CN103259031A

CN103259031A - 一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法

Info

Publication number: CN103259031A
Application number: CN201310128072XA
Authority: CN
Inventors: 潘牧; 余意; 涂正凯; 陈奔; 徐云飞; 陈骏
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: CN103259031B

Abstract

一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，将整个燃料电池电堆分成若干电池模块，在每一个电池模块上连接由一个控制开关，一个辅助负载和一个晶体二极管相互串联组成模块化放电电路，每个放电电路和主负载电路并联连接在燃料电池的阴阳极两端；并将空气源经空气吹扫阀与燃料电池的阳极端相连接，用空气吹扫阳极残留氢气。启动控制采用氢气吹扫阳极，同时利用辅助负载控制电池电压；停机控制采用先关闭空气后关闭氢气，利用辅助负载闭口系放电，并结合空气吹扫阳极。本发明优点：能够减少燃料电池停机的时间消耗，减小残留在阴极的氧气浓度，能防止模块内单电池的反极，防止停机放电时和空气吹扫时的电池反极现象发生；系统更加简化，操作方便。

Description

一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体是一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法。

背景技术

燃料电池是一种电化学发电装置，由于它能量转化效率高（50%~70%），环境友好，噪音低等突出的优越性，因而燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。在各种类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）适用于便携式电源和运输工具。大多数汽车公司开发的燃料电池也大都着重于PEMFC。

质子交换膜燃料电池除了具有其他所有燃料电池的优点外，还有其他燃料电池所不具备的优点，如：工作温度低、无污染、噪音小、结构简单、比功率大、启动迅速等，已经成为最有可能取代化石燃料能量转换装置的一种电化学装置。然而，PEMFC的稳定性和耐久性一直是制约其大规模商业化应用的重要因素之一。美国能源部（DOE）于2003年提出，到2010年固定电源用PEMFC和车载PEMFC发动机的寿命分别为40000 h和5000 h。为了达到这一目标，必须减少任何工况及环境下PEMFC的衰减。

在PEMFC的实际运行中，局部的氢气不足会发生在燃料电池的启动和停机过程中。在燃料电池启动之前，氧气存在于阳极侧的局部区域和阴极侧全部区域。当燃料电池启动时，燃料气体氢气通入到阳极流道中，这样阳极就会在局部区域形成一个氢气-氧气的界面。这个界面的存在会造成对应的阴极侧的电势过高，通过理论计算阴极电势会高达1.44 V。那么，在这样的高电位下，阴极侧的催化剂载体碳材料很容易发生氧化反应，使得催化剂颗粒脱落，而造成PEMFC性能的衰减。同样地，在PEMFC停机之后，由于氧气从外界或者是阴极侧通过膜扩散到阳极，氢气-氧气的界面也会形成，催化剂载体的腐蚀同样会发生。

各大研究机构对PEMFC启停控制策略的研究情况，包括通用汽车公司和福特汽车公司等在内的知名汽车研发中心都提出了自己的启停策略，其中UTC公司做了大量的理论和实验研究。这些研究主要集中在对催化剂载体材料的改进和启停控制策略等方面。

专利US6635370提出一种“电压控制装置”（voltage-limitation device，VLD），其本质上是外接负载的使用。在PEMFC关机后，使用外接电路来消耗电堆中的反应气体，使阴极中的残留空气消耗成保护性气体氮气，同时采用电压传感器来控制电池的电压以防止电堆中出现负电压。当PEMFC电堆的单片电压低于0.2 V时，将空气作为吹扫气体迅速通入到阳极侧。由于辅助电路的存在，电池的电压不至于过高，有效的保护了催化剂载体。但是在使用外接负载放电时，PEMFC电堆各单片的电压下降速率不一致，会导致某些片数的电压仍然很高，不利于耐久性的提高。

专利US6924056发明了一种特殊的氢气总管设计，他们将氢气进口设计成台阶状，每个小台阶将氢气流道分为许多小槽，氢气经过这些小槽通入到电堆中的每个单片。采用这种办法实现了氢气通入瞬间在电堆内的均匀分布，有效的防止了局部气体不足而形成的高电位。但是，这种氢气总管设计结构复杂，加工难度大，不利于在PEMFC电堆上实验。

专利US2009/0023040提出了一种车载燃料电池氮气吹扫系统。采用收集兼分离装置对PEMFC阴极的尾气进行处理，将分离出的氮气作为PEMFC运行前后的吹扫气体。他们使用含有不同浓度氧气的空气进行试验，结果表明，这一装置能够使PEMFC在启停过程中的衰减降到最小。但是，这样的装置增加了PEMFC发动机系统的结构复杂度。并且，如何做到100%提纯阴极尾气中的氮气同样是个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对目前质子交换膜燃料电池系统在频繁启停过程中阳极容易形成氢气/氧气界面，导致阴极高电位的形成，从而导致燃料电池性能的衰减，而提供一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法。该方法不需要系统再附加其他设备，即可实现对质子交换膜燃料电池系统的安全启动和停机，其设备和机构都很简单，容易操作。

