CN103579643B - 一种燃料电池系统及停车控制方法与应用 - Google Patents

一种燃料电池系统及停车控制方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统及其采用的停车放电控制方法，用以缓解或避免质子交换膜燃料电池停车过程中由于空气进入阳极腔形成的氢空界面所造成的燃料电池性能衰减，延长车用燃料电池的使用寿命，是一种无需惰性气体吹扫的可行的用于减少或消除系统停车过程衰减的燃料电池系统及控制方法。在燃料电池系统准备停车时，氢气进出口开关阀将阳极腔整体封闭，在维持阴极空气继续流动的条件下，通过闭合外电流回路开关将阳极腔内氢气充分反应掉，同时在阳极腔内形成一定真空度。此时，断开外电流回路开关并打开氢气出口开关阀，使外界空气迅速冲入阳极腔，避免系统停车后空气在阳极腔缓慢扩散而引起的氢空界面长期存在，从而减少或避免电池的停车衰减。

Description

一种燃料电池系统及停车控制方法与应用
技术领域
本发明涉及一种用于缓解燃料电池系统停车过程中发生的性能衰减的系统和方法，所述系统和方法包括消除或减少停车过程中氢空界面于阳极侧存在时间以降低由此造成的燃料电池性能衰减。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。它不受卡诺循环的限制，可以高效地将化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有可快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出优点，特别适合作为移动动力源，是混合动力电动汽车和燃料电池汽车的理想能源之一。
车用燃料电池的使用过程中，存在频繁的启动和停车过程。燃料电池在停车之后，电池阳极腔内的残余氢气会逐渐被环境中的空气所取代，在空气缓慢渗入燃料电池阳极腔的过程中，燃料电池电堆中每节单池阳极侧都将于较长时间内形成氢空界面，导致阴极侧局部高电位的产生，一般可以达到1.5V以上，该阴极高电位持续存在，将引起碳载体氧化及Pt催化剂的流失。研究表明，燃料电池停车后，尽快地消除阳极侧氢空界面，减少由此所造成的阴极催化剂及载体腐蚀，进而能够缓解电池衰减。
本领域提出的停车后快速吹扫阳极的方法(ZL200480044755.6)，在燃料电池系统停车后采用惰性气体(如氮气)对电池阳极进行吹扫，以快速消除电堆阳极腔的氢气，避免长期氢空界面的形成，但该方法需要在燃料电池系统中额外配置惰性气体储罐及吹扫管路，增加了系统负担。虽然也有方法(ZL200380104251.4)提出直接用空气对电堆阳极进行吹扫，从而无需额外配置惰性气体储罐，但也必须配置由空气供气装置(如空压机)至电池阳极入口的吹扫管路，该管路在电池正常运行时需要完全截止，以避免氢气与空气的互相渗透，因而该管路的存在也增加了系统的风险。在本领域同样也提出封闭阳极的方法，在燃料电池停车后，封闭阴极和阳极的尾排出口，阻止空气进入阳极腔内，使燃料电池停车之后不易形成氢空界面，但该方法并未彻底解决电堆阳极腔内残余氢气的存在问题，在长期停车过程中，微量的空气渗透将不可避免，一旦空气进入阳极腔，该方法反而将延长氢空界面的存在时间，加剧电池的衰减。
本领域提出在停车后利用辅助负载放电限电位(ZL200480026899.9)的方法，使用辅助负载消耗停车后燃料电池腔内残余气体，使残余在燃料电池阴极腔内主要的气体为保护性气体氮气，氢空界面效应减小，抑制了阴极高电位的产生，从而有效延缓燃料电的衰减。此类方法需要额外增加阴极侧辅助循环管路，增加了系统负担，且旨在于消耗燃料电池阴极腔内的残余气体，而不能将阳极腔内的氢气完全消耗掉，电堆阳极侧形成氢空界面的潜在隐患仍然存在，仍有引发阴极高电势并导致MEA衰减的可能。
发明内容
根据本发明的方案，公开提出了一种可以避免或显著缓解质子交换膜燃料电池停车过程中由于空气进入阳极腔内形成的氢空界面所造成性能衰减的燃料电池系统及控制方法。
