一种燃料电池系统及其控制方法、车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及其控制方法、车辆。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，质子交换膜燃料电池是燃料电池中的一种，具有工作温度低、能量密度高、环境友好等优点，在移动电源、车辆等设备方面具有很好的商业前景。

但在低温环境中，因燃料电池中的水结冰，导致燃料电池在低温状态下无法正常启动。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池系统及其控制方法、车辆，可以使燃料电池电堆在低温环境下使用其产生的电能完成自启动，无需额外的供电电源，从而简化燃料电池系统的结构，降低成本。

根据本发明的一方面，提供了一种燃料电池系统，燃料电池系统包括：燃料电池电堆、与所述燃料电池电堆的进气口连接的供气系统、与所述燃料电池电堆通过第一管路连接的电堆冷却系统、控制器以及连接在所述燃料电池电堆的正极和负极之间的加热系统；

所述燃料电池电堆包括第一电池部和第二电池部，所述第一电池部靠近所述燃料电池电堆的进气口，所述第二电池部位于所述第一电池部远离所述进气口的一侧；所述第一电池部和所述第二电池部均包括至少一个单体电池；

所述加热系统包括第一加热单元、第一开关单元和第二加热单元；所述第一加热单元的第一端与所述燃料电池电堆的正极电连接，所述第一加热单元的第二端与所述第一开关单元的第一端电连接；所述第一开关单元的第二端与所述第二加热单元的第一端电连接，所述第二加热单元的第二端与所述燃料电池电堆的负极电连接；所述第一加热单元用于加热所述第一管路内的冷却液；所述第二加热单元用于加热所述第二电池部内的至少部分单体电池；

所述控制器与所述第一开关单元的控制端连接，所述控制器用于在所述燃料电池电堆的温度低于第一设定温度时，控制所述供气系统向所述燃料电池电堆的进气口输入氢气和空气、控制所述第一开关单元的第一端与其第二端导通以及控制所述电堆冷却系统内的冷却液在第一管路内流动，在所述第一管路内的冷却液的温度高于第二设定温度时控制所述加热系统与所述燃料电池电堆的正极与负极不导通。

可选的，所述加热系统还包括第二开关单元；

所述第二开关单元的第一端与所述第一加热单元的第一端电连接，所述第二开关单元的第二端与所述第一开关单元的第二端电连接，所述第二开关单元的控制端与所述控制器电连接；

在所述第一开关单元的第一端与其第二端导通时，所述控制器用于在所述燃料电池电堆中的至少一个单体电池处于反极状态的持续时长超过第一设定时长后，控制所述第一开关单元的第一端与其第二端不导通，同时控制所述第二开关单元的第一端与其第二端导通及所述电堆冷却系统内的冷却液在第一管路内停止流动。

可选的，在所述第二开关单元的第一端与其第二端导通时，所述控制器用于在所述燃料电池电堆的空气出口处的温度超过第三设定温度时，控制所述第一开关单元的第一端与其第二端导通，同时控制所述第二开关单元的第一端与其第二端不导通及所述电堆冷却系统内的冷却液在第一管路内流动。

可选的，本实施例提供的燃料电池系统还包括第一温度传感器和第二温度传感器；

所述第一温度传感器用于检测所述第一管路内的冷却液的温度；

所述第二温度传感器用于检测所述空气出口处的温度；

所述控制器与所述第一温度传感器和所述第二温度传感器电连接，所述控制器用于获取所述冷却液的温度和所述空气出口处的温度。

可选的，所述第二加热单元包括多个串联连接的加热子单元；所述第二电池部包括多个单体电池；

所述加热子单元与所述第二电池部内的单体电池一一对应；

所述加热子单元用于加热其对应的单体电池。

可选的，所述电堆冷却系统包括冷却泵；

所述冷却泵用于控制所述冷却液在所述第一管路内流动。

可选的，所述加热系统还包括保险丝和电阻；

所述保险丝的第一端与所述第一加热单元的第二端连接，所述保险丝的第二端与所述第一开关单元的第一端连接；

所述电阻的第一端与所述第一加热单元的第一端连接，所述电阻的第二端与所述第二开关单元的第一端连接。

可选的，所述第一加热单元包括PCT加热器；

所述第二加热单元包括加热电阻丝。

根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统的控制方法，该控制方法应用于本发明任意实施例提供的燃料电池系统；

