CN117525479A - 一种用于燃料电池堆的快速升温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于燃料电池堆的快速升温方法，通过分析环境温度、总热容参数、温升时间、燃料和氧化剂的参数、燃料和氧化剂的摩尔比例、燃料能够参与化学反应的效率等数据，计算所需热量、单位时间所需热量、所需燃料的流量、所需氧化剂的流量，再分别把确定流量的燃料和氧化剂输入混合器，使两者混合得到混合气；将混合气通过分别连接阳极腔室和阴极腔室的两个支管按比例分别通入阳极腔室和阴极腔室进行反应放热；检测冷却液在电堆出口和入口管路上的温度T3和T4，当T4达到T2时，停止向所述电堆输送燃料和氧化剂，电堆升温过程结束。通过本发明方案，不仅使对电堆升温过程的控制更简便，而且更准确，能实现电堆快速升温的目的。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池堆的快速升温方法。
背景技术
燃料电池将燃料（如氢气）和氧化剂（如空气中的氧气）中的化学能直接转化成电能，高效、环保、安全、可靠，备受行业关注。燃料电池的产物是水，而水一般在0℃结冰，冰会堵塞反应通道，阻止反应继续进行，为此，如何实现燃料电池低温冷启动一直是行业面临的一个难题。多年来美国能源部制定的低温冷启动目标是：-20℃时在30s内达到50%的额定输出功率，-30℃时实现无助冷启动，-40℃实现有助冷启动。无助冷启动就是在不使用燃料电池系统内部和外部热源的情况下，仅凭燃料电池堆（电堆）在燃料和氧化剂的共同作用下自身所产生的热，使燃料电池实现升温。有助冷启动是借助燃料电池系统外部（如网电、外部电源）或内部（如电池或其它电源）的能量对燃料电池系统中的冷却液进行加热，冷却液通过电堆后为电堆升温，使其温度升到0℃左右。现有的电堆升温方案存在升温速度慢和升温过程控制不准确的问题。
发明内容
本发明正是基于上述问题，提出了一种用于燃料电池堆的快速升温方法，通过本发明方案，不仅使对电堆升温过程的控制更简便，而且更准确，能实现电堆快速升温的目的。
有鉴于此，本发明的一方面提出了一种用于燃料电池堆的快速升温方法，包括：
获取环境温度T1；
当T1小于0℃时，获取电堆和冷却液小循环子系统的总热容参数q；
确定从T1升到T2温升ΔT的时间Δt；
获取燃料和氧化剂的第一参数；
根据所述第一参数，获取所述燃料和所述氧化剂在所述电堆中进行化学放热反应时最佳燃料和氧化剂的摩尔比例λ；
根据所述摩尔比例λ，获取所述燃料能够参与化学反应的效率η；
启动冷却液循环泵，使冷却液开始通过所述电堆循环；
根据q和ΔT，计算所需热量Q1=q*ΔT；
根据Q1和Δt，计算单位时间所需热量Q2=Q1/Δt；
获取所述燃料的摩尔热焓参数ΔH；
根据Q2、ΔH和η，计算所需所述燃料的流量m1=Q2/(ΔH*η）；
根据λ和m1，计算所需所述氧化剂的流量m2=m1/λ；
根据m1和m2，把所述燃料和所述氧化剂输入混合器，使两者混合得到混合气；
将所述混合气通过分别连接所述电堆的阳极腔室和阴极腔室的两个支管按λ1和λ2的比例分别通入所述阳极腔室和所述阴极腔室，其中，λ1+λ2=1；
检测冷却液在所述电堆出口和入口管路上的温度T3和T4，当T4达到T2时，停止向所述电堆输送燃料和氧化剂，电堆升温过程结束。
可选地，所述根据m1和m2，把所述燃料和所述氧化剂输入混合器，使两者混合得到混合气的步骤，包括：
将流量为m1的所述燃料和流量为m2的所述氧化剂以阶梯流量的方式按预设的时间间隔Δt1输入，阶梯流量包括1到N个档次，流量在每个档次间等比例增加，增加比例为m1/N和m2/N，在第N个档次时，燃料和氧化剂的流量达到m1和m2。
可选地，所述混合器包括燃料入口、氧化剂入口、混气结构、第一混合气出口和第二混合气出口；
将所述燃料和所述氧化剂分别通过所述燃料入口和所述氧化剂入口输入所述混气结构；
在所述混气结构内设置螺旋通道以便于所述燃料和所述氧化剂的充分混合得到混合气；
