一种燃料电池停机控制系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池停机控制系统。


背景技术：

2.燃料电池的环境适用性是决定其在现实场景大规模应用的重要因素。在低于0℃的低温环境下，扩散层及膜电极内部的液态水结冰会带来体积膨胀变化，多次结冰/融化会带来不可逆的机械损坏，因此对燃料电池进行低温存储前一般需要执行冷吹扫，降低电池内部液态水，保证燃料电池系统下一次冷启动成功。在实际应用过程中，燃料电池车辆低温环境下经常面临短时间停机或多次启停，频繁进行冷吹扫及冷启动会导致电堆性能出现不可逆的衰减，降低电堆寿命。
3.目前的燃料电池低温环境下停机策略主要有以下3种：第一种是系统停机时不吹扫，且系统处于自然降温状态；第二种是系统停机时，系统维持一定温度执行带载吹扫一定时间，参见中国专利cn116247250；第三种是系统停机时，系统维持一定温度执行空载吹扫，参见中国专利cn116259796a。
4.在低温环境下，第一种停机策略会导致堆内水温迅速下降，导致内部液态水结冰，影响下一次系统开机，且损害电堆寿命。第二、三种停机策略在低温环境下短时间内停机时或出现多次启停时，频繁进行冷吹扫会使膜处于较干状态，导致膜电极催化性能下降，电堆出现不可逆的衰减。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池停机控制系统，用以解决现有技术不适用于低温环境短时停机或多次启停的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池停机控制系统，包括电堆、氢气供应子系统、空气供应子系统、cod加热器、ptc加热器、高压水泵、低压水泵、第一三通控制阀、第二三通控制阀、散热器；其中，
7.电堆的氢气入口接氢气供应子系统，其空气入口接空气供应子系统，其冷却液出口连接三路不同功能的支路，第一路依次经cod加热器、低压水泵接第一三通控制阀的输入端一，作为燃料电池短时停机的cod加热小循环支路，第二路经ptc加热器接第二三通控制阀的输入端一，作为燃料电池低温环境冷启动的冷却液加热支路，第三路经散热器接第二三通控制阀的输入端二，作为燃料电池正常运行时的冷却液散热支路；
8.第二三通控制阀的输出端经高压水泵接第一三通控制阀的输入端二；第一三通控制阀的输出端接电堆的冷却液入口。
9.上述技术方案的有益效果如下：提供了一种可用于燃料电池系统在低温环境下停机时的控制方案。在冷却液支路中增加了cod加热器支路，在低温环境下通过cod加热器在燃料电池短时间停机时维持电堆的水温，可保证电堆内部液态水不会结冰。通过该支路的结构设计，可减少冬季车辆频繁启停和短时间停机过程中的冷吹扫和冷启动次数，减弱膜
和催化剂的劣化程度，延长电堆寿命。
10.基于上述系统的进一步改进，该燃料电池停机控制系统还包括：
11.燃料电池控制器，用于启动后识别燃料电池是否为短时停机；如果否，控制燃料电池执行冷吹扫；以及，如果是，控制燃料电池先执行正常关机，在关机后启动cod加热小循环支路，并识别燃料电池温低于目标值时控制氢气供应子系统、空气供应子系统分别向电堆通入一定量的气体，以使短时停机过程中燃料电池温度不低于目标值。
12.进一步，该燃料电池停机控制系统还包括蓄电池、负载；其中，
13.蓄电池的输出端接低压水泵的供电端，用于在燃料电池短时停机时为低压水泵供电；
14.电堆的供电输出端分别接负载、cod加热器的供电端，用于为负载、cod加热器供电。
15.进一步，该燃料电池停机控制系统还包括：
16.第一温度传感器，设于电堆的冷却液入口处管道内壁上，以获取入堆冷却液温度；
17.第二温度传感器，设于电堆的冷却液出口处管道内壁上，以获取出堆冷却液温度。
18.进一步，燃料电池控制器执行如下程序以完成燃料电池短时停机的控制功能：
19.s1.启动后，识别燃料电池是否为短时停机；如果是，执行步骤s2；如果否，控制燃料电池执行冷吹扫；
20.s2.控制燃料电池先执行正常关机；
21.s3.在关机后启动蓄电池为低压水泵供电，并控制第一三通控制阀的输入端一打开、输入端二关闭，以启动cod加热小循环支路；
22.s4.识别出堆冷却液温度是否低于目标值；如果是，执行步骤s5；如果否，维持cod加热器状态不变直到下一次燃料电池开机；
