一种冷启动系统及其控制方法与流程

本发明涉及燃料电池控制领域，特别涉及一种冷启动系统及其控制方法。

背景技术：

近年来，新能源汽车正受到大家的重视，其中燃料电池汽车也逐渐受到越来越多的关注。燃料电池系统包括燃料电堆，反应气体在其中发生电化学反应产生电能；以及反应气体供应装置，其通过反应气体流路来对燃料电堆供应反应气体。

燃料电堆是将数百个单电池进行层叠而得到的堆结构，而单电池是由一对双极板来夹持膜电极mea而构成的。膜电极结构体由阳电级和阴电级以及中间的高分子电解质膜组成。

若对燃料电池的阳极电极供应作为燃料气体的氢，且对阴极电极供应作为氧化剂气体的空气，则电化学反应进行从而发电。如此，由于燃料电池通过电化学反应而直接得到电，因此凭借发电效率高这一点而优选。另外，由于燃料电池在发电时只生成无害的水，因此从对环境的影响的点来说也优选。

在以这样的燃料电池系统为动力源的燃料电池车辆中，在低温下启动燃料电池，并在短时间内以增加发电电流值而产生的热量来加热燃料电池是一个难题。同时另一方面，由于随着发电电流的增加，由燃料电池的电化学反应引起水产量会大大增加，从而堵塞了燃料气体的双极板通道和扩散层，而生产的水由于温度很低而凝结成冰，从而恶化燃料扩散，阻止燃料电池电化学作用的发生。从而发电量和发电反应来得是抑制，它最终会降低发热量值。

为了克服这些问题，有从燃料电池以脉冲方式输出电流。例如，jp-a-2004-31127公开了一种用于确定燃料电池的冻结状态的冻结确定装置，当燃料电池被判断为冻结时，燃料电池会以脉冲电流的方式输出电流。这种类脉冲电流输出，由于冷启动时以从燃料电池中输出脉冲电流，以通过降低其发电期间的反应效率来增加加热值时，能够提高温度。然而，燃料电池系统需要满足脉冲变化的电流变化来工作，其脉冲状电流源难以控制。而国内常以辅助加热冷却水的方式在低温下加热电堆，此种冷启动模式一般在冷却循环管路中会利用副循环回路中的加热装置对燃料电池进行加热，当燃料电池冷却水出口温度大于5.5℃时判断冷启动成功。此种方式需要额外能源对燃料电池加热，从能源利用的角度来说，不是最优选。

专利us6764780b2中采用缺氧加载运行燃料电池的方式，该方式通过加大燃料电池内部电阻来提高燃料电池的温度，该方法虽然简单，但是由于氧化剂以及燃料流量过低难以控制，既容易造成燃料电池电压逆转的问题，又很容易因加载不当造成膜电极的永久性烧坏。专利cn201320253808.1采用在燃料电池内部置入加热片的方式，该方式虽然便于控制，但是极易导致短路，且该方式需要加工专门安装膜电极的安装槽，易导致电堆泄漏。

技术实现要素：

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于，提供一种冷启动系统及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一方面，本发明提供一种冷启动系统，包括燃料反应电堆、燃料供应管路、氧化剂供应管路、温度传感器和控制器；所述燃料供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将燃料输送到所述燃料反应电堆的阳极；所述氧化剂供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将氧化剂输送到所述燃料反应电堆的阴极，所述氧化剂供应管路包括喷射器，用于在冷启动中将氧化剂喷射到所述燃料反应电堆的阴极；所述温度传感器设置在所述燃料反应电堆内部，用于检测所述燃料反应电堆的温度信息，并将所述温度信息传递给所述控制器；所述喷射器和温度传感器均与所述控制器通信连接。

具体地，所述控制器用于根据燃料反应电堆的温度信息控制所述冷启动系统做出相应的运行模式。

进一步地，所述燃料供应管路包括依次设置的燃料供应装置、压力控制阀和流量控制阀，所述压力控制阀和流量控制阀均与所述控制器连接，燃料供应装置用于提供燃料进入燃料供应管路，所述压力控制阀和流量控制阀用于调整管路中燃料的压力和浓度状态。

进一步地，所述氧化剂供应管路还包括依次设置的空气过滤器和空压机，所述空压机的出口与所述喷射器的入口连通，并且所述空压机和所述喷射器之间设置第一止通阀，所述空气过滤器用于过滤掉空气中的杂质以及硫化物和碳氧化物，所述空压机用于将空气压力增加到工作压力。

进一步地，所述空压机和所述燃料反应电堆的阴极侧之间设有与所述喷射器并联的支管路，所述支管路上设有第二止通阀，并且所述空气过滤器、空压机、第一止通阀和第二止通阀均与所述控制器连接。

