本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種燃料電池低溫啟動控制方法。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、不產(chǎn)生噪音等優(yōu)點(diǎn)，成為解決環(huán)境污染和能源枯竭問題的首選動力源。

質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)在工作時(shí)內(nèi)部有大量的水，包括反應(yīng)生成的水、反應(yīng)過程加濕用水等。質(zhì)子交換膜燃料電池在低溫環(huán)境下由于電池內(nèi)部液態(tài)水結(jié)冰，可能使得啟動困難，延長啟動時(shí)間，破壞膜電極(mea)結(jié)構(gòu)。

為保證成功啟動，電堆因此需要預(yù)熱升溫，希望啟動過程消耗最少的能量、最短的時(shí)間，同時(shí)對電堆材料部件及結(jié)構(gòu)沒有損傷。

公開號為cn102386430a的中國專利申請《能夠低溫保存和低溫啟動的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)》通過停機(jī)吹掃除水對燃料電池進(jìn)行低溫保存，在啟動時(shí)加熱冷卻水小循環(huán)對燃料電池堆進(jìn)行升溫。該技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，但是啟動速度較慢。

專利zl201310720665.5公布了一種分級預(yù)熱功能的燃料電池低溫啟動系統(tǒng)及方法，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)不同部件工質(zhì)熱容的不同和對啟動時(shí)溫度要求的不同分別對燃料電池堆不同部件進(jìn)行預(yù)熱升溫，使燃料電池快速預(yù)熱，不會導(dǎo)致溫度梯度過大而損傷燃料電池堆，使燃料電池系統(tǒng)在零度以下的環(huán)境中快速啟動。這種分級預(yù)熱沒有考慮環(huán)境溫度的差異對電堆預(yù)熱升溫方式的影響，可能多消耗能量，并影響電堆壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對燃料電池堆加熱方式?jīng)]有考慮環(huán)境溫度差異導(dǎo)致燃料電池堆預(yù)熱耗能大以及啟動速度慢的缺陷，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池快速安全啟動的分級式溫度控制方法。

為達(dá)到上述目的，采用技術(shù)方案如下：

一種燃料電池系統(tǒng)，包括電堆、測量電堆溫度的傳感器、燃料供給系統(tǒng)、氧化劑供給系、冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、電堆功率輸出電路、外熱源加熱系統(tǒng)、內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)以及總控制系統(tǒng)；其中，所述外熱源加熱系統(tǒng)利用加熱絲對電堆直接加熱或冷卻介質(zhì)升溫后循環(huán)加熱電堆或空氣升溫后加熱電堆的方式；所述內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)利用電堆電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱或者利用氫氧在電堆內(nèi)部的催化燃燒產(chǎn)生的熱。

上述燃料電池系統(tǒng)低溫啟動分級預(yù)熱控制方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)電堆mea材料的特性，測定mea中水結(jié)晶過冷度和誘導(dǎo)時(shí)間之間的關(guān)系圖；通過差示掃描量熱法，在一定的過冷度下，測定出mea的熱流率、溫度隨時(shí)間的變化曲線，然后通過這個(gè)曲線得出此過冷度下的誘導(dǎo)時(shí)間，最后求出不同過冷度下對應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間，得出mea中水結(jié)晶過冷度和誘導(dǎo)時(shí)間之間的關(guān)系圖；同時(shí)計(jì)算電堆熱容；

2)通過溫度傳感器檢測電堆溫度t(℃)，計(jì)算電堆過冷度△t(℃)，其中△t＝0-t；根據(jù)過冷度△t以及過冷度和誘導(dǎo)時(shí)間的關(guān)系圖，確定誘導(dǎo)時(shí)間τ；

3)由電堆的mea的材料特性及系統(tǒng)啟動時(shí)間，確定預(yù)熱分級溫度t0(℃)，△t0＝0-t0；其中t0在-15℃到-25℃之間；

當(dāng)△t≥△t0時(shí)，

利用外熱源加熱系統(tǒng)對電堆進(jìn)行初級預(yù)熱升溫；并根據(jù)啟動時(shí)間t要求、電堆熱容和誘導(dǎo)時(shí)間τ的大小，確定預(yù)熱強(qiáng)度；

