提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的方法及装置

本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体而言，涉及一种提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的方法及装置。

背景技术：

1、随着“双碳”战略的进一步发展和汽车节能减排标准的提高，高效、零排放的燃料电池在交通动力领域广受关注。其中，固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转化效率高以及无需贵金属等优点，有利于作为车用动力推广，对推动我国汽车产业转型升级至关重要。但是，固体氧化物燃料电池电堆动态响应特性差，启动时间长，限制了其在交通领域的进一步应用。目前，第一代电解质支撑固体氧化物燃料电池电堆和第二代阳极支撑固体氧化物燃料电池电堆启动时间为数小时，第三代金属支撑固体氧化物燃料电池电堆启动时间为数十分钟，难以满足交通应用场景的需求。

2、目前，车用固体氧化物燃料电池系统需要集成外重整器来进行启动，在启动时主要通过外部热源来对固体氧化物燃料电池电堆以及外重整器进行加热。现有的外部热源主要有燃烧器和电加热器两种。

3、通过上述两种外部热源加热时存在以下问题：

4、1、由于燃烧器温度不稳定，因此通过燃烧器加热固体氧化物燃料电池电堆以及外重整器容易造成温度波动，导致固体氧化物燃料电池电堆不能快速升温，进一步导致车用固体氧化物燃料电池系统启动速度慢，并且，温度波动还有可能会导致电堆结构损坏，导致车用固体氧化物燃料电池系统不能安全启动。

5、2、由于电加热器既需要对固体氧化物燃料电池电堆进行加热还需要对外重整器进行加热，使得能耗较大，导致车用固体氧化物燃料电池系统的效率低。

6、综上可见，目前车用固体氧化物燃料电池系统在启动时存在启动速度慢、不能安全启动以及系统效率低的问题，因此，启动性能较差。

技术实现思路

1、本发明提供了一种提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的方法及装置，提高了车用固体氧化物燃料电池系统的启动性能。具体的技术方案如下。

2、第一方面，本发明提供了一种提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的方法，所述车用固体氧化物燃料电池系统包括燃料箱、水箱、换热引射总成、双重整器、固体氧化物燃料电池电堆、阴极换热器、鼓风机、重整器电控阀组、电控流量单元、气体成分分析仪、第一温度传感器和阴极电控阀；

3、所述双重整器包括小重整器和大重整器，所述小重整器包括电加热片，所述大重整器包括加热管，所述燃料箱与所述换热引射总成连接，所述水箱通过所述电控流量单元与所述换热引射总成连接，所述换热引射总成通过所述重整器电控阀组与所述双重整器的进气端连接，所述大重整器的出气端和所述小重整器的出气端均与所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极进气端连接，所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极出气端分别与所述加热管的进气端以及所述换热引射总成连接，所述加热管的出气端与所述换热引射总成连接，所述鼓风机设置于所述阴极换热器的进气端，所述阴极换热器的出气端通过所述阴极电控阀与所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极进气端连接，所述气体成分分析仪和所述第一温度传感器均设置于所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极进气端，所述电加热片、所述鼓风机、所述重整器电控阀组、所述电控流量单元、所述气体成分分析仪、所述第一温度传感器和所述阴极电控阀均与车辆控制器通信连接，其中，所述双重整器的进气端至少包括所述小重整器的进气端，所述方法应用于所述车辆控制器，所述方法包括：

4、接收车辆启动指令，通过所述重整器电控阀组增大所述小重整器的进气量至第一预设进气量、增大所述电加热片的功率至第一预设功率以及增大所述电控流量单元的流量至第一预设流量，控制所述鼓风机启动；

5、接收所述气体成分分析仪检测到的阳极进气的成分和浓度以及所述第一温度传感器检测到的阳极进气的温度，根据所述成分、所述浓度以及所述温度确定阴极进气量，增大所述阴极电控阀的进气量至所述阴极进气量。

