燃料电池系统及其低温停机过程的制作方法

1.本发明是关于车用燃料电池系统的低温停机控制技术领域，特别是关于一种燃料电池系统及其低温停机过程。


背景技术：

2.燃料电池系统是用于一种新能源汽车用的动力系统，以氢气作为燃料，空气作为氧化剂，产生电能的动力装置，排放物仅为水和热量。燃料电池系统包括核心零部件(燃料电池电堆)、电辅件(空压机、增湿器、传感器、氢气循环泵、喷射器、阀类零件、dcdc等)、热管理系统零部件(阳极热交换器、中冷器、节温器等)、连接的管路接头、机械结构等。
3.燃料电池系统中最核心零部件，燃料电池电堆，是利用燃料氢气和氧化剂空气的电化学反应产生电能的电化学装置，燃料电池电堆阳极发生氢气的氧化反应，阴极发生空气的还原反应。燃料电池电堆不同于传统内燃机，通过电化学反应产生电能，其工作耐久性受到运行工况影响较大。特别是在低温环境下运行，通常对燃料电池系统的耐久性影响较大。比如，低温停机过程中，如果没有将燃料电池电堆中的自由水尽可能的排除，这部分水将在燃料电池电堆中结冰，结冰将减少燃料电池电堆中膜电极的有效反应面积，影响低温停机后下一次低温启动。燃料电池电堆内的膜电极反复结冰及融冰，会使得膜电极的机械应力反复变化，也会对燃料电池电堆的寿命造成影响。所以，低温停机过程中，需要将燃料电池电堆中的水尽量的吹干，减少燃料电池电堆中结冰，以降低对下一次低温起动的影响。
4.现有的燃料电池系统低温停机过程及吹扫策略及方案如下：
5.1、通过监控吹扫过程中的欧姆电阻变化，实施常流量、常压吹扫。如cn 112436164 a，燃料电池低温吹扫控制、系统及存储介质，以及cn 112366336 a，一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法。低温停机过程的吹扫过程，通过温度区间和电堆欧姆阻抗值，来确定吹扫的流量和压力，执行常流量、压力的吹扫过程。吹扫后，达到特定条件，则停机。此类专利方法，吹扫过程比较简单，采用常压、常流量的吹扫方式，吹扫效率有进步空间，且吹扫过程没有进行温度控制。另外，需要继承欧姆阻抗值测试的设备，增加了燃料电池系统的复杂度。
6.2、通过监控吹扫过程中的氢气浓度及欧姆电阻变化，实施常流量、常压吹扫。如cn 113629274 a，一种燃料电池系统停机吹扫控制方法及装置。该专利提出的吹扫方式，依靠同时检测氢气浓度和燃料电池电堆阻抗是否达到预设值，确认执行吹扫的过程。吹扫后，判断停机吹扫结束。此专利方法，涉及到燃料电池电堆入口氢气浓度测试，需要增加集成一个氢气浓度的传感器，增加了燃料电池系统的复杂度。氢气浓度传感器目前应用较少，方案成熟度较差。
7.3、通过监控热管理系统温度变化，实施常流量、常压吹扫。如cn 113629277 a一种燃料电池系统及其停机吹扫方法，以及cn 113299946 a，燃料电池停机工况热管理方法及装置。通过ptc加热或者加热膜加热的方式，控制吹扫过程中的燃料电池电堆温度，使燃料电池系统执行一定时间的常压、常流量吹扫后，结束吹扫过程。此类专利方法，提出的低温
吹扫过程方式通常通过吹扫时间作为吹扫结束的判断依据，因为无直接的监控量，比较依赖经验，精确控制吹扫的难度比较大。
8.4、通过监控燃料电池电堆电压变化，实施常流量、常压吹扫。如cn 111952636 a，一种车用燃料电池系统低温吹扫过程方法，以及cn 111403780a，一种燃料电池系统的停机处理方法及装置。通过燃料电池电堆电压与基准电压的比较，判断吹扫是否充分，执行多段或者一段吹扫过程。其中，cn 111403780 a提出的专利方法中也涉及了停机过程中燃料电池电堆热管理控制。此类专利提出的吹扫方法，仍然采用常压、常流量的吹扫方式，吹扫效率有进步空间。
9.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，其提供一种燃料电池系统能够在低温环境下顺利完成停机。
