一種燃料電池系統(tǒng)的低溫啟動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種可實(shí)現(xiàn)低溫啟動(dòng)的燃料電池系統(tǒng)的控制方法
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池(下稱燃料電池)以氫氣、空氣(或氧氣)為反應(yīng)原料，在對(duì)外供能的過(guò)程中生成產(chǎn)物水，并釋放熱量。作為高效、潔凈的能源轉(zhuǎn)換裝置，燃料電池應(yīng)用于車用動(dòng)力系統(tǒng)，需要滿足適應(yīng)低溫環(huán)境的應(yīng)用要求。燃料電池在運(yùn)行過(guò)程中生成產(chǎn)物水，并且，其質(zhì)子交換膜需要保證一定的含水量，以實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的質(zhì)子傳導(dǎo)過(guò)程。因此，燃料電池在低溫(低于0°C)環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，停車及再次啟動(dòng)時(shí)面臨著如何處理電池內(nèi)部水量以及如何獲取熱量實(shí)現(xiàn)升溫的問(wèn)題。
[0003]目前，關(guān)于燃料電池低溫啟動(dòng)的相關(guān)專利主要對(duì)啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)停車過(guò)程少有描述。如，中國(guó)專利CN 100527510C提供一種采用附加直流電源以實(shí)現(xiàn)低溫啟動(dòng)的燃料電池裝置及方法，在低溫啟動(dòng)時(shí)采用附加直流電源實(shí)現(xiàn)電池的升溫，中國(guó)專利CN102386430 B提供了一種涉及三組電加熱絲及兩組水栗等的燃料電池系統(tǒng)及低溫啟動(dòng)方法，通過(guò)控制循環(huán)水的流量及加熱的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低溫啟動(dòng)，中國(guó)專利CN 202712345U則提供了一種含有空氣加熱絲結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)電池的低溫啟動(dòng)，上述專利均對(duì)低溫啟動(dòng)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹及說(shuō)明，僅有CN 100527510C及CN202712345 U在提供一種低溫啟動(dòng)的燃料電池裝置及方法時(shí)，簡(jiǎn)單提及在系統(tǒng)停車后需要采用空氣或氮?dú)鈱?duì)燃料電池陰極及陽(yáng)極流場(chǎng)進(jìn)行吹掃，以去除電池內(nèi)部殘留水。
[0004]上述專利所提供的低溫啟動(dòng)裝置及方法，均是在存在輔助電源或加熱部件的情況下實(shí)現(xiàn)的低溫啟動(dòng)，上述方法的缺點(diǎn)在于增加了輔助啟動(dòng)的部件，也增加了燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時(shí)附加的電源及加熱部件也增加了燃料電池系統(tǒng)在低溫啟動(dòng)過(guò)程中的輔助能量消耗，即:提供的方法并非利用電堆的自放熱所實(shí)現(xiàn)的無(wú)輔助低溫啟動(dòng)，而且方法缺乏對(duì)停車后的后處理過(guò)程的控制。需要重視的是，電池需要在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無(wú)輔助的自啟動(dòng)，不僅需要設(shè)計(jì)燃料電池系統(tǒng)及啟動(dòng)過(guò)程的控制方法，其啟動(dòng)前的上一次停車的處理過(guò)程也至關(guān)重要，上述專利所提供的方法中，并未提供對(duì)應(yīng)的低溫停車方法，而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，缺乏針對(duì)性的停車控制方法，停車后的低溫環(huán)境極易造成電池的膜電極損傷，導(dǎo)致低溫啟動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種燃料電池系統(tǒng)的低溫啟動(dòng)控制方法，即:一種在低溫環(huán)境下自停車至下一次啟動(dòng)過(guò)程的控制方法，適用于燃料電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的停車及再次啟動(dòng)。
[0006]本發(fā)明的目的還在于燃料電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的無(wú)輔助啟動(dòng)，即無(wú)需外部能源或熱量，僅通過(guò)燃料電池發(fā)生反應(yīng)的熱量實(shí)現(xiàn)其溫度的升高。
