本發(fā)明屬于燃料電池技術領域，特別涉及一種燃料電池低溫啟動控制方法。

背景技術：

質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、不產(chǎn)生噪音等優(yōu)點，成為解決環(huán)境污染和能源枯竭問題的首選動力源。

質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)在工作時內(nèi)部有大量的水，包括反應生成的水、反應過程加濕用水等。質(zhì)子交換膜燃料電池在低溫環(huán)境下由于電池內(nèi)部液態(tài)水結(jié)冰，可能使得啟動困難，延長啟動時間，破壞膜電極(mea)結(jié)構(gòu)。

為保證成功啟動，電堆因此需要預熱升溫，希望啟動過程消耗最少的能量、最短的時間，同時對電堆材料部件及結(jié)構(gòu)沒有損傷。

公開號為cn102386430a的中國專利申請《能夠低溫保存和低溫啟動的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)》通過停機吹掃除水對燃料電池進行低溫保存，在啟動時加熱冷卻水小循環(huán)對燃料電池堆進行升溫。該技術容易實現(xiàn)，但是啟動速度較慢。

專利zl201310720665.5公布了一種分級預熱功能的燃料電池低溫啟動系統(tǒng)及方法，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)不同部件工質(zhì)熱容的不同和對啟動時溫度要求的不同分別對燃料電池堆不同部件進行預熱升溫，使燃料電池快速預熱，不會導致溫度梯度過大而損傷燃料電池堆，使燃料電池系統(tǒng)在零度以下的環(huán)境中快速啟動。這種分級預熱沒有考慮環(huán)境溫度的差異對電堆預熱升溫方式的影響，可能多消耗能量，并影響電堆壽命。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對燃料電池堆加熱方式?jīng)]有考慮環(huán)境溫度差異導致燃料電池堆預熱耗能大以及啟動速度慢的缺陷，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池快速安全啟動的分級式溫度控制方法。

為達到上述目的，采用技術方案如下：

一種燃料電池系統(tǒng)，包括電堆、測量電堆溫度的傳感器、燃料供給系統(tǒng)、氧化劑供給系、冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、電堆功率輸出電路、外熱源加熱系統(tǒng)、內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)以及總控制系統(tǒng)；其中，所述外熱源加熱系統(tǒng)利用加熱絲對電堆直接加熱或冷卻介質(zhì)升溫后循環(huán)加熱電堆或空氣升溫后加熱電堆的方式；所述內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)利用電堆電化學反應產(chǎn)生的熱或者利用氫氧在電堆內(nèi)部的催化燃燒產(chǎn)生的熱。

上述燃料電池系統(tǒng)低溫啟動分級預熱控制方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)電堆mea材料的特性，測定mea中水結(jié)晶過冷度和誘導時間之間的關系圖；通過差示掃描量熱法，在一定的過冷度下，測定出mea的熱流率、溫度隨時間的變化曲線，然后通過這個曲線得出此過冷度下的誘導時間，最后求出不同過冷度下對應的誘導時間，得出mea中水結(jié)晶過冷度和誘導時間之間的關系圖；同時計算電堆熱容；

2)通過溫度傳感器檢測電堆溫度t(℃)，計算電堆過冷度△t(℃)，其中△t＝0-t；根據(jù)過冷度△t以及過冷度和誘導時間的關系圖，確定誘導時間τ；

3)由電堆的mea的材料特性及系統(tǒng)啟動時間，確定預熱分級溫度t0(℃)，△t0＝0-t0；其中t0在-15℃到-25℃之間；

當△t≥△t0時，

利用外熱源加熱系統(tǒng)對電堆進行初級預熱升溫；并根據(jù)啟動時間t要求、電堆熱容和誘導時間τ的大小，確定預熱強度；

當△t＜△t0時，

利用內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)使得電堆溫度升高；

4)電堆逐漸加載、升溫，各子系統(tǒng)逐漸投入運行，最后至正常運行狀態(tài)。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：

本發(fā)明基于燃料電池多孔膜電極材料中液態(tài)水的相變特征，即過冷度和受多孔介質(zhì)材料組份以及微孔結(jié)構(gòu)影響的液態(tài)水結(jié)冰的誘導時間的變化關系，根據(jù)燃料電池低溫啟動的環(huán)境溫度，確定電堆的預熱方式，確保電堆安全、快速、高效啟動，延長電堆耐久性。

附圖說明

圖1：燃料電池系統(tǒng)組成圖；

圖2：液態(tài)水晶核生成率與接觸角、過冷度的關系；

圖3：mea部件液態(tài)水相變過冷度與誘導時間關系；

圖1中，1為氫氣進氣閥，2為空氣進氣閥，3為換熱器，4為循環(huán)泵，5為繼電器，6為載荷，7為溫度傳感器，8為控制器，9為電堆。

具體實施方式

以下實施例進一步闡釋本發(fā)明的技術方案，但不作為對本發(fā)明保護范圍的限制。

燃料電池系統(tǒng)包括電堆、測量電堆溫度的傳感器、燃料供給系統(tǒng)、氧化劑供給系、冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、電堆功率輸出電路、外熱源加熱系統(tǒng)、內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)以及總控制系統(tǒng)。如圖1所示，當啟動開始，溫度傳感器7監(jiān)測到電池溫度t，經(jīng)過控制器8判斷進行外熱源加熱或者內(nèi)熱源加熱。當采用外熱源加熱時，控制器8控制循環(huán)泵4開始工作，冷卻介質(zhì)通過換熱器3進行換熱升溫，然后進入到電堆9對電堆進行外熱源加熱。當采用內(nèi)部熱源加熱時，控制器8控制氫氣進氣閥1和空氣進氣閥2，將一定量的空氣和氫氣通入電池，并且打開繼電器5，給一定的負載6，進行內(nèi)熱源加熱。

