一種車載金屬雙極板燃料電池低溫啟動控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，特別是一種車載金屬雙極板燃料電池低溫啟動控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種以氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑，將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學發(fā)電裝置，具有比能量高、噪音小、無污染、零排放和能量轉(zhuǎn)換效率高等特點。它被公認為是繼火電、水電和核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)，可用于新能源汽車、備用電源、水下電源、航空電源、固定電站、便攜式電源等諸多領(lǐng)域。
[0003]世界各國及各大汽車公司都瞄準在2015年實現(xiàn)燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。2013年I月24日，在燃料電池車處于領(lǐng)先地位的日本豐田公司，與德國寶馬公司達成協(xié)議，雙方將共同開發(fā)燃料電池汽車技術(shù)。4天后的I月28日，日產(chǎn)雷諾集團、德國戴姆勒及美國福特汽車宣布合作，盡快實現(xiàn)燃料電池汽車量產(chǎn)普及。2013年7月2日日本本田和美國通用汽車正式宣布，將在燃料電池車等領(lǐng)域開展合作，在2020年前合作開發(fā)下一代燃料電池系統(tǒng)和氫儲存技術(shù)。2013年2月，韓國現(xiàn)代汽車公司推出了途勝ix35燃料電池汽車，續(xù)航里程達600公里，時速可達160公里。現(xiàn)代公司還表示，未來兩年里將生產(chǎn)1000輛ix35氫燃料版投放使用。本田公司在2011年的東京車展展出FCV-R燃料電池汽車，這款車一次充滿燃料的續(xù)航里程達至IJ700公里，其能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2到3倍，燃料電池車的續(xù)航時間為純電動車5倍左右。其加注燃料時間較短，而電動車需耗費8小時左右充滿電量。其單價將從百萬美元級別削減至約5萬美元，減少95%左右。豐田公司的Mirai燃料電池汽車已于2014年12月上市，巡航里程達500公里。
[0004]由于車輛對燃料電池的體積、重量要求非常嚴格，體積小、重量輕、功率密度大的金屬雙極板燃料電池是車用燃料電池的重要發(fā)展方向，豐田公司的Mirai燃料電池汽車用的就是金屬雙極板燃料電池，世界各大汽車公司及研究機構(gòu)正在大力開展車用金屬雙極板燃料電池研發(fā)。
[0005]低溫啟動技術(shù)是燃料電池汽車量產(chǎn)的重要瓶頸之一。車用燃料電池的最佳運行穩(wěn)定在65°C作用，而其環(huán)境溫度變化范圍非常大，要求能在_40°C環(huán)境下快速啟動并運行。燃料電池催化劑在-40°C環(huán)境下幾乎沒有活性，難以正常發(fā)電，必須設(shè)計低溫啟動控制系統(tǒng)使得燃料電池的溫度快速上升。
[0006]車用金屬雙極板燃料電池電堆一般由上百片，甚至數(shù)百片單電池串聯(lián)而成。每片電池的核心組件是膜電極，膜電極兩端加上金屬極板即構(gòu)成單電池，因此燃料電池電堆每片電池之間都有雙極板。
[0007]現(xiàn)有的燃料電池低溫啟動方法主要有氫氣直接氧化放熱法、氫氧燃燒放熱法、循環(huán)水加熱法等，這些方法效率不高，啟動速度慢，而且系統(tǒng)龐大，難以在車輛上使用，必須尋求一種高效、綜合的車載燃料電池低溫啟動方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明旨在提供一種車載金屬雙極板燃料電池低溫快速啟動控制系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)燃料電池在低至_40°C低溫時的快速啟動，為燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0010]—種車載金屬雙極板燃料電池低溫啟動控制系統(tǒng)，包括控制器，燃料電池電堆，空氣供給單元，氫氣供給單元，溫度控制單元，選通開關(guān)P，選通開關(guān)N，雙向DC/DC變換器，車載蓄電池。