进一步地，所述燃料反应电堆的阳极和阴极均设有循环管路，所述燃料反应电堆的阳极的循环管路上设有氢循环泵，所述燃料反应电堆的阴极的循环管路上设有第三止通阀，所述氢循环泵和所述第三止通阀与所述控制器连接。

进一步地，所述冷启动系统还包括稀释室，所述稀释室分别与所述燃料反应电堆的阳极的出口和阴极的出口连通，用于接收燃料反应电堆产生的废气。

另一方面，本发明还提供一种冷启动系统的控制方法，利用上述所述的冷启动系统实施该方法，所述方法包括以下步骤：

接收车辆启动信号；

接收温度传感器检测的燃料反应电堆的温度信息；

判断所述燃料反应堆的温度是否达到温度阈值，若是，则控制所述系统进行冷启动操作，以使所述燃料反应堆的温度升高；若否，则控制所述系统为正常启动操作。

具体地，当司机执行车辆启动操作时，所述控制器接收到启动信号，并控制所述温度传感器工作，温度传感器检测燃料反应电堆的温度信息，所述控制器通过对接收的温度信息进行分析得到下步的控制流程。

具体地，所述冷启动操作包括以下步骤：控制压力控制阀降低所述燃料供应管路中燃料的压力，控制流量控制阀，降低所述燃料供应管路中燃料的流量，同时降低所述轻循环泵的转速；关闭第二止通阀，打开第一止通阀和第三止通阀，同时降低所述空压机的转速。

进一步地，所述控制所述冷启动系统为冷启动操作还包括：控制所述喷射器工作，降低所述燃料反应电堆的阴极的氧化剂浓度。

具体地，所述正常启动操作包括以下步骤：控制压力控制阀提升所述燃料供应管路中燃料的压力，控制流量控制阀提升所述燃料供应管路中燃料的流量，同时提高所述轻循环泵的转速；打开第二止通阀，关闭第一止通阀和第三止通阀，同时提高所述空压机的转速。

采用上述技术方案，本发明所述的一种冷启动系统及其控制方法具有如下有益效果：

1.本发明所述的一种冷启动系统及其控制方法，通过在燃料反应电堆阴极侧的入口处设置喷射器，能够有效降低氧化剂气体的浓度，增加电堆浓差损耗，从而增加电堆产热。

2.本发明所述的一种冷启动系统及其控制方法，冷启动时氧化剂气体较大的流速可以避免低流速时水淹，避免电堆内产生的水重新结冰等问题。

3.本发明所述的一种冷启动系统及其控制方法，通过设置喷射器，使在冷启动中，电堆内部氧化剂的均匀性有所提高，有利于避免局部热点以及电流密度不均匀的问题。

4.本发明所述的一种冷启动系统及其控制方法，在冷启动中空压机的转速无需过低，可有效避免nvh问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它附图。

图1本发明所述的一种冷启动系统的简图；

图2本发明所述的一种冷启动系统的控制方法的流程图。

图中：1-燃料供应装置，2-压力控制阀，3-流量控制阀，4-氢循环泵，5-空气过滤器，6-空压机，7-第一止通阀，8-喷射器，9-第二止通阀，10-燃料反应电堆的阳极，11-电解质膜，12-燃料反应电堆的阴极，13-第三止通阀，14-稀释室，15-负载。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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的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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

在以燃料电池系统为动力源的燃料电池车辆中，低温下启动燃料电池一直是个研究的热点，现有技术中一般是采用增加额外能源的方式加热燃料电池或者是改变燃料电池内部电阻来提高燃料电池温度，但这些方式在燃料的利用效率或者是安全性方便都会有一些影响，都不是很好的选择，本实施例提供一种冷启动系统，该系统包括燃料反应电堆、燃料供应管路、氧化剂供应管路、温度传感器和控制器；所述燃料供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将燃料输送到所述燃料反应电堆的阳极10；所述氧化剂供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将氧化剂输送到所述燃料反应电堆的阴极12，所述氧化剂供应管路包括喷射器8，用于在冷启动中将氧化剂喷射到所述燃料反应电堆的阴极12；所述温度传感器设置在所述燃料反应电堆内部，用于检测所述燃料反应电堆的温度信息，并将所述温度信息传递给所述控制器；所述喷射器8和温度传感器均与所述控制器通信连接。

如图1所示，所述燃料反应电堆有上百个燃料电池组成，每个燃料电池是由阴极12、电解质膜11和阳极10组成，在每片单电池中，燃料会由阳极流道在催化层的催化下发生电化学反应，空气会通过阴极流道在催化层的催化下发生电化学反应，从而形成电子的流动，最后通过负载15将电能释放出去。

