本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种具有高电位保护的燃料电池系统。
背景技术：
近年来，燃料电池作为零排放的车用动力系统应用，受到广泛重视。对于车用燃料电池系统，在怠速时、低速行驶时、再生制动时,整车功率需求低，燃料电池系统处于极低功率输出或者不对外输出，甚至暂时进入停机状态，此时燃料电池电堆处于高电位状态。燃料电池电堆在高电位状态下，会加速催化剂的劣化，从而缩短电堆工作寿命。因此，在燃料电池电堆低功率输出或运转停止的情况下，需要采取措施回避电堆高电位状态。
现有技术路径通过几种方式进行燃料电池电堆高电压回避。一种是对燃料电池混合动力系统进行功率分配控制，例如ZL 200880111751.3，在系统负载功率较小时，控制燃料电池输出功率为动力电池充电，使输出功率高于高电位回避电压所要求的最低功率。此方法在系统处于正常工况条件下可以有效避免高电位的产生，但是当车辆长时间不行驶或者长下坡时，动力电池电量很容易充满，此时不能有效解决燃料电池低功率运行的问题。另一种避免高电压的方法是，当负载对燃料电池的功率需求很低时，使燃料电池停机，依靠动力电池满足系统功率需求，例如ZL 200880117284.5。此种高电位回避策略容易使燃料电池电池系统进入频繁启停过程，对于燃料电池寿命也有损害。另一种策略是，通过控制反应气体供给来限制燃料电池的输出电压，避免出现高电位，例如ZL 200880001314.6公开的燃料电池高电压回避策略。
因此，现有技术需要进一步改进和完善。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、具有高电位保护的燃料电池系统。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种具有高电位保护的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
燃料电池电堆，利用氢气和空气通过电化学反应而发电；
氢气供应系统，为燃料电池电堆提供合适压力及流量的氢气；
空气供应系统，为燃料电池电堆提供合适压力、流量、温度、湿度的氧气；
冷却液循环系统，通过冷却液循环及温度管理控制燃料电池电堆，并使其保持合适的反应温度；
电气控制系统，控制燃料电池电堆各辅机协调动作。
具体的，所述冷却液循环系统包括用于将冷却液循环流进流出燃料电池电堆的冷却液循环泵、用于给冷却液散热的散热器、用于给散热器散热的散热器风机、用于调节温度的节温器、用于加热冷却液的防冻加热电阻、用于测量燃料电池电堆温度的温度传感器、以及用于连通各部件的冷却液管道。所述燃料电池电堆通过冷却液管道依次与冷却液循环泵、节温器、防冻加热电阻和温度传感器连通并构成冷却液循环回路。所述散热器的两端并联设置在节温器上，构成冷却液分支回路，该分支回路用于冷却液的降温。所述散热器风机固定安装在散热器上。
具体的，所述电气控制系统包括燃料电池控制器、以及分别与燃料电池控制器电连接的用于测量燃料电池电堆电压的电压传感器、测量负载电流的电流传感器、用于高电位保护的电堆保护接触器、冷却液泵电机控制器、空气压缩机电机控制器、用于避免温度过低导致冷却液凝固的防冻加热接触器、用于控制防冻加热电阻供电来源的防冻供电控制器、用于连接外部电源为防冻加热电阻提供电源的防冻供电连接器和变流器。所述燃料电池电堆的正负极分别与燃料电池控制器、电压传感器、冷却液泵电机控制器、空气压缩机电机控制器和变流器的两端连接，实现稳定供电。所述电流传感器与燃料电池电堆串联连接，实时测量主回路电流值。