燃料电池系统由n节燃料电池单池串联构成的燃料电池堆，n≥2正整数，包括阳极和阴极端板以及用于与外电路实现电连接的正端子和负端子所构成，阳极和阴极端板上设有氢气入口、空气入口、氢气出口、空气出口，氢气入口、和氢气出口处设有氢气入口阀及氢气出口阀，分别用于控制燃料电池堆氢气入口处及出口处流体流动通道的接通及截断。
氢气入口通过管路与氢气气源相连，空气入口通过管路与空气压缩机或鼓风机的出口相连，压缩机或鼓风机给燃料电池堆阴极提供空气。
燃料电池堆的正端子和负端子用于与外电路进行电连接，另外，于正端子和负端子之间连接一条电流回路，电流回路由用电负载和开关构成；所述电流回路的开关可选择性的闭合和断开，以提供或解除连接燃料电池堆的电流回路；所述电流回路串联的用电负载包括但不限于惰性电阻、风扇、电机，其功率依据所述的燃料电池堆额定功率进行选择，以调节所述回路开关闭合阶段的回路电流。
控制器通过导线分别与空气压缩机或鼓风机，氢气入口阀及氢气出口阀及所述电流回路开关、直流电压变送器相连；控制器用以控制所述空气压缩机或鼓风机的运行或停止，控制氢气入口阀及氢气出口阀的接通与截断，及所述电流回路开关的闭合和断开。
在系统准备停车时，维持空气供应，同时关闭电堆氢气入口阀及出口阀，封闭阳极腔，并同步采用负载对电堆进行放电，充分消耗掉电堆阳极腔内残余氢气，随后再开启氢气出口阀，利用阳极腔形成的真空度使空气由阳极腔出口迅速进入并充满阳极腔，这样便避免了电堆在系统停车后由于空气缓慢扩散进入阳极腔所形成的长时间氢空界面而造成的燃料电池性能衰减。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例所采用的燃料电池系统概要示意图。
图2是未采用本发明的燃料电池系统停车后其单池电压及阴极局部界面电势情况。
图3是采用本发明的燃料电池系统停车后其单池电压及阴极局部界面电势情况。
具体实施方式
以下涉及用于避免或有效缓解燃料电池系统停车后由阳极腔内形成的氢空界面所造成性能衰减的燃料电池系统及控制策略的本发明的实施例的相关阐述，本质上仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用及使用。
图1显示的是燃料电池系统17的示意性构成及流程图。燃料电池系统17包括具有正极接线端子10及负极接线端子11的燃料电池电堆9。空气压缩机1将空气经燃料电池堆阴极进气管路3输送至燃料电池电堆9的阴极腔，且过量空气通过燃料电池堆阴极排气管路5排出。储存于氢气储罐2的氢气经过氢气进气开关阀4及燃料电池电堆阳极进气管路7进入燃料电池电堆9的阳极腔，且过量氢气通过氢气出口开关阀8及燃料电池电堆氢气出口管路6排出。
根据本发明，燃料电池系统17还包括连接于燃料电池电堆9的正极接线端子10及负极接线端子11之间的电流回路12，包括可以选择性闭合或断开的电流回路开关13以及惰性电阻14，以及连接于燃料电池电堆9的正极接线端子10及负极接线端子11之间的堆直流电压变送器15，所测得的堆电压信号直接传输到控制器16。控制器16可以同时或分别的控制空气压缩机1的运行或停止、氢气进气开关阀7及氢气排气开关阀8的开启或关闭以及电流回路开关13的闭合或断开。
根据本发明之前的阐述，在燃料电池系统17准备停车时，空气压缩机1继续运转，维持向燃料电池电堆9阴极腔的空气供应，同时关闭氢气入口阀7以及氢气出口阀8，将燃料电池电堆9的阳极腔封闭，以隔绝随后放电过程中空气向阳极腔的扩散。之后，关闭电流回路开关13开始放电以消耗燃料电池电堆9阳极腔内封闭的残余氢气，同时测量电堆电压，由于此时维持空气压缩机1对燃料电池电堆9的空气供应，所以放电过程中燃料电池电堆9的电压下降主要由于电堆阳极腔的氢气消耗，当测得的电堆电压低于设定值可认为残余氢气被充分消耗，此时断开电流回路开关13停止放电，并开启氢气出口阀8。由于氢气的充分消耗避免了或大幅缓解了开启氢气出口阀8之后空气进入阳极腔对MEA造成的衰减。
本实施例中的燃料电池电堆9可以是120节电堆，此时电堆中每节单池的开路电压通常在1.0V附近，燃料电池电堆9的堆电压则为120V附近，放电过程中堆电压的设定值通常设置在电堆单池节数n×0.05V至电堆单池节数n×0.5V之间，如本实施例中电堆电压设定值可设置范围为6V至60V之间。其内在规律在于所设置堆电压设定值越低，进行操作之后，残余氢气消耗也越充分。
