低温冷启动的装置及方法与流程

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种低温冷启动的装置及方法。

背景技术：

燃料电池具有功率密度高，开关能力好等多种优势，但其低温冷启动性能较差。

现有技术中为了解决燃料电池低温冷启动性能差的问题，采用在燃料电池的冷却系统中加入一个加热器，在低温冷启动阶段，先使冷却系统运转，形成冷却液的循环回路，通过加入的加热器对循环回路中的冷却液进行加热，以使循环回路中冷却液的温度升至燃料电池的起堆温度。

这种加热方式需要较长时间才能将整个循环回路中的冷却液加热到燃料电池电堆的起堆温度。导致低温冷启动时间长。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低温冷启动的装置及方法，以解决现有技术低温冷启动时间长的问题。

技术方案如下：

本发明提供一种低温冷启动的装置，应用于燃料电池发动机系统，包括：

设置于燃料电池发动机系统中燃料电池电堆的冷却液出口和冷却液进口之间的冷却系统，所述冷却系统和所述燃料电池电堆形成冷却液的主循环回路；

设置于所述燃料电池电堆的冷却液出口和冷却液进口之间的加热器，所述加热器和所述燃料电池电堆形成冷却液的副循环回路；

所述主循环回路和所述副循环回路上分别设置有切换装置；

与所述加热器、切换装置连接的控制装置，所述控制装置用于在燃料电池发动机处于低温冷启动状态，控制所述切换装置将冷却液的循环回路由主循环回路切换为副循环回路并控制所述加热器对冷却液进行加热。

优选地，所述切换装置为三通阀，其中，所述主循环回路和所述副循环回路上分别设置有切换装置包括：

在所述燃料电池电堆的冷却液出口处设置第一三通阀；所述第一三通阀的输入端连接所述燃料电池电堆的冷却液出口，所述第一三通阀的第一输出端连接所述冷却系统的第一端，所述第一三通阀的第二输出端连接所述加热器的第一端；

在所述燃料电池电堆的冷却液进口处设置第二三通阀；所述第二三通阀的输入端连接所述燃料电池电堆的冷却液进口，所述第二三通阀的第一输出端连接所述冷却系统的第二端，所述第一三通阀的第二输出端连接所述加热器的第二端。

优选地，所述切换装置为开关阀；

其中，所述主循环回路和所述副循环回路上分别设置有切换装置包括：

在所述主循环回路的冷却系统两端分别设置一个开关阀；

在所述副循环回路的加热器两端分别设置一个开关阀。

优选地，还包括：

设置在所述燃料电池电堆的冷却液出口或冷却液出口位置处，与所述控制装置连接的温度传感器；

所述温度传感器用于检测所述燃料电池电堆的温度，并发送至所述控制装置，使得所述控制装置根据所述燃料电池电堆的温度确定所述燃料电池发动机是否处于低温冷启动状态。

优选地，所述控制装置还用于：

在确定所述燃料电池发动机不处于低温冷启动状态，则控制所述切换装置将冷却液的循环回路由副循环回路切换为主循环回路。

优选地，所述冷却系统包括：

设置于所述主循环回路上的散热器，以及为所述主循环回路补充冷却液的膨胀水箱。

本发明还提供了一种基于上述所述装置的低温冷启动方法，包括：

在燃料电池发动机启动时，确定燃料电池发动机是否处于低温冷启动状态；

若确定所述燃料电池发动机处于低温冷启动状态，则控制将冷却液的循环回路由主循环回路切换为副循环回路并控制加热器对冷却液进行加热。

优选地，所述控制将冷却液的循环回路由主循环回路切换为副循环回路，包括：

控制主循环回路上的切换装置断开与燃料电池电堆两端连接的冷却系统的连接；

控制副循环回路上的切换装置导通与燃料电池电堆两端连接的加热器的连接。

优选地，所述控制将冷却液的循环回路由主循环回路切换为副循环回路并控制加热器对冷却液进行加热之后还包括：

确定燃料电池发动机不处于低温冷启动状态，则控制主循环回路上的切换装置导通与燃料电池电堆两端连接的冷却系统的连接，且控制副循环回路上的切换装置断开与燃料电池电堆两端连接的加热器的连接；

