[发明专利]一种燃料电池系统的低温启动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，更具体的涉及一种可实现低温启动的燃料电池系统的控制方法

背景技术

质子交换膜燃料电池(下称燃料电池)以氢气、空气(或氧气)为反应原料，在对外供能的过程中生成产物水，并释放热量。作为高效、洁净的能源转换装置，燃料电池应用于车用动力系统，需要满足适应低温环境的应用要求。燃料电池在运行过程中生成产物水，并且，其质子交换膜需要保证一定的含水量，以实现其内部的质子传导过程。因此，燃料电池在低温(低于0℃)环境下应用时，停车及再次启动时面临着如何处理电池内部水量以及如何获取热量实现升温的问题。

目前，关于燃料电池低温启动的相关专利主要对启动过程进行控制，对停车过程少有描述。如，中国专利CN 100527510C提供一种采用附加直流电源以实现低温启动的燃料电池装置及方法，在低温启动时采用附加直流电源实现电池的升温，中国专利CN 102386430 B提供了一种涉及三组电加热丝及两组水泵等的燃料电池系统及低温启动方法，通过控制循环水的流量及加热的方法实现系统的低温启动，中国专利CN 202712345 U则提供了一种含有空气加热丝结构的燃料电池系统，用于实现电池的低温启动，上述专利均对低温启动过程的实现方法进行了详细介绍及说明，仅有CN 100527510C及CN 202712345 U在提供一种低温启动的燃料电池装置及方法时，简单提及在系统停车后需要采用空气或氮气对燃料电池阴极及阳极流场进行吹扫，以去除电池内部残留水。

上述专利所提供的低温启动装置及方法，均是在存在辅助电源或加热部件的情况下实现的低温启动，上述方法的缺点在于增加了辅助启动的部件，也增加了燃料电池系统的复杂程度，同时附加的电源及加热部件也增加了燃料电池系统在低温启动过程中的辅助能量消耗，即：提供的方法并非利用电堆的自放热所实现的无辅助低温启动，而且方法缺乏对停车后的后处理过程的控制。需要重视的是，电池需要在低温环境下实现无辅助的自启动，不仅需要设计燃料电池系统及启动过程的控制方法，其启动前的上一次停车的处理过程也至关重要，上述专利所提供的方法中，并未提供对应的低温停车方法，而在实际应用过程中，缺乏针对性的停车控制方法，停车后的低温环境极易造成电池的膜电极损伤，导致低温启动无法实现。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种燃料电池系统的低温启动控制方法，即：一种在低温环境下自停车至下一次启动过程的控制方法，适用于燃料电池系统在低温环境下的停车及再次启动。

本发明的目的还在于燃料电池系统在低温环境下的无辅助启动，即无需外部能源或热量，仅通过燃料电池发生反应的热量实现其温度的升高。

本发明包括燃料电池系统实现无辅助低温启动相应的快速停车处理方法及快速启动控制方法。

燃料电池系统在低温环境下的无辅助自启动过程，需满足的条件为：燃料电池自身反应可释放出足够的热量(考虑对环境的热散失)，使燃料电池自身及其循环系统的冷却液温度升高至0℃以上。而为保障启动时燃料电池可运行，需保证燃料电池在启动初始具有恰当的状态，其关键在于，燃料电池内部的气体传输通道未被阻塞，且质子交换膜含有适量的水能保证质子传输。因此，在低温环境下燃料电池系统的停车后处理过程至关重要，其关键在于，对于电池内部液态水的处理要适度，既要除去参与在电池内部的液态水，防止水结冰阻塞流场及气体扩散层的反应气传输通道，还能保证燃料电池内质子交换膜具有适当的含水量，以保证再次启动时燃料电池的质子交换膜具有适当的质子传导能力，即：燃料电池系统停车后处理要做到对电池内部水的可控，使其处于可再次启动的恰当的状态。

对于燃料电池系统，通常采用的燃料电池为多节单池组装而成的燃料电池电堆，低温环境停车后，采用一定量的气体进行吹扫以除去液态水为常用的低温停车处理方法。然而，对于燃料电池电堆，由于节数较多(通常超过100节)，吹扫过程中很难保证各节单池处于相同的含水状态，极易造成不同位置单池的干湿差异，出现部分单池仍有液态水残留而部分单池其质子交换膜已经失水的状态，从而导致再次启动无法正常进行。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种燃料电池系统的低温启动控制方法，包括以下步骤：

A、停车控制

燃料电池系统停车时，采用高反应气供应量、低电流间歇加载的方式，对燃料电池内部液态水进行处理，具体步骤如下：