一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法 (Auxiliary low-temperature cold start system applied to fuel cell and control method thereof ) 是由 袁伟 李锦广 蒋子琮 吴泽宇 柯育智 赵永豪 刘庆森 梁浩伟 林惠铖 苏晓晴 庄 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法,所述的辅助低温冷启动系统包括氢气供给模块、空气供给模块、催化燃烧加热模块、电加热模块、冷却液循环模块、尾气处理模块、控制模块、燃料电池电堆。所述的辅助低温冷启动系统具有模式一、模式二两种辅助启动模式。所述的模式一启动时,催化燃烧加热模块和电加热模块同时工作。所述的模式二启动时,电加热模块工作,氢气供给模块和空气供给模块开启,燃料电池电堆开始低功率运行。本发明提出的辅助低温冷启动系统采用模块化设计,具有启动速度快、能量利用率高、系统安全可靠等优点。(The invention discloses an auxiliary low-temperature cold start system applied to a fuel cell and a control method thereof. The auxiliary low-temperature cold start system has two auxiliary start modes, namely a mode I and a mode II. When the first mode is started, the catalytic combustion heating module and the electric heating module work simultaneously. When the second mode is started, the electric heating module works, the hydrogen supply module and the air supply module are started, and the fuel cell stack starts to run at low power. The auxiliary low-temperature cold start system provided by the invention adopts a modular design and has the advantages of high start speed, high energy utilization rate, safety and reliability of the system and the like.)
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)低温冷启动性能较差是制约其实际推广应用的主要障碍之一，PEMFC工作时的反应产物水在超低温很容易结冰，而冰会覆盖在阴极侧催化层表面或堵塞气体扩散层孔隙，阻碍反应气体进入多孔电极，使得电极电化学反应速率降低甚至停止，进而影响PEMFC的低温启动性能。同时，水结冰或冰融化的反复相变会导致多孔电极的体积变化剧烈，对电池材料结构产生破坏，并在一定程度上影响电池的工作性能及使用寿命。
专利申请CN106558713A公开了一种燃料电池低温启动系统及运行方法。该发明利用氢气催化反应放热来加热冷却液，冷却液进而加热氢气和空气，但高温热流无法充分利用，造成严重浪费。
专利申请CN109728328A公开了一种燃料电池动力系统组合低温冷启动装置及控制方法。该组合低温启动装置提供了五种启动模式，系统复杂度高，可靠性低。另外，该发明的高温燃气加热模式直接使用氢氧燃烧加热的方式，危险系数较高，且未直接利用燃烧加热器的高温尾气余热，制约了系统能量效率提升。
专利申请CN108711630A公开了一种质子交换膜燃料电池低温状态下启动的方法。该发明在阳极通混合气体催化预热，阳极的尾气通入阴极，使得阴阳极可同时发生催化反应，可以实现-45℃甚至更低温度范围的低温启动，但该方法的启动时间较长，燃料利用率低。
发明内容