23.s5.控制氢气供应子系统、空气供应子系统分别向电堆通入一定量的气体，使得cod加热器消耗电堆产生的电能用于加热cod加热小循环支路内冷却液；
24.s6.监测到短时停机过程中燃料电池温度不低于目标值后，维持cod加热器状态不变直到下一次燃料电池开机。
25.进一步，燃料电池控制器执行的步骤s5中，氢气供应子系统、空气供应子系统分别向电堆通入的气体量满足使得该电堆输出的电能维持燃料电池温度始终处于目标值，即恒温状态。
26.进一步，该燃料电池停机控制系统还包括：
27.入堆氢气流量-压力一体传感器，设于电堆的氢气入口处气体管路内，其输出端接燃料电池控制器；
28.入堆空气流量-压力一体传感器，设于电堆的空气入口处气体管路内，其输出端也接燃料电池控制器；
29.环境温度传感器，设于电堆所处的周围环境中，其输出端也接燃料电池控制器，用于获取当前环境温度。
30.进一步，燃料电池控制器还执行如下程序以完成步骤s5短时停机时氢气供应子系统、空气供应子系统的控制功能：
31.s51.识别燃料电池温度是否低于目标值；如果是，执行步骤s9，否则，执行步骤
s10；
32.s52.控制氢气供应子系统、空气供应子系统输出气量增加，直到出堆冷却液温度达到目标值，维持氢气供应子系统、空气供应子系统的状态不变；
33.s53.识别燃料电池温度是否高于目标值；如果是，控制氢气供应子系统、空气供应子系统输出气量降低，直到出堆冷却液温度达到目标值，维持氢气供应子系统、空气供应子系统的状态不变。
34.进一步，燃料电池控制器执行如下程序以完成步骤s1中识别燃料电池是否为短时停机的功能：
35.s11.向用户发出是否短时停机的判断指令；
36.s12.接收到用户反馈的是否为短时停机的核准指令后，对该核准指令进行信息解析；
37.s13.根据解析结果确定本次停机是否短时停机。
38.进一步，燃料电池控制器还执行如下程序以完成燃料电池多次短时停机时氢气供应子系统、空气供应子系统的控制功能：
39.s7.在每次燃料电池短时启停时，获取当前温度下使得出堆冷却液温度等于目标值时对应的入堆氢气流量-压力一体传感器数据、入堆空气流量-压力一体传感器数据，建立数据表；
40.s8.在燃料电池下一次短时停机时，根据当前环境温度识别数据表中该环境温度下使得出堆冷却液温度等于目标值时对应的入堆氢气流量-压力一体传感器数据、入堆空气流量-压力一体传感器数据，进而该入堆氢气流量-压力一体传感器数据、入堆空气流量-压力一体传感器数据根据控制氢气供应子系统、空气供应子系统的运行。
41.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
42.通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
43.图1示出了实施例1燃料电池停机控制系统组成示意图；
44.图2示出了实施例2燃料电池停机控制系统组成示意图；
45.图3示出了实施例2燃料电池停机控制系统架构图；
46.图4示出了实施例2低温停机维持水温策略示意图。
47.附图标记
48.fcu-燃料电池控制器；t1-第一温度传感器；t2-第二温度传感器。
具体实施方式
49.下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，
提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
50.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个此外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
51.下面首先介绍本发明涉及的缩略语及其定义。
52.cod加热器:一种用于燃料电池系统的具有阴极氧消耗功能的加热装置。
53.冷吹扫：当燃料电池需要在低温环境存储或运输时，需在关机前执行低温吹扫策略，以防止在低温环境下质子交换膜中水结冰导致膜结构损坏。
54.实施例1
55.本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池停机控制系统，旨在保证燃料电池在低温环境下短时间停机过程中维持电堆水温。如图1所示，该燃料电池停机控制系统包括氢气供应子系统、空气供应子系统、cod加热器、ptc加热器、高压水泵、低压水泵、第一三通控制阀、第二三通控制阀、散热器。
