则执行正常启动阶段；
S2、启动燃料电池，将氢气供入燃料电池的阳极，将空气供入燃料电池的阴极，此时的空气流量Q1小于燃料电池内部温度高于燃料电池内部温度判定阈值情况下的燃料电池启动时的空气流量Q；
S3、实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T1时，本实施例中，设定值T1为-5℃；将空气流量调整为等于燃料电池内部温度高于燃料电池内部温度判定阈值情况下的燃料电池启动时的空气流量；
S4、经过设定时长t1后，将阴极通入的空气流量调整为Q2，并且空气流量Q2小于空气流量Q；
S5、实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T2时，本实施例中，设定值T2为10℃，将空气流量调整为Q；
S6、对应于设定时长t2、t3……tn，空气流量Q3、Q4……Qn+1，以及设定值T3、T4……Tn+1，循环重复步骤S4和步骤S5若干次；其中，n取大于等于2的整数；具体为：
经过设定时长t2后，将阴极通入的空气流量调整为Q3，并且空气流量Q3小于空气流量Q；
实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T3时，本实施例中，设定值T3为27℃，将空气流量调整为Q；
再次经过设定时长t3后，将阴极通入的空气流量调整为Q4，并且空气流量Q4小于空气流量Q；
实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到目标温度T4时，本实施例中，目标温度T4为45℃，将空气流量调整为Q，冷启动阶段结束。
其中，空气流量Q1、Q2……Q4依次增大，且均在空气流量Q的0.43-0.55倍之间的范围内。
优选地，设定燃料电池内部温度的另一判定阈值，即第二判定阈值，当燃料电池内部温度等于第二判定阈值时，此时对应的阴极空气流量为Qi，则时长t1、t2、t3……ti-1依次减小，时长ti、ti+1……tn相等。本实施例中，第二判定阈值为10℃，此时对应的阴极空气流量为Q2，则t2、t3相等，t1大于t2和t3。其中，t1、t2和t3的设置范围均在4-6秒范围内。
在步骤S1至步骤S6的每一步中，均监测阴极排气中的氢气浓度，根据氢气浓度调整阴极空气流量。设定阴极排气中的氢气浓度的判定值为
Figure SMS_23
，当监测到的氢气浓度大于判定值/>
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，此时对应的空气流量为Qi，若氢气浓度/>
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若氢气浓度
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Figure SMS_32
为
Figure SMS_33
实施例三
本实施例提供一种燃料电池低温无辅热冷启动系统，采用实施例一或实施例二的燃料电池低温无辅热冷启动方法，如图2所示，包括燃料电池堆1、供空系统、冷却系统以及供氢系统，所述供空系统用于为燃料电池堆1的阴极供应含有氧气的空气；所述冷却系统内的冷却介质从燃料电池堆1内部一端进入，从燃料电池堆1内部的另一端流出，使燃料电池堆1内部温度分布均匀；所述供氢系统用于为燃料电池堆1的阳极供应氢气。
其中，所述供空系统包括依次连通的空气过滤器2、空气压缩机3、中冷器4、三通阀、尾排气管路5，所述燃料电池堆1连接在三通阀和尾排气管路5之间。所述三通阀和尾排气管路5之间还设置旁通管路6，所述旁通管路6和燃料电池堆1并联设置；且所述旁通管路6上设置旁通节气门7。旁通节气门7用于调节空气供入燃料电池的流量，当旁通节气门7打开时，空气压缩机3供入的空气一部分从旁通管路6直接进入尾排气管路5中，进而减少供入燃料电池阴极的空气流量，达到欠气的目的。
所述尾排气管路5上设置氢浓度传感器8，用于监测阴极排气的氢浓度。氢浓度过高时容易引起爆炸等安全事故，因此，当氢浓度高于其设定判定值时，需要适当关闭旁通节气门7，增大供入燃料电池的空气流量，避免氢离子与电子反应生成氢气，进而减少尾排气中的氢气浓度。