當(dāng)△t＜△t0時(shí)，

利用內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)使得電堆溫度升高；

4)電堆逐漸加載、升溫，各子系統(tǒng)逐漸投入運(yùn)行，最后至正常運(yùn)行狀態(tài)。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：

本發(fā)明基于燃料電池多孔膜電極材料中液態(tài)水的相變特征，即過冷度和受多孔介質(zhì)材料組份以及微孔結(jié)構(gòu)影響的液態(tài)水結(jié)冰的誘導(dǎo)時(shí)間的變化關(guān)系，根據(jù)燃料電池低溫啟動的環(huán)境溫度，確定電堆的預(yù)熱方式，確保電堆安全、快速、高效啟動，延長電堆耐久性。

附圖說明

圖1：燃料電池系統(tǒng)組成圖；

圖2：液態(tài)水晶核生成率與接觸角、過冷度的關(guān)系；

圖3：mea部件液態(tài)水相變過冷度與誘導(dǎo)時(shí)間關(guān)系；

圖1中，1為氫氣進(jìn)氣閥，2為空氣進(jìn)氣閥，3為換熱器，4為循環(huán)泵，5為繼電器，6為載荷，7為溫度傳感器，8為控制器，9為電堆。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例進(jìn)一步闡釋本發(fā)明的技術(shù)方案，但不作為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

燃料電池系統(tǒng)包括電堆、測量電堆溫度的傳感器、燃料供給系統(tǒng)、氧化劑供給系、冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、電堆功率輸出電路、外熱源加熱系統(tǒng)、內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)以及總控制系統(tǒng)。如圖1所示，當(dāng)啟動開始，溫度傳感器7監(jiān)測到電池溫度t，經(jīng)過控制器8判斷進(jìn)行外熱源加熱或者內(nèi)熱源加熱。當(dāng)采用外熱源加熱時(shí)，控制器8控制循環(huán)泵4開始工作，冷卻介質(zhì)通過換熱器3進(jìn)行換熱升溫，然后進(jìn)入到電堆9對電堆進(jìn)行外熱源加熱。當(dāng)采用內(nèi)部熱源加熱時(shí)，控制器8控制氫氣進(jìn)氣閥1和空氣進(jìn)氣閥2，將一定量的空氣和氫氣通入電池，并且打開繼電器5，給一定的負(fù)載6，進(jìn)行內(nèi)熱源加熱。

燃料電池系統(tǒng)膜電極材料部件因?yàn)椴牧辖M份親疏水性及微孔結(jié)構(gòu)的不同，在低溫環(huán)境下，其中的液態(tài)水從出現(xiàn)中到結(jié)冰會發(fā)生延遲，即存在一個(gè)相變動力學(xué)誘導(dǎo)時(shí)間，不同的過冷度所以對應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間也不同：

其中，t是電堆溫度，τg是時(shí)間常數(shù)，j(t)液態(tài)水結(jié)晶晶核形成率，△t是過冷度，v0是液態(tài)水的體積，a、b是和材料組份物性及微孔結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。實(shí)際的水結(jié)晶過冷度和誘導(dǎo)時(shí)間之間的關(guān)系圖是通過實(shí)驗(yàn)測得，上述公式提供理論基礎(chǔ)，引出誘導(dǎo)時(shí)間，正因?yàn)橛羞@個(gè)誘導(dǎo)時(shí)間的存在，預(yù)熱分級控制方法才得以成立。

所述電堆mea材料部件中液態(tài)水結(jié)晶時(shí)晶核生成率與過冷度、材料親疏水性關(guān)系如圖2所示，它影響水結(jié)晶的誘導(dǎo)時(shí)間。圖2對于分級預(yù)熱的控制具體實(shí)行沒有影響，僅輔助說明了mea材料的不同和過冷度的不同會影響晶核生成率，以及影響的大致趨勢。同時(shí)mea中水結(jié)晶過冷度和誘導(dǎo)時(shí)間之間的關(guān)系圖如圖3所示，具體的關(guān)系圖通過測定得到。通過差示掃描量熱法，在一定的過冷度下，測定出mea的熱流率、溫度隨時(shí)間的變化曲線，然后通過這個(gè)曲線得出此過冷度下的誘導(dǎo)時(shí)間，最后求出不同過冷度下對應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間，得出mea中水結(jié)晶過冷度和誘導(dǎo)時(shí)間之間的關(guān)系圖。