一部分混合气通过所述第一混合气出口进入所述阳极腔室进行化学反应，剩下的一部分混合气通过所述第二混合气出口进入所述阴极腔室进行化学反应。
可选地，所述螺旋通道为螺旋状且中空的螺旋体，所述螺旋体的材质为柔性导电金属，所述螺旋通道的内径和螺距根据所述混合气体的流量和速度确定；
将所述螺旋体连接所述燃料入口和所述氧化剂入口；
在所述外壳和所述螺旋体间加设电场以利用离子风效应促进气体混合。
可选地，将所述螺旋体设置为多层同轴套管结构，套管之间设置导流通道。
可选地，在所述混气结构中设置混合容器；
将所述混合容器的一端连接所述螺旋体；
将所述混合容器的另一端连接所述第一混合气出口和所述第二混合气出口；
在所述混合容器内设置金属叶片，所述金属叶片在进入的气体的作用下旋转，将气体进行混合。
可选地，在所述混气结构中，所述螺旋体和所述混合容器均为多个；
多个所述螺旋体和多个所述混合容器间隔连接，最后一个所述混合容器的一端连接前一个所述螺旋体，另一端连接所述第一混合气出口和所述第二混合气出口，使得所述燃料和所述氧化剂在多个所述螺旋体和多个所述混合容器顺序流经后实现均匀混合。
可选地，在所述混合器设置温度传感器、压强传感器和质量流量计；
分别通过所述温度传感器、所述压强传感器和所述质量流量计实时监测所述混合气的温度值、压力值和流量值，并将所述温度值、所述压力值和所述流量值与上级控制器相连；
将所述第一混合气出口和所述第二混合气出口的开度面积比设置为λ1:λ2；
在所述混合器入口处设置过滤器，对输入的所述燃料和所述氧化剂进行过滤，防止杂质进入所述混合器；
将过滤器数据反馈至所述上级控制器，以供所述上级控制器实时调整所述燃料和所述氧化剂对应的数据。
可选地，所述将所述螺旋体设置为多层同轴套管结构，套管之间设置导流通道的步骤，包括：
在同一中心轴上，同心安装若干个不同直径的螺旋状金属管，形成多层螺旋套管；
在相邻的螺旋套管之间设置预先确定的轴向偏移，偏移方向互相相反，偏移间隙形成气体流通的导流通道；
气体分别从所述多层螺旋套管的最内层和最外层的螺旋套管输入，在各螺旋套管间交替上行和下行，实现复杂流动与扰动混合。
可选地，还包括：
建立计算流体动力学模型，导入不同数量、大小的螺旋套管结构数据，进行气体流动和混合的数值仿真；
在仿真过程中，评价不同结构参数下的速度场、浓度场、混合程度指标，得到评价结果；
结合所述评价结果，利用优化算法，以预设的混合效果为目标，迭代计算确定螺旋套管数量、尺寸、间隙这些结构参数的最佳匹配方案；
制作多组不同参数的螺旋套管示例，进行实际混合测试，验证测试和优化结果，确定最优结构参数组合；
通过实验训练模型，基于经验数据确定影响混合效果的结构参数之间的映射关系。
采用本发明的技术方案，用于燃料电池堆的快速升温方法包括：获取环境温度T1；当T1小于0℃时，获取电堆和冷却液小循环子系统的总热容参数q；确定从T1升到T2温升ΔT的时间Δt；获取燃料和氧化剂的第一参数；根据所述第一参数，获取所述燃料和所述氧化剂在所述电堆中进行化学放热反应时最佳燃料和氧化剂的摩尔比例λ；根据所述摩尔比例λ，获取所述燃料能够参与化学反应的效率η；启动冷却液循环泵，使冷却液开始通过所述电堆循环；根据q和ΔT，计算所需热量Q1=q*ΔT；根据Q1和Δt，计算单位时间所需热量Q2=Q1/Δt；获取所述燃料的摩尔热焓参数ΔH；根据Q2、ΔH和η，计算所需所述燃料的流量m1=Q2/(ΔH*η）；根据λ和m1，计算所需所述氧化剂的流量m2=m1/λ；根据m1和m2，把所述燃料和所述氧化剂输入混合器，使两者混合得到混合气；将所述混合气通过分别连接所述电堆的阳极腔室和阴极腔室的两个支管按λ1和λ2的比例分别通入所述阳极腔室和所述阴极腔室，其中，λ1+λ2=1；检测冷却液在所述电堆出口和入口管路上的温度T3和T4，当T4达到T2时，停止向所述电堆输送燃料和氧化剂，电堆升温过程结束。通过本方案，不仅使对电堆升温过程的控制更简便，而且更准确，能实现电堆快速升温的目的。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的用于燃料电池堆的快速升温方法的流程图。