11.本发明的另一目的在于提供一种燃料电池系统的低温停机过程，其通过降载、吹扫、放电、关停等过程及控制策略，优化低温停机过程进行分阶段吹扫，进行吹扫效率的提升，且提高了低温停机过程中排水的效率，降低因燃料电池电堆中剩余水结冰对下一次起动的影响。
12.为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统，包括氢气子系统以及空气子系统；氢气子系统包括氢气罐、关断阀、氢气喷射引射器、燃料电池电堆及排气阀和排水阀；氢气罐用于储存氢气；关断阀的入口与氢气罐连通；氢气喷射引射器的入口与关断阀的出口连通；燃料电池电堆的阴极腔入口与氢气喷射引射器的出口连通，阴极腔出口与氢气喷射引射器的循环入口连通；排气阀和排水阀的入口同时与阴极腔出口连通，排气阀和排水阀的出口同时连通燃料电池系统的尾排管；空气子系统包括空压机、中冷器、空气三通阀及背压阀；空压机用以提供高压空气；中冷器的气体入口与空压机的出口连通；空气三通阀入口与中冷器的气体出口连通，空气三通阀的第一出口与燃料电池电堆的阳极腔入口连通；背压阀的入口与燃料电池电堆的阳极腔出口连通，背压阀的出口连通燃料电池系统的尾排管。
13.在一优选的实施方式中，燃料电池系统还包括热管理子系统，热管理子系统包括冷却水泵以及冷却三通阀；冷却水泵的出液口的一路与燃料电池电堆的冷却液入口连通，冷却水泵出液口的另一路与中冷器的冷却液入口连通；冷却三通阀的入液口与燃料电池电堆的冷却液出口及中冷器的冷却液出口同时连通，冷却三通阀的一路出液口与冷却液泵的入液口连通。
14.在一优选的实施方式中，燃料电池系统还包括空气压力传感器、氢气压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器以及环境温度传感器；空气压力传感器设置在空气三通阀的第一出口和燃料电池电堆的阳极腔入口之间的管路上；氢气压力传感器设置在氢气喷射引射器的出口和燃料电池电堆的阴极腔入口之间的管路上；第一温度传感器设置在冷却水泵的出液口处；第二温度传感器设置在冷却三通阀的入液口处；环境温度传感器设置在燃料电池系统的环境中；其中空气三通阀的第二出口与燃料电池系统的尾排管连通。
15.为实现上述另一目的，本发明还提供了一种应用于如前述的燃料电池系统的低温停机过程，包括：燃料电池系统接到停机指令后，首先根据环境温度传感器的示数判断是否处于低温环境中，若非低温环境则进行常温停机，若处于低温环境中，则执行低温吹扫过程；低温吹扫过程执行以后，关闭空气子系统中的空压机、空气三通阀以及背压阀；检查空压机、空气三通阀以及背压阀是否处于关闭状态，若非处于关闭状态，则出现停机故障，执行故障处理过程，若处于关闭状态，则继续执行低温停机过程；关闭关断阀、氢气喷射引射器、排气阀以及排水阀；以及关闭冷却水泵以及冷却三通阀，低温停机过程结束。
16.在一优选的实施方式中，低温吹扫过程包括第一吹扫阶段，第一吹扫阶段包括：先检查燃料电池系统是否存在故障，若存在故障，则执行故障处理流程，若不存在故障，则继续执行低温吹扫过程；降低燃料电池系统的负载电流至第一设定电流值；通过调节空压机的转速，全开空气三通阀以及背压阀，以设定流量和设定压力对燃料电池电堆的阴极腔进行吹扫；经过第一设定时间后，再通过调节空压机的转速和背压阀的开度，以高于设定压力和设定流量的压力和流量与设定压力和设定流量之间，对阴极腔进行压力脉冲吹扫；经过第二设定时间后再恢复至以设定压力和设定流量对阴极腔进行吹扫；以及在对阴极腔进行吹扫的同时，中冷却水泵以设定转速驱动冷却液以设定流量进行循环，以导出燃料电池电堆在第一吹扫阶段过程中产生的热量；氢气喷射引射器通过反馈控制，以调节燃料电池电堆的阳极腔的压力跟随阴极腔的压力；排气阀、排水阀，根据第一设定电流查询的第一预设脉谱，进行一定频率的周期性开关，以排出氢气循环回路中的废气和积水；其中氢气喷射引射器中进入的氢气和排气阀排出的废气形成对燃料电池电堆的阳极腔的吹扫。
17.在一优选的实施方式中，第一吹扫阶段还包括：当燃料电池电堆的单体电压大于第一设定电压值时，则继续执行第一吹扫阶段，当燃料电池电堆的单体电压小于第一设定电压值时，第一吹扫阶段结束。