燃料電池系統(tǒng)在溫度為t0的零下環(huán)境下啟動，為過冷度為△t0＝0-t0，mea零部件中液態(tài)水相變對應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間為τ0。從圖2可知，在△t不是太大時(shí)，例如為△t1時(shí)，τ1足夠長，電堆可直接發(fā)電，也產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的水不會結(jié)冰，同時(shí)存在足夠長的時(shí)間使得電堆積累熱量提升溫度，最終啟動成功。

當(dāng)燃料電池系統(tǒng)在溫度為t2的零下環(huán)境下啟動、△t2＝0-t2過大時(shí)，對應(yīng)的τ2非常短暫，mea中如果存在液態(tài)水會即刻結(jié)冰，堵塞氧氣傳輸通道，同時(shí)可能破壞mea微結(jié)構(gòu)。因此適于用外熱源加熱系統(tǒng)對電堆進(jìn)行初級預(yù)熱，使溫度升到t0，之后電堆才直接發(fā)電，產(chǎn)生熱量，對電堆進(jìn)行內(nèi)部熱源加熱，這樣保證產(chǎn)生的水不會結(jié)冰，又減少外部能耗。

根據(jù)電堆溫度的不同、燃料電池系統(tǒng)的熱容不同、mea材料的不同和對啟動時(shí)溫度要求的不同，進(jìn)行分級加熱及溫度控制，具體包括以下步驟：

根據(jù)電堆mea材料特性，測量mea中水結(jié)晶過冷度和誘導(dǎo)時(shí)間之間的關(guān)系圖；同時(shí)計(jì)算電堆熱容。

通過溫度傳感器檢測電堆溫度t(℃)，計(jì)算電堆過冷度△t(℃)，其中△t＝0-t。根據(jù)測定的過冷度以及過冷度和誘導(dǎo)時(shí)間的關(guān)系圖，確定誘導(dǎo)時(shí)間τ。

由電堆的mea材料特性及系統(tǒng)啟動時(shí)間，確定預(yù)熱分級溫度t0(℃)，計(jì)算△t0＝0-t0。預(yù)熱分級溫度t0，在-15℃到-25℃之間，由電堆mea材料及系統(tǒng)啟動時(shí)間要求確定。按照誘導(dǎo)時(shí)間和啟動時(shí)間越小，預(yù)熱分級溫度越小的原則，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最后確定一個(gè)具體的預(yù)熱分級溫度t0。

當(dāng)△t≥△t0時(shí)，

利用外熱源加熱系統(tǒng)對電堆進(jìn)行初級預(yù)熱升溫，包括利用加熱絲對電堆直接加熱或冷卻介質(zhì)升溫后循環(huán)加熱電堆或空氣升溫后加熱電堆的方式。并根據(jù)啟動時(shí)間t要求、電堆熱容和誘導(dǎo)時(shí)間τ的大小，確定預(yù)熱強(qiáng)度，即加熱量的值(kj/s)。

當(dāng)△t＜△t0時(shí)，

利用內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)使得電堆溫度升高，包括利用電堆電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱或者利用氫氧在電堆內(nèi)部的催化燃燒產(chǎn)生的熱。即通入氫氣、空氣，開始輸出功率同時(shí)也使得電堆溫度升高。

例如，確定分級預(yù)熱分級溫度t0為-20℃時(shí)，△t0＝20℃，

當(dāng)在環(huán)境溫度為-15℃條件下啟動時(shí)，電堆初始溫度為-15℃，對應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間為10-60s，△t＜△t0，可以直接采用內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)，通入氫氣、空氣，開始輸出功率同時(shí)也使得電堆溫度升高啟動成功，既減少外部能量消耗，也可以保證電堆耐久性。

當(dāng)在環(huán)境溫度為-30℃條件下啟動時(shí)，電堆初始溫度為-30℃，此時(shí)對應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間小于1s，△t≥△t0，因此首先利用外熱源加熱系統(tǒng)對電堆進(jìn)行初級預(yù)熱升溫，電池升溫到達(dá)-20℃，然后再用內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)通入氫氣、空氣，開始輸出功率同時(shí)也使得電堆溫度升高啟動成功，盡可能減少外部能量消耗，同時(shí)保證電堆耐久性。