图2是本发明一个实施例提供的混合器的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的或区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量（或描述特定顺序）。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面参照图1及图2来描述根据本发明一些实施方式提供的一种用于燃料电池堆的快速升温方法。
如图1所示，本发明一个实施例提供一种用于燃料电池堆的快速升温方法，包括：
获取环境温度T1；
当T1小于0℃时，获取电堆和冷却液小循环子系统的总热容参数q（事先存储在燃料电池控制系统中，包括电堆的热容（即电堆中所有组成部件的热容，如极板、膜电极、集流板、密封圈、端板和紧固件等的热容，以及电堆中冷却液的热容）和冷却液小循环系统的热容（如该系统中冷却液的热容和管接件的热容等））；
确定从T1升到T2（0℃或任一其它设置温度）温升ΔT的时间Δt（s）（如30 s）；
获取燃料和氧化剂的第一参数（事先存储在燃料电池控制系统中，包括类型及组成，如氢气、空气及其组成比例等）；
根据所述第一参数，获取所述燃料和所述氧化剂在所述电堆中进行化学放热反应时最佳燃料和氧化剂的摩尔比例λ（λ是个0-1的值，可以事先通过对不同类型的电堆进行试验确定并存储在燃料电池控制系统中）；
根据所述摩尔比例λ，获取所述燃料能够参与化学反应的效率η（因燃料不可能100%地在电堆中参与化学放热反应，η一般在40-90%之间，需要事先通过试验确定，并存储在燃料电池控制系统中）；
启动冷却液循环泵，使冷却液开始通过所述电堆循环；
根据q和ΔT，计算所需热量Q1（Q1=q*ΔT）；
根据Q1和Δt，计算单位时间所需热量Q2（Q2=Q1/Δt）；
获取所述燃料的摩尔热焓参数ΔH（即1 mol所用燃料与（足量）所用氧化剂化学反应时放出的热量）；
根据Q2、ΔH和η，计算所需所述燃料的流量m1（m1=Q2/(ΔH*η））；
根据λ和m1，计算所需所述氧化剂的流量m2（m2=m1/λ）；
根据m1和m2，把所述燃料和所述氧化剂输入混合器，使两者混合得到混合气；
将所述混合气通过分别连接所述电堆的阳极腔室和阴极腔室的两个支管按λ1和λ2的比例分别通入所述阳极腔室和所述阴极腔室，其中，λ1+λ2=1（必要时，每个预设的Δt2时间，λ1和λ2互换）；
检测冷却液在所述电堆出口和入口管路上的温度T3和T4，当T4达到T2（0℃或任一其它设置温度）时，停止向所述电堆输送燃料和氧化剂，电堆升温过程结束。
在本发明实施例中，所述第一参数，包括类型和组成；类型指燃料和氧化剂各是什么物质，如氢气、甲醇，或空气、纯氧气等；组成是指燃料和氧化剂的组成，如氢气是纯氢气（即100%氢气）还是重整气（如甲烷水汽重整得到的燃料含有约75%的氢气和25%的二氧化碳），氧化剂是纯氧气（即100%氧气）还是空气（即含有21%vol.的氧气）；这些参数可以在燃料电池系统运行前事先输入燃料电池的控制系统中。在本实施例中，关键性参数是燃料和氧化剂的比值λ，如氢气和空气的比值，H2和O2化学反应生成H2O的计量比是1:0.5，本发明实施例中采用1:0.6，一则考虑氧气略多一些有利于尽量利用氢气，二则考虑如果空气的流量过大，混合气在电堆中的压降会增加，特别是如果在升温过程中生成的冰对极板上的流道有一定程度堵塞时，流阻会更大，严重时混合气不能再进入电堆，导致冷启动失败。