56.其中，电堆的氢气入口接氢气供应子系统，其空气入口接空气供应子系统，其冷却液出口连接三路不同功能的支路，第一路依次经cod加热器、低压水泵接第一三通控制阀的输入端一，作为燃料电池短时停机的cod加热小循环支路，第二路经ptc加热器接第二三通控制阀的输入端一，作为燃料电池低温环境冷启动的冷却液加热支路，第三路经散热器接第二三通控制阀的输入端二，作为燃料电池正常运行时的冷却液散热支路。
57.第二三通控制阀的输出端经高压水泵接第一三通控制阀的输入端二。第一三通控制阀的输出端接电堆的冷却液入口。
58.散热器，用于对空气与燃料电池冷却液进行热量交换。
59.高压水泵、低压水泵，用于使得冷却液在冷却路内循环流动。
60.实施时，在需要低温环境下进行短时间停机时，执行低温停机维持水温策略。当电堆内水温低于目标值时，蓄电池为低压水泵供电，使冷却液在电堆-cod加热器-低压水泵-第一三通控制阀-电堆小循环内流动，氢气供应系统和空气供应系统向电堆内部通入一定量的气体，此时cod加热器消耗电堆两极产生的电持续加热小循环，使堆内水温维持在一定范围内直至下一次燃料电池开机。
61.与现有技术相比，本实施例提供了一种可用于燃料电池系统在低温环境下停机时的控制方案。在冷却液支路中增加了cod加热器支路，在低温环境下通过cod加热器在燃料电池短时间停机时维持电堆的水温，可保证电堆内部液态水不会结冰。通过该支路的结构设计，可减少冬季车辆频繁启停和短时间停机过程中的冷吹扫和冷启动次数，减弱膜和催化剂的劣化程度，延长电堆寿命。
62.实施例2
63.在实施例1的基础上进行改进，该燃料电池停机控制系统还包括燃料电池控制器、蓄电池、负载、第一温度传感器t1、第二温度传感器t2，如图2、3所示。
64.燃料电池控制器fcu，用于启动后识别燃料电池是否为短时停机(一般指停机时间
在16小时以内)；如果否，控制燃料电池执行冷吹扫；以及，如果是，控制燃料电池先执行正常关机，在关机后启动cod加热小循环支路，并识别燃料电池温低于目标值时控制氢气供应子系统、空气供应子系统分别向电堆通入一定量的气体，以使短时停机过程中燃料电池温度不低于目标值。
65.通过利用cod(阴极耗氧)加热器特性，在停机较低电耗下维持电堆水温，保证车辆在低温环境下停机一段时间后能正常开机。减少了冬季车辆频繁启停和短时间停机过程的冷吹扫和冷启动次数，减缓膜和催化剂劣化程度，延长电堆寿命。在燃料电池系统关机后，通过向燃料电池电堆内通入一定量的氢气和氧气产生电能，使cod加热器能够对电堆内部水温持续进行加热。
66.蓄电池的输出端接低压水泵的供电端，用于在燃料电池短时停机时为低压水泵供电。
67.电堆的供电输出端分别接负载、cod加热器、ptc加热器的供电端，用于为负载、cod加热器器、ptc加热器供电。
68.第一温度传感器t1，设于电堆的冷却液入口处管道内壁上，以获取入堆冷却液温度。
69.第二温度传感器t2，设于电堆的冷却液出口处管道内壁上，以获取出堆冷却液温度。
70.优选地，如图4所示，燃料电池控制器执行如下程序以完成燃料电池短时停机的控制功能：
71.s1.启动后，识别燃料电池是否为短时停机；如果是，执行步骤s2；如果否，控制燃料电池执行冷吹扫；
72.s2.控制燃料电池先执行正常关机；
73.s3.在关机后启动蓄电池为低压水泵供电，并控制第一三通控制阀的输入端一打开、输入端二关闭，以启动cod加热小循环支路；
74.s4.识别出堆冷却液温度是否低于目标值；如果是，执行步骤s5；如果否，维持cod加热器状态不变直到下一次燃料电池开机；
75.s5.控制氢气供应子系统、空气供应子系统分别向电堆通入一定量的气体，使得cod加热器消耗电堆产生的电能用于加热cod加热小循环支路内冷却液；
76.s6.监测到短时停机过程中燃料电池温度不低于目标值后，维持cod加热器状态不变直到下一次燃料电池开机。
77.优选地，燃料电池控制器执行的步骤s5中，氢气供应子系统、空气供应子系统分别向电堆通入的气体量满足使得该电堆输出的电能维持燃料电池温度始终处于目标值，即恒温状态。
78.优选地，该燃料电池停机控制系统还包括入堆氢气流量-压力一体传感器、入堆空气流量-压力一体传感器、环境温度传感器。
79.入堆氢气流量-压力一体传感器，设于电堆的氢气入口处气体管路内，其输出端接燃料电池控制器。
