[发明专利]一种燃料电池控制系统和燃料电池系统冷启动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，具体设计一种燃料电池控制系统和燃料电池系统冷启动控制方法。

背景技术

燃料电池是高效、环保的新型发电装置，在各个领域都有广泛地应用。根据质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell， PEMFC）工作原理可知电池阴极催化层既是电池电化学反应进行的场所，也是反应的产物水产生的场所。在质子交换膜燃料电池常温工作时，电池中有反应气体增湿水和反应的产物水，阴极催化层产物水以气态或液态形式扩散到阴极扩散层进而进入阴极气体流道，从电池内由气流携带出去。而在低于 0 ℃的环境中，水在电池阴极产生并向外传输，此时由于电池中的水会结冰，无法从电池内除去，而在电池内部堆积，如长时间累积，将会造成以下问题：

（1）催化层形成的冰会覆盖活性表面，减少或阻止反应气到达反应界面，活性面积被完全覆盖后会导致电池无法启动。

（2）增湿水会堵塞流道阻止反应气体传输。

（3）催化层形成的冰晶会损伤聚合物膜结构，致膜鼓胀、破裂、穿孔。

（4）当水结冰时会产生9%的体积膨胀，电池内部施加有害压力，可能损伤电池内部结构，而当电池启动之后产生的废热将冰融化成水后，体积又会减小，反复的冻结/解冻过程引起的体积变化会对电池材料产生效应累积。

现有的燃料电池冷启动方法常常通过添加外部加热设备为寒冷状态的燃料电池加温，此种方法增加了燃料电池的成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种燃料电池控制系统和燃料电池系统冷启动控制方法，以避免在低温状态下对电池的损坏，保证燃料电池的正常工作，延长燃料电池寿命，同时降低冷启动成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种燃料电池控制系统，包括燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池控制系统包括与所述燃料电池电堆相连的内部辅助冷却回路和外部主冷却回路；所述内部辅助冷却回路包括第一冷却水泵和第一阀门；所述外部主冷却回路包括第二冷却水泵、第二阀门和散热器；所述燃料电池控制系统还包括：

水泵电机控制器，所述水泵电机控制器与所述第一冷却水泵和所述第二冷却水泵相连，所述水泵电机控制器还与所述第一阀门和所述第二阀门相连；所述水泵电机控制器工作在冷启动模式和正常冷却模式；在所述冷启动模式下，所述水泵电机控制器开启所述第一阀门，断开所述第二阀门，并控制所述第一冷却水泵，使得所述内部辅助冷却回路中的冷却液进入所述燃料电池电堆；在所述正常冷却模式下，所述水泵电机控制器开启所述第二阀门，断开所述第一阀门，并控制所述第二冷却水泵，使得所述外部主冷却回路中的冷却液进入所述燃料电池电堆。

在一个实施例中，所述燃料电池控制系统还包括：

温度计，所述温度计检测所述燃料电池电堆入口和出口的冷却液温度，并将表示所述冷却液温度的信号发送至所述水泵电机控制器；

所述水泵电机控制器比较所述冷却液温度和第一阈值温度，当所述冷却液温度小于所述第一阈值温度时，所述水泵电机控制器进入所述冷启动模式；当所述冷却液温度高于所述第一阈值温度时，所述水泵电机控制器进入所述正常冷却模式。

在一个实施例中，所述第一水泵在连续工作状态下的冷却液输出量小于所述第二水泵在连续工作状态下的冷却液输出量。

在一个实施例中，所述水泵电机控制器比较所述冷却液温度和第二阈值温度，其中，所述第二阈值温度小于所述第一阈值温度；当所述冷却液温度小于所述第二阈值温度时，所述水泵电机控制器进入所述冷启动模式，并且，所述水泵电机控制器控制所述第一冷却水泵的电机，以脉冲方式将所述冷却液泵入所述燃料电池电堆；当所述冷却液温度大于所述第二阈值温度且小于所述第一阈值温度时，所述水泵电机控制器控制所述第一冷却水泵的电机，以连续方式将所述冷却液泵入所述燃料电池电堆。

在一个实施例中，所述水泵电机控制器通过脉宽调制信号控制所述第一冷却水泵，所述脉宽调制信号的占空比决定了所述第一冷却水泵的输出功率；当所述冷却液温度小于所述第二阈值温度时，所述水泵电机控制器根据所述入口和出口冷却液的温度调节所述脉宽调制信号的占空比，其中，所述占空比随着所述温度的升高而增大。