本发明的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，其方法是在原燃料电池系统的基础上附加模块化放电电路和空气吹扫装置来控制，将整个燃料电池电堆分成若干电池模块，在每一个电池模块上连接一个由一个控制开关，一个辅助负载和一个晶体二极管相互串联组成模块化放电电路，每个放电电路和主负载电路并联连接在燃料电池的阴阳极两端，控制开关开关控制辅助负载的连接，而晶体二极管控制整个放电电路的导通电压；空气吹扫装置将空气源经管道和空气吹扫阀与质子交换膜燃料电池的阳极端相连接，用空气吹扫阳极残留氢气。

本发明的技术方案中，质子交换膜燃料电池系统启动控制方法是采用氢气吹扫阳极，同时利用辅助负载控制电池电压；停机控制方法是采用先关闭空气后关闭氢气，利用辅助负载闭口系放电，并结合空气吹扫阳极。

本发明的技术方案中，每个电池模块所包括的单电池数量为1~10个。

本发明的技术方案中，所述的空气吹扫装置的空气源由阴极端的空压机提供。空气吹扫阀连接于阳极进气阀和阳极流量计之间，吹扫阳极的空气经过阳极流量计可实时监控空气的流量大小。

本发明的技术方案中，所述的辅助负载为纯阻性负载，放电电流范围为100mAcm^-2~260mAcm^-2。其电阻大小应满足整个燃料电池电堆的放电电流大小。

本发明的技术方案中，所述的晶体二极管选用导通电压范围为0~2V的开关二极管或者是发光二极管。

本发明的技术方案中，每一个电池模块安装有电压巡检装置，监控单一电池模块的电池电压，电压巡检装置所测试的电压可以由系统操作界面实时监控，电压监控范围为0~10V。

本发明中单一模块安装的辅助负载为纯阻性负载，其作用是(1)当质子交换膜燃料电池停机时，利用辅助负载消耗阴极残留的氧气；(2)当质子交换膜燃料电池开机时，利用辅助负载控制开机时的电池高电位。在单一电池模块的放电电路中串联一个晶体二极管，其作用是防止电池停机放电时单一模块的电压下降到0V以下，从而造成质子交换膜燃料电池的反极，对电池的性能造成负面影响。设置二极管的导通电压范围为0~2V，其具体值取决于单一模块所含有的单电池数量。如单一模块所含有的单电池数量为10个，二极管的导通电压最低为2V，即当单一模块内单电池的最低电压小于0.2V时，模块的放电电路断开；而当单一模块内单电池的最低电压大于0.2V时，模块的放电电路导通。晶体二极管可以选用导通电压范围为0~2V的开关二极管或者是发光二极管，其具体型号根据导通电压的具体值来确定，而导通电压的具体值取决于单一模块内所包含的单片电池数量。

本发明的优点在于：

（1）使用辅助负载快速降低燃料电池系统在停机后的电压，减少燃料电池停机的时间消耗；

（2）采用模块化放电，能够使质子交换膜燃料电池电堆内各单电池停机的放电更加充分，能够极大程度的减小电堆停机后残留在阴极的氧气浓度；

（3）采用晶体二极管控制单一电池模块的放电电路，能够防止模块内单电池的反极；

（4）对整个停机过程的电池电压进行监控，防止停机放电时和空气吹扫时的电池反极现象发生；

（5）将质子交换膜燃料电池的停机和启动方法由同一放电电路和气体吹扫阀来控制，能够使系统更加简化，操作更加方便。

附图说明

图1是本发明的质子交换膜燃料电池系统整体结构图；

图2是本发明的质子交换膜燃料电池系统停机放电和启动氢气吹扫阳极时的结构图；

图3是本发明的质子交换膜燃料电池系统停机放电后空气吹扫时的结构图；

图4是本发明的质子交换膜燃料电池系统启动氢气吹扫阳极后供给空气的结构图；

图5是本发明的质子交换膜燃料电池系统启动后以及停机前正常工作时的结构图；

图中：1-空压机，2-过滤器，3-空气进气阀，4-空气流量计，5-空气加湿器，6- 端板，7-绝缘板，8-碳板端板， 9-碳板双极板，10-膜电极，11-电极， 12-空气尾气阀，13-氢气源，14-氢气进气阀，15-氢气流量计，16-氢气加湿器，17-氢气出气阀，18，模块1开关， 19-模块1电阻， 20-模块2开关， 21-模块2电阻，22-模块3开关， 23-模块3电阻，24-主负载电路开关，25-主负载， 26模块1二极管，27-模块2二极管，28-模块3二极管,29-空气吹扫阀。