控制所述冷却系统对所述主循环回路中的冷却液进行冷却。

优选地，所述确定燃料电池发动机是否处于低温冷启动状态包括：

检测燃料电池电堆的温度；

判断燃料电池电堆的温度是否小于预设温度；

若燃料电池电堆的温度小于预设温度，则确定燃料电池发动机处于低温冷启动状态。

与现有技术相比，本发明提供的上述技术方案具有如下优点：

从上述技术方案可知，本申请中冷却系统以及加热器均设置在燃料电池电堆的冷却液出口和冷却液进口之间，冷却系统和燃料电池电堆形成冷却液的主循环回路，加热器和燃料电池电堆形成冷却液的副循环回路，分别在主循环回路和副循环回路中设置切换装置，并设置与切换装置、加热器连接的控制装置，在燃料电池发动机处于低温冷启动状态，控制切换装置将冷却液的循环回路由主循环回路切换为副循环回路，并控制加热器仅对副循环回路中的冷却液加热。由于副循环回路中的冷却液并不流经冷却系统，因此冷却系统中的散热器不会对升温后的冷却液再次降温，且冷却系统中的膨胀水箱也不会为副循环回路补充冷却液，不会由于新补充的冷却液的温度低而降低副循环回路中冷却液的温度，因此，利用加热器仅对副循环回路中现存的少量冷却液进行加热，通过不断循环，可以快速将燃料电池电堆的温度升至起堆温度，缩短了冷启动时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中燃料电池低温冷启动装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种低温冷启动装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种低温冷启动装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种低温冷启动方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，为了解决燃料电池冷启动性能差的问题，采用在燃料电池的冷却系统中加入一个加热器，参见图1所示，为现有技术中燃料电池发动机的低温冷启动装置的结构示意图；包括由散热器以及膨胀水箱组成的冷却系统；设置在散热器与膨胀水箱之间，一端与散热器连接，另一端与燃料电池电堆的冷却液进口连接的加热器。

燃料电池发动机处于低温冷启动状态，先使冷却系统开始运转，形成冷却液的循环回路，通过加入的加热器对循环回路中的冷却液进行加热，冷却液流转到燃料电池电堆后，提升燃料电池电堆的温度以达到起堆温度，进而使得燃料电池电堆在低温情况下能够快速启动。但是，由于冷却系统中包括对冷却液进行降温的装置，如散热器，使得加热器对冷却液加热的同时散热器对冷却液降温，因此系统功耗大且冷却液升温慢，导致冷启动时间长。

且冷却系统中包括补充冷却液的装置，如膨胀水箱，为冷却回路补充冷却液后，由于新补充的冷却液温度相较于加热器所在冷却回路中的冷却液温度低，因此，加重了加热器的工作量，导致冷启动时间长。

针对此，本实施例提供了一种低温冷启动的装置，应用于燃料电池发动机系统中，燃料电池发送机系统中包括至少一个燃料电池电堆，参见图2，本实施例中低温冷启动的装置包括：

设置于燃料电池发送机系统中燃料电池电堆1的冷却液出口和冷却液进口之间的冷却系统2；

冷却系统2的两端分别与燃料电池电堆1的冷却液出口和冷却液进口连接，从冷却液出口导出的冷却液经过冷却系统2的冷却后，再通过冷却液进口流入燃料电池电堆1，对燃料电池电堆1降温，避免燃料电池电堆1工作过程中产生大量热量而导致燃料电池电堆1温度升高。

由燃料电池电堆1以及冷却系统2构成的冷却液的循环回路称为主循环回路。

本实施例中，冷却系统2包括设置于主循环回路上的散热器，以及为所述主循环回路补充冷却液的膨胀水箱。散热器用于对冷却液进行降温。其中，散热器为风扇散热器。

冷却液可以为乙二醇与去离子水的混合液，也可以为水。

设置于燃料电池电堆1的冷却液出口和冷却液进口之间的加热器3；

本实施例中，加热器3两端也分别与燃料电池电堆1的冷却液出口和冷却液进口连接，实现加热器3与冷却系统2并联设置。

从燃料电池电堆1的冷却液出口导出的冷却液经过加热器3加热后，再通过燃料电池电堆1的冷却液进口流入燃料电池电堆1，对燃料电池电堆1升温，以使得燃料电池电堆1从低温升至起堆温度，进而使得燃料电池电堆在低温情况下能够快速启动。