80.入堆空气流量-压力一体传感器，设于电堆的空气入口处气体管路内，其输出端也接燃料电池控制器。
81.环境温度传感器，设于电堆所处的周围环境中，其输出端也接燃料电池控制器，用于获取当前环境温度。
82.燃料电池控制器还执行如下程序以完成步骤s5短时停机时氢气供应子系统、空气供应子系统的控制功能：
83.s51.识别燃料电池温度是否低于目标值；如果是，执行步骤s9，否则，执行步骤s10；
84.s52.控制氢气供应子系统、空气供应子系统输出气量增加，直到出堆冷却液温度达到目标值，维持氢气供应子系统、空气供应子系统的状态不变；
85.s53.识别燃料电池温度是否高于目标值；如果是，控制氢气供应子系统、空气供应子系统输出气量降低，直到出堆冷却液温度达到目标值，维持氢气供应子系统、空气供应子系统的状态不变。
86.优选地，燃料电池控制器执行如下程序以完成步骤s1中识别燃料电池是否为短时停机的功能：
87.s11.向用户发出是否短时停机的判断指令；
88.s12.接收到用户反馈的是否为短时停机的核准指令后，对该核准指令进行信息解析；
89.s13.根据解析结果确定本次停机是否短时停机。
90.优选地，燃料电池控制器还执行如下程序以完成燃料电池多次短时停机时氢气供应子系统、空气供应子系统的控制功能：
91.s7.在每次燃料电池短时启停时，获取当前温度下使得出堆冷却液温度等于目标值时对应的入堆氢气流量-压力一体传感器数据、入堆空气流量-压力一体传感器数据，建立数据表；
92.s8.在燃料电池下一次短时停机时，根据当前环境温度识别数据表中该环境温度下使得出堆冷却液温度等于目标值时对应的入堆氢气流量-压力一体传感器数据、入堆空气流量-压力一体传感器数据，进而该入堆氢气流量-压力一体传感器数据、入堆空气流量-压力一体传感器数据根据控制氢气供应子系统、空气供应子系统的运行。
93.与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池停机控制系统具有如下有益效果：
94.1、当燃料电池系统在低温环境下短时间停机时，向燃料电池电堆内通入一定量的氢气和空气，通过cod加热器消耗此时电堆两端产生的电能对电堆进行加热，以较低消耗维持停机状态下电堆水温。
95.2、维持燃料电池停机状态下的水温，可以减少冷吹扫和冷启动次数，减少结冰、膜干等因素对电堆带来的损害。
96.3、功耗较低，改善效果比较明显，可保证电堆内部液态水不会结冰。
97.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：
1.一种燃料电池停机控制系统，其特征在于，包括电堆、氢气供应子系统、空气供应子系统、cod加热器、ptc加热器、高压水泵、低压水泵、第一三通控制阀、第二三通控制阀、散热器；其中，电堆的氢气入口接氢气供应子系统，其空气入口接空气供应子系统，其冷却液出口连接三路不同功能的支路，第一路依次经cod加热器、低压水泵接第一三通控制阀的输入端一，作为燃料电池短时停机的cod加热小循环支路，第二路经ptc加热器接第二三通控制阀的输入端一，作为燃料电池低温环境冷启动时的冷却液加热支路，第三路经散热器接第二三通控制阀的输入端二，作为燃料电池正常运行时的冷却液散热支路；第二三通控制阀的输出端经高压水泵接第一三通控制阀的输入端二；第一三通控制阀的输出端接电堆的冷却液入口。2.根据权利要求1所述的燃料电池停机控制系统，其特征在于，该系统还包括：燃料电池控制器，用于接收到停机指令后识别燃料电池是否为短时停机；如果否，控制燃料电池执行冷吹扫；以及，如果是，控制燃料电池先执行正常关机，在关机后启动cod加热小循环支路，并在识别燃料电池温低于目标值时控制氢气供应子系统、空气供应子系统分别向电堆通入一定量的气体，以使短时停机过程中燃料电池温度不低于目标值。3.根据权利要求2所述的燃料电池停机控制系统，其特征在于，该系统还包括蓄电池、负载；其中，蓄电池的输出端接低压水泵的供电端，用于在燃料电池短时停机时为低压水泵供电；电堆的供电输出端分别接负载、cod加热器的供电端，用于为负载、cod加热器供电。4.根据权利要求3所述的燃料电池停机控制系统，其特征在于，该系统还包括：第一温度传感器，设于电堆的冷却液入口处管道内壁上，以获取入堆冷却液温度；第二温度传感器，设于电堆的冷却液出口处管道内壁上，以获取出堆冷却液温度。5.