为了克服上述技术缺点，本发明提出了一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统，包括氢气供给模块、空气供给模块、冷却液循环模块、催化燃烧加热模块、电加热模块、尾气处理模块、控制模块、燃料电池电堆(61)；
所述氢气供给模块和空气供给模块的气体均接入催化燃烧加热模块和燃料电池电堆(61)；
所述催化燃烧加热模块的热流经过冷却液循环模块接入燃料电池电堆(61)的阳极或阴极，在燃料电池电堆(61)的电极表面发生催化反应，加热燃料电池电堆(61)；
所述电加热模块用于给燃料电池电堆(61)和冷却液换热器(24)提供热量；
所述空气供给模块与尾气处理模块连接，用于调控尾气混合室(57)内的氢气浓度；
所述控制模块控制各模块的启停、辅助启动模式的切换。
优选的，所述氢气供给模块包括水平方向依次连接的高压储氢罐(1)、减压阀(2)、氢气进气阀(3)、第一流量计(4)、氢气入堆电磁阀(5)、用于检测氢气入堆温度和压力的传感器(6)、以及用于尾排氢气循环的氢气循环泵(7)，所述的氢气循环泵(7)置于燃料电池电堆(61)的阳极出口和阳极入口之间；
所述空气供给模块包括水平方向依次连接的空气过滤器(11)、空气止回阀(12)、空气压缩机(13)、第二流量计(14)、空气入堆电磁阀(15)、空气加湿器(16)和用于检测空气入堆温度和压力的传感器(17)；
所述冷却液循环模块包括与燃料电池电堆(61)连接的冷却液循环泵(21)、节温器(22)、散热器(23)、冷却液换热器(24)和用于检测冷却液入堆温度和压力的传感器(25)，所述节温器(22)的两出口端分别与散热器(23)和冷却液换热器(24)连接，所述散热器(23)和冷却液换热器(24)并联设置。
优选的，所述的冷却液换热器(24)为表面式换热器，所述的表面式换热器为板式换热器、翅片式换热器或管壳式换热器。
优选的，所述催化燃烧加热模块包括混合室(33)，所述混合室(33)通过混合气体出口电磁阀(34)与催化燃烧反应器(35)连接，所述催化燃烧反应器(35)产生的热流通过热流出口电磁阀(36)接入冷却液换热器(24)，与冷却液换热器(24)中待入堆的冷却液换热，再通过热流出口三通阀37接入燃料电池电堆(61)的阳极或阴极，在燃料电池电堆(61)的电极表面发生催化反应，加热燃料电池电堆(61)；
所述混合室(33)内设置有氢气浓度传感器；所述催化燃烧反应器(35)内设置有温度传感器；
所述氢气供给模块和空气供给模块的气体分别通过第一电磁阀(31)和第二电磁阀(32)接入混合室(33)。
优选的，所述电加热模块包括二次电池(41)、调制控制器(42)、用于检测燃料电池电堆(61)内部温度的传感器(43)、设置在燃料电池电堆(61)内的电加热组件和设置在冷却液换热器(24)内的电加热组件；
所述二次电池(41)通过调制控制器(42)与燃料电池电堆(61)连接；
所述设置在燃料电池电堆(61)内的电加热组件和设置在冷却液换热器(24)内的电加热组件均由二次电池(41)提供电能。
优选的，所述燃料电池电堆(61)内的电加热组件为布置在燃料电池电堆(61)膜电极表面的电热丝或嵌入双极板内部的电热丝、电热片，能够调节发热功率；
所述冷却液换热器(24)内的电加热组件为能够调节发热功率的电热丝、电热棒或电热片。
优选的，所述尾气处理模块包括与燃料电池电堆(61)的阳极出口连接的第一气液分离器(51)、与燃料电池电堆(61)阳极出口连接的第二气液分离器(54)以及尾排处理电磁阀(53)；所述第一气液分离器(51)通过阳极出口电磁阀(52)与尾气混合室(57)连接；所述第二气液分离器(54)的输出端依次经背压阀(55)和阴极出口电磁阀(56)接入尾气混合室(57)；所述尾排处理电磁阀(53)与空气入堆电磁阀(15)连接，用于调控尾气混合室(57)内的氢气浓度；所述尾气混合室(57)内设置有氢气浓度传感器。
优选的，所述控制模块与氢气供给模块、氧气供给模块、冷却液循环模块、催化燃烧加热模块、电加热模块、燃料电池电堆(61)以及尾气处理模块连接，根据各传感器检测的数据控制系统内各部件的启停、辅助启动模式的切换。
优选的，所述辅助低温冷启动系统具有模式一、模式二两种辅助启动模式；所述的模式一启动时，催化燃烧加热模块和电加热模块同时工作。所述的模式二启动时，电加热模块工作，氢气供给模块和空气供给模块开启，燃料电池电堆(61)开始低功率运行。