所述控制方法包括：

在所述燃料电池电堆的温度低于第一设定温度时，控制所述供气系统向所述燃料电池电堆的进气口输入氢气和空气、控制所述第一开关单元的第一端与其第二端导通以及控制所述电堆冷却系统内的冷却液在第一管路内流动，在所述第一管路内的冷却液的温度高于第二设定温度时控制所述加热系统与所述燃料电池电堆的正极与负极不导通。

根据本发明的另一方面，提供了一种车辆，该车辆包括本发明任意实施例提供的燃料电池系统。

本实施例提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统中的加热系统连接在燃料电池电堆的正极和负极之间。加热系统中的第一加热单元可以加热第一管路内的冷却液，加热系统中的第二加热单元可以对燃料电池电堆中第二电池部的部分单体电池进行加热，其中，燃料电池电堆的第二电池部位于第一电池部远离进气口的一侧，燃料电池电堆中的第一电池部靠近进气口。在燃料电池电堆的温度低于第一设定温度时，控制器控制冷却液在第一管路内流动，同时控制第一加热单元和第二加热单元工作，使第一加热单元加热冷却液，第二加热单元加热第二电池部的部分单体电池，直到燃料电池电堆完成自启动，即直到冷却液的温度高于第二设定温度。在冷却液的温度高于第二设定温度后，控制器控制第一加热单元和第二加热单元停止工作。本实施例提供的燃料电池系统可以使燃料电池电堆在低温环境下完成自启动，且燃料电池系统中的加热系统使用燃料电池电堆产生的电能便可正常工作，无需额外的供电电源。综上，本实施例提供的燃料电池系统，可以使燃料电池电堆在低温环境下使用其产生的电能完成自启动，无需额外的供电电源，从而简化燃料电池系统的结构，降低成本。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例提供的一种燃料电池系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的结构示意图；

图5是根据本发明实施例提供的一种燃料电池系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是根据本发明实施例提供的一种燃料电池系统的结构示意图，参考图1，本实施例提供的燃料电池系统包括：燃料电池电堆110、与燃料电池电堆110的进气口连接的供气系统120、与燃料电池电堆110通过第一管路131连接的电堆冷却系统130、控制器140以及连接在燃料电池电堆110的正极S1和负极S2之间的加热系统150；燃料电池电堆110包括第一电池部111和第二电池部112，第一电池部111靠近燃料电池电堆110的进气口，第二电池部112位于第一电池部111远离进气口的一侧；第一电池部111和第二电池部112均包括至少一个单体电池；加热系统150包括第一加热单元151、第一开关单元152和第二加热单元153；第一加热单元151的第一端与燃料电池电堆110的正极S1电连接，第一加热单元151的第二端与第一开关单元152的第一端电连接；第一开关单元151的第二端与第二加热单元153的第一端电连接，第二加热单元153的第二端与燃料电池电堆110的负极S2电连接；第一加热单元151用于加热第一管路131内的冷却液；第二加热单元153用于加热第二电池部112内的至少部分单体电池；控制器140与第一开关单元152的控制端连接，控制器140用于在燃料电池电堆110的温度低于第一设定温度时，控制供气系统120向燃料电池电堆110的进气口输入氢气和空气、控制第一开关单元152的第一端与其第二端导通以及控制电堆冷却系统130内的冷却液在第一管路131内流动，在第一管路131内的冷却液的温度高于第二设定温度时控制加热系统150与燃料电池电堆110的正极S1与负极S2不导通。

具体的，燃料电池电堆110由多个单体电池堆叠而成，本实施例中的单体电池也可以称为燃料电池。燃料电池电堆110中的多个单体电池可以串联连接。

供气系统120可以向燃料电池电堆110输入氢气和空气，燃料电池电堆110接收到空气和氢气后可以产生电能，从而使燃料电池电堆110的正极S1和负极S2导通后产生电流。