附图2与图3分别展示了不采用及采用本发明的燃料电池系统停车后其单池电压a及阴极局部(靠近氢气排气口的一端)界面电势b的响应情况。在图2中，未采用本发明所述技术的燃料电池系统停车后，燃料电池电压长期(约3000秒)维持于0.8V以上，阴极局部界面电势明显超过1.6V；在图3中，采用本发明所述技术的燃料电池系统停车后，燃料电池在经历不超过60秒的上述控制策略执行区间(堆电压设定值为电堆节数n×0.3V)后，电池电压迅速降低至接近0V，同时未出现阴极局部界面电势的升高。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统的停车控制方法，其为消除或减少燃料电池系统停车过程中，阳极腔氢空界面缓慢移动而造成膜电极衰减的控制方法，其特征在于：
系统停车时，关闭燃料电池堆氢气入口阀并同时关闭氢气出口阀；维持燃料电池堆阴极的空气供应，闭合电流回路开关，连接燃料电池堆正端子和负端子之间包括负载的电流回路，用于充分消耗阳极腔内封闭空间的氢气；在封闭的阳极腔内部氢气基本被消耗掉后，断开所述燃料电池系统的电流回路，开启所述燃料电池堆氢气出口阀，利用阳极腔形成的真空度使空气由阳极腔出口迅速进入并充满阳极腔；对燃料电池堆电压进行检测，并以燃料电池堆电压值作为判断阳极腔内部氢气消耗程度的判断依据。
2.根据权利要求1所述的停车控制方法，其特征在于：所述开关闭合时间由燃料电池堆直流电压变送器测得的燃料电池堆电压进行控制，当所述燃料电池堆直流电压变送器测得的燃料电池堆电压低于设定值时，所述开关断开，并认为阳极腔内封闭氢气基本被消耗。
3.根据权利要求1所述的停车控制方法，其特征在于：所述的燃料电池堆电压设定值依据燃料电池堆单池节数n进行计算，所述设定值处于n×0.05V与n×0.5V之间。
4.根据权利要求1所述的停车控制方法，其特征在于：在闭合所述电流回路开关时，空气压缩机或鼓风机继续开启维持阴极腔空气供应。
5.根据权利要求1所述的停车控制方法，其特征在于：
所述燃料电池堆以n节燃料电池单池串联所构成，n为≥2的正整数，包括阳极端板和阴极端板以及用于与外电路实现电连接的正端子和负端子；于端板上设有氢气入口、空气入口、氢气出口、空气出口，于氢气入口和氢气出口处设有氢气入口阀及氢气出口阀；
空气入口通过管路与空气压缩机或鼓风机的出口相连，空气压缩机或鼓风机用以提供空气给燃料电池堆的阴极；氢气入口通过管路与氢气气源相连；
氢气入口阀及氢气出口阀，分别用于控制燃料电池堆氢气入口处及出口处气体流动通道的接通及截断；
所述燃料电池堆的正端子和负端子用于与外电路进行电连接，于正端子和负端子之间连接一条电流回路，所述电流回路包括串联的用电负载和电流回路开关；
所述电流回路开关可选择性的闭合和断开，以提供或解除连接燃料电池堆的电流回路；所述电流回路串联的用电负载，用以调节所述电流回路开关闭合阶段的电流；
于燃料电池堆的正端子和负端子间设有直流电压变送器，燃料电池堆直流电压变送器用以测试燃料电池堆电压。
6.根据权利要求5所述的停车控制方法，其特征在于：
控制器通过导线分别与空气压缩机或鼓风机、氢气入口阀及氢气出口阀及所述电流回路开关、直流电压变送器相连；控制器用以控制所述空气压缩机或鼓风机的运行或停止，控制氢气入口阀及氢气出口阀的接通与截断，及所述电流回路开关的闭合和断开。
7.根据权利要求5所述的停车控制方法，其特征在于：
所述氢气入口阀及氢气出口阀包括二通电磁阀，电流回路开关包括继电器开关，控制器包括电子控制单元。
8.根据权利要求5所述的停车控制方法，其特征在于：
所述电流回路串联的用电负载包括惰性电阻、风扇、电机中的一种或二种以上，其功率依据所述的燃料电池堆额定功率进行选择。
9.根据权利要求1所述的停车控制方法，其特征在于：所述方法用于燃料电池车上。
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