所述冷却液泵电机控制器与冷却液循环泵电连接，所述空气压缩机电机控制器与空气供应系统电连接，所述燃料电池控制器分别与温度传感器和散热器风机电连接。所述防冻加热电阻的两端通过防冻加热接触器和电堆保护接触器分别与防冻供电连接器和燃料电池电堆电连接，通过切换至燃料电池电堆供电来，降低燃料电池电堆的电压来实现燃料电池电堆的高电位保护。所述防冻供电控制器分别与防冻加热接触器和电堆保护接触器电连接，实现两者之间的互锁，即当房东加热接触器闭合时，电堆保护接触器打开，反之亦然，两者不能同时打开或关闭。
工作时，安装所述燃料电池系统的车辆启动、待机、停机及正常运行过程中，燃料电池电堆输出电压V高于电堆保护电压V1一定时间t1时，燃料电池控制器便会控制所述电堆保护接触器闭合，并使输出电压V低于保护电压V1；当电堆输出电压V低于电堆保护取消电压V2一定时间t2时，燃料电池控制器便会控制所述电堆保护接触器断开。通过此方式，可以实现利用所述防冻加热电阻解决燃料电池电堆处于高电压输出导致的催化剂劣化问题。
进一步的，所述空气供应系统包括空气过滤器、空气压缩机、空气压缩机驱动电机、空气质量流量计、空气加湿器、以及空气供应管道；所述燃料电池电堆通过空气供应管道依次与空气加湿器、空气质量流量计、空气压缩机和空气过滤器连通并构成空气供应通道；所述空气压缩机驱动电机安装在空气压缩机内，与空气压缩机传动连接并与空气压缩机电机控制器电连接。
进一步的，所述氢气供应系统包括氢气储罐、氢气减压器、氢气电磁阀、氢气循环泵、氢气排放阀、以及氢气供应管道；所述氢气循环泵的两端通过氢气供应管道与燃料电池电堆连通并构成氢气供应循环回路；所述氢气储罐的出气口与氢气减压器进气口连通，氢气减压阀的出气口与氢气电磁阀的一端连通，氢气电磁阀的另一端与氢气循环泵一端连通，氢气循环泵的另一端与氢气排放阀连通；所述氢气电磁阀、氢气循环泵和氢气排放阀分别与燃料电池控制器电连接。
作为本发明的优选方案，所述防冻加热电阻采用圆柱形结构或其他结构并设置在冷却液管道内，或者采用带状或片状结构并缠绕或贴敷在冷却液管道外表面上，另外，防冻加热器安装位置可以位于电堆入口冷却液管道或电堆出口冷却液管道。安装在冷却液管道内可以提高防冻加热电阻的热效率，使冷却液在寒冷的气温下快速解冻，确保燃料电池电堆的正常供电；而粘贴在冷却液管道表面则可以降低加工难度，大大方便日后维护。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：
一种具有高电位保护的燃料电池系统的控制方法，该控制方法主要包括如下步骤：
步骤S1:设定燃料电池电堆的保护电压为V1＝N×Vcp，其中，N为电堆中的单电池数，Vcp为单电池保护电压值；当燃料电池电堆的电压达到保护电压时，此时该电压对应的负载电流值设为I1。
步骤S2:燃料电池控制器通过电压传感器检测燃料电池电堆的实时电压，当燃料电池电堆的电压增大到保护电压V1以上时，燃料电池控制器驱动电堆保护接触器闭合，防冻加热电阻与燃料电池电堆正负极连接并将燃料电池电堆电压拉低到V1以下。
步骤S3:燃料电池控制器通过电流传感器检测燃料电池电堆实时的负载电流，当燃料电池电堆的负载电流增大到两倍的I1以上时，此时对应的电压称为电堆保护取消电压V2，燃料电池控制器驱动电堆保护接触器断开，退出高电位保护。
步骤S31:若退出高电位保护后电压再次增大到保护电压V1以上时，为了避免电堆保护接触器频繁动作而导致寿命缩短，所以设定前后两次高电位保护的响应时间间隔为0.5至10秒。