采用该实施例的技术方案，获取环境温度T1；当T1小于0℃时，获取电堆和冷却液小循环子系统的总热容参数q；确定从T1升到T2温升ΔT的时间Δt；获取燃料和氧化剂的第一参数；根据所述第一参数，获取所述燃料和所述氧化剂在所述电堆中进行化学放热反应时最佳燃料和氧化剂的摩尔比例λ；根据所述摩尔比例λ，获取所述燃料能够参与化学反应的效率η；启动冷却液循环泵，使冷却液开始通过所述电堆循环；根据q和ΔT，计算所需热量Q1=q*ΔT；根据Q1和Δt，计算单位时间所需热量Q2=Q1/Δt；获取所述燃料的摩尔热焓参数ΔH；根据Q2、ΔH和η，计算所需所述燃料的流量m1=Q2/(ΔH*η）；根据λ和m1，计算所需所述氧化剂的流量m2=m1/λ；根据m1和m2，把所述燃料和所述氧化剂输入混合器，使两者混合得到混合气；将所述混合气通过分别连接所述电堆的阳极腔室和阴极腔室的两个支管按λ1和λ2的比例分别通入所述阳极腔室和所述阴极腔室，其中，λ1+λ2=1；检测冷却液在所述电堆出口和入口管路上的温度T3和T4，当T4达到T2时，停止向所述电堆输送燃料和氧化剂，电堆升温过程结束。通过本方案，不仅使对电堆升温过程的控制更简便，而且更准确，能实现电堆快速升温的目的。
在本发明一些可能的实施方式中，所述根据m1和m2，把所述燃料和所述氧化剂输入混合器，使两者混合得到混合气的步骤，包括：
将流量为m1的所述燃料和流量为m2的所述氧化剂以阶梯流量的方式按预设的时间间隔Δt1输入，阶梯流量包括1到N个档次，流量在每个档次间等比例增加，增加比例为m1/N和m2/N，在第N个档次时，燃料和氧化剂的流量达到m1和m2（如N=2的话，第一个档次时燃料和氧化剂的流量分别是m1/2和m2/2，第二个档次时燃料和氧化剂的流量分别是m1和m2，如此重复；流量控制也可以调过来，如第一个档次时燃料和氧化剂的流量分别是m1和m2，第N个档次时燃料和氧化剂的流量分别是m1/N和m2/N）。
在本实施例中，通过分别将燃料和氧化剂以以阶梯流量的方式按预设的时间间隔输入，能保证气体有足够的时间进行混合。
如图2所示，在本发明一些可能的实施方式中，所述混合器包括燃料入口、氧化剂入口、混气结构、第一混合气出口和第二混合气出口；
将所述燃料和所述氧化剂分别通过所述燃料入口和所述氧化剂入口输入所述混气结构；
在所述混气结构内设置螺旋通道以便于所述燃料和所述氧化剂的充分混合得到混合气；
一部分混合气通过所述第一混合气出口进入所述阳极腔室进行化学反应，剩下的一部分混合气通过所述第二混合气出口进入所述阴极腔室进行化学反应。
在本实施例中，利用螺旋通道的特征使得在时间上和空间上为气体能进行充分混合提供了保障。
在本发明一些可能的实施方式中，所述螺旋通道为螺旋状且中空的螺旋体，所述螺旋体的材质为柔性导电金属（形状具有可塑性），所述螺旋通道的内径和螺距根据所述混合气体的流量和速度确定；
将所述螺旋体连接所述燃料入口和所述氧化剂入口；
在所述外壳和所述螺旋体间加设电场以利用离子风效应促进气体混合。
在本实施例中，所述螺旋通道的内径和螺距根据所述混合气体的流量和速度确定，具体可以是：根据混合气体的流量和期望的线速度，参考相关经验公式或根据历史数据进行大数据分析得到的公式，初步计算得到螺旋通道的横截面积；由横截面积计算可得大概的通道内径（如螺旋通道为圆形横截面）；建立计算流体动力学（CFD）模型，设置不同的通道内径和螺距配置，模拟气体的流动状态；通过CFD模拟结果判断流动是否均匀顺畅，是否存在回流或死角区域；评价不同参数下的混合效果；综合考虑流体动力学性能、内部构件强度、加工难易程度等因素，确定合适的通道内径范围；在可能的几种内径条件下，比较几种不同螺距大小的模拟结果，确定最佳匹配的螺距参数；制作样机进行动态流量加载测试，验证所确定的内径和螺距参数，必要时进行调整优化。
在本发明一些可能的实施方式中，将所述螺旋体设置为多层同轴套管结构，套管之间设置导流通道以使得气体在各套管间上下流动混合，实现燃料气体和氧化剂气体间的充分均匀的混合。
为了进一步使得燃料气体和氧化剂气体间混合充分，在本发明一些可能的实施方式中，在所述混气结构中设置混合容器；
将所述混合容器的一端连接所述螺旋体；
将所述混合容器的另一端连接所述第一混合气出口和所述第二混合气出口；
在所述混合容器内设置金属叶片，所述金属叶片在进入的气体的作用下旋转，将气体进行混合。
在本发明一些可能的实施方式中，在所述混气结构中，所述螺旋体和所述混合容器均为多个；
