一种燃料电池电堆冷启动的方法与流程

本发明属于燃料电池领域，涉及一种燃料电池电堆冷启动的方法。

背景技术：

1、随着燃料电池技术日新月异的发展，体积更小，功率密度比更大的燃料电池系统被广泛地应用于公交大巴、渣土环卫等车辆上，在实现优化环境方面做出重要的贡献。但上述在车辆中的应用均较适宜投放在四季温度相对较高的城市中运营，其根本的原因在于，燃料电池系统不适宜温度过低的环境中运行，其冷启动仍存在一定的技术缺陷。

2、目前，燃料电池主要的冷启动的方法依然是使用燃料电池系统外部的加热装置在电堆启动的初始阶段对冷却系统进行预加热。

3、例如cn108511775a公开了一种氢燃料电池系统的冷启动装置，包括燃料电池电堆、副循环回路、补水路；并在副循环回路中的冷却液循环管路和补水路中分别设置副循环加热装置及补水路加热装置；补水路加热装置为补充至冷却液循环管路的补充冷却液进行加热，副循环加热装置为冷却液循环管路中的冷却液进行加热。该发明中，两个加热装置共同作用，可加速燃料电池电堆内部副循环回路的升温过程，降低冷启动的时间。

4、cn112909294a提供了一种氢燃料电池发动机低温冷启动装置，包括高压氢气瓶，用于为热发生器和氢燃料电池发动机提供氢气；第一温度传感器，用于采集所述氢燃料电池发动机的温度；控制器，接收所述第一温度传感器采集的温度值，若该温度值低于预设的第一温度阈值，则控制高压氢气瓶的通断阀打开，向所述热发生器提供氢气；热发生器，储存有储氢材料，储氢材料接收高压氢气瓶提供的氢气产生热量，用于加热所述氢燃料电池发动机。该发明在特定条件下启动热发生器，通过热交换的方式将散热盘管中的传热工质升温，随着持续加氢，传热工质温度升高，至燃料电池内部，提升燃料电池温度，进一步实现燃料电池汽车的低温冷启动。

5、以上利用外部加热的方法能顺利实现燃料电池的低温冷启动，但燃料电池系统及外部加热所具有的管路的冷却液容量较大，外部加热要完成整个冷却液循环系统的加热的耗时长，不能对燃料电池内部进行快速升温。且一般外部加热的供能来源于系统内的锂离子电池，在低温环境中，锂离子电池本身的能量存储和利用率均已经大打折扣，此时仍让其为外部加热长时间的供能以进行加热，将导致能耗偏高，大大减少车辆的续航里程。

6、所以还需要开发一种新的不需要外部加热的冷启动方案，使得燃料电池系统在无辅助加热的状态下快速地、顺利地完成冷启动。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆冷启动的方法，所述方法先在预热电流密度下通过自发热对电堆内部的冷却液进行加热；再开启小循环冷却回路，监测电堆出水温度t1以及进水温度t2以及两者的温度差△t，调节蠕动冷却速度及电堆功率爬升速度，t2大于第一温度阈值，再开启大循环冷却回路并调节其与小循环冷却回路的开合比例，直至小循环冷却回路完全关闭且大循环冷却回路完全打开，完成冷启动。所述方法在不通过外部辅助加热的情况下，通过监测进出水温度来调整启动过程中的蠕动冷却速度及电堆功率爬升速度，快速减小冷却液在系统内部及冷启动不同阶段中的温度差异，逐渐从小循环过渡到完全的大循环而完成冷启动。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种燃料电池电堆冷启动的方法，所述方法包括如下步骤：