18.在一优选的实施方式中，低温吹扫过程还包括第二吹扫阶段，第二吹扫阶段包括：当第一吹扫阶段结束后，继续降低燃料电池系统的负载电流至第二设定电流值；通过调节空压机的转速，全开空气三通阀以及背压阀，以设定流量和设定压力对阴极腔进行吹扫，经过第三设定时间后，快速减小背压阀的开度0.5s后再回到全开状态，以模拟爆破脉冲吹扫模式，进一步对阴极腔进行吹扫；经过第四设定时间的模拟爆破脉冲吹扫模式后，在返回以设定流量和设定压力对阴极腔进行吹扫；以及在对阴极腔进行吹扫的同时，通过反馈控制调节冷却水泵的转速，使燃料电池电堆的冷却液入口和冷却液出口之间的温度差保持在设定温差值，同时通过反馈控制调节冷却三通阀的开度，使第一温度传感器的显示温度保持在设定温度值；同时加快排气阀和排水阀的开关频率，并根据第二设定电流查询的第二预设脉谱，对排气阀和排水阀进行一定频率的周期性开关，以排出氢气循环回路中的废气和积水；同时氢气喷射引射器中进入的氢气以及排气阀排出的废气，形成对燃料电池电堆的阳极腔的吹扫。
19.在一优选的实施方式中，第二吹扫阶段还包括：当燃料电池电堆的单体电压小于第二设定电压、单体电压方差小于设定方差以及第二吹扫阶段的时长大于第五设定时长同时满足时，第二吹扫阶段结束，同时低温吹扫过程结束；其中如果燃料电池电堆的单体电压小于第二设定电压、单体电压方差小于设定方差以及第二吹扫阶段的时长大于第五设定时长中有一项未满足时，则继续进行第二吹扫阶段。
20.与现有技术相比，本发明的燃料电池系统及其低温停机过程具有以下有益效果：本燃料电池系统的具体架构可在低温停机过程中以降载、吹扫、放电、关停等过程及控制策略，通过优化低温停机过程进行分阶段吹扫，优化并提高了吹扫效率和低温停机过程中排水的效率，同时降低了因燃料电池电堆中剩余水结冰对下一次起动的影响。
附图说明
21.图1是根据本发明一实施方式的燃料电池系统的架构示意图；
22.图2是根据本发明一实施方式的低温停机过程的流程示意图；
23.图3是根据本发明一实施方式的低温吹扫过程的流程示意图。
24.主要附图标记说明：
25.1-燃料电池电堆，2-空压机，3-空气三通阀，4-背压阀，5-氢气罐，6-氢气喷射引射器，7-排气阀，8-排水阀，9-中冷器，10-关断阀，11-冷却三通阀，12-冷却水泵，13-空气压力传感器，14-氢气压力传感器，15-第一温度传感器，16-第二温度传感器，17-环境温度传感器。
具体实施方式
26.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
27.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
28.如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种燃料电池系统主要包括氢气子系统、空气子系统以及热管理子系统。氢气子系统主要包括氢气罐5、关断阀10、氢气喷射引射器6、燃料电池电堆1、排气阀1、排水阀8以及氢气压力传感器14等。其中，氢气罐5为燃料电池系统的燃料储罐，氢气罐5通过管路连接关断阀10的入口，关断阀10的出口通过管路连接氢气喷射引射器6的入口，氢气喷射引射器6的出口通过管路连接燃料电池电堆1的阳极腔入口，氢气压力传感器14位于氢气喷射引射器6和燃料电池电堆1之间。燃料电池电堆1的阴极腔出口分出三路，一路通过管路连接氢气喷射引射器6的循环入口，形成氢气循环回路，另一路通过管路连接排气阀1的入口，第三路通过管路连接排水阀8的入口。排气阀1的出口和排水阀8的出口通过管路汇聚到尾排管，用以将尾气排出燃料电池系统。
29.请参阅图1所示，在一些实施方式中，空气子系统主要包括空压机2、中冷器9、空气三通阀3、燃料电池电堆1、背压阀4、空气压力传感器13以及环境温度传感器17等。其中，燃料电池系统的空气入口通过管路连接空压机2，空压机2的出口通过管路连接中冷器9。中冷器9的气体出口通过管路连接空气三通阀3。空气三通阀3第一出口通过管路连接燃料电池电堆1的阴极腔入口，空气三通阀3的第二出口通过管路连接尾排管。空气压力传感器13位于燃料电池电堆1与空气三通阀3的第一出口之间。燃料电池电堆1的阴极腔出口通过管路连接背压阀4的入口，背压阀4的出口连接尾排管，将尾气排出燃料电池系统。环境温度传感器17置于燃料电池系统环境中。