步骤S4:当燃料电池系统接收到停机信号后，电堆保护接触器保持闭合状态，直到燃料电池电堆的电压低于停机截止电压Vs＝N×Vcs，其中，N为电堆中的单电池数，Vcs为单电池停机截止电压值。
作为本发明的优选方案，为了确保系统稳定工作，同时提高电堆保护接触器的使用寿命，本发明所述响应时间间隔设为1至3秒。若间隔时间过短，会导致电堆保护接触器频繁动作，缩短电堆保护接触器的使用寿命，也会系统的稳定性和可靠性；若间隔时间太长，会使燃料电池处于高电位状态的时间较长，缩短燃料电池电堆的使用寿命。
作为本发明的优选方案，为了避免燃料电池电堆长时间处于高电位状态，同时为了延长防冻加热电阻的使用寿命，本发明所述防冻加热电阻的阻值小于电堆保护电压V1与处于该电压时电堆输出最大电流I1二者的比值；所述防冻加热电阻的耐压值大于所述燃料电池电堆开路电压VOCV及防冻供电电压。所述防冻加热电阻阻值选择选择V1和I1的比值，使得系统即使在没有任何负载条件下，仅以防冻加热电阻作为负载时，电堆也不会处于高电位状态。有一定负载时，燃料电池电堆电堆更大，电压必然低于电堆保护电压V1。防冻加热电阻必须能够耐受电堆开路电压以及防冻供电电压，避免电阻损坏。
作为本发明的优选方案，为了提高燃料电池系统的工作效率，获得更好的高电位保护效果，本发明所述Vcp的取值范围为0.8V至0.9V，所述Vcp的取值为0.85V。若Vcp取值过小，使得高电位回避电流过大，降低燃料电池系统效率；若Vcp取值过大，会降低高电位回避策略的效果。
作为本发明的优选方案，为了提高燃料电池系统的工作效率，获得更好的高电位保护效果，本发明所述Vcs的取值范围为0.1V至0.5V，所述Vcs的取值为0.2V。若Vcs取值过小，容易使得燃料电池电堆部分单电池处于反极化状态，影响电堆寿命；若取值过大，燃料电池系统停机后，电堆仍有可能处于高电位状态，也会影响电堆寿命。
本发明的工作过程和原理是：本发明所提供的燃料电池系统启动过程中，需要依靠外部供电，打开氢气储罐中的氢气瓶口阀以及氢气电磁阀、氢气排放阀，启动氢气循环泵，使燃料电池电堆中的氢气流道被氢气充满；同时，依靠外部供电启动空气压缩机，使空气能够充满燃料电池电堆中的空气流道，以建立起燃料电池电堆开路电压。当燃料电池电堆电压传感器检测到电堆输出电压超过一定数值时，认为电堆进入高电位工作状态，对电堆工作寿命造成危害，此时，电堆保护接触器切入，使得防冻电阻直接作为燃料电池电堆的负载开始工作，将燃料电池电堆电压拉到一定范围之下，避免高电压的危害。当变流器开始工作时，燃料电池系统开始对外输出，负载增加到一定程度时，燃料电池电堆的输出电压低于高电位保护值下限，断开电堆保护接触器32，使系统正常对外输出。本发明还具有结构简单、控制逻辑清晰、系统运行稳定可靠的优点。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)本发明所提供的具有高电位保护的燃料电池系统通过直接匹配燃料电池输出电压与防冻电阻阻值，直接利用防冻电阻来消耗部分燃料电池输出功率，可以顺利避免电堆在低功率工作或待机过程中出现电压过高，从而带来电堆性能衰减。
(2)本发明所提供的具有高电位保护的燃料电池系统直接利用防冻电阻，通过电堆保护接触器实现控制，控制简单，通过与防冻供电接触器实现互锁，确保安全。利用防冻加热电阻实现电堆高电压回避时，电堆输出功率很低，也不会造成电堆冷却液过温。
(3)本发明所提供的具有高电位保护的燃料电池系统可以在启动、低负载、空载等各种工况下，仅根据电堆输出电压进行控制避免电堆高电压，简单易行。
(4)安装本发明所提供的燃料电池系统的车辆入库停车时，连接外部防冻供电电源为防冻加热电阻及冷却液循环泵供电，从而避免了燃料电池电堆被冰冻的危害。
