一种燃料电池发动机的低温冷启动方法与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池发动机的低温冷启动方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池发动机由于高效率、零排放等优点，被视为在交通领域推动碳达峰和碳中和的主要力量。但目前，低温环境下燃料电池发动机冷启动困难是阻碍其大规模发展的障碍之一。

2、现有燃料电池发动机的低温冷启动方法大多采用单一冷启动策略。例如，中国专利cn114256486a根据目标电压可行域调整燃料电池发动机的工况参数。中国专利cn111785992b将冷启动分为两个启动阶段，首先进入冷启动过程一阶段，此时为外部加热元件与动力电池及系统余热共同给燃料，待燃料电池达到可启动温度时进入冷启动二阶段，即混合启动阶段，此时供空单元和供氢单元开始工作，燃料电池小功率运行。

3、但上述冷启动控制策略未充分考虑电堆在不同低温环境冷启动需要的热量，无法保证燃料电池冷启动成功。并且，在燃料电池出现衰减后，进一步增加了启动失败的风险。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池发动机的低温冷启动方法，用以解决现有技术无法自适应地调整冷启动策略保证燃料电池发动机冷启动成功的问题。

2、本发明实施例提供了一种燃料电池发动机的低温冷启动方法，包括如下步骤：

3、s1.确定燃料电池发动机在不同低温环境冷启动成功所需理论热量；

4、s2.获取燃料电池发动机上一次关机吹扫后的高频阻抗，根据该高频阻抗预测燃料电池发动机内质子交换膜的初始水含量；

5、s3.根据上述预测的初始水含量，结合燃料电池发动机内电堆膜电极的设计参数，得出电堆在冷启动过程中可存储的固态冰体积，进而确定当前启动策略的设定时间；

6、s4.在上述设定时间内启动燃料电池发动机，实时获取在当前启动策略、当前温度下燃料电池发动机的输出电信号，得出冷启动过程中电堆实际产热量；

7、s5.判断冷启动过程中电堆实际产热量是否低于当前温度对应的理论热量，如果是，更换当前启动策略，否则，完成燃料电池低温冷启动。

8、上述技术方案的有益效果如下：提供了一种自适应的低温冷启动方法。通过获取实际运行中的燃料电池发动机的输出电信号，通过理论计算对比实际产热量和冷启动成功所需理论热量来进行自适应冷启动策略切换，进而推动燃料电池发动机冷启动问题的解决。

9、基于上述方法的进一步改进，该低温冷启动方法还包括如下步骤：

10、s6.每隔设定时间，获取在额定工况点燃料电池发动机的输出信号；

11、s7.根据该输出信号确定燃料电池发动机的极化曲线，进而得出燃料电池发动机的衰减因子；

12、s8.根据上述衰减因子，对步骤s3中电堆在冷启动过程中可存储的固态冰体积以及步骤s4冷启动过程中电堆实际产热量进行修正。

13、进一步，步骤s2的高频阻抗也是该燃料电池发动机关机吹扫策略中作为停止吹扫条件判定的高频阻抗值。

14、进一步，电堆膜电极的设计参数包括催化层孔隙率εcl、催化层厚度δcl、质子交换膜面积am；并且，

15、步骤s3进一步通过下面公式得出电堆在冷启动过程中可存储的固态冰体积v：

16、

17、式中，mw为水的摩尔质量，nd为膜水扩散和电子拖曳系数，ρice为冰的密度。

18、进一步，步骤s4进一步通过下面公式得出冷启动过程中电堆实际产热量p：

19、

20、式中，i为燃料电池发动机的输出电流，v0为单电池的开路电压，vi为单电池的实时电压。

21、进一步，该低温冷启动方法还包括：

22、s9.在燃料电池发动机启动过程中，获取燃料电池发动机的实时温度；

23、s10.根据燃料电池发动机的实时温度，得出燃料电池发动机的实时膜水含量；

24、s11.根据上述燃料电池发动机的实时膜水含量，得出冷启动过程中电堆膜电极析出进入催化层的水量；

25、s12.获取冷启动过程中可存储的固态冰体积v对应的水量，叠加冷启动过程中电堆膜电极析出进入催化层的水量，获得当前启动策略下的实际总产水量；

26、s13.根据当前启动策略下的实际总产水量初步判断当前启动策略是能能够冷启动成功，如果是，进一步根据当前时刻燃料电池发动机的输出电流得出当前冷启动产水速率，根据电堆在冷启动过程中可存储的固态冰体积v、当前冷启动产水速率，估算冷启动过程的持续时间。