6、可选的，所述双重整器为并联式双重整器，所述重整器电控阀组包括第一电控阀和第二电控阀，所述换热引射总成分别通过所述第一电控阀与所述小重整器的进气端连接以及通过所述第二电控阀与所述大重整器的进气端连接，所述通过所述重整器电控阀组增大所述小重整器的进气量至第一预设进气量的步骤，包括：

7、增大所述第一电控阀的进气量至第一预设进气量。

8、可选的，所述双重整器为串联式双重整器，所述重整器电控阀组包括第三电控阀，所述换热引射总成通过所述第三电控阀与所述小重整器的进气端连接，所述小重整器的出气端与所述大重整器的进气端连接，所述通过所述重整器电控阀组增大所述小重整器的进气量至第一预设进气量的步骤，包括：

9、增大所述第三电控阀的进气量至第一预设进气量。

10、可选的，所述双重整器为串联式双重整器，所述重整器电控阀组包括第四电控阀，所述换热引射总成通过所述第四电控阀与所述大重整器的进气端连接，所述大重整器的出气端与所述小重整器的进气端连接，所述通过所述重整器电控阀组增大所述小重整器的进气量至第一预设进气量的步骤，包括：

11、增大所述第四电控阀的进气量至第一预设进气量。

12、可选的，所述双重整器为嵌入式双重整器，所述小重整器嵌入所述大重整器中，所述重整器电控阀组包括第五电控阀和第六电控阀，所述换热引射总成分别通过所述第五电控阀与所述小重整器的进气端连接以及通过所述第六电控阀与所述大重整器的进气端连接，所述通过所述重整器电控阀组增大所述小重整器的进气量至第一预设进气量的步骤，包括：

13、增大所述第五电控阀的进气量至第一预设进气量。

14、可选的，在所述增大所述阴极电控阀的进气量至所述阴极进气量的步骤之后，上述提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的方法还包括：

15、当车辆处于减速工况时，通过所述重整器电控阀组减小所述小重整器的进气量以及所述大重整器的进气量；

16、当车辆处于加速工况时，通过所述重整器电控阀组增大所述小重整器的进气量以及所述大重整器的进气量。

17、可选的，所述车用固体氧化物燃料电池系统还包括第二温度传感器，所述第二温度传感器设置于所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极出气端，在所述增大所述阴极电控阀的进气量至所述阴极进气量的步骤之后，上述提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的方法还包括：

18、接收所述第二温度传感器检测到的阳极废气温度，当所述阳极废气温度在预设时间段内的变化量小于预设变化量阈值时，通过所述重整器电控阀组减小所述小重整器的进气量至稳定状态对应的进气量、减小所述电加热片的功率至稳定状态对应的功率以及减小所述电控流量单元的流量至第二预设流量。

19、第二方面，本发明提供了一种提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的装置，所述车用固体氧化物燃料电池系统包括燃料箱、水箱、换热引射总成、双重整器、固体氧化物燃料电池电堆、阴极换热器、鼓风机、重整器电控阀组、电控流量单元、气体成分分析仪、第一温度传感器和阴极电控阀；

20、所述双重整器包括小重整器和大重整器，所述小重整器包括电加热片，所述大重整器包括加热管，所述燃料箱与所述换热引射总成连接，所述水箱通过所述电控流量单元与所述换热引射总成连接，所述换热引射总成通过所述重整器电控阀组与所述双重整器的进气端连接，所述大重整器的出气端和所述小重整器的出气端均与所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极进气端连接，所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极出气端分别与所述加热管的进气端以及所述换热引射总成连接，所述加热管的出气端与所述换热引射总成连接，所述鼓风机设置于所述阴极换热器的进气端，所述阴极换热器的出气端通过所述阴极电控阀与所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极进气端连接，所述气体成分分析仪和所述第一温度传感器均设置于所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极进气端，所述电加热片、所述鼓风机、所述重整器电控阀组、所述电控流量单元、所述气体成分分析仪、所述第一温度传感器和所述阴极电控阀均与车辆控制器通信连接，其中，所述双重整器的进气端至少包括所述小重整器的进气端，所述装置应用于所述车辆控制器，所述装置包括：