(5)使用本发明的燃料电池系统在停机时，利用防冻加热电阻可以迅速使燃料电池电堆电压降低，进入停机状态，避免电堆处于高电位状态从而影响寿命。本发明在实现此功能时，无需额外增加部件，方便易行。
附图说明
图1是本发明所提供的具有高电位保护的燃料电池系统的结构示意图。
图2是本发明所提供的燃料电池系统输出电压与电流的关系图。
图3是本发明所提供的燃料电池系统测试时的电压与电流的关系图。
上述附图中的标号说明：
11-冷却液循环泵，12-散热器，13-散热器风机，14-节温阀，15-防冻加热电阻，16-温度传感器；
21-空气过滤器，22-空气压缩机驱动电机，23-空气压缩机，24-空气质量流量计，25-空气加湿器；
31-电压传感器，32-电堆保护接触器，33-冷却液泵电机控制器，34-空气压缩机电机控制器，35-防冻加热接触器，36-防冻供电连接器，37-变流器；
41-储氢罐，42-氢气减压器，43-氢气电磁阀，44-氢气循环泵，45-氢气尾气排放阀；
50-燃料电池控制器；
100-燃料电池电堆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
当负载对燃料电池系统的功率需求降低时，燃料电池电堆输出电压会升高，电堆进入高电位状态。通过能量管理策略，将燃料电池功率用于充电，可以有效降低高电位，同时能量得以充分利用，系统效率高，此方法是最有效的方法，但总是存在一定工况，无法为动力电池进行充电以消耗燃料电池电堆功率，此时仍然要面对电堆高电位的状态。而通过使燃料电池系统暂时停止运转，或者停止供应反应气体，虽然可以达到避免电堆高电位的目的，但是，在停止运转的燃料电池电堆内残留的氧化气体在运转停止后会逐渐消耗掉。而且，当残留的氧化气体被消耗后使燃料电池起动时，产生氧化气体的供给滞后，成为氧化气体不足的状态。当氧化气体不足时，为了维持氧化气体化学计量比，燃料电池的发电量被限制在与实际所供给的氧化气体的流量相对应的值。当抑制发电量时，输出电压就上升，因此担心会转移到高电位状态，成为燃料电池老化的主要原因。
如图1、图2和图3所示，本发明公开了一种具有高电位保护的燃料电池系统，该系统由燃料电池电堆100、空气供应系统、氢气供应系统、热管理系统、电气控制系统等构成。
空气供应系统包含空气过滤器21、空气压缩机23、空气压缩机驱动电机22、空气质量流量计24、空气加湿器25以及相应管路等部件，必要时，空气供应系统中还包括换热器、消音器、温度传感器、压力传感器、氢气浓度传感器等其他部件。
氢气供应系统包含氢气储罐41、氢气减压器42、氢气电磁阀43、氢气循环泵44、氢气排放阀45以及相应管路等部件，氢气供应系统中还可能包括氢气储罐瓶口阀、压力传感器、温度传感器、压力表、充氢连接器、氢气泄放阀、氢气安全阀、汽水分离器等其他部件。
热管理系统包含冷却液循环泵11、散热器12、散热器风机13、节温器14、防冻加热电阻15、温度传感器16、冷却液管路等部件，热管理系统中还可能包括冷却液流量计、压力传感器、换热器、去离子交换柱等其他部件。
电气控制系统包含燃料电池控制器50、燃料电池电堆电压传感器31、电堆保护接触器32、冷却液泵电机控制器33、空气压缩机电机控制器34、防冻加热接触器35、防冻供电连接器36、变流器37、线路线缆等构成，电器控制系统中还可能包括氢气循环泵控制器、氢气系统控制器、散热风机控制器、远程数据单元、其他接触器、熔断器、断路器、电压传感器、电流传感器、烟雾传感器、氢气浓度传感器等其他部件。