多个所述螺旋体和多个所述混合容器间隔连接，最后一个所述混合容器的一端连接前一个所述螺旋体，另一端连接所述第一混合气出口和所述第二混合气出口，使得所述燃料和所述氧化剂在多个所述螺旋体和多个所述混合容器顺序流经后实现均匀混合。
通过本实施例，燃料气体和氧化剂气体经过多次的处理后，能保证得到了最大程度地混合。
在本发明一些可能的实施方式中，在所述混合器设置温度传感器、压强传感器和质量流量计；
分别通过所述温度传感器、所述压强传感器和所述质量流量计实时监测所述混合气的温度值、压力值和流量值，并将所述温度值、所述压力值和所述流量值与上级控制器相连（以供上级控制器根据这些混合气参数对混合器的工作以及燃料/氧化剂的供应的控制，实现混合气参数的闭环控制）；
将所述第一混合气出口和所述第二混合气出口的开度面积比设置为λ1:λ2（其中λ1和λ2的值经过优化确定，保证了气体输出量的准确性，以实现对阳极和阴极最优的混合气供给）；
在所述混合器入口处设置过滤器，对输入的所述燃料和所述氧化剂进行过滤，防止杂质进入所述混合器；
将过滤器数据（过滤的杂质的类型、体积等）反馈至所述上级控制器，以供所述上级控制器实时调整所述燃料和所述氧化剂对应的数据（如需要补充的流量）。
在所述混合器设置可拆卸顶盖，便于内部通道的检查、清洗和维护。
通过本实施例的方案，不仅能更智能地对燃料和氧化剂的混合进行控制，还能保证气体混合得更充分以实现电堆快速升温的目的。
在本发明一些可能的实施方式中，所述将所述螺旋体设置为多层同轴套管结构，套管之间设置导流通道的步骤，包括：
在同一中心轴上，同心安装若干个不同直径的螺旋状金属管，形成多层螺旋套管；
在相邻的螺旋套管之间设置预先确定的轴向偏移（可以通过经验公式或大数据分析得到），偏移方向互相相反，偏移间隙形成气体流通的导流通道；
气体分别从所述多层螺旋套管的最内层和最外层的螺旋套管输入，在各螺旋套管间交替上行和下行，实现复杂流动与扰动混合。
在本实施例中，还可以通过确定套管数量、管径尺寸、间隙大小、偏移量等结构参数，可以优化混合效果；套管可以采用不同材料，如内层套管采用惰性材料，外层套管采用耐腐蚀材料；整体套管组装体两端用端盖密封；端盖上设有混合气体的进出口。
通过本实施的方案，可以进一步地对气体进行充分混合。
在本发明一些可能的实施方式中，还包括：
建立计算流体动力学模型，导入不同数量、大小的螺旋套管结构数据，进行气体流动和混合的数值仿真；
在仿真过程中，评价不同结构参数下的速度场、浓度场、混合程度指标，得到评价结果；
结合所述评价结果，利用优化算法（如遗传算法、粒子群算法等），以预设的混合效果为目标，迭代计算确定螺旋套管数量、尺寸、间隙这些结构参数的最佳匹配方案；
制作多组不同参数的螺旋套管示例，进行实际混合测试，验证测试和优化结果，确定最优结构参数组合；
建立经验模型，通过大量实验训练模型，基于经验数据确定影响混合效果的结构参数之间的映射关系。
在本实施例中，采用上述确定的最优参数组合，设计并定制多层螺旋套管式混合装置的零部件，可以高效且精确地进行气体混合。
在本发明一些可能的实施方式中，还包括：结合电化学模型和热力学模型建立精细化数学模型以仿真电堆低温启动过程，具体是：
收集电堆的结构参数数据，如单电池的几何尺寸、材料热物性参数、反应动力学参数等；
建立电堆的三维计算网格模型，精确描述几何结构，采用多物理场耦合理论，建立组合的电化学-热传递模型；
在模型中引入对MEA性能的精确描述，结合离子传导、电子传递、热传递、反应动力学等多物理过程建立多尺度模型；
利用有限元方法或差分方法对模型数值求解，仿真电堆在温度变化下的电流-电压特性、甲醛生成速率、温度分布等；
实验确定模型中相关参数，优化模型，提高预测精度，设计并仿真不同的加热方案，分析电堆的温度场，评价升温性能；
以仿真结果为基础，采用优化算法寻找最佳的加热策略和控制方法，以指导后续的测试与验证工作。
在本实施例中，通过建立并求解多物理耦合的精细化数学模型，有利于深入理解和分析电堆的低温启动特性，为改进提供理论依据。
在本发明一些可能的实施方式中，还包括在系统控制层面采用智能算法优化低温启动控制，具体实现方式是：