根据所述的一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统的控制方法，具体步骤如下：
步骤1、检测燃料电池电堆(61)温度T，判断温度T是否低于正常启动温度T0，若是，则执行步骤2；否则，执行步骤15；
步骤2、检测燃料电池电堆(61)温度T，判断温度T是否低于模式切换温度T1，若是，则执行步骤3；否则，执行步骤11；
步骤3、启动模式一，开启氢气进气阀(3)、空气压缩机(13)和冷却液循环泵(21)；
步骤4、开启第一电磁阀(31)和第二电磁阀(32)，氢气和空气分别通过第一电磁阀(31)和第二电磁阀(32)接入混合室(33)，直至混合室(33)内氢气浓度达到第一设定浓度；
步骤5、开启混合气体出口电磁阀(34)，达到第一设定浓度的混合气体接入催化燃烧反应器(35)，发生催化燃烧反应产热，直至催化反应燃烧器(35)内温度达到第一设定温度；
步骤6、开启设置在燃料电池电堆(61)内的电加热组件和设置在冷却液换热器(24)内的电加热组件，分别给燃料电池电堆(61)和待入堆的冷却液加热；
步骤7、开启热流出口电磁阀(36)，达到第一设定温度的热流接入冷却液换热器(24)，加热待入堆的冷却液，入堆冷却液的温度控制在第二设定温度，热流温度下降，入堆热流的温度控制在第三设定温度；
步骤8、开启热流出口三通阀(37)，与冷却液换热后的热流分别地接入燃料电池电堆(61)的阳极或阴极，在燃料电池电堆(61)的电极表面发生催化反应，加热燃料电池电堆(61)；
步骤9、由燃料电池电堆(61)阳极和阴极排出的尾气被接入尾气混合室(57)，氢气浓度传感器检测尾气混合室(57)内的氢气浓度，判断其是否低于第二设定浓度，若是，则直接将尾气排出；否则，开启尾气处理电磁阀(53)，向尾气混合室(57)内接入空气，直至尾气混合室(57)内氢气浓度低于第二设定浓度；
步骤10、随着电堆温度提升，动态执行步骤1；
步骤11、启动模式二，关闭第一电磁阀(31)和第二电磁阀(32)，开启氢气入堆电磁阀(5)和空气入堆电磁阀(15)，燃料电池电堆(61)开始运行；
步骤12、开启设置在燃料电池电堆(61)内的电加热组件和设置在冷却液换热器(24)内的电加热组件，分别给燃料电池电堆(61)和待入堆的冷却液加热；
步骤13、由燃料电池电堆阳极和阴极排出的尾气被接入尾气混合室(57)，氢气浓度传感器检测尾气混合室(57)内的氢气浓度，判断其是否低于第二设定浓度，若是，则直接将尾气排出；否则，开启尾气处理电磁阀(53)，向尾气混合室(57)内接入空气，直至尾气混合室(57)内氢气浓度低于第二设定浓度；
步骤14、随着电堆温度提升，动态执行步骤1；
步骤15、关闭各辅助启动组件，燃料电池电堆(61)正常运行。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、系统模块化设计。本发明针对辅助低温冷启动系统进行模块化设计，便于高效控制和故障监测，具有较快的启动响应能力，同时，可有效降低系统运行的故障率。
2、启动速度快。辅助低温冷启动系统启动时，来自催化燃烧反应器的热流和冷却液换热器内的电加热组件同时为入堆冷却液加热。与此同时，降温后的热流在燃料电池电堆电极表面进一步发生催化反应产热，燃料电池电堆内部的电加热组件为膜电极或双极板加热，在保证燃料电池电堆安全运行的前提下实现了快速启动。
3、能量利用率高。本发明将与冷却液换热后的热流通入燃料电池电堆电极表面进一步发生催化反应，加热膜电极，减少了热量和燃料浪费；同时，根据检测到的燃料电池电堆温度不同，本发明提供了两种辅助低温冷启动模式，提高了系统的能量利用率。
4、系统安全可靠。本发明设计了尾气处理模块，通过将尾排处理电磁阀与空气供给模块连接，调控尾气混合室内的氢气浓度，待氢气浓度稀释到安全浓度范围后排出，保证了系统的安全可靠性。
附图说明
图1为本发明提出的一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统示意图；
图2为本发明提出的辅助低温冷启动系统框架图；
图3为本发明提出的一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统的控制方法流程图；