图中虚线部分表示的是正在进行的操作步骤。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法。

本发明的质子交换膜燃料电池系统整体结构图如图1所示。其质子交换膜燃料电池系统的启动和停机控制方法，是在传统燃料电池系统的基础上附加模块化放电电路和空气吹扫装置来实现。实施例（图1）将整个燃料电池电堆分成三个电池模块，其中第1模块化放电电路由模块1开关18、模块1电阻19和模块1二极管26组成。第2模块化放电电路由模块2开关20、模块2电阻21和模块2二极管27组成。第3模块化放电电路由模块3开关22、模块3电阻23和模块3二极管28组成。模块1开关18、模块1电阻19和模块1二极管26相互串联；模块2开关20、模块2电阻21和模块2二极管27相互串联；模块3开关22、模块3电阻23和模块3二极管28相互串联，而每个放电电路和主负载25电路是并联连接在燃料电池的阴阳极两端。

模块1开关18用来控制模块1电阻19的连接，而模块1二极管26控制整个放电电路的导通电压。模块2开关20用来控制模块2电阻21的连接，而模块2二极管27控制整个放电电路的导通电压。模块3开关22用来控制模块3电阻23的连接，而模块3二极管28控制整个放电电路的导通电压。主负载电路开关24控制主负载25在燃料电池开机后的连接。

空气吹扫装置是将空气源经管道和空气吹扫阀与质子交换膜燃料电池的阳极端相连接。

二极管选用导通电压范围为0~2V的开关二极管或晶体二极管。

停机阶段和启动阶段具体过程如下：

停机阶段

1、打开主负载电路开关24以断开主负载25的连接；

2、打开氢气（阳极）进气阀14和氢气（阳极）出气阀17；

3、关闭空气（阴极）进气阀3和空气（阴极）尾气阀12；

4、合上模块1开关18、模块2开关20和模块3开关22，以连接模块1电阻19、模块2电阻21和模块3电阻23；

5、当PEMFC电堆的单片最低电压小于0.2V时，断开模块1电阻19、模块2电阻21和模块3电阻23；

6、关闭氢气进气阀14以停止氢气供给，并保持氢气出气阀17开启；

7、打开空气吹扫阀29，用空气吹扫阳极残留氢气；

8、当PEMFC的温度低于40^oC时，关闭空压机1。

启动阶段

1、合上模块1开关18、模块2开关20和模块3开关22，以连接模块1电阻19、模块2电阻21和模块3电阻23，以控制PEMFC在开机时的高电位；

2、保持空压机1和气体吹扫阀29关闭；

3、打开氢气出气阀17；

4、打开氢气进气阀14，给电池的阳极供给氢气；

5、打开空气进气阀3和空压机1，给电池的阴极供给空气；

6、断开模块1电阻19、模块2电阻21和模块3电阻23；

连接主负载电路开关24以连接主负载25，以设置PEMFC处于工作状态。

Claims

1.一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，其特征在于：在原质子交换膜燃料电池系统的基础上附加模块化放电电路和空气吹扫装置来控制，将整个燃料电池电堆分成若干电池模块，在每一个电池模块上连接一个由一个控制开关，一个辅助负载和一个晶体二极管相互串联组成模块化放电电路，每个放电电路和主负载电路并联连接在燃料电池的阴阳极两端，控制开关开关控制辅助负载的连接，而晶体二极管控制整个放电电路的导通电压；所述的空气吹扫装置将空气源经管道和空气吹扫阀与质子交换膜燃料电池的阳极端相连接，用空气吹扫阳极残留氢气。

2.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，其特征在于：启动控制方法是采用氢气吹扫阳极，同时利用辅助负载控制电池电压；停机控制方法是采用先关闭空气后关闭氢气，利用辅助负载闭口系放电，并结合空气吹扫阳极。

3.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，其特征在于每单个电池模块所包括的单电池数量为1~10个。

4.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，其特征在于空气吹扫装置的空气源由阴极端的空压机提供。

5.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，其特征在于：所述的辅助负载为纯阻性负载，放电电流范围为100mAcm^-2~260mAcm^-2。

6.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，其特征在于：所述的晶体二极管选用导通电压范围为0~2V的开关二极管或者是发光二极管。

7.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，其特征在于：每一个电池模块安装有电压巡检装置，监控单一电池模块的电池电压，电压监控范围为0~10V。