4、(1)在燃料电池电堆启动时，以预热电流密度运行，通过自发热对所述燃料电池电堆内部的冷却液进行加热；

5、(2)开启小循环冷却回路，以第一蠕动速度进行蠕动冷却，同时使燃料电池电堆以第一升功率速度进行功率爬升；

6、(3)实时监测燃料电池出水温度t1与燃料电池进水温度t2以及t1与t2的温度差△t，并按以下方式进行实时调节：

7、当△t＜第一温度阈值，在第一升功率速度及第一蠕动速度下蠕动冷却；

8、当第一温度阈值＜△t＜第二温度阈值，降低第一升功率速度为第二升功率速度，同时降低第一蠕动速度为第二蠕动速度，保持蠕动冷却；

9、当△t＞第二温度阈值，在第一升功率速度及第一蠕动速度下进行反向蠕动；

10、(4)在步骤(3)的过程中，当△t及t2首次同时大于第一温度阈值时，开启大循环冷却回路，调节所述大循环冷却回路及所述小循环冷却回路的开合比例，始终保持△t＞第一温度阈值且t2＞0℃，直至小循环冷却回路完全关闭且大循环冷却回路完全打开，完成燃料电池电堆冷启动。

11、本发明所述方法在不通过外部辅助加热的情况下，通过监测进出水温度来调整启动过程中的蠕动冷却速度及电堆功率爬升速度，调整冷启动过程中的冷却液的能量分配，快速减小冷却液在系统内部及冷启动不同阶段中的温度差异，逐渐从小循环过渡到完全的大循环而完成冷启动。具体地，先在预热电流密度下使电堆进行低功率运转，利用此时电堆的自身发热对电堆内部流道内的冷却液进行加热，然后开启小循环，使得冷却液在节温器、泵装置与电堆之间循环冷却，此时根据t1、t2及△t调控蠕动冷却的速度以及电堆升功率的速度，使得小循环内的冷却液快升温，目的为减小电堆的进出水温差快速提升冷却液的整体温度，当t2及△t均大于第一温度阈值时，表面系统内的冷却液可以向外界散热，但此时不直接将大循环完全打开，而是通过控制大循环与小循环的打开比例，逐渐由小循环过渡到大循环，最终完成冷启动；所述方法无需额外添加外部加热装置及电路，即可快速、安全且便捷地实现燃料电池电堆的冷启动过程。

12、以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

13、作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述预热电流密度为0.1～0.3a/cm2，例如0.1a/cm2、0.12a/cm2、0.1a/cm2、0.1a/cm2、0.1a/cm2、0.1a/cm2、0.1a/cm2、0.1a/cm2、0.1a/cm2、0.1a/cm2或0.1a/cm2等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

14、作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述以预热电流密度运行的时间为5～12s，例如5s、5.5s、6s、6.5s、7s、7.5s、8s、8.5s、9s、9.5s、10s、10.5s、11s、11.5s或12s等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

15、作为本发明优选的技术方案，所述小循环冷却回路包括沿冷却液的流动方向依次流经的节温器、泵装置及燃料电池电堆，所述燃料电池电堆与所述节温器相连形成循环；

16、所述大循环冷却回路包括沿冷却液的流动方向依次流经的节温器、泵装置、燃料电池电堆及散热器总成，所述散热器总成与所述节温器相连形成循环。

17、作为本发明优选的技术方案，所述泵装置包括蠕动泵。

18、优选地，所述泵装置与所述燃料电池电堆之间设置有过滤器。

19、优选地，所述燃料电池电堆与所述节温器之间设置有补水入口，所述补水入口连接补水装置的进口，所述补水装置的出口连接于所述节温器与所述泵装置之间。

20、优选地，所述补水入口与所述补水装置的进口之间设置有离子罐。

21、作为本发明优选的技术方案，所述第一蠕动速度的脉冲间隔为开启1s，关闭(4～6)s，例如4s、4.2s、4.4s、4.6s、4.8s、5s、5.2s、5.4s、5.6s、5.8s或6s等，优选为开启1s，关闭5s，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

22、优选地，所述第二蠕动速度的脉冲间隔为开启1s，关闭(7～9)s，例如7s、7.2s、7.4s、7.6s、7.8s、8s、8.2s、8.4s、8.6s、8.8s或9s等，优选为开启1s，关闭7s，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