其中，1、高压储氢罐，2、减压阀，3、氢气进气阀，4、第一流量计，5、氢气入堆电磁阀，6、检测氢气入堆温度和压力的传感器，7、氢气循环泵，11、空气过滤器，12、空气止回阀，13、空气压缩机，14、第二流量计，15、空气入堆电磁阀，16、空气加湿器，17、检测空气入堆温度和压力的传感器，21、冷却液循环泵，22、节温器，23、散热器，24、冷却液换热器，25、检测冷却液入堆温度和压力的传感器，31、第一电磁阀，32、第二电磁阀，33、混合室，34、混合气体出口电磁阀，35、催化燃烧反应器，36、热流出口电磁阀，37、热流出口三通阀，41、二次电池，42、调制控制器，43、检测电堆内部温度的传感器的传感器，51、阳极出口气液分离器，52、阳极出口电磁阀，53、尾排处理电磁阀，54、阴极出口气液分离器，55、背压阀，56、阴极出口电磁阀，57、尾气混合室，61、燃料电池电堆。
具体实施方式
为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步说明。但需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于以下实施例表述的范围。
如图1、图2所示，本发明提出了一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统，该辅助低温冷启动系统包括氢气供应模块、空气供应模块、冷却液循环模块、催化燃烧加热模块、电加热模块、尾气处理模块、控制模块、燃料电池电堆。
氢气供给模块包括依次连接的高压储氢罐1、减压阀2、氢气进气阀3、流量计4、氢气入堆电磁阀5和用于检测氢气入堆温度和压力的传感器6、以及用于尾排氢气循环的氢气循环泵7，氢气循环泵7置于燃料电池电堆61的阳极出口和阳极入口之间。
空气供给模块包括依次连接的空气过滤器11、空气止回阀12、空气压缩机13、流量计14、空气入堆电磁阀15、空气加湿器16和用于检测空气入堆温度和压力的传感器17。
冷却液循环模块包括与燃料电池电堆61连接的冷却液循环泵21、节温器22、散热器23、冷却液换热器24和用于检测冷却液入堆温度和压力的传感器25，所述节温器(22)的两出口端分别与散热器(23)和冷却液换热器(24)连接，所述散热器(23)和冷却液换热器(24)并联设置。
在本实施例中，冷却液换热器24选用翅片式换热器。
催化燃烧加热模块包括与第一流量计4输出端相连接的第一电磁阀31、与第二流量计14输出端相连接的第二电磁阀32、与第一电磁阀31、第二电磁阀32输出端连接的混合室33、催化燃烧反应器35；所述混合室33通过混合气体出口电磁阀34与催化燃烧反应器35连接；所述催化燃烧反应器35的热流通过热流出口电磁阀36接入冷却液换热器24，与冷却液换热器24中待入堆的冷却液换热，再通过热流出口三通阀37接入燃料电池电堆61的阳极或阴极，在燃料电池电堆61的电极表面发生催化反应，加热燃料电池电堆61；
混合室33内设置有氢气浓度传感器。催化燃烧反应器35内设置有温度传感器。在本实施例中，催化燃烧反应器35选用平板式微通道反应器，催化剂选用Pt/γ-Al2O3。
所述催化燃烧加热模块产生的热量分别来自催化燃烧反应器35和燃料电池电堆61。所述氢气供给模块和空气供给模块的气体分别通过第一电磁阀31和第二电磁阀32接入混合室33，氢气和空气在混合室33内混合均匀后接入催化燃烧反应器35内反应产生热流。热流通过热流出口电磁阀36接入冷却液换热器24，与冷却液循环模块中待入堆的冷却液换热，通过热流出口三通阀37分别接入燃料电池电堆阳极和阴极，在燃料电池电堆的电极表面进一步发生催化反应，加热燃料电池电堆61。
电加热模块包括二次电池41、调制控制器42、用于检测电堆内部温度的传感器43、设置在燃料电池电堆61内的电加热组件和设置在冷却液换热器24内的电加热组件。
二次电池41通过调制控制器42与燃料电池电堆61连接，设置在燃料电池电堆61内的电加热组件和设置在冷却液换热器24内的电加热组件由二次电池41提供电能。在本实施例中，燃料电池电堆61内的电加热组件为嵌入双极板内部的电热丝，可调节发热功率，冷却液换热器24内的电加热组件为电热棒，可调节发热功率。
尾气处理模块包括与燃料电池电堆61的阳极出口连接的第一气液分离器51、与燃料电池电堆61阳极出口连接的第二气液分离器54以及尾排处理电磁阀53；所述第一气液分离器51通过阳极出口电磁阀52与尾气混合室57连接；所述第二气液分离器54的输出端依次经背压阀55和阴极出口电磁阀56接入尾气混合室57；尾气混合室57内设置有氢气浓度传感器。