由燃料电池电堆1以及加热器3构成的冷却液的循环回路称为副循环回路。

本实施例中，加热器3用于加热流经加热器的冷却液，采用的加热器3可以与现有技术冷却系统中加入的加热器型号相同，以降低系统硬件成本。

当然，还可以采用其他型号的加热器，本实施例中并不限定加热器3的具体型号，只要能够实现对冷却液的加热即可。

所述副循环回路上设置有切换装置4a；

所述主循环回路上设置有切换装置4b；

与加热器3、切换装置4a和切换装置4b连接的控制装置5；

控制装置5用于在燃料电池发动机处于低温冷启动状态，控制切换装置4a和切换装置4b将冷却液的循环回路由主循环回路切换为副循环回路并控制加热器3对冷却液进行加热。

本实施例的低温冷启动的装置中可以形成两条循环回路，一条是由燃料电池电堆1以及冷却系统2构成的主循环回路，另一条是由燃料电池电堆1与加热器3构成的副循环回路。

可选地，本实施例中低温冷启动的装置还包括与燃料电池电堆1的冷却液出口连接的电动泵6。

利用电动泵6的抽吸作用，从燃料电池电堆1的冷却液出口抽取冷却液，使得抽取出的冷却液流经主循环回路或副循环回路后从燃料电池电堆1的冷却液进口进入燃料电池电堆1。

主循环回路与副循环回路不是同时工作的，通过切换装置4a和切换装置4b实现两条循环回路之间的切换。

具体为，在燃料电池发动机处于低温冷启动状态，冷却液的循环回路由燃料电池电堆与冷却系统构成的主循环回路切换至由燃料电池电堆与加热器构成的副循环回路，利用加热器3仅加热副循环回路中的冷却液。

由于副循环回路中的冷却液并不流经主循环回路中的冷却系统，因此冷却系统中的散热器不会对升温后的冷却液再次降温，且冷却系统中的膨胀水箱也不会为副循环回路补充冷却液，进而不会由于新补充的冷却液的温度低而降低副循环回路中冷却液的温度，因此，利用加热器仅对副循环回路中现存的少量冷却液进行加热，通过不断循环，可以快速将燃料电池电堆的温度升至起堆温度，降低了冷启动时间。

而在利用加热器对副循环回路中的冷却液进行加热，并使得燃料电池电堆的温度升高，不处于低温冷启动状态后，控制冷却液的循环回路由燃料电池电堆与加热器构成的副循环回路切换至由燃料电池电堆与冷却系统构成的主循环回路。

可选地，本实施例中切换装置可以是由三通阀组成的，也可以是由开关阀组成的。

下面介绍切换装置为不同形式时，低温冷启动的装置的结构；

第一种，切换装置由两个三通阀组成。

在燃料电池电堆1的冷却液出口处设置第一三通阀；所述第一三通阀的输入端连接所述燃料电池电堆的冷却液出口，所述第一三通阀的第一输出端连接所述冷却系统的第一端，所述第一三通阀的第二输出端连接加热器3的第一端；

在所述燃料电池电堆的冷却液进口处设置第二三通阀；所述第二三通阀的输入端连接所述燃料电池电堆的冷却液进口，所述第二三通阀的第一输出端连接所述冷却系统的第二端，所述第一三通阀的第二输出端连接加热器3的第二端。

在燃料电池发动机处于低温冷启动状态，第一三通阀的输入端与第二输出端导通，同时，第二三通阀的输入端与第二输出端导通；此时冷却液的循环回路为从燃料电池电堆的冷却液出口流出，流经加热器后，再从燃料电池电堆的冷却液入口流入。

在利用加热器对冷却液加热使得燃料电池发动机不处于低温冷启动状态后，第一三通阀的输入端与第一输出端导通，同时，第二三通阀的输入端与第一输出端导通；此时冷却液的循环回路为从燃料电池电堆的冷却液出口流出，流经冷却系统后，再从燃料电池电堆的冷却液入口流入。

在实际应用中，采用控制装置控制第一三通阀和第二三通阀的切换，进而控制主循环回路与副循环回路之间的切换。

可选地，控制装置可以利用整车控制器或发动机控制器，也可以是低温冷启动的装置内设置的控制器。

第二种，切换装置由四个开关阀组成，在所述副循环回路的加热器两端分别设置一个开关阀，在所述主循环回路的冷却系统两端分别设置一个开关阀。开关阀可以为电磁阀。

参见图3所示，为本实施例中切换装置由四个开关阀组成的低温冷启动的装置的结构示意图。

第一开关阀41的一端连接加热器3的第一端，第一开关阀41的另一端连接燃料电池电堆1的冷却液出口；

第二开关阀42的一端连接加热器3的第二端，第二开关阀42的另一端连接燃料电池电堆1的冷却液进口；

第三开关阀43的一端连接冷却系统2的第一端，第三开关阀43的另一端连接燃料电池电堆1的冷却液出口；

第四开关阀44的一端连接冷却系统2的第二端，第四开关阀44的另一端连接燃料电池电堆1的冷却液进口。

利用设置于燃料电池电堆的冷却液出口或冷却热进口位置处的温度传感器，检测燃料电池电堆的温度；将检测到的燃料电池电堆的温度发送至控制装置；

控制装置根据燃料电池电堆的温度确定燃料电池发动机是否处于低温冷启动阶段。

在确定燃料电池发动机处于低温冷启动状态时，控制装置控制第一开关阀41和第二开关阀42导通，第三开关阀43和第四开关阀44断开，同时启动加热器3；此时冷却液的循环回路为从燃料电池电堆的冷却液出口流出，流经加热器后，再从燃料电池电堆的冷却液入口流入。