构建电堆启动动态模型，考虑温度、反应速率、甲醇突破等关键因素的动力学演化；
建立应对启动过程的多变量控制策略，选择启动时的增益系数、加热功率、氧气量等作为控制变量；
采用强化学习算法（如深度确定性政策梯度(DDPG)、深度Q网络(DQN)等）以模拟数据训练控制算法；
算法以最小化启动时间或提高温度上升率为奖励函数，通过试错逐步优化控制变量，达到控制效果最大化；
配合在线自适应调节机制，利用实时反馈数据进一步优化，实现对复杂动态过程的智能自适应控制。
在本实施例中，相比经验确定的控制策略，该方法可以缩短50%以上达标时间，大幅提升控制的适应性和鲁棒性。而且，通过模拟与线上混合的训练方式，构建自适应的神经网络控制器，可以持续优化低温启动控制，适用于多种工作条件。
在本发明一些可能的实施方式中，还包括在堆系统结构设计方面提高热效率，具体实现方法为：
采用微通道隔板，增大燃料电池中与隔板直接接触的区域（也就是电极区域或流场区域，隔板用于为电极提供气体输运和热管理）的热交换面积，提高集热效率；可以采用选择性激光烧结技术制备微通道，实现通道尺寸精细化控制；
采用细长型或三维立体构型的集热组件，增加单位体积内集热面积，减少热量径向扩散损失；
将再生型发热元件如加热丝集成到流场板中，实时补偿热损，并引入相变储热材料储存热量协同工作；
开发热波导技术，在平面上引入高导热度的热桥结构，促进热量快速散发到堆体关键区域，提升热效率；
堆系统管路设计方面，优化内集热器的配置，增大与电解质膜间接触面积，同时精心设计内壁结构，加速对流换热。
在本实施例中，通过计算流体动力学(CFD)仿真计算与热功率测试相结合，针对不同设计方案比较与评估热管理性能，为设计优化提供依据。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
上述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例上述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可轻易想到变化或替换，均可作各种更动与修改，包含上述不同功能、实施步骤的组合，包含软件和硬件的实施方式，均在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，包括：
获取环境温度T1；
当T1小于0℃时，获取电堆和冷却液小循环子系统的总热容参数q；
确定从T1升到T2温升ΔT的时间Δt；
获取燃料和氧化剂的第一参数；
根据所述第一参数，获取所述燃料和所述氧化剂在所述电堆中进行化学放热反应时最佳燃料和氧化剂的摩尔比例λ；
根据所述摩尔比例λ，获取所述燃料能够参与化学反应的效率η；
启动冷却液循环泵，使冷却液开始通过所述电堆循环；
根据q和ΔT，计算所需热量Q1=q*ΔT；
根据Q1和Δt，计算单位时间所需热量Q2=Q1/Δt；
获取所述燃料的摩尔热焓参数ΔH；
根据Q2、ΔH和η，计算所需所述燃料的流量m1=Q2/(ΔH*η）；
根据λ和m1，计算所需所述氧化剂的流量m2=m1/λ；
根据m1和m2，把所述燃料和所述氧化剂输入混合器，使两者混合得到混合气；
将所述混合气通过分别连接所述电堆的阳极腔室和阴极腔室的两个支管按λ1和λ2的比例分别通入所述阳极腔室和所述阴极腔室，其中，λ1+λ2=1；
检测冷却液在所述电堆出口和入口管路上的温度T3和T4，当T4达到T2时，停止向所述电堆输送燃料和氧化剂，电堆升温过程结束。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，所述根据m1和m2，把所述燃料和所述氧化剂输入混合器，使两者混合得到混合气的步骤，包括：
将流量为m1的所述燃料和流量为m2的所述氧化剂以阶梯流量的方式按预设的时间间隔Δt1输入，阶梯流量包括1到N个档次，流量在每个档次间等比例增加，增加比例为m1/N和m2/N，在第N个档次时，燃料和氧化剂的流量达到m1和m2。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，所述混合器包括燃料入口、氧化剂入口、混气结构、第一混合气出口和第二混合气出口；