燃料電池電堆金屬雙極板依次獨立接入選通開關(guān)P的一端，選通開關(guān)P的另一端均與雙向DC/DC變換器一端的正極相連;各金屬雙極板上另取一點，依次獨立接入選通開關(guān)N的一端，選通開關(guān)N的另一端均與雙向DC/DC變換器一端的負極相連。雙向DC/DC變換器的另一端并聯(lián)連接車載蓄電池和負載?？諝夤┙o單元、氫氣供給單元、溫度控制單元分別接入燃料電池電堆對應的端口?？刂破餍盘柧€及控制線與選通開關(guān)P、選通開關(guān)N、雙向DC/DC變換器、空氣供給單元、氫氣供給單元和溫度控制單元相連。控制器通過控制金屬雙極板通電產(chǎn)生熱能、溫度控制單元加熱器產(chǎn)生熱能、空氣供給單元輸入熱空氣產(chǎn)生熱能、氫氣與空氣中的氧氣在燃料電池電堆氫氣流道內(nèi)發(fā)生電化學反應產(chǎn)生熱能等四種方式對燃料電池電堆加熱，使得其溫度快速上升，實現(xiàn)低溫啟動。
[0011]所述控制器閉合選通開關(guān)P及選通開關(guān)N，將金屬雙極板全部并聯(lián)接入雙向DC/DC變換器，控制雙向DC/DC變換器由車載蓄電池向金屬雙極板恒流供電，電流流過金屬雙極板產(chǎn)生熱能，使得金屬雙極板及與之接觸的膜電極溫度上升。
[0012]所述控制器控制空氣供給單元空氣流量達最大值，開通空氣供給單元的電磁閥，同時向燃料電池電堆空氣流道和氫氣流道供給空壓機輸出的熱空氣，并控制氫氣以不大于空氣流量3%的流量流出氫氣供給單元，使得氫氣與空氣的混合氣體通入燃料電池膜電極陽極，在每片膜電極陽極催化劑作用下發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生熱能。
[0013]所述控制器控制溫度控制單元循環(huán)水栗運行，開啟加熱器，低溫下水流經(jīng)循環(huán)水栗、節(jié)溫器、加熱器后進入燃料電池電堆，不經(jīng)過散熱器和水箱。溫度上升到設(shè)定閾值后，加熱器停止加熱，節(jié)溫器自動關(guān)閉流經(jīng)加熱器的通道，開啟流經(jīng)散熱器的通道，水流經(jīng)循環(huán)水栗、節(jié)溫器、散熱器和水箱后進入燃料電池電堆。
[0014]所述空氣供給單元通向氫氣供給單元的管路裝有單向閥，所述氫氣供給單元經(jīng)單向閥后再與空氣供給單元管路匯接。
[0015]所述燃料電池電堆溫度低于啟動閾值時，所述的金屬雙極板通電加熱、熱空氣及氫氧電化學反應加熱、溫度控制單元加熱同時啟用，使得燃料電池電堆溫度快速上升。燃料電池電堆溫度達到啟動后，所述控制器斷開選通開關(guān)P和選通開關(guān)N，停止雙向DC/DC變換器，停止金屬雙極板通電加熱；關(guān)閉空氣供給單元電磁閥，停止向氫氣供給單元輸送空氣；按正常啟動方式調(diào)大氫氣供給單元氫氣流量，使燃料電池工作于發(fā)電狀態(tài)。控制器閉合選通開關(guān)P與燃料電池正極相連的開關(guān)Spk及選通開關(guān)N與燃料電池負極相連的開關(guān)Snl，將燃料電池電堆正負極接入雙向DC/DC變換器，控制器控制雙向DC/DC變換器從燃料電池電堆取電，向負載供電或向車載蓄電池充電。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點是:(I)能夠明顯縮短金屬雙極板燃料電池的低溫啟動時間。(2)在車載燃料電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和控制策略即可實現(xiàn)，不需要增加核心部件，結(jié)構(gòu)緊湊，應用成本低。
[0017]通過以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明的實施例。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的原理圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明一種車載金屬雙極板燃料電池低溫啟動控制系統(tǒng)控制器，燃料電池電堆，空氣供給單元，氫氣供給單元，溫度控制單元，選通開關(guān)P，選通開關(guān)N，雙向DC/DC變換器，車載蓄電池。
[0021]所述燃料電池電堆金屬雙極板依次獨立接入選通開關(guān)P的一端，選通開關(guān)P的另一端均與雙向DC/DC變換器一端的正極相連;各金屬雙極板上另取一點，依次獨立接入選通開關(guān)N的一端，選通開關(guān)N的另一