[發明專利]一種燃料電池冷啟動裝置及其控制方法

有效

• 申請號: 202010149834.4
• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN111403772B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 吳迪;湯浩;高艷;宋亞婷
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M8/04014
• 分類號: H01M8/04014;H01M8/04029;H01M8/04225;H01M8/04082;H01M8/04089;H01M8/04223;H01M8/0432;H01M8/0438;H01M8/04537;H01M8/04746;H01M8/04955
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 張冉

本發明公開了一種燃料電池冷啟動裝置及其控制方法，屬于能源技術領域。本發明所述裝置包含燃燒加熱和電加熱兩種模式，可以保證在整車鋰電池SOC較低無法輸出電加熱功率時，直接利用氫氧燃燒產生的熱能，實現低溫環境下的燃料電池發動機快速啟動。本發明所述控制方法可以根據動力電池SOC狀態及冷啟動升溫速度需求確定相應的啟動策略。當動力電池SOC過低時，將氫氣與空氣直接通入燃燒加熱器，通過氫氧燃燒反應加熱循環冷卻水，從而提高電堆溫度，避免消耗動力電池電量。氫氣預熱器和空氣預熱器可以充分利用燃燒高溫尾氣攜帶的余熱對反應氣體進行預熱，降低對環境排放尾氣的焓值，提高系統能量效率。

技術領域

本發明屬于能源技術領域，具體涉及一種燃料電池冷啟動裝置及其控制方法。

背景技術

目前全球能源危機和環境污染問題日益突出，人們對二氧化碳排放法規更加關注，不斷要求車輛更加清潔與節能。為了滿足這一需求，質子交換膜燃料電池(PEMFC)被認為是未來交通運輸領域的具有廣闊前景的清潔能源。然而，為實現燃料電池發動機的商業化，仍然存在一些問題需要改進。在寒冷地區使用PEMFC時，低溫啟動問題是需要解決的一個障礙，因為陰極反應產生的水在零度以下將凍結，可能會導致停堆。

專利申請CN 106784922 A公開了一種利用石墨板通直流電加熱質子交換膜燃料電池冷啟動裝置。該發明利用石墨板通直流電加熱質子交換膜燃料電池冷啟動裝置，包括鋰電池組、燃料電池堆和變壓片充電器。該不改變電池自身結構，不影響電池工作狀況，添加少許的廉價器件，改造成鋰電通直流電給石墨板產生歐姆熱對冷啟動過程中的燃料電池加熱。然而，當鋰電池SOC過低時，該裝置無法正常運行。

專利申請CN 106784925 A公開了一種無接觸式質子交換膜燃料電池冷啟動裝置。該發明通過微波加熱器對位于其外部的質子交換膜燃料電池進行無接觸的微波加熱。該發明不影響電池自身結構和正常工作狀態。通過車載直流電源給微波加熱器供電，整個冷啟動系統占用空間小。然而，當車載直流電流低時，該裝置無法正常運行。

專利申請CN 110690483 A公開了一種燃料電池冷啟動裝置及控制方法。該發明裝置包括第一循環回路和第二循環回路，其中第一循環回路對動力電池進行加熱，第二循環回路對燃料電池進行加熱。該發明能夠在燃料電池的溫度低于零度的情況下，實現燃料電池以較大輸出功率工作，進而實現快速冷啟動，提高整車性能。然而，該發明的兩個回路均采用電加熱器，在整車動力電池SOC過低，電加熱器供電不足時，該裝置無法正常運行。

專利申請CN 109728328 A公開了一種燃料電池動力系統組合低溫冷啟動裝置及控制方法。該組合低溫啟動裝置啟動模式有五種，分別是：電加熱啟動模式；電加熱和電極催化加熱組合加熱模式；電加熱、電極催化加熱和高溫燃氣加熱組合加熱模式；電極催化加熱模式；高溫燃氣組合燃料電池堆電極催化加熱模式。該發明根據動力電池剩余電量和環境實際情況，判定選用五種加熱模式之一以保證燃料電池正常啟動。然而，該發明未直接利用燃燒加熱器的高溫尾氣余熱，而是通過不單獨使用高溫燃氣加熱模式的方式，減少燃料電池的廢熱、廢氣排放，因此限制了燃氣燃燒功率輸出和電堆升溫速度，增加了其他加熱啟動裝置負荷，降低了系統能量效率。

目前存在的燃料電池冷啟動技術主要通過燃料電池內置或外置加熱裝置加熱電池，大多數裝置為消耗電能的電加熱或微波加熱，這一類技術的缺點是當提供電能的鋰電池或蓄電池SOC過低時，不能為冷啟動過程提供足夠的熱量，從而使燃料電池系統無法正常運行。此外，少數技術采用燃氣加熱方式，但未對燃燒加熱器的高溫尾氣余熱加以利用，從而造成能量浪費，并限制了冷啟動升溫速度。

發明內容

本發明的目的是克服上述現有技術的缺陷，提供一種燃料電池冷啟動裝置及其控制方法。

本發明所提出的技術問題是這樣解決的：

一種燃料電池冷啟動裝置，包括燃料電池堆101、氫氣供給系統、空氣供給系統、散熱系統和加熱系統；