21、第一接收模块，用于接收车辆启动指令，通过所述重整器电控阀组增大所述小重整器的进气量至第一预设进气量、增大所述电加热片的功率至第一预设功率以及增大所述电控流量单元的流量至第一预设流量，控制所述鼓风机启动；

22、第二接收模块，用于接收所述气体成分分析仪检测到的阳极进气的成分和浓度以及所述第一温度传感器检测到的阳极进气的温度，根据所述成分、所述浓度以及所述温度确定阴极进气量，增大所述阴极电控阀的进气量至所述阴极进气量。

23、可选的，所述双重整器为并联式双重整器，所述重整器电控阀组包括第一电控阀和第二电控阀，所述换热引射总成分别通过所述第一电控阀与所述小重整器的进气端连接以及通过所述第二电控阀与所述大重整器的进气端连接，所述第一接收模块，具体用于：

24、增大所述第一电控阀的进气量至第一预设进气量。

25、可选的，所述双重整器为串联式双重整器，所述重整器电控阀组包括第三电控阀，所述换热引射总成通过所述第三电控阀与所述小重整器的进气端连接，所述小重整器的出气端与所述大重整器的进气端连接，所述第一接收模块，具体用于：

26、增大所述第三电控阀的进气量至第一预设进气量。

27、可选的，所述双重整器为串联式双重整器，所述重整器电控阀组包括第四电控阀，所述换热引射总成通过所述第四电控阀与所述大重整器的进气端连接，所述大重整器的出气端与所述小重整器的进气端连接，所述第一接收模块，具体用于：

28、增大所述第四电控阀的进气量至第一预设进气量。

29、可选的，所述双重整器为嵌入式双重整器，所述小重整器嵌入所述大重整器中，所述重整器电控阀组包括第五电控阀和第六电控阀，所述换热引射总成分别通过所述第五电控阀与所述小重整器的进气端连接以及通过所述第六电控阀与所述大重整器的进气端连接，所述第一接收模块，具体用于：

30、增大所述第五电控阀的进气量至第一预设进气量。

31、可选的，上述提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的装置还包括：

32、减速模块，用于在所述增大所述阴极电控阀的进气量至所述阴极进气量之后，当车辆处于减速工况时，通过所述重整器电控阀组减小所述小重整器的进气量以及所述大重整器的进气量；

33、加速模块，用于在所述增大所述阴极电控阀的进气量至所述阴极进气量之后，当车辆处于加速工况时，通过所述重整器电控阀组增大所述小重整器的进气量以及所述大重整器的进气量。

34、可选的，所述车用固体氧化物燃料电池系统还包括第二温度传感器，所述第二温度传感器设置于所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极出气端，上述提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的装置还包括：

35、减小模块，用于在所述增大所述阴极电控阀的进气量至所述阴极进气量之后，接收所述第二温度传感器检测到的阳极废气温度，当所述阳极废气温度在预设时间段内的变化量小于预设变化量阈值时，通过所述重整器电控阀组减小所述小重整器的进气量至稳定状态对应的进气量、减小所述电加热片的功率至稳定状态对应的功率以及减小所述电控流量单元的流量至第二预设流量。