根据权利要求4所述的燃料电池停机控制系统，其特征在于，燃料电池控制器执行如下程序以完成燃料电池短时停机的控制功能：s1.启动后，识别燃料电池是否为短时停机；如果是，执行步骤s2；如果否，控制燃料电池执行冷吹扫；s2.控制燃料电池先执行正常关机；s3.在关机后启动蓄电池为低压水泵供电，并控制第一三通控制阀的输入端一打开、输入端二关闭，以启动cod加热小循环支路；s4.识别出堆冷却液温度是否低于目标值；如果是，执行步骤s5；如果否，维持cod加热器状态不变直到下一次燃料电池开机；s5.控制氢气供应子系统、空气供应子系统分别向电堆通入一定量的气体，使得cod加热器消耗电堆产生的电能用于加热cod加热小循环支路内冷却液；s6.监测到短时停机过程中燃料电池温度不低于目标值后，维持cod加热器状态不变直到下一次燃料电池开机。6.根据权利要求5所述的燃料电池停机控制系统，其特征在于，燃料电池控制器执行的步骤s5中，氢气供应子系统、空气供应子系统分别向电堆通入的气体量满足使得该电堆输出的电能维持燃料电池温度始终处于目标值，即恒温状态。7.根据权利要求6所述的燃料电池停机控制系统，其特征在于，还包括：
入堆氢气流量-压力一体传感器，设于电堆的氢气入口处气体管路内，其输出端接燃料电池控制器；入堆空气流量-压力一体传感器，设于电堆的空气入口处气体管路内，其输出端也接燃料电池控制器；环境温度传感器，设于电堆所处的周围环境中，其输出端也接燃料电池控制器，用于获取当前环境温度。8.根据权利要求7所述的燃料电池停机控制系统，其特征在于，燃料电池控制器还执行如下程序以完成步骤s5短时停机时氢气供应子系统、空气供应子系统的控制功能：s51.识别燃料电池温度是否低于目标值；如果是，执行步骤s9，否则，执行步骤s10；s52.控制氢气供应子系统、空气供应子系统输出气量增加，直到出堆冷却液温度达到目标值，维持氢气供应子系统、空气供应子系统的状态不变；s53.识别燃料电池温度是否高于目标值；如果是，控制氢气供应子系统、空气供应子系统输出气量降低，直到出堆冷却液温度达到目标值，维持氢气供应子系统、空气供应子系统的状态不变。9.根据权利要求1-8任一项所述的燃料电池停机控制系统，其特征在于，燃料电池控制器执行如下程序以完成步骤s1中识别燃料电池是否为短时停机的功能：s11.向用户发出是否短时停机的判断指令；s12.接收到用户反馈的是否为短时停机的核准指令后，对该核准指令进行信息解析；s13.根据解析结果确定本次停机是否短时停机。10.根据权利要求9所述的燃料电池停机控制系统，其特征在于，燃料电池控制器还执行如下程序以完成燃料电池多次短时停机时氢气供应子系统、空气供应子系统的控制功能：s7.在每次燃料电池短时启停时，获取当前温度下使得出堆冷却液温度等于目标值时对应的入堆氢气流量-压力一体传感器数据、入堆空气流量-压力一体传感器数据，建立数据表；s8.在燃料电池下一次短时停机时，根据当前环境温度识别数据表中该环境温度下使得出堆冷却液温度等于目标值时对应的入堆氢气流量-压力一体传感器数据、入堆空气流量-压力一体传感器数据，进而该入堆氢气流量-压力一体传感器数据、入堆空气流量-压力一体传感器数据根据控制氢气供应子系统、空气供应子系统的运行。

技术总结
本发明提供了一种燃料电池停机控制系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术不适用于低温环境短时停机或多次启停的问题。该系统包括电堆、氢气供应子系统、空气供应子系统、COD加热器、PTC加热器、高压水泵、低压水泵、第一三通控制阀、第二三通控制阀、散热器。电堆的氢气入口接氢气供应子系统，空气入口接空气供应子系统，冷却液出口连接三路不同功能的支路，第一路依次经COD加热器、低压水泵接第一三通控制阀的输入端一，第二路经PTC加热器接第二三通控制阀的输入端一，第三路经散热器接第二三通控制阀的输入端二。第二三通控制阀的输出端经高压水泵接第一三通控制阀的输入端二。第一三通控制阀的输出端接电堆的冷却液入口。第一三通控制阀的输出端接电堆的冷却液入口。第一三通控制阀的输出端接电堆的冷却液入口。


技术研发人员：张强 郭德新 苗佩宇 张潇丹 方川
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：2023.08.30
技术公布日：2023/10/15