燃料電池系統(tǒng)膜電極材料部件因為材料組份親疏水性及微孔結(jié)構(gòu)的不同，在低溫環(huán)境下，其中的液態(tài)水從出現(xiàn)中到結(jié)冰會發(fā)生延遲，即存在一個相變動力學誘導時間，不同的過冷度所以對應的誘導時間也不同：

其中，t是電堆溫度，τg是時間常數(shù)，j(t)液態(tài)水結(jié)晶晶核形成率，△t是過冷度，v0是液態(tài)水的體積，a、b是和材料組份物性及微孔結(jié)構(gòu)相關的常數(shù)。實際的水結(jié)晶過冷度和誘導時間之間的關系圖是通過實驗測得，上述公式提供理論基礎，引出誘導時間，正因為有這個誘導時間的存在，預熱分級控制方法才得以成立。

所述電堆mea材料部件中液態(tài)水結(jié)晶時晶核生成率與過冷度、材料親疏水性關系如圖2所示，它影響水結(jié)晶的誘導時間。圖2對于分級預熱的控制具體實行沒有影響，僅輔助說明了mea材料的不同和過冷度的不同會影響晶核生成率，以及影響的大致趨勢。同時mea中水結(jié)晶過冷度和誘導時間之間的關系圖如圖3所示，具體的關系圖通過測定得到。通過差示掃描量熱法，在一定的過冷度下，測定出mea的熱流率、溫度隨時間的變化曲線，然后通過這個曲線得出此過冷度下的誘導時間，最后求出不同過冷度下對應的誘導時間，得出mea中水結(jié)晶過冷度和誘導時間之間的關系圖。

燃料電池系統(tǒng)在溫度為t0的零下環(huán)境下啟動，為過冷度為△t0＝0-t0，mea零部件中液態(tài)水相變對應的誘導時間為τ0。從圖2可知，在△t不是太大時，例如為△t1時，τ1足夠長，電堆可直接發(fā)電，也產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的水不會結(jié)冰，同時存在足夠長的時間使得電堆積累熱量提升溫度，最終啟動成功。

當燃料電池系統(tǒng)在溫度為t2的零下環(huán)境下啟動、△t2＝0-t2過大時，對應的τ2非常短暫，mea中如果存在液態(tài)水會即刻結(jié)冰，堵塞氧氣傳輸通道，同時可能破壞mea微結(jié)構(gòu)。因此適于用外熱源加熱系統(tǒng)對電堆進行初級預熱，使溫度升到t0，之后電堆才直接發(fā)電，產(chǎn)生熱量，對電堆進行內(nèi)部熱源加熱，這樣保證產(chǎn)生的水不會結(jié)冰，又減少外部能耗。

根據(jù)電堆溫度的不同、燃料電池系統(tǒng)的熱容不同、mea材料的不同和對啟動時溫度要求的不同，進行分級加熱及溫度控制，具體包括以下步驟：

根據(jù)電堆mea材料特性，測量mea中水結(jié)晶過冷度和誘導時間之間的關系圖；同時計算電堆熱容。

通過溫度傳感器檢測電堆溫度t(℃)，計算電堆過冷度△t(℃)，其中△t＝0-t。根據(jù)測定的過冷度以及過冷度和誘導時間的關系圖，確定誘導時間τ。

由電堆的mea材料特性及系統(tǒng)啟動時間，確定預熱分級溫度t0(℃)，計算△t0＝0-t0。預熱分級溫度t0，在-15℃到-25℃之間，由電堆mea材料及系統(tǒng)啟動時間要求確定。按照誘導時間和啟動時間越小，預熱分級溫度越小的原則，結(jié)合實際經(jīng)驗，最后確定一個具體的預熱分級溫度t0。

當△t≥△t0時，

利用外熱源加熱系統(tǒng)對電堆進行初級預熱升溫，包括利用加熱絲對電堆直接加熱或冷卻介質(zhì)升溫后循環(huán)加熱電堆或空氣升溫后加熱電堆的方式。并根據(jù)啟動時間t要求、電堆熱容和誘導時間τ的大小，確定預熱強度，即加熱量的值(kj/s)。

當△t＜△t0時，

利用內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)使得電堆溫度升高，包括利用電堆電化學反應產(chǎn)生的熱或者利用氫氧在電堆內(nèi)部的催化燃燒產(chǎn)生的熱。即通入氫氣、空氣，開始輸出功率同時也使得電堆溫度升高。

例如，確定分級預熱分級溫度t0為-20℃時，△t0＝20℃，

當在環(huán)境溫度為-15℃條件下啟動時，電堆初始溫度為-15℃，對應的誘導時間為10-60s，△t＜△t0，可以直接采用內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)，通入氫氣、空氣，開始輸出功率同時也使得電堆溫度升高啟動成功，既減少外部能量消耗，也可以保證電堆耐久性。

當在環(huán)境溫度為-30℃條件下啟動時，電堆初始溫度為-30℃，此時對應的誘導時間小于1s，△t≥△t0，因此首先利用外熱源加熱系統(tǒng)對電堆進行初級預熱升溫，電池升溫到達-20℃，然后再用內(nèi)熱源加熱系統(tǒng)通入氫氣、空氣，開始輸出功率同時也使得電堆溫度升高啟動成功，盡可能減少外部能量消耗，同時保證電堆耐久性。