36、由上述内容可知，本发明实施例提供的一种提高车用固体氧化物燃料电池系统启动性能的方法及装置，可以接收车辆启动指令，通过重整器电控阀组增大小重整器的进气量至第一预设进气量、增大电加热片的功率至第一预设功率以及增大电控流量单元的流量至第一预设流量，控制鼓风机启动；接收气体成分分析仪检测到的阳极进气的成分和浓度以及第一温度传感器检测到的阳极进气的温度，根据成分、浓度以及温度确定阴极进气量，增大阴极电控阀的进气量至阴极进气量。在本发明中，通过增大小重整器的进气量、增大电加热片的功率以及增大电控流量单元的流量的方式，使得小重整器快速升温启动生成重整气体进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极，然后根据阳极进气的成分、浓度以及温度确定阴极进气量，从而通过重整气体和阴极进气在固体氧化物燃料电池电堆发生电化学反应放热，使得固体氧化物燃料电池电堆快速升温启动生成阳极废气，然后通过阳极废气加热大重整器，使得大重整器快速升温启动，由于本发明中通过电加热片对小重整器进行加热，不会产生温度波动，使得小重整器、固体氧化物燃料电池电堆以及大重整器均可以快速启动，提高了车用固体氧化物燃料电池系统的启动速度，并且不会破坏固体氧化物燃料电池电堆的内部结构，使得车用固体氧化物燃料电池系统可以安全启动，而电加热片只需要对小重整器进行加热，无需对固体氧化物燃料电池电堆进行加热，能耗较小，提高了车用固体氧化物燃料电池系统的效率，进一步提高了车用固体氧化物燃料电池系统的启动性能。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

37、本发明实施例的创新点包括：

38、1、本发明中通过电加热片对小重整器进行加热，不会产生温度波动，使得小重整器、固体氧化物燃料电池电堆以及大重整器均可以快速启动，提高了车用固体氧化物燃料电池系统的启动速度，并且不会破坏固体氧化物燃料电池电堆的内部结构，使得车用固体氧化物燃料电池系统可以安全启动，而电加热片只需要对小重整器进行加热，无需对固体氧化物燃料电池电堆进行加热，能耗较小，提高了车用固体氧化物燃料电池系统的效率，进一步提高了车用固体氧化物燃料电池系统的启动性能。

39、2、通过将小重整器和大重整器并排设置，使得双重整器形成并联式双重整器，并联式双重整器结构简单，适合车辆空间长度较小的车辆。

40、3、通过将小重整器和大重整器串联设置，使得双重整器形成串联式双重整器，由于小重整器在前，大重整器在后，使得小重整器中未完全反应的燃料在大重整器启动后还可以进入大重整器中进行反应，提高了燃料利用率，串联式双重整器适合车辆空间长度较大的车辆。。

41、4、通过将小重整器和大重整器串联设置，使得双重整器形成串联式双重整器，由于小重整器在前，大重整器在后，使得小重整器中未完全反应的燃料在大重整器启动后还可以进入大重整器中进行反应，提高了燃料利用率，串联式双重整器适合车辆空间长度较大的车辆。

42、5、通过将小重整器和大重整器串联设置，使得双重整器形成串联式双重整器，由于大重整器在前，小重整器在后，使得大重整器启动后在大重整器中未完全反应的燃料还可以进入小重整器中进行反应，提高了燃料利用率，串联式双重整器适合车辆空间长度较大的车辆。

43、6、通过将小重整器和大重整器串联设置，使得双重整器形成串联式双重整器，由于大重整器在前，小重整器在后，使得大重整器启动后在大重整器中未完全反应的燃料还可以进入小重整器中进行反应，提高了燃料利用率，串联式双重整器适合车辆空间长度较大的车辆。

44、7、通过将小重整器嵌入大重整器中，使得双重整器形成嵌入式双重整器，使得电加热片可以同时对小重整器和大重整器进行加热，减少了热量浪费，能耗较小，提高了车用固体氧化物燃料电池系统的效率，适合车辆空间长度较小的车辆。

45、8、在车辆运行过程中，当车辆处于减速工况时，通过重整器电控阀组减小小重整器的进气量以及大重整器的进气量，当车辆处于加速工况时，通过重整器电控阀组增大小重整器的进气量以及大重整器的进气量。达到根据车辆行驶工况的不同，来对双重整器进行调节从而对车用固体氧化物燃料电池系统进行调节的目的。

46、9、当阳极废气温度在预设时间段内的变化量小于预设变化量阈值时，可以通过重整器电控阀组减小小重整器的进气量至稳定状态对应的进气量、减小电加热片的功率至稳定状态对应的功率以及减小电控流量单元的流量至第二预设流量的方式，来保证系统使用寿命和效率。