在利用加热器对冷却液加热使得燃料电池发动机不处于低温冷启动状态时，控制装置控制第三开关阀43和第四开关阀44导通，第一开关阀41和第二开关阀42断开，同时启动冷却系统2；此时冷却液的循环回路为从燃料电池电堆的冷却液出口流出，流经冷却系统后，再从燃料电池电堆的冷却液进口流入。

参见图3可知，由燃料电池电堆与加热器构成的副循环回路的路径小于由燃料电池电堆与冷却系统构成的主循环回路的路径，进而副循环回路中流动的冷却液的体积小于主循环回路中流动的冷却液的体积，因此，本实施例中仅对副循环回路中比较少的冷却液进行加热，相较于现有技术中对主循环回路中较多的冷却液进行加热，可以快速升高冷却液的温度，进而缩短低温冷启动时间。

从上述技术方案可知，本实施例中冷却系统以及加热器均设置在燃料电池电堆的冷却液出口和冷却液进口之间，冷却系统和燃料电池电堆形成冷却液的主循环回路，加热器和燃料电池电堆形成冷却液的副循环回路，分别在主循环回路和副循环回路中设置切换装置，并设置与切换装置连接的控制装置，在低温冷启动阶段控制切换装置将冷却液的循环回路由主循环回路切换为副循环回路，利用加热器仅对副循环回路中的冷却液加热。由于副循环回路中的冷却液并不流经冷却系统，因此冷却系统中散热器不会对升温后的冷却液再次降温，且冷却系统中膨胀水箱也不会为副循环回路补充冷却液，不会由于新补充的冷却液的温度低而降低副循环回路中冷却液的温度，因此，利用加热器仅对副循环回路中现存的少量冷却液进行加热，通过不断循环，可以快速将燃料电池电堆的温度升至起堆温度，缩短了冷启动时间。

本实施例中还提供了一种低温冷启动的方法，基于图2、图3所示的低温冷启动的装置，参见图4所示，该实施例包括以下步骤：

s401、在燃料电池发动机启动时，确定燃料电池发动机是否处于低温冷启动状态；

若确定所述燃料电池发动机处于低温冷启动状态，则执行步骤s402；

一种实现方式为通过设置在燃料电池电堆的冷却液进口或冷却液出口位置处的温度传感器，检测燃料电池电堆的温度，判断燃料电池电堆的温度是否小于预设温度；若燃料电池电堆的温度小于预设温度，则确定燃料电池发动机处于低温冷启动状态。

另一种实现方式为：从发动机控制器中获取当前燃料电池发动机所处状态的信息，根据获取到的燃料电池发动机所处状态的信息，确定燃料电池发动机是否处于低温冷启动状态。

当然，还可以从整车控制器中获取当前燃料电池发动机所处状态的信息，根据获取到的燃料电池发动机所处状态的信息，确定燃料电池发动机是否处于低温冷启动状态。

s402、控制将冷却液的循环回路由主循环回路切换为副循环回路并控制加热器对冷却液进行加热。

若确定燃料电池发动机处于低温冷启动状态，则控制主循环回路上的切换装置断开与燃料电池电堆两端连接的冷却系统的连接，同时，控制副循环回路上的切换装置导通与燃料电池电堆两端连接的加热器的连接；并控制加热器对副循环回路上的冷却液进行加热。

本实施例中，通过加热器对冷却液进行加热使得燃料电池发动机不处于低温冷启动状态后，即启动燃料电池发动机，此种情况下，燃料电池电堆运行过程中将产生大量热量。控制主循环回路上的切换装置导通与燃料电池电堆两端连接的冷却系统的连接，且控制副循环回路上的切换装置断开与燃料电池电堆两端连接的加热器的连接；并控制所述冷却系统对所述主循环回路中的冷却液进行冷却，以实现对燃料电池电堆运行过程中产生的大量热量散热的目的。

从上述技术方案可知，本实施例中在燃料电池发动机处于低温冷启动状态，断开与燃料电池电堆两端连接的冷却系统的连接，且导通与燃料电池电堆两端连接的加热器的连接，利用加热器对由所述燃料电池电堆与所述加热器构成的循环回路中冷却液加热。由于循环回路中的冷却液仅在燃料电池电堆与加热器之间循环流动，而不会流经冷却系统，因此冷却系统中的散热器不会对升温后的冷却液再次降温，且冷却系统中的膨胀水箱也不会为循环回路补充冷却液，不会由于新补充的冷却液的温度低而降低循环回路中冷却液的温度，进而利用加热器仅对当前循环回路中现存的少量冷却液进行加热，通过不断循环，可以快速将燃料电池电堆的温度升至起堆温度，缩短了冷启动时间。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例提供的装置而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。