一种燃料电池快速冷启动方法和系统与流程

本发明属于燃料电池，尤其涉及一种燃料电池快速冷启动方法和系统。

背景技术：

1、燃料电池在超低温环境下，其内部的水会冻结，导致燃料气体扩散阻塞，减少电化学活性表面积，引起了电池的性能下降和延长了启动时间。因此为了确保成果、快速的冷启动，在燃料电池阴极催化剂层的所有孔被冰堵塞之前，要将燃料电池升高至冰点以上。

2、传统的快速冷启动方法有在外部设置加热器辅助冷启动，利用加热器预热燃料电池堆，融化电池内部结冰，持续将加热器加热到燃料电池的正常工作温度，然而在极寒条件下，从结冰温度到正常工作温度横跨一百度左右，利用加热器将耗费大量电能，增加了能耗，同时结冰会导致燃料电池多个组件遭受不可逆转的损害，例如膜破裂、膜分层，气体扩散损失和发生层疏水，此外，融化的冰水会腐蚀电池组件，包括催化剂。

3、另一种方法是采用无辅热的燃料电池系统，无辅热的燃料电池系统主要依赖于氢泵效应来加热燃料电池电堆，但是氢泵效应的加热效率较低，在极端低温条件下，反应速度较慢，启动效率相对较低，会延长启动时间，且导致一定的能源浪费，采用监控冷却液的温度来判断电堆温度无法监测到电堆温度不均匀和局部温差较大的情况，无法保证整个电堆的温度一致性，无法避免局部结冰的问题。

4、如公开号为cn118039956a的中国专利，公开了一种燃料电池系统冷启动控制方法以及装置，属于燃料电池技术领域，应用于燃料电池系统，燃料电池系统包括燃料电池控制器和加热器，燃料电池系统冷启动控制方法包括：在燃料电池系统停机时长达到第一预设时长时，启动燃料电池控制器，通过燃料电池控制器获取电堆入口和电堆出口的冷却水的平均水温，在平均水温小于第一温度阈值的情况下，通过燃料电池控制器控制加热器对冷却水进行加热；但该专利仅使用了加热器进行冷启动，将耗费大量电能，增加了能耗，同时，在极速升温过程中，并没有对燃料电池冷启动进行精准控制，如调整冷却水流速和加热器功率等，可能会发生电堆温度不均匀，升温速度过快的问题，导致燃料电池组件损坏。

5、如公开号为cn103825037a的中国专利，公开了一种燃料电池冷启动快速加热系统，包括氢气输送管道和燃料电池电堆，氢气输送管道将氢气输送到燃料电池电堆阳极侧的流道内，其特征在于：还包括加热器、测温计和电池控制系统；所述加热器设置在氢气输送管道上，对氢气加热；所述测温计设置在燃料电池电堆内部，用来测量电堆温度；所述电池控制系统的数据采集端与测温计连接，输出端与加热器连接，根据测温计测得的电堆内部的温度控制所述加热器的开启与关闭。但该专利同样仅使用了加热器进行冷启动，耗费大量电能，增加了能耗，同时，在极速升温过程中，并没有对燃料电池冷启动进行精准控制，如调整冷却水流速和加热器功率等，可能会发生电堆温度不均匀，升温速度过快的问题，导致燃料电池组件损坏。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池快速冷启动方法和系统。