23、作为本发明优选的技术方案，所述第一升功率速度为(0.8～1.2)a/s，例如0.8a/s、0.82a/s、0.84a/s、0.86a/s、0.88a/s、0.9a/s、0.92a/s、0.94a/s、0.96a/s、0.98a/s、1a/s、1.02a/s、1.04a/s、1.06a/s、1.08a/s、1.1a/s、1.12a/s、1.14a/s、1.16a/s、1.18a/s或1.2a/s等，优选为1a/s，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

24、优选地，所述第二升功率速度为(0.4～0.6)a/s，例如0.4a/s、0.42a/s、0.44a/s、0.46a/s、0.48a/s、0.5a/s、0.52a/s、0.54a/s、0.56a/s、0.58a/s或0.6a/s等，优选为0.5a/s，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

25、作为本发明优选的技术方案，所述第一温度阈值为15～25℃，例如15℃、15.5℃、16℃、16.5℃、17℃、17.5℃、18℃、18.5℃、19℃、19.5℃、20℃、20.5℃、21℃、21.5℃、22℃、22.5℃、23℃、23.5℃、24℃、24.5℃或25℃等，优选为20℃，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

26、优选地，所述第二温度阈值为35～45℃，例如35℃、35.5℃、36℃、36.5℃、37℃、37.5℃、38℃、38.5℃、39℃、39.5℃、40℃、40.5℃、41℃、41.5℃、42℃、42.5℃、43℃、43.5℃、44℃、44.5℃或45℃等，优选为40℃，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

27、作为本发明优选的技术方案，所述大循环冷却回路及所述小循环冷却回路的开合比例通过节温器进行调节。

28、作为本发明优选的技术方案，所述方法包括如下步骤：

29、(1)在燃料电池电堆启动时，以0.1～0.3a/cm2的预热电流密度运行5～12s，通过自发热对所述燃料电池电堆内部的冷却液进行加热；

30、(2)开启小循环冷却回路，以开启1s，关闭(4～6)s的脉冲间隔在第一蠕动速度下进行蠕动冷却，使冷却液依次流经节温器、泵装置及燃料电池电堆再回流至节温器形成循环，同时使燃料电池电堆以(0.8～1.2)a/s的第一升功率速度进行功率爬升；

31、(3)实时监测燃料电池出水温度t1与燃料电池进水温度t2以及t1与t2的温度差△t，并按以下方式进行实时调节：

32、当△t＜第一温度阈值，在第一升功率速度及第一蠕动速度下蠕动冷却；

33、当第一温度阈值＜△t＜第二温度阈值，以(0.4～0.6)a/s的第二升功率速度，同时以脉冲间隔为开启1s，关闭(7～9)s的第二蠕动速度，保持蠕动冷却；

34、当△t＞第二温度阈值，在第一升功率速度及第一蠕动速度下进行反向蠕动；

35、所述第一温度阈值为15～25℃，所述第二温度阈值为35～45℃；

36、(4)在步骤(3)的过程中，当t2＞第一温度阈值时，开启大循环冷却回路，使冷却液依次流经节温器、泵装置、燃料电池电堆及散热器总成再回流至节温器形成循环，利用节温器调节所述大循环冷却回路及所述小循环冷却回路的开合比例，始终保持△t＜第一温度阈值且t2＞0℃，直至小循环冷却回路完全关闭且大循环冷却回路完全打开，完成燃料电池电堆冷启动。

37、与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

38、本发明所述方法在不通过外部辅助加热的情况下，通过监测进出水温度来调整启动过程中的蠕动冷却速度及电堆功率爬升速度，快速减小冷却液在系统内部及冷启动不同阶段中的温度差异，逐渐从小循环过渡到完全的大循环而完成冷启动。与现有冷启动方式相比，本发明无需从外部提供升温所需的能量，节约了冷启动初始阶段的能量消耗，同时通过蠕动水泵来快速的达到电堆进出水的温差的平衡点，不会使电堆内部的质子交换膜始终处于两端温度差较高的状态，提高了质子交换膜的使用寿命，且整个冷启动方法是运行逻辑的优化和改善，无需在燃料电池系统外部增设其它辅件，有利于减小燃料电池系统的整体体积及质量。