[0007]本發(fā)明包括燃料電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)輔助低溫啟動(dòng)相應(yīng)的快速停車處理方法及快速啟動(dòng)控制方法。
[0008]燃料電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的無(wú)輔助自啟動(dòng)過(guò)程，需滿足的條件為:燃料電池自身反應(yīng)可釋放出足夠的熱量(考慮對(duì)環(huán)境的熱散失)，使燃料電池自身及其循環(huán)系統(tǒng)的冷卻液溫度升高至0°C以上。而為保障啟動(dòng)時(shí)燃料電池可運(yùn)行，需保證燃料電池在啟動(dòng)初始具有恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，其關(guān)鍵在于，燃料電池內(nèi)部的氣體傳輸通道未被阻塞，且質(zhì)子交換膜含有適量的水能保證質(zhì)子傳輸。因此，在低溫環(huán)境下燃料電池系統(tǒng)的停車后處理過(guò)程至關(guān)重要，其關(guān)鍵在于，對(duì)于電池內(nèi)部液態(tài)水的處理要適度，既要除去參與在電池內(nèi)部的液態(tài)水，防止水結(jié)冰阻塞流場(chǎng)及氣體擴(kuò)散層的反應(yīng)氣傳輸通道，還能保證燃料電池內(nèi)質(zhì)子交換膜具有適當(dāng)?shù)暮?，以保證再次啟動(dòng)時(shí)燃料電池的質(zhì)子交換膜具有適當(dāng)?shù)馁|(zhì)子傳導(dǎo)能力，即:燃料電池系統(tǒng)停車后處理要做到對(duì)電池內(nèi)部水的可控，使其處于可再次啟動(dòng)的恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。
[0009]對(duì)于燃料電池系統(tǒng)，通常采用的燃料電池為多節(jié)單池組裝而成的燃料電池電堆，低溫環(huán)境停車后，采用一定量的氣體進(jìn)行吹掃以除去液態(tài)水為常用的低溫停車處理方法。然而，對(duì)于燃料電池電堆，由于節(jié)數(shù)較多(通常超過(guò)100節(jié))，吹掃過(guò)程中很難保證各節(jié)單池處于相同的含水狀態(tài)，極易造成不同位置單池的干濕差異，出現(xiàn)部分單池仍有液態(tài)水殘留而部分單池其質(zhì)子交換膜已經(jīng)失水的狀態(tài)，從而導(dǎo)致再次啟動(dòng)無(wú)法正常進(jìn)行。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種燃料電池系統(tǒng)的低溫啟動(dòng)控制方法，包括以下步驟:
[0011]A、停車控制
[0012]燃料電池系統(tǒng)停車時(shí)，采用高反應(yīng)氣供應(yīng)量、低電流間歇加載的方式，對(duì)燃料電池內(nèi)部液態(tài)水進(jìn)行處理，具體步驟如下:
[0013]按照電流密度isp。給定燃料電池的反應(yīng)氣流量，并按照電流密度i spl進(jìn)行間歇式加載，同時(shí)檢測(cè)加載時(shí)燃料電池電堆單節(jié)電池的電壓值，當(dāng)加載過(guò)程中，燃料電池電堆中單節(jié)電池平均電壓處于0.50-0.65V時(shí)，燃料電池停車處理完成；所述的電流密度isp。為200_500mA/cm2，電流密度 ispl為 50_150mA/cm2;
[0014]B、啟動(dòng)控制
[0015]按照電流密度ist。給定燃料電池的反應(yīng)氣流量，按照i stl作為起始電流密度開始加載，并逐步加載至電流密度ist(]，隨后維持燃料電池于電流密度ist(]運(yùn)行，并脈沖開啟冷卻液循環(huán)，當(dāng)在冷卻液循環(huán)開啟過(guò)程中，檢測(cè)燃料電池電堆冷卻液循環(huán)進(jìn)出口溫度均上升至o°c以上時(shí)，燃料電池自升溫?zé)釞C(jī)過(guò)程結(jié)束，燃料電池可進(jìn)入正常開機(jī)過(guò)程；
[0016]所述的電流密度ist。為 200-500mA/cm 2，電流密度 istl為 50_150mA/cm 2。
[0017]本發(fā)明所述的間歇式加載，其加載時(shí)間周期h。?為5_608，其卸載時(shí)間周期h。?為5-60s ;所述的脈沖開啟冷卻液循環(huán)，其開啟時(shí)間周期t。。?為l-5s區(qū)間范圍，其關(guān)閉時(shí)間周期 tc off為 5-20so
[0018]本發(fā)明所述的電流密度istl<電流密度i spl，電流密度ist。多電流密度i sp。。
[0019]本發(fā)明所述的反應(yīng)氣為氫氣或空氣。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021 ] 1、本發(fā)明在停車控制時(shí)，維持燃料電池處于較大的反應(yīng)氣供應(yīng)量，可以起到吹掃的作用，除去燃料電池內(nèi)部殘余的液態(tài)水，而同時(shí)維持燃料電池處于較低的間歇加載電流，又可以對(duì)燃料電池的質(zhì)子