30.请参阅图1所示，在一些实施方式中，热管理子系统主要包括燃料电池电堆1、中冷
器9、冷却三通阀11、冷却水泵12、第一温度传感器15以及第二温度传感器16等。燃料电池系统的入口冷却液与冷却三通阀11的一路出液口的冷却液混合后通过管路连接进入冷却水泵12，冷却水泵12的出液口分流为两路，其中一路通过管路连接燃料电池电堆1的冷却液入口，另外一路通过管路连接中冷器9的冷却液进口。燃料电池电堆1的冷却液出口也分流为两路，其中一路通过管路连接冷却三通阀11的入液口，另外一路通过管路连接中冷器9的冷却液出口。冷却三通阀11的一路出液口通过管路连接冷却水泵12的入液口混流处，冷却三通阀11的另一路出液口为燃料电池系统的冷却液出口，冷却液经过燃料电池系统的冷却液出口流入整车进行热量交换。第一温度传感器15位于冷却水泵12之后，第二温度传感器16位于冷却三通阀11的进口处。
31.请参阅图1所示，在一些实施方式中，氢气子系统中的氢气罐5中的氢气通过多级减压后，以合适的压力进入燃料电池系统，流经氢气喷射引射器6进入氢气循环回路。氢气循环回路由氢气喷射引射器6驱动循环回路中的气体循环，同时调节循环回路中气体的压力。循环回路的压力由氢气压力传感器14进行监测。循环回路中的氢气流入燃料电池电堆1的阳极腔，作为阳极反应气体。反应后的尾气通过燃料电池电堆1的阳极腔出口，流回氢气循环回路。氢气循环回路中的反应后的气体通过排气阀1排出燃料电池系统，循环回路的积水由排水阀8排除燃料电池系统。
32.请参阅图1所示，在一些实施方式中，空气子系统的空气通过空气入口进入燃料电池系统后，经空压机2加压后，通过中冷器9冷却，流经空气三通阀3第一出口流入燃料电池电堆1的阴极腔作为阴极反应气体。反应后的尾气通过燃料电池电堆1的阴极腔出口，流入背压阀4，通过背压阀4开度调节，调整空气子系统内气体的压力。空气子系统的燃料电池电堆1的入口压力由空气压力传感器13进行监测。尾气通过背压阀4出口流出燃料电池系统。空气三通阀3第二出口起到气体旁通的作用，将不需经过燃料电池电堆1的空气旁通至尾排，直接留出燃料电池系统。环境温度传感器17用于监测环境温度。
33.请参阅图1所示，在一些实施方式中，热管理子系统的冷却液通过冷却液入口进入燃料电池系统。经过冷却水泵12提升扬程后，流入燃料电池电堆1的冷却液入口，在冷却腔内进行换热，导出燃料电池电堆1电化学反应过程中产生的热量。冷却液通过燃料电池电堆1的冷却液出口流经冷却三通阀11第二出口流出燃料电池系统，流入燃料电池的整车进行散热。冷却三通阀11第一出口起到冷却液旁通的作用，将不需要流入整车散热的冷却液旁通至燃料电池系统的冷却液入口，与入口冷却液进行混合。燃料电池系统的热管理子系统有一条中冷器9的冷却支路。将冷却水泵12出口温度较低的冷却液流入中冷器9，冷却中冷器9中热空气，换热后冷却液回流到燃料电池电堆1的冷却液出口，进行混合。通过第一温度传感器15与第二温度传感器16分别监测燃料电池系统的热管理子系统中的燃料电池电堆1前后的温度。
34.如图2所示，根据本发明优选实施方式的一种燃料电池系统的低温停机过程包括下列步骤：燃料电池系统在接到指令后，先根据环境温度传感器17的示数，判断燃料电池系统是否处于低温环境。若非低温环境，则执行常温停机。若处于低温环境，则执行低温吹扫过程。低温吹扫过程结束后，执行关闭空气子系统中空压机2、空气三通阀3、背压阀4。判断燃料电池系统的空气子系统的空压机2、空气三通阀3、背压阀4是否处于关闭状态，若非处于关闭状态，则出现停机故障，并执行故障处理相关过程。若处于关闭状态，则继续执行停
机过程。关闭氢气子系统中关断阀10、氢气喷射引射器6、排气阀1、排水阀8，热管理子系统中冷却水泵12、冷却三通阀11。随后低温停机过程结束。