电堆冷却系统130可以包括冷却泵132，冷却泵132可以使冷却液在第一管路131内流动。电堆冷却系统130与燃料电池电堆110的进液口S3和出液口S4连接。在第一管路131内流动的冷却液可以通过进液口S3流入燃料电池电堆110内，并从燃料电池电堆110的出液口S4流出至第一管路131内。冷却液可以与燃料电池电堆110进行热交换，当燃料电池电堆110的温度低于冷却液的温度时，在第一管路131内流动的冷却液可以对燃料电池电堆110进行加热，当燃料电池电堆110的温度高于冷却液的温度时，在第一管路131内流动的冷却液可以对燃料电池电堆110进行冷却。

第一设定温度可以低于-30℃。在燃料电池电堆110的温度低于第一设定温度时，供气系统120向燃料电池电堆110的进气口输入氢气和空气后，燃料电池电堆110产生的电能无法满足大功率器件的工作需求，大功率器件可以是汽车内的电动机，因此，需要启动燃料电池电堆110以使其产生的电能可以满足大功率器件的工作需求。

在燃料电池电堆110的进气口输入氢气和空气后，氢气和空气发生化学反应产生热能，其中，靠近进气口的单体电池的温度高于远离进气口的单体电池的温度，远离进气口的单体电池可能会因环境温度过低出现电压偏低甚至反极的问题，因此，需要对远离进气口的部分单体电池进行加热。本实施例中的第二电池部112中的单体电池远离进气口，第一电池部111中的单体电池靠近进气口，第二电池部112的单体电池的温度低于第一电池部111的单体电池的温度。本实施例设置第二加热单元153对第二电池部112的部分单体电池进行加热。第二加热单元153可以设置在第二电池部112中的单体电池的端板上。

控制器140可以与燃料电池电堆110电连接，控制器140可以获取燃料电池电堆110的温度。控制器140也可以与电堆冷却系统130电连接，控制器140可以控制电堆冷却系统130使第一管路131内的冷却液流动。控制器140在燃料电池电堆110的温度低于第一设定温度时，控制供气系统120向燃料电池电堆110的进气口输入空气和氢气，同时控制第一开关单元152的第一端与第一开关单元152的第二端导通。接收到空气和氢气的燃料电池电堆110可以产生电能，产生的电能可以使加热系统150工作，由于第一开关单元152的第一端和第二端导通，因此，加热系统150内产生电流，第一加热单元151和第二加热单元153可以工作产生热量。第一加热单元151加热第一管路131内的冷却液，由于燃料电池电堆110的温度低于第一设定温度时冷却液在第一管路131内流动，因此，被第一加热单元151加热后的冷却液可以加热燃料电池电堆110，第二加热单元153也可以对第二电池部112内的部分单体电池进行加热。第一加热单元151和第二加热单元152同时工作可以快速提高燃料电池电堆110的温度，从而使燃料电池电堆110在低温环境下快速升温完成自启动。当冷却液的温度高于第二设定温度时，表明燃料电池电堆110完成自启动，自启动完成的燃料电池电堆110产生的电能可以满足大功率器件的需求，因此，无需再对燃料电池电堆110进行加热，则可以断开燃料电池电堆110与加热系统150的电连接，即在冷却液的温度高于第二设定温度时，控制加热系统150中无电流，即控制第一开关单元152的第一端与其第二端不导通。

本实施例提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统中的加热系统连接在燃料电池电堆的正极和负极之间。加热系统中的第一加热单元可以加热第一管路内的冷却液，加热系统中的第二加热单元可以对燃料电池电堆中第二电池部的部分单体电池进行加热，其中，燃料电池电堆的第二电池部位于第一电池部远离进气口的一侧，燃料电池电堆中的第一电池部靠近进气口。在燃料电池电堆的温度低于第一设定温度时，控制器控制冷却液在第一管路内流动，同时控制第一加热单元和第二加热单元工作，使第一加热单元加热冷却液，第二加热单元加热第二电池部的部分单体电池，直到燃料电池电堆完成自启动，即直到冷却液的温度高于第二设定温度。在冷却液的温度高于第二设定温度后，控制器控制第一加热单元和第二加热单元停止工作。本实施例提供的燃料电池系统可以使燃料电池电堆在低温环境下完成自启动，且燃料电池系统中的加热系统使用燃料电池电堆产生的电能便可正常工作，无需额外的供电电源。综上，本实施例提供的燃料电池系统，可以使燃料电池电堆在低温环境下使用其产生的电能完成自启动，无需额外的供电电源，从而简化燃料电池系统的结构，降低成本。