所述冷却系统包括冷却液供应管路9和冷却液排出管路10，所述冷却液排出管路10上设置温度传感器11。温度传感器11设置在靠近燃料电池的冷却液排出管路10上，因此，温度传感器11测量的冷却液的温度与燃料电池内部温度大致相等，用冷却液的温度监测替代燃料电池内部的温度测量，有利于温度传感器的安装和替换，并且还能够避免因燃料电池内部温度不均导致的测温不准确。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种燃料电池低温无辅热冷启动方法，其特征在于，包括：
S1、获取燃料电池内部温度，并设定燃料电池内部温度的判定阈值，当燃料电池内部温度等于或低于燃料电池内部温度的判定阈值时，执行步骤S2，否则执行正常启动阶段；
S2、启动燃料电池，将氢气供入燃料电池的阳极，将空气供入燃料电池的阴极，此时的空气流量Q1小于燃料电池内部温度高于燃料电池内部温度判定阈值情况下的燃料电池启动时的空气流量Q；
S3、实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T1时，将空气流量调整为等于燃料电池内部温度高于燃料电池内部温度判定阈值情况下的燃料电池启动时的空气流量；
S4、经过设定时长t1后，将阴极通入的空气流量调整为Q2，并且空气流量Q2小于空气流量Q；
S5、实时监测燃料电池内部温度，直至燃料电池内部温度达到设定值T2时，将空气流量调整为Q；
S6、对应于设定时长t2、t3……tn，空气流量Q3、Q4……Qn+1，以及设定值T3、T4……Tn+1，循环重复步骤S4和步骤S5若干次；其中，n取大于等于2的整数，直至燃料电池内部温度达到目标温度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池低温无辅热冷启动方法，其特征在于，空气流量Q1、Q2……Qn+1依次增大。
3.根据权利要求1所述的燃料电池低温无辅热冷启动方法，其特征在于，设定燃料电池内部温度的另一判定阈值，即第二判定阈值，当燃料电池内部温度等于第二判定阈值时，此时对应的阴极空气流量为Qi，则时长t1、t2、t3……ti-1依次减小，时长ti、ti+1……tn相等。
4.根据权利要求1所述的燃料电池低温无辅热冷启动方法，其特征在于，所述燃料电池低温无辅热冷启动方法还包括：在步骤S1至步骤S6中，均监测阴极排气中的氢气浓度，根据氢气浓度调整阴极空气流量。
5.根据权利要求4所述的燃料电池低温无辅热冷启动方法，其特征在于，设定阴极排气中的氢气浓度的判定值为
Figure QLYQS_1
，当监测到的氢气浓度大于判定值/>
Figure QLYQS_2
时，增加空气流量；否则降低空气流量；
设定阴极排气中的氢气浓度为
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，此时对应的空气流量为Qi，若氢气浓度/>
Figure QLYQS_4
大于判定值/>
Figure QLYQS_5
时，调节后的空气流量/>
Figure QLYQS_6
为：
Figure QLYQS_7
若氢气浓度
Figure QLYQS_8
小于或等于判定值/>
Figure QLYQS_9
时，调节后的空气流量/>
Figure QLYQS_10
为
Figure QLYQS_11
6.一种燃料电池低温无辅热冷启动系统，采用权利要求1-5任一项所述的燃料电池低温无辅热冷启动方法，其特征在于，包括燃料电池堆、供空系统、冷却系统以及供氢系统，所述供空系统用于为燃料电池堆的阴极供应含有氧气的空气；所述冷却系统内的冷却介质从燃料电池堆内部一端进入，从燃料电池堆内部的另一端流出，使燃料电池堆内部温度分布均匀；所述供氢系统用于为燃料电池堆的阳极供应氢气。
7.根据权利要求6所述的燃料电池低温无辅热冷启动系统，其特征在于，所述供空系统包括依次连通的空气过滤器、空气压缩机、中冷器、三通阀、尾排气管路，所述燃料电池堆连接在三通阀和尾排气管路之间。
8.根据权利要求7所述的燃料电池低温无辅热冷启动系统，其特征在于，所述三通阀和尾排气管路之间还设置旁通管路，所述旁通管路和燃料电池堆并联设置；且所述旁通管路上设置旁通节气门。
9.根据权利要求7所述的燃料电池低温无辅热冷启动系统，其特征在于，所述尾排气管路上设置氢浓度传感器，用于监测阴极排气的氢浓度。
10.根据权利要求6所述的燃料电池低温无辅热冷启动系统，其特征在于，所述冷却系统包括冷却液供应管路和冷却液排出管路，所述冷却液排出管路上设置温度传感器。
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