27、进一步，步骤s10进一步通过下面公式得出燃料电池发动机的实时膜水含量λsat：

28、λsat＝6.775×10-5t03-4.747×10-2t02+11.22t0-888.8，

29、

30、式中，t0为燃料电池发动机的实时温度。

31、进一步，步骤s11进一步通过下面公式得出冷启动过程中电堆膜电极析出进入催化层的水量vwater：

32、

33、式中，f为法拉第常数，ρm为质子交换膜的干膜密度，εm为离聚物体积分数，λ0为质子交换膜初始水含量，ew为质子交换膜的干膜当量。

34、进一步，步骤s5判断冷启动过程中电堆实际产热量低于当前温度对应的理论热量时，在当前启动策略基础上采取逐步减小燃料电池发动机的单电池电压的控制方式，以增加冷启动过程中电堆实际产热量。

35、进一步，步骤s13进一步包括：

36、s131.将当前启动策略下的实际总产水量与理论值进行比对，识别当前启动策略下的实际总产水量低于理论值时，可以初步判断当前冷启动策略能够成功，继续步骤s4-s5，并执行下一步，否则，初步判断当前冷启动策略不能够成功，更换冷启动策略；

37、s132.获取当前时刻燃料电池发动机的输出电流；

38、s133.根据当前时刻燃料电池发动机的输出电流，得到当前冷启动产水速率；

39、s134.根据电堆在冷启动过程中可存储的固态冰体积除以当前冷启动产水速率，得出冷启动过程的持续时间的估计值。

40、提供
技术实现要素：
部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。

技术特征：

1.一种燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，包括:

2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，还包括如下步骤：

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，步骤s2的高频阻抗也是该燃料电池发动机关机吹扫策略中作为停止吹扫条件判定的高频阻抗值。

4.根据权利要求3所述的燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，电堆膜电极的设计参数包括催化层孔隙率εcl、催化层厚度δcl、质子交换膜面积am；并且，

5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，步骤s4进一步通过下面公式得出冷启动过程中电堆实际产热量p：

6.根据权利要求5所述的燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，步骤s10进一步通过下面公式得出燃料电池发动机的实时膜水含量λsat：

8.根据权利要求7所述的燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，步骤s11进一步通过下面公式得出冷启动过程中电堆膜电极析出进入催化层的水量vwater：

9.根据权利要求3所述的燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，步骤s5判断冷启动过程中电堆实际产热量低于当前温度对应的理论热量时，在当前启动策略基础上采取逐步减小燃料电池发动机的单电池电压的控制方式，以增加冷启动过程中电堆实际产热量。

10.根据权利要求9所述的燃料电池发动机的低温冷启动方法，其特征在于，步骤s13进一步包括：

技术总结
本发明提供了一种燃料电池发动机的低温冷启动方法，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术无法自适应地调整冷启动策略保证燃料电池发动机冷启动成功的问题。该方法包括：确定发动机在不同低温环境冷启动成功所需理论热量；获取发动机上一次关机吹扫后的高频阻抗，根据该高频阻抗预测发动机内质子交换膜的初始水含量；根据上述预测的初始水含量，结合发动机内电堆膜电极的设计参数，确定当前启动策略的设定时间；启动发动机，实时获取在当前启动策略、当前温度下发动机的输出电信号，得出冷启动过程中电堆实际产热量；判断冷启动过程中电堆实际产热量是否低于当前温度对应的理论热量，如果是，更换当前启动策略，否则，完成燃料电池低温冷启动。

技术研发人员：孙铁生,曹艳鹏,王肖奎,张潇丹,方川
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15