在一些实施例中，阳极10和阴极12紧贴在电解质膜11两侧，阳极10由燃料供应管路供应燃料，从燃料供应装置1经过压力调节阀2以及流量阀3控制反应气体的压力与流量，在经过阳极10后会通过氢循环泵4将排出气体循环至入口处再使用，从而达到提升燃料利用率的效果。同时在循环后，在阳极10中会剩余微量惰性气体，阳极路会有吹扫阀(图中未显示)将气体排出保证燃料浓度。

在一些实施例中，氧化剂供应管路中，空气首先通过空气过滤器5，会过滤掉空气中的杂质以及硫化物和碳氧化物，再经过空压机6增压，将空气的压力增加到工作压力。在正常工作的状态下，系统控制打开第二止通阀9，同时关闭第一止通阀7和第三止通阀13，从而空气通过第二止通阀9进入阴极12。

在一些实施例中，在冷启动中系统控制关闭第二止通阀9，打开第一止通阀7和第三止通阀13，使得空气进入喷射器8，在喷射器8的作用下使得阴极12内部氧化剂的浓度减小，反应电堆的反应效率降低，从而使得燃料电池的电压降低，产热量上升。

在一些实施例中，所述冷启动系统还包括稀释室，所述稀释室分别与所述燃料反应电堆的阳极的出口和阴极的出口连通，用于接收燃料反应电堆产生的废气。

本实施例提供的一种冷启动系统具有如下有益效果：

1)本发明所述的一种冷启动系统，通过在燃料反应电堆阴极侧的入口处设置喷射器，能够有效降低氧化剂气体的浓度，增加电堆浓差损耗，从而增加电堆产热。

2)本发明所述的一种冷启动系统，冷启动时氧化剂气体较大的流速可以避免低流速时水淹，避免电堆内产生的水重新结冰等问题。

3)本发明所述的一种冷启动系统，通过设置喷射器，使在冷启动中，电堆内部氧化剂的均匀性有所提高，有利于避免局部热点以及电流密度不均匀的问题。

4)本发明所述的一种冷启动系统，在冷启动中空压机的转速无需过低，可有效避免nvh问题。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上提出了一种冷启动系统的控制方法，包括如下步骤：

接收车辆启动信号；

接收温度传感器检测的燃料反应电堆的温度信息；

判断所述燃料反应堆的温度是否达到温度阈值，若是，则控制所述系统进行冷启动操作，以使所述燃料反应堆的温度升高；若否，则控制所述系统为正常启动操作。

具体地，当司机执行车辆启动操作时，所述控制器接收到启动信号，并控制所述温度传感器工作，温度传感器检测燃料反应电堆的温度信息，所述控制器通过对接收的温度信息进行分析得到下步的控制流程。

所述冷启动操作包括以下步骤：控制器控制压力控制阀2和流量控制阀3，降低所述燃料供应管路中燃料的压力和流量，同时控制降低所述轻循环泵4的转速；控制器控制关闭第二止通阀9，打开第一止通阀7和第三止通阀13，同时降低所述空压机6的转速。

具体地，所述喷射器8接收来自空压机6的空气，然后将带有一定动能的喷射气体从喷口喷出时，与周围被喷射的气体进行动量交换，从而带动气体向前运动，两种气体在混合管内混合，在有限的混合管内,当前面的气体被推向前进时,后面的气体变得稀少而使压力下降,即在吸入管出口附近和混合管入口段的一定范围内,造成一定负压,促使被喷射气体不断被吸入混合管内,又不断地被喷射气体带走,喷射气体的喷射动能越大,造成的抽力越大,因而被带走的气体量也越多，空压机6排出气体与阴极12废气混合再次吹入阴极12侧，从而降低了空气中的氧气浓度，当氧化剂浓度降低，电堆参与电化学反应浓差极化会逐渐增大，反应速率将会降低，从而燃料电池电压降低，产热量上升，进而提高燃料反应电堆的温度。

具体地，本实施例在冷启动操作中是通过燃料电池供应反应物的速率在任何给定时刻要小于在燃料电池内消耗反应物的速率实现的，从而增加一个电极的一部分过电压并产生额外的热量。

在一些实施例中，由于喷射器8的工作，使得阴极12内部的反应物的流速也很高，可以保证阴极内生成的水可以随时排出电堆，可以提高在低功率输出时的水管理问题，避免产生的水无法排出从而凝结成冰的现。

在一些实施例中，当反应电堆的温度逐渐上升到正常工作温度时，整车的功率需求上升，该电池系统进入正常工作操作，具体为，所述正常启动操作包括以下步骤：控制器控制压力控制阀2和流量控制阀3，提升所述燃料供应管路中燃料的压力和流量，同时控制提高所述轻循环泵4的转速；控制器控制打开第二止通阀9，关闭第一止通阀7和第三止通阀13，同时提高所述空压机6的转速，保证空压机6将气体直接打入电堆，阴极12排出气体直接进入稀释室14。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。