将所述燃料和所述氧化剂分别通过所述燃料入口和所述氧化剂入口输入所述混气结构；
在所述混气结构内设置螺旋通道以便于所述燃料和所述氧化剂的充分混合得到混合气；
一部分混合气通过所述第一混合气出口进入所述阳极腔室进行化学反应，剩下的一部分混合气通过所述第二混合气出口进入所述阴极腔室进行化学反应。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，所述螺旋通道为螺旋状且中空的螺旋体，所述螺旋体的材质为柔性导电金属，所述螺旋通道的内径和螺距根据所述混合气体的流量和速度确定；
将所述螺旋体连接所述燃料入口和所述氧化剂入口；
在所述外壳和所述螺旋体间加设电场以利用离子风效应促进气体混合。
5.根据权利要求4所述的用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，将所述螺旋体设置为多层同轴套管结构，套管之间设置导流通道。
6.根据权利要求5所述的用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，在所述混气结构中设置混合容器；
将所述混合容器的一端连接所述螺旋体；
将所述混合容器的另一端连接所述第一混合气出口和所述第二混合气出口；
在所述混合容器内设置金属叶片，所述金属叶片在进入的气体的作用下旋转，将气体进行混合。
7.根据权利要求6所述的用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，在所述混气结构中，所述螺旋体和所述混合容器均为多个；
多个所述螺旋体和多个所述混合容器间隔连接，最后一个所述混合容器的一端连接前一个所述螺旋体，另一端连接所述第一混合气出口和所述第二混合气出口，使得所述燃料和所述氧化剂在多个所述螺旋体和多个所述混合容器顺序流经后实现均匀混合。
8.根据权利要求7所述的用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，在所述混合器设置温度传感器、压强传感器和质量流量计；
分别通过所述温度传感器、所述压强传感器和所述质量流量计实时监测所述混合气的温度值、压力值和流量值，并将所述温度值、所述压力值和所述流量值与上级控制器相连；
将所述第一混合气出口和所述第二混合气出口的开度面积比设置为λ1:λ2；
在所述混合器入口处设置过滤器，对输入的所述燃料和所述氧化剂进行过滤，防止杂质进入所述混合器；
将过滤器数据反馈至所述上级控制器，以供所述上级控制器实时调整所述燃料和所述氧化剂对应的数据。
9.根据权利要求8所述的用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，所述将所述螺旋体设置为多层同轴套管结构，套管之间设置导流通道的步骤，包括：
在同一中心轴上，同心安装若干个不同直径的螺旋状金属管，形成多层螺旋套管；
在相邻的螺旋套管之间设置预先确定的轴向偏移，偏移方向互相相反，偏移间隙形成气体流通的导流通道；
气体分别从所述多层螺旋套管的最内层和最外层的螺旋套管输入，在各螺旋套管间交替上行和下行，实现复杂流动与扰动混合。
10.根据权利要求9所述的用于燃料电池堆的快速升温方法，其特征在于，还包括：
建立计算流体动力学模型，导入不同数量、大小的螺旋套管结构数据，进行气体流动和混合的数值仿真；
在仿真过程中，评价不同结构参数下的速度场、浓度场、混合程度指标，得到评价结果；
结合所述评价结果，利用优化算法，以预设的混合效果为目标，迭代计算确定螺旋套管数量、尺寸、间隙这些结构参数的最佳匹配方案；
制作多组不同参数的螺旋套管示例，进行实际混合测试，验证测试和优化结果，确定最优结构参数组合；
通过实验训练模型，基于经验数据确定影响混合效果的结构参数之间的映射关系。
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