2、本发明通过以下技术方案得以实现。

3、本发明提供的一种燃料电池快速冷启动方法，包括以下步骤：

4、s1、启动燃料电池，获取冷启动分界温度、正常工作温度和停止升温温度；

5、s2、通过多点温度传感器获取电堆温度；

6、s3、判断电堆温度是否大于冷启动分界温度，如果是，则进入步骤s4，否则进入步骤s5；

7、s4、通过自主热管理模式提升电堆温度，直到电堆温度高于停止升温温度，进入步骤s6；

8、s5、通过外部辅热模式提升电堆温度，直到电堆温度高于停止升温温度；

9、s6、等待电堆温度达到正常工作温度，启动双循环冷却回路。

10、优选地，所述通过多点温度传感器获取电堆温度包括以下步骤：

11、s21、获取多点温度传感器的温度数据；

12、s22、对温度数据进行滤波，获取底噪温度数据；

13、s23、对底噪温度数据进行加权平均计算，获取电堆温度。

14、优选地，所述对底噪温度数据进行加权平均计算的表达式如下：

15、

16、其中，t电堆为电堆温度、wi为第i个传感器的权重、ti为第i个传感器的底噪温度数据、n为传感器的总数量。

17、优选地，所述通过自主热管理模式提升电堆温度，直到电堆温度高于停止升温温度包括以下步骤：

18、s41、判断燃料电池的状况，如果是降载，则进入步骤s42，如果是拉载，则进入步骤s43；

19、s42、调整燃料电池的可变负载，直到电堆温度高于停止升温温度，结束；

20、s43、调整燃料电池的电流密度，直到电堆温度高于停止升温温度。

21、优选地，所述调整燃料电池的可变负载包括以下步骤：

22、s421、降低燃料电池的可变负载，使电池输出电压到达预设值；

23、s422、获取电堆温度，根据电堆温度生成温度变化曲线；

24、s423、根据温度变化曲线，调整电池可变负载；

25、所述调整燃料电池的电流密度包括以下步骤：

26、s431、提升燃料电池的电流密度至预设值；

27、s432、获取电堆温度，根据电堆温度生成温度变化曲线；

28、s433、根据温度变化曲线，调整燃料电池的电流密度。

29、优选地，所述通过外部辅热模式提升电堆温度，直到电堆温度高于停止升温温度包括以下步骤：

30、s51、启动加热器和小循环冷却回路；

31、s52、获取电堆温度，计算电堆温度与停止升温温度的差距，获取温度误差；

32、s53、将温度误差输入pid控制器，调整pid控制器的参数，获取第一pid输出；

33、s54、根据第一pid输出调整加热器的加热功率；

34、s55、获取电堆温度，根据电堆温度生成温度变化曲线；

35、s56、根据温度变化曲线获取温度变化速率；

36、s57、将温度变化速率输入pid控制器，调整pid控制器的参数，获取第二pid输出；

37、s58、根据第二pid输出调整小循环冷却回路的流速。

38、优选地，所述根据第一pid输出调整加热器的加热功率包括以下步骤：

39、s541、设置第一阈值；

40、s542、判断第一pid输出是否大于第一阈值，如果是，则提高加热器的功率，否则减小加热器的功率；

41、所述根据第二pid输出调整小循环冷却回路的流速包括以下步骤：

42、s581、设置第二阈值；

43、s582、判断第二pid输出是否大于第二阈值，如果是，则加快小循环冷却回路的流速，否则减慢小循环冷却回路的流速。

44、优选地，所述pid控制器的输出计算公式如下：

45、

46、其中，output为pid输出、e(t)为电堆温度与设定温度的温度误差或温度变化速率、kp是比例系数、ki是积分系数、kd是微分系数。

47、一种燃料电池快速冷启动系统，实现上述的快速冷启动方法，包括：电堆、双极板、加热器、多点温度传感器、双循环冷却回路、水管理器和控制器；

48、所述控制器分别连接加热器、多点温度传感器、双循环冷却回路和水管理器；

49、所述双极板设置在电堆内，所述水管理器设置于双极板旁，所述双循环冷却回路连接电堆，所述多点温度传感器设置在电堆上；

50、所述双循环冷却回路包括：大循环冷却回路和小循环冷却回路；

51、所述加热器设置在小循环冷却回路内，所述大循环冷却回路和小循环冷却回路分别连接电堆。

52、优选地，所述双极板上设置有均温板；

53、所述控制器包括pid控制器，所述pid控制器分别连接加热器和小循环冷却回路；

54、所述双循环冷却回路上设置有相变材料。

55、本发明的有益效果在于：

56、采用自主热管理和外部辅热相结合的混合控制策略可以实现高能效的燃料电池冷启动，防止燃料电池内部结冰导致损害燃料电池性能的事故发生；通过智能控制加热器和加热效率和冷却循环回路的流速、集成均温板，实现启动时间短且可靠的燃料电池启动方案。