[发明专利]一种燃料电池低温启动分级预热控制方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池低温启动分级预热控制方法。包括电堆、测量电堆温度的传感器、燃料供给系统、氧化剂供给系、冷却介质循环系统、电堆功率输出电路、外热源加热系统、内热源加热系统以及总控制系统；其中，所述外热源加热系统利用加热丝对电堆直接加热或冷却介质升温后循环加热电堆或空气升温后加热电堆的方式；所述内热源加热系统利用电堆电化学反应产生的热或者利用氢氧在电堆内部的催化燃烧产生的热。本发明基于过冷度和受多孔介质材料组份以及微孔结构影响的液态水结冰的诱导时间的变化关系，根据燃料电池低温启动的环境温度，确定电堆的预热方式，确保电堆安全、快速、高效启动，延长电堆耐久性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池低温启动控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、环境友好、不产生噪音等优点，成为解决环境污染和能源枯竭问题的首选动力源。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在工作时内部有大量的水，包括反应生成的水、反应过程加湿用水等。质子交换膜燃料电池在低温环境下由于电池内部液态水结冰，可能使得启动困难，延长启动时间，破坏膜电极(MEA)结构。

为保证成功启动，电堆因此需要预热升温，希望启动过程消耗最少的能量、最短的时间，同时对电堆材料部件及结构没有损伤。

公开号为CN102386430A的中国专利申请《能够低温保存和低温启动的质子交换膜燃料电池系统》通过停机吹扫除水对燃料电池进行低温保存，在启动时加热冷却水小循环对燃料电池堆进行升温。该技术容易实现，但是启动速度较慢。

专利ZL201310720665.5公布了一种分级预热功能的燃料电池低温启动系统及方法，根据燃料电池系统不同部件工质热容的不同和对启动时温度要求的不同分别对燃料电池堆不同部件进行预热升温，使燃料电池快速预热，不会导致温度梯度过大而损伤燃料电池堆，使燃料电池系统在零度以下的环境中快速启动。这种分级预热没有考虑环境温度的差异对电堆预热升温方式的影响，可能多消耗能量，并影响电堆寿命。

发明内容

本发明针对燃料电池堆加热方式没有考虑环境温度差异导致燃料电池堆预热耗能大以及启动速度慢的缺陷，提供一种质子交换膜燃料电池快速安全启动的分级式温度控制方法。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种燃料电池系统，包括电堆、测量电堆温度的传感器、燃料供给系统、氧化剂供给系、冷却介质循环系统、电堆功率输出电路、外热源加热系统、内热源加热系统以及总控制系统；其中，所述外热源加热系统利用加热丝对电堆直接加热或冷却介质升温后循环加热电堆或空气升温后加热电堆的方式；所述内热源加热系统利用电堆电化学反应产生的热或者利用氢氧在电堆内部的催化燃烧产生的热。

上述燃料电池系统低温启动分级预热控制方法，包括以下步骤：

1)根据电堆MEA材料的特性，测定MEA中水结晶过冷度和诱导时间之间的关系图；通过差示扫描量热法，在一定的过冷度下，测定出MEA的热流率、温度随时间的变化曲线，然后通过这个曲线得出此过冷度下的诱导时间，最后求出不同过冷度下对应的诱导时间，得出MEA中水结晶过冷度和诱导时间之间的关系图；同时计算电堆热容；

2)通过温度传感器检测电堆温度T(℃)，计算电堆过冷度△T(℃)，其中△T＝0-T；根据过冷度△T以及过冷度和诱导时间的关系图，确定诱导时间τ；

3)由电堆的MEA的材料特性及系统启动时间，确定预热分级温度T₀(℃)，△T₀＝0-T₀；其中T₀在-15℃到-25℃之间；

当△T≥△T₀时，