低温下快速加载至额定功率的燃料电池电站及加载方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种低温下快速加载至额定功率的燃料电池电站及加载方法。

背景技术

燃料电池是一种通过直接将氢气与氧气进行电化学反应转化为电能的装置。其中，燃料电池电堆是组成燃料电池的核心部件之一，系统低温启动时存在均匀性差、不能快速达到额定功率输出，从而导致寿命降低的问题。

现有低温启动策略包括PTC加热、催化加热、氢泵启动、自热启动等。当前采用的PTC加热，仅加热至-20℃或0℃就停止，而未意识到电压一致性或能量效率与运行温度的关系；催化加热、氢泵启动仅在电堆上或台架上实现，还没有在系统中成功应用；自热启动只负责将电堆温度烘热到0度，不涉及之后电堆的放电情况。现有的低温启动方法，大多只涉及到将电堆温度升至0度左右，而未顾及之后电堆放电的电压一致性差、能效低、往往需要很长时间的运行才能恢复电压一致性。

由于燃料电池电堆经过低温冰冻后，膜电极、碳纸等部件中的微孔被冰填充而变形，往往偏离其正常工作时的形态，而且即使其中的冰解冻后，微结构存在一定的能垒而不能恢复至原来的自然状态。经过特征温度以上的高温烘烤后，膜电极、碳纸克服了蠕变所需的能垒，电堆一致性能够得意恢复。因此低温启动的过程应包括这个过程。

发明内容

根据上述提出现有启动方法使得启动后电堆放电的电压一致性差、能效低的技术问题，而提供一种低温下快速加载至额定功率的燃料电池电站及加载方法。本发明主要通过提供快速加热到特征温度的系统结构和措施，实现了系统低温启动后的高一致性、高效率工作。

本发明采用的技术手段如下：

一种低温下快速加载至额定功率的燃料电池电站，包括：

燃料电池发电系统，所述燃料电池发电系统包括燃料电池电堆；

冷却或加热系统，所述冷却或加热系统包括循环泵、节温器、PTC加热器、补水箱和散热器；所述燃料电池电堆的出液口与节温器的入液口相连，所述节温器的第一出液口与PTC加热器的入液口相连，所述PTC加热器的出液口与循环泵的第一入液口相连，所述PTC加热器与循环泵的送水管路上设置有补水箱，所述循环泵的出液口与燃料电池电堆的入液口相连，所述节温器的第二出液口与散热器的入液口相连，所述散热器的出液口与循环泵的第二入液口相连。

进一步地，还包括辅助锂电池，所述辅助锂电池的充电口与燃料电池发电系统的电力输出端相连，所述辅助锂电池的电力输出口分别与节温器、PTC加热器、循环泵和散热器的电力输入端相连。

进一步地，所述散热器上设置有风机。

进一步地，所述燃料电池发电系统为液冷型质子交换膜燃料电池系统，所述液冷型质子交换膜燃料电池系统的循环冷却液采用燃料电池防冻液。

本发明还提供了一种低温下快速加载至额定功率的加载方法，基于上述任一项低温下快速加载至额定功率的燃料电池电站实现，包括如下步骤：

S1、燃料电池发电系统在低温环境下启动前，节温器的第一出液口开启，第二出液口关闭，控制循环冷却液只在燃料电池电堆、循环泵、PTC加热器中循环而不进入散热器，PTC加热器以最大功率工作，使燃料电池电堆升温至燃料电池电堆允许加载的最大功率；

S2、燃料电池电堆以允许加载的最大功率工作，PTC加热器以最大功率工作，使燃料电池电堆温度升至特征温度以上并持续运行；

S3、关闭PTC加热器和第一出液口，打开节温器的第二出液口，使冷却液依次流向散热器、循环泵和燃料电池电堆，使燃料电池电堆的工作温度处于稳定范围，燃料电池发电系统正常工作。

进一步地，S1中所述低温环境的温度为-20℃及以下。

进一步地，S2中，所述特征温度为75℃。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

燃料电池低温启动后，电堆运行的单池电压一致性较差，不能实现额定功率输出。本发明提出了低温启动时的特征温度概念，将燃料电池散热系统区分为小循环和大循环，通过电堆自热和PTC加热快速达到该特征温度以上。达到特征温度以后，电堆的一致性、可靠性、能量效率均恢复正常。结合特征温度、小循环以及PTC加热，构成了完整的燃料电池系统低温启动过程，相比其它低温启动方法，通过这种方法启动，系统的能量效率、一致性、可靠性和达到可额定功率输出的时间最短。本发明就低温启动后电堆一致性差的现象，提出了特征温度的概念，并提供了快速加热到特征温度的系统结构和措施，实现了系统低温启动后的高一致性、高效率工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明燃料电池电站示意图。