燃料电池系统启动过程中，需要依靠外部供电，打开氢气储罐41中的氢气瓶口阀以及氢气电磁阀43、氢气排放阀45，启动氢气循环泵44，使燃料电池电堆100中的氢气流道被氢气充满；同时，依靠外部供电启动空气压缩机23，使空气能够充满燃料电池电堆100中的空气流道，以建立起燃料电池电堆开路电压。当燃料电池电堆电压传感器31检测到电堆输出电压超过一定数值时，认为电堆进入高电位工作状态，对电堆工作寿命造成危害，此时，电堆保护接触器32切入，使得防冻电阻15直接作为燃料电池电堆100的负载开始工作，将燃料电池电堆电压拉到一定范围之下，避免高电压的危害。当变流器37开始工作时，燃料电池系统开始对外输出，负载增加到一定程度时，燃料电池电堆100的输出电压低于高电位保护值下限，断开电堆保护接触器32，使系统正常对外输出。
图2中显示的是燃料电池电堆100的典型输出特性曲线，电堆没有输出电流时，电堆电压为开路电压Vvoc，当电堆输出电流低于某一数值I1时，电堆输出电压高于电堆高电位保护电压V1，电堆处于高电位危害，影响电堆寿命。燃料电池电堆高电位保护电压V1的数值设定范围为：V1＝N×Vcp，式中N为电堆中的单电池数，Vcp为单电池保护电压值，取值范围为0.8～0.9V，推荐值为0.85V。电堆电压超过V1时，电堆保护接触器闭合，使电堆电压低于V1。当负载电流增大到2倍I1以上时，电堆电压低于V2，此时电堆保护接触器断开，退出电堆高电压保护。电堆保护接触器32断开时，电堆电压会回升，可能会高于设定的电堆保护电压V1，容易造成电堆保护接触器32频繁开闭动作。因此，为避免电堆保护接触器频繁动作导致寿命缩短，接触器响应时间t1和t2的数值设定为0.5至10秒，优选响应时间为1～3秒。
图3中为燃料电池电堆从启动到负载逐渐提升到满载，再降低到待机，再次提升到一定负载后，突然将负载降低到零，一定时间后停机的工况循环，在此工况循环下，电堆保护接触器的切入切除对电堆电压及电流影响如图3中的曲线所示。燃料电池系统在0时刻收到启动指令，到t0时刻，氢气供应系统和空气供应系统响应完成，电堆电压开始上升到t1时刻，电堆电压上升到开路电压Vvoc，电堆电压传感器检测到电堆电压超过电堆保护电压V1，燃料电池控制器50发出指令，闭合电堆保护接触器32，将防冻电阻15切入到电堆负载中，将燃料电池电堆100的输出电压拉低到V1。持续到t2时，外部负载逐步提升，到t3时刻，电堆电压已经低于V1达到预设延迟时间，所以燃料电池控制器50发出指令让电堆保护接触器32断开，此时电堆电压有小幅回升。随着负载继续增大，电堆电压持续降低到V4，再随着负载电流的降低而回升。到达t5时刻，燃料电池系统进入待机状态，电堆负载电流降低到最低Imin，电堆电压高于设定的保护电压V1，因此燃料电池控制器50发出指令闭合电堆保护接触器32，此时负载总电流变为I1与Imin的和，电堆电压降到低于V1。到t6时刻，电堆负载电流再次回升，与t2、t3时刻相似，电堆保护接触器32的切入切出动作引起电堆总电流以及电压的波动。到电流增加到I3，时间到t8时刻，负载电流突然切断，电堆电压回升到Vvoc后，电堆保护接触器32再次切入。到t9时刻，燃料电池系统接收到停机指令，电堆保护接触器32一直保持闭合状态，直到燃料电池电堆100电压降低到下降到电堆停机截止电压Vs时，自动断开电堆保护接触器，电堆停机截止电压Vs＝N×Vcs，式中：N为电堆中的单电池数，Vcs为单电池停机截止电压值，取值范围为0.1～0.5V，推荐值为0.2V。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。