所述尾气混合室57置于阳极出口电磁阀52和阴极出口电磁阀56之间，阳极出口气体通过所述的阳极出口气液分离器51，经阳极出口电磁阀52接入尾气混合室57，阴极出口气体通过所述的阴极出口气液分离器54，依次经背压阀55和阴极出口电磁阀56接入尾气混合室57，尾排处理电磁阀53与空气供给模块连接，用于调控尾气混合室57内的氢气浓度。
控制模块与氢气供给模块、氧气供给模块、冷却液循环模块、催化燃烧加热模块、电加热模块、燃料电池电堆以及尾气处理模块连接，根据各传感器检测的数据控制系统内各部件的启停、辅助启动模式的切换等。
所述辅助低温冷启动系统具有模式一、模式二两种辅助启动模式；所述的模式一启动时，催化燃烧加热模块和电加热模块同时工作。所述的模式二启动时，电加热模块工作，氢气供给模块和空气供给模块开启，燃料电池电堆61开始低功率运行。
另外，如图3所示，本发明提出了一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统的控制方法，具体步骤如下：
步骤1、检测燃料电池电堆61温度T，判断其是否低于正常启动温度T0，在本实施例中，正常启动温度T0设定为0℃，若是，则执行步骤2；否则，执行步骤15；
步骤2、检测燃料电池电堆61温度T，判断其是否低于模式切换温度T1，在本实施例中，模式切换温度T1设定为-10℃，若是，则执行步骤3；否则，执行步骤11；
步骤3、启动模式一，开启氢气进气阀3、空气压缩机13和冷却液循环泵21；
步骤4、开启第一电磁阀31和第二电磁阀32，氢气和空气分别通过第一电磁阀31和第二电磁阀32接入混合室33，直至混合室33内氢气浓度达到第一设定浓度，在本实施例中，第一设定浓度为10％；
步骤5、开启混合气体出口电磁阀34，达到第一设定浓度的混合气体接入催化燃烧反应器35，发生催化燃烧反应产热，直至催化反应燃烧器35内温度达到第一设定温度，本实施例中第一设定温度为200℃；
步骤6、开启设置在燃料电池电堆61内的电加热组件和设置在冷却液换热器24内的电加热组件，分别给燃料电池电堆61和待入堆的冷却液加热；
步骤7、开启热流出口电磁阀36，达到第一设定温度的热流接入冷却液换热器24，加热待入堆的冷却液，入堆冷却液的温度控制在第二设定温度，热流温度下降，入堆热流的温度控制在第三设定温度，在本实施例中，第二设定温度范围为70-90℃，第三设定温度范围为70-80℃。
步骤8、开启热流出口三通阀37，与冷却液换热后的热流可选择性接入燃料电池电堆61的阳极和阴极，在燃料电池电堆61的电极表面进一步发生催化反应，加热燃料电池电堆61；
步骤9、由燃料电池电堆阳极和阴极排出的尾气被接入尾气混合室57，氢气浓度传感器检测尾气混合室57内的氢气浓度，判断其是否低于第二设定浓度，本实施例中第二设定浓度为4％，若是，则直接将尾气排出；否则，开启尾气处理电磁阀53，向尾气混合室57内接入空气，直至尾气混合室57内氢气浓度低于第二设定浓度；
步骤10、随着电堆温度提升，动态执行步骤1；
步骤11、启动模式二，关闭第一电磁阀31和第二电磁阀32，开启氢气入堆电磁阀5和空气入堆电磁阀15，燃料电池电堆61开始小功率运行；
步骤12、开启设置在燃料电池电堆61内的电加热组件和设置在冷却液换热器24内的电加热组件，分别给燃料电池电堆61和待入堆的冷却液加热；
步骤13、由燃料电池电堆阳极和阴极排出的尾气被接入尾气混合室57，氢气浓度传感器检测尾气混合室57内的氢气浓度，判断其是否低于第二设定浓度，若是，则直接将尾气排出；否则，开启尾气处理电磁阀53，向尾气混合室57内接入空气，直至尾气混合室57内氢气浓度低于第二设定浓度；
步骤14、随着电堆温度提升，动态执行步骤1；
步骤15、关闭各辅助启动组件，燃料电池电堆正常运行。
所述控制模块根据所述的控制方法控制各模块中的部件的启停、辅助启动模式的切换。
所述的正常启动温度T0为0℃，模式切换温度T1范围为-15～-5℃，所述的第一设定温度范围为100～250℃，所述的第二、第三设定温度范围均为60～90℃，所述的第一设定浓度范围为5％～15％，所述的第二设定浓度为4％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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