一種燃料電池系統的低溫啟動控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及質子交換膜燃料電池技術領域，更具體的涉及一種可實現低溫啟動的燃料電池系統的控制方法
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池(下稱燃料電池)以氫氣、空氣(或氧氣)為反應原料，在對外供能的過程中生成產物水，并釋放熱量。作為高效、潔凈的能源轉換裝置，燃料電池應用于車用動力系統，需要滿足適應低溫環境的應用要求。燃料電池在運行過程中生成產物水，并且，其質子交換膜需要保證一定的含水量，以實現其內部的質子傳導過程。因此，燃料電池在低溫(低于0°C)環境下應用時，停車及再次啟動時面臨著如何處理電池內部水量以及如何獲取熱量實現升溫的問題。
[0003]目前，關于燃料電池低溫啟動的相關專利主要對啟動過程進行控制，對停車過程少有描述。如，中國專利CN 100527510C提供一種采用附加直流電源以實現低溫啟動的燃料電池裝置及方法，在低溫啟動時采用附加直流電源實現電池的升溫，中國專利CN102386430 B提供了一種涉及三組電加熱絲及兩組水栗等的燃料電池系統及低溫啟動方法，通過控制循環水的流量及加熱的方法實現系統的低溫啟動，中國專利CN 202712345U則提供了一種含有空氣加熱絲結構的燃料電池系統，用于實現電池的低溫啟動，上述專利均對低溫啟動過程的實現方法進行了詳細介紹及說明，僅有CN 100527510C及CN202712345 U在提供一種低溫啟動的燃料電池裝置及方法時，簡單提及在系統停車后需要采用空氣或氮氣對燃料電池陰極及陽極流場進行吹掃，以去除電池內部殘留水。
[0004]上述專利所提供的低溫啟動裝置及方法，均是在存在輔助電源或加熱部件的情況下實現的低溫啟動，上述方法的缺點在于增加了輔助啟動的部件，也增加了燃料電池系統的復雜程度，同時附加的電源及加熱部件也增加了燃料電池系統在低溫啟動過程中的輔助能量消耗，即:提供的方法并非利用電堆的自放熱所實現的無輔助低溫啟動，而且方法缺乏對停車后的后處理過程的控制。需要重視的是，電池需要在低溫環境下實現無輔助的自啟動，不僅需要設計燃料電池系統及啟動過程的控制方法，其啟動前的上一次停車的處理過程也至關重要，上述專利所提供的方法中，并未提供對應的低溫停車方法，而在實際應用過程中，缺乏針對性的停車控制方法，停車后的低溫環境極易造成電池的膜電極損傷，導致低溫啟動無法實現。
【發明內容】
[0005]為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種燃料電池系統的低溫啟動控制方法，即:一種在低溫環境下自停車至下一次啟動過程的控制方法，適用于燃料電池系統在低溫環境下的停車及再次啟動。
[0006]本發明的目的還在于燃料電池系統在低溫環境下的無輔助啟動，即無需外部能源或熱量，僅通過燃料電池發生反應的熱量實現其溫度的升高。
[0007]本發明包括燃料電池系統實現無輔助低溫啟動相應的快速停車處理方法及快速啟動控制方法。
[0008]燃料電池系統在低溫環境下的無輔助自啟動過程，需滿足的條件為:燃料電池自身反應可釋放出足夠的熱量(考慮對環境的熱散失)，使燃料電池自身及其循環系統的冷卻液溫度升高至0°C以上。而為保障啟動時燃料電池可運行，需保證燃料電池在啟動初始具有恰當的狀態，其關鍵在于，燃料電池內部的氣體傳輸通道未被阻塞，且質子交換膜含有適量的水能保證質子傳輸。因此，在低溫環境下燃料電池系統的停車后處理過程至關重要，其關鍵在于，對于電池內部液態水的處理要適度，既要除去參與在電池內部的液態水，防止水結冰阻塞流場及氣體擴散層的反應氣傳輸通道，還能保證燃料電池內質子交換膜具有適當的含水量，以保證再次啟動時燃料電池的質子交換膜具有適當的質子傳導能力，即:燃料電池系統停車后處理要做到對電池內部水的可控，使其處于可再次啟動的恰當的狀態。
[0009]對于燃料電池系統，通常采用的燃料電池為多節單池組裝而成的燃料電池電堆，低溫環境停車后，采用一定量的氣體進行吹掃以除去液態水為常用的低溫停車處理方法。然而，對于燃料電池電堆，由于節數較多(通常超過100節)，吹掃過程中很難保證各節單池處于相同的含水狀態，極易造成不同位置單池的干濕差異，出現部分單池仍有液態水殘留而部分單池其質子交換膜已經失水的狀態，從而導致再次啟動無法正常進行。
[0010]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:一種燃料電池系統的低溫啟動控制方法，包括以下步驟:
[0011]A、停車控制
[0012]燃料電池系統停車時，采用高反應氣供應量、低電流間歇加載的方式，對燃料電池內部液態水進行處理，具體步驟如下:
[0013]按照電流密度isp。給定燃料電池的反應氣流量，并按照電流密度i spl進行間歇式加載，同時檢測加載時燃料電池電堆單節電池的電壓值，當加載過程中，燃料電池電堆中單節電池平均電壓處于0.50-0.65V時，燃料電池停車處理完成；所述的電流密度isp。為200_500mA/cm2，電流密度 ispl為 50_150mA/cm2;
[0014]B、啟動控制
[0015]按照電流密度ist。給定燃料電池的反應氣流量，按照i stl作為起始電流密度開始加載，并逐步加載至電流密度ist(]，隨后維持燃料電池于電流密度ist(]運行，并脈沖開啟冷卻液循環，當在冷卻液循環開啟過程中，檢測燃料電池電堆冷卻液循環進出口溫度均上升至o°c以上時，燃料電池自升溫熱機過程結束，燃料電池可進入正常開機過程；
[0016]所述的電流密度ist。為 200-500mA/cm 2，電流密度 istl為 50_150mA/cm 2。
[0017]本發明所述的間歇式加載，其加載時間周期h。?為5_608，其卸載時間周期h。?為5-60s ;所述的脈沖開啟冷卻液循環，其開啟時間周期t。。?為l-5s區間范圍，其關閉時間周期 tc off為 5-20so
[0018]本發明所述的電流密度istl<電流密度i spl，電流密度ist。多電流密度i sp。。
[0019]本發明所述的反應氣為氫氣或空氣。
[0020]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0021 ] 1、本發明在停車控制時，維持燃料電池處于較大的反應氣供應量，可以起到吹掃的作用，除去燃料電池內部殘余的液態水，而同時維持燃料電池處于較低的間歇加載電流，又可以對燃料電池的質子