图2为本发明低温启动过程的电压一致性截图。

图中：1、燃料电池电堆；2、循环泵；3、节温器；4、PTC加热器；5、补水箱；6、散热器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

所述低温环境，指-20℃及以下的环境。非工作状态的燃料电池电站在该温度下冷冻2小时以上后，内部的液态水将冻结成冰。

如图1所示，本发明提供了一种低温下快速加载至额定功率的燃料电池电站，包括：

燃料电池发电系统，所述燃料电池发电系统包括燃料电池电堆1；

冷却或加热系统，所述冷却或加热系统包括循环泵2、节温器3、PTC加热器4、补水箱5和散热器6；所述燃料电池电堆1的出液口与节温器3的入液口相连，所述节温器3的第一出液口与PTC加热器4的入液口相连，所述PTC加热器4的出液口与循环泵2的第一入液口相连，所述PTC加热器4与循环泵2的送水管路上设置有补水箱5，所述循环泵2的出液口与燃料电池电堆1的入液口相连，所述节温器3的第二出液口与散热器6的入液口相连，所述散热器6的出液口与循环泵2的第二入液口相连。所述散热器6上设置有风机。冷却液在燃料电池电堆1到PTC加热器4的小循环与燃料电池电堆1到散热器6的大循环中的分配比例依靠节温器3调节。

辅助锂电池，所述辅助锂电池的充电口与燃料电池发电系统的电力输出端相连，所述辅助锂电池的电力输出口分别与节温器3、PTC加热器4、循环泵2和散热器6的电力输入端相连。

所述燃料电池系统为液冷型质子交换膜燃料电池系统，其在低温环境下运行时，冷却液采用燃料电池防冻液。低温启动时，防冻液在节温器3的控制下不经过大循环。

PTC加热器4可持续小循环中的冷却液加热。为了实现低温快速加载至额定功率，PTC加热器4将一直加热直至燃料电池电堆1温度达到75℃以上。

燃料电池电堆1在低温启动后开始放电时的电压一致性差，按照允许的最大功率放电可获得最大的加热功率；同时结合PTC加热器4外部加热，系统获得最大的升温速度，使温度最快升至特征温度以上。

所述特征温度是燃料电池电堆1低温启动后实现高一致性需要达到的温度值，在低温启动后、温度未达到该特征温度之前，燃料电池电堆1的一致性均较差、能量效率也较低；当系统低温启动后且温度达到或超过该特征温度之后，燃料电池电堆1的一致性会显著变好、能量效率和可靠性上升，且之后再降温至0度以上、特征温度以下，燃料电池电堆1的一致性仍可保持。

本发明还提供了一种低温下快速加载至额定功率的加载方法，基于低温下快速加载至额定功率的燃料电池电站实现，包括如下步骤：

S1、燃料电池发电系统在低温环境下启动前，节温器3的第一出液口开启，第二出液口关闭，控制循环冷却液只在燃料电池电堆1、循环泵2、PTC加热器4中循环而不进入散热器6，PTC加热器4以最大功率工作，使燃料电池电堆1升温至燃料电池电堆1允许加载的最大功率；

S2、燃料电池电堆1以允许加载的最大功率工作，PTC加热器4以最大功率工作，使燃料电池电堆1温度升至特征温度以上并持续运行；

S3、关闭PTC加热器4和第一出液口，打开节温器3的第二出液口，使冷却液依次流向散热器6、循环泵2和燃料电池电堆1，使燃料电池电堆1的工作温度处于稳定范围，燃料电池发电系统正常工作。

实施例

燃料电池电站结构包括燃料电池系统(含360节燃料电池电堆)，含17kWh电量的-40℃低温锂电池、节温器、PTC加热器、水泵及其它必要的管路。系统在-40℃冷冻12小时后，按下启动键，进入低温启动程序。电站锂电池对外提供电能，启动循环泵和PTC加热器，节温器控制循环冷却液只在电堆到PTC加热器的小循环中流动；当监测到电堆温度升至-20℃摄氏度时，通入氢气和空气，启动系统，使燃料电池电堆加载至其最低单次电压达到0.2V，并维持维持PTC加热器加热。燃料电池持续升温，如图2所示，初始时一致性很差。持续以最低单池电压为0.2V的输出功率放电，并维持PTC加热器加热，且循环冷却液维持在小循环中。当循环冷却液温度升至75℃后，维持电堆功率不变，电堆一致性达到最佳状态。此时，关闭PTC加热器，控制节温器逐渐接入电堆到散热器的大循环，并维持温度稳定，此后燃料电池系统实现稳定工作。

采用上述方法，电站从启动到实现可以对外输出仅用时62.3秒；到实现高一致性输出，共用时3分36秒。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。