可选的，图2是根据本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的结构示意图，参考图2，加热系统150还包括第二开关单元154；第二开关单元154的第一端与第一加热单元151的第一端电连接，第二开关单元154的第二端与第一开关单元152的第二端电连接，第二开关单元154的控制端与控制器140电连接；在第一开关单元152的第一端与其第二端导通时，控制器140用于在燃料电池电堆110中的至少一个单体电池处于反极状态的持续时长超过第一设定时长后，控制第一开关单元152的第一端与其第二端不导通，同时控制第二开关单元154的第一端与其第二端导通及电堆冷却系统130内的冷却液在第一管路131内停止流动。

具体的，单体电池处于反极状态，表明单体电池的正极和负极发生反转，单体电池中原来的负极变成正极，原来的正极变成负极。在第一开关单元152的第一端与第一开关单元152的第二端导通的同时，供气系统120向燃料电池电堆110的进气口输入氢气和空气，以及电堆冷却系统130控制冷却液在第一管路131内流动。在冷却液的温度高于第二设定温度前以及第一开关单元152的第一端与其第二端导通时，第二电池部153中的单体电池的电压会上升或下降。

在第一开关单元152的第一端与第一开关单元152的第二端导通时，第一加热单元151加热第一管路131内的冷却液，第二加热单元153加热第二电池部112的部分单体电池，在这种状态下，若控制器140检测到燃料电池电堆110中的至少一个单体电池出现反极问题，且出现反极问题的维持时长超过第一设定时长，第一设定时长的范围可以为2分钟～5分钟，则表明燃料电池电堆110内的电压过低，无法继续满足第一加热单元151和第二加热单元152同时工作的电能需求。此时，需要减少加热系统150中的负载，可以通过控制加热系统150中仅第二加热单元153工作来减少加热系统150中的负载，即控制器140控制第一开关单元152中开关断开，同时控制第二开关单元154中的开关闭合，仅使第二加热单元153对燃料电池电堆110进行加热。在第一加热单元151停止对冷却液加热时，无需使第一管路131内的冷却液流动，控制器140可以控制电堆冷却系统130使第一管路131内的冷却液停止流动。

可选的，继续参考图2，在第二开关单元154的第一端与其第二端导通时，控制器140用于在燃料电池电堆110的空气出口处的温度超过第三设定温度时，控制第一开关单元151的第一端与其第二端导通，同时控制第二开关单元154的第一端与其第二端不导通及电堆冷却系统130内的冷却液在第一管路131内流动。

具体的，第二电池部112靠近空气出口。空气出口和进气口分别位于燃料电池电堆110的两侧。第二开关单元154的第一端与其第二端导通表明第二开关单元154中的开关闭合。当第二开关单元154中的开关闭合时，第一开关单元152中的开关断开。在第二开关单元154中的开关闭合时，若控制器140检测到空气出口处的温度超过第三设定温度，第三设定温度可以为90℃，则表明燃料电池电堆110内的温度过高，需要通过冷却液对燃料电池电堆110进行冷却，此时，控制器140控制第二开关单元154内的开关断开，控制第一开关单元152内的开关闭合，同时使电堆冷却系统130使第一管路131内的冷却液流动，以使冷却液冷却燃料电池电堆110的温度。在第一开关单元152中的开关闭合以及第二开关单元154中的开关断开时，若控制器140再次检测到燃料电池电堆110中的至少一个单体电池处于反极状态的持续时长超过第一设定时长，则控制第一开关单元152中的开关断开同时控制第二开关单元154中的开关闭合。