35.如图3所示，请同时参阅图2，在一些实施方式中，低温吹扫过程主要包括下列步骤：先检查燃料电池系统是否存在故障，若存在故障，则执行相关故障处理流程。若不存在故障，则继续执行低温吹扫过程。降低燃料电池系统的负载电流至第一设定电流值。电流达到第一设定电流值后，执行第一吹扫阶段的吹扫过程。第一吹扫阶段以燃料电池电堆1的单体电压是否小于第一设定电压值作为结束判断条件。若大于第一设定电压值，则继续第一吹扫阶段的吹扫过程。若小于第一设定电压值，表明燃料电池电堆1内的液态水大部分以吹扫完成，则开始第二吹扫阶段的吹扫过程。第二吹扫阶段以燃料电池电堆1的单体电压是否小于第二设定电压值、第二吹扫阶段的吹扫时长是否大于第五设定时长以及燃料电池电堆1的单体电压方差是否小于设定方差，三个条件是否同时成立为判断吹扫结束的依据。若三个条件没有同时满足，则继续第二吹扫阶段的吹扫过程，若三个条件同时满足，则结束吹扫过程。
36.请参阅图2至图3，在一些实施方式中，第一吹扫阶段主要包括：空气子系统通过调节空压机2的转速以及全开空气三通阀3和背压阀4，以设定流量和设定压力对燃料电池电堆1的阴极腔进行吹扫。经过第一设定时间后，通过调节空压机2的转速和背压阀4开度，提升空气子系统的压力和流量，并以高于设定流量和设定压力的压力和流量与设定流量和设定压力，交替对阴极腔进行压力脉冲式吹扫，以提高吹扫效率。经过第二设定时间的压力脉冲式吹扫后，再返以设定流量和设定压力对阴极腔进行吹扫。在第一吹扫阶段中，热管理子系统中的冷却水泵12以设定转速驱动冷却液进行设定流量的循环，通过热交换，导出燃料电池电堆1在第一吹扫阶段过程中产生的热量。在第一吹扫阶段中，氢气子系统中的氢气喷射引射器6通过反馈控制，调节燃料电池电堆1的阳极腔的压力跟随阴极腔的压力。排气阀1和排水阀8，根据第一设定电流查询的第一预设脉谱，进行一定频率的周期性开关，以排出氢气循环回路中的废气和积水。同时，氢气喷射引射器6中进入的氢气以及循环回路排气阀1排出的废气，可以形成对燃料电池电堆1的阳极腔的吹扫。
37.请参阅图2至图3，在一些实施方式中，第二吹扫阶段的吹扫过程主要包括下列步骤：空气子系统通过调节空压机2转速，全开空气三通阀3和背压阀4，以先前的设定流量和设定压力对燃料电池电堆1的阴极腔进行吹扫。经过第三设定时间后，通过快速调节背压阀4开度，减小背压阀4开度0.5s后再回到全开状态，模拟爆破脉冲模式吹扫，以进一步提高吹扫效率。经过第四设定时间的模拟爆破脉冲模式的吹扫后，再返回以先前的设定流量和设定压力对燃料电池电堆1的阴极腔进行吹扫。第二吹扫阶段，热管理子系统中冷却水泵12通过反馈控制调节燃料电池电堆1前后温度差(第二温度传感器16示数减去第一温度传感器15示数的差值)保持为设定温差值；冷却三通阀11通过反馈控制调节燃料电池电堆1前第一温度传感器15的温度为设定温度值。在第二吹扫阶段中，加快排气阀1和排水阀8的开关频率，并根据第二设定电流查询的第二预设脉谱，进行一定频率的周期性开关，以排出氢气循环回路中的废气和积水。同时，氢气喷射引射器6中进入的氢气以及循环回路排气阀1排出的废气，可以形成对燃料电池电堆1阳极的吹扫。
38.本发明的燃料电池系统及其低温停机过程具有以下优点：通过在低温停机过程中引入两个吹扫阶段，提高吹扫效率。在第一吹扫阶段中，引入常流量，变压力的吹扫方式，加
速燃料电池电堆阴极吹扫，根据燃料电池电堆单体电压是否小于第一设定电压值判断第一吹扫阶段是否结束。在第二吹扫阶段中，引入背压阀快速开关，进一步提高燃料电池电堆阴极吹扫效率，以燃料电池电堆单体电压是否小于设定电压，单体电压方差是否小于设定方差，第二吹扫阶段时长是否大于第五设定时长，作为第二吹扫阶段结束条件。同时本燃料电池系统的具体架构可在低温停机过程中以降载、吹扫、放电、关停等过程及控制策略，通过优化低温停机过程进行分阶段吹扫，优化并提高了吹扫效率和低温停机过程中排水的效率，同时降低了因燃料电池电堆中剩余水结冰对下一次起动的影响。
39.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。