可选的，图3是根据本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的结构示意图，参考图3，本实施例提供的燃料电池系统还包括第一温度传感器160和第二温度传感器170；第一温度传感器160用于检测第一管路131内的冷却液的温度；第二温度传感器170用于检测空气出口处的温度；控制器140与第一温度传感器160和第二温度传感器170电连接，控制器140用于获取冷却液的温度和空气出口处的温度。

具体的，控制器140根据第一温度传感器160传输的信号和第二温度传感器170传输的信号控制第一开关单元152中的开关断开或闭合，以及第二开关单元154中的开关断开或闭合。控制器140检测到冷却液的温度高于第二设定温度时，控制第一开关单元152中的开关断开以及第二开关单元154中的开关断开。在第一开关单元152中的开关以及第二开关单元154中的开关均断开后，可以使大功率器件与燃料电池电堆110的正极S1和负极S2电连接。第一温度传感器160可以与第一管路131连接，通过检测第一管路131的温度检测冷却液的温度。第二温度传感器170可以位于空气出口处，以检测空气出口处的温度。

可选的，第二加热单元包括多个串联连接的加热子单元；第二电池部包括多个单体电池；加热子单元与第二电池部内的单体电池一一对应；加热子单元用于加热其对应的单体电池。

具体的，当第二电池部的单体电池均需要加热时，可以为第二电池部的每一单体电池设置一个加热子单元，使加热子单元加热其对应的单体电池，从而提高第二电池部中的单体电池的加热速率，也使第二电池部中的单体电池升温速率基本一致，使各单体电池受热均匀。

可选的，电堆冷却系统包括冷却泵；冷却泵用于控制冷却液在第一管路内流动。

具体的，冷却泵可以与控制器连接，控制器控制冷却泵工作，从而使冷却液在第一管路内流动。

可选的，图4是根据本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的结构示意图，参考图4，加热系统150还包括保险丝FU和电阻R1；保险丝FU的第一端与第一加热单元151的第二端连接，保险丝FU的第二端与第一开关单元152的第一端连接；电阻R1的第一端与第一加热单元151的第一端连接，电阻R1的第二端与第二开关单元154的第一端连接。

具体的，第一开关单元152包括第一开关K1，第一开关K1的第一端与保险丝FU的第二端电连接，第一开关K1的第二端与第二加热单元153的第一端电连接，第一开关K1的控制端与控制器140电连接。第二开关单元154包括第二开关K2，第二开关K2的第一端与电阻R1的第二端电连接，第二开关K2的第二端与第二加热单元153的第一端电连接，第二开关K2的控制端与控制器140电连接。在第一开关K1闭合时，保险丝FU用于防止电流过大烧毁第一加热单元151和第二加热单元153。电阻R1用于限流，在第一开关K1断开且第二开关K2闭合时，电阻R1可以防止加热系统150中的电流烧毁第二加热单元153。

可选的，第一加热单元包括PCT加热器；第二加热单元包括加热电阻丝。

具体的，PCT加热器具有加热速率快，加热效率高等特点。加热电阻丝具有成本低、易于获取等特点。

本实施例还提供了一种燃料电池系统的控制方法，该控制方法应用于本发明任意实施例提供的燃料电池系统。

图5是根据本发明实施例提供的一种燃料电池系统的控制方法的流程示意图，参考图5，该控制方法包括如下步骤：

S110、检测燃料电池电堆的温度。

S120、在燃料电池电堆的温度低于第一设定温度时，控制供气系统向燃料电池电堆的进气口输入氢气和空气、控制第一开关单元的第一端与其第二端导通以及控制电堆冷却系统内的冷却液在第一管路内流动，在第一管路内的冷却液的温度高于第二设定温度时控制加热系统与燃料电池电堆的正极与负极不导通。

本实施例提供的燃料电池系统的控制方法与本发明任意实施例提供的燃料电池系统具有相应的有益效果，未在本实施例详尽的技术细节，详见本发明任意实施例提供的燃料电池系统。

本实施还提供了一种车辆，该车辆包括本发明任意实施例提供的燃料电池系统。

具体的，本实施例中的车辆还包括电动机，电动机与燃料电池系统电连接，燃料电池系统可以为电动机供电。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。