CN105047965B - 一种计及电压均衡的pemfc电堆停机策略 - Google Patents

Abstract

一种计及电压均衡的PEMFC电堆停机策略，其主旨在于解决在停机过程中使用恒定辅助负载时出现单体电池“反极化”现象或残余气体分布不均的问题。本申请通过动态调节停机过程中辅助负载的大小，在显著提升单体电池电压均衡性的同时，避免了停机过程中残余气体消耗不均匀的现象，有效的避免氢‑空界面的生成，缩短了启停机过程中电池处于高电位的时间，减缓了PEMFC电堆的衰减速度。

Description

一种计及电压均衡的PEMFC电堆停机策略

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种计及电压均衡的PEMFC电堆停机策略。

背景技术

随着全球化石能源的日益消耗和世界环境的不断恶化，新型能源的应用与开发成为各国的发展焦点。燃料电池由于其高效、洁净、无噪声、功率范围广等优点，成为极具发展潜力的新能源技术。其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有运行温度低、功率密度高、响应速度快等特点，已成为交通运输、分布式电站、便携式电源等应用领域中的重要能源选择。

在PEMFC电堆运行过程中，会频繁经历各种工况，如启动、停机、变载、怠速等，其工况的复杂程度决定其性能衰减的速度和使用寿命的长短。在这些动态工况中，停机工况对PEMFC的耐久性影响很大，仅次于变载工况。在停机过程中，会断开氢气和空气的供给，阴阳极流场内都会有相应的残存气体，而由于浓度梯度的存在，阴极的氧气就会通过质子交换膜扩散到阳极，PEMFC电堆的阳极就会出现混合气体，即氢气/空气界面。此时，阳极的部分区域由氢气占据，部分由空气占据，导致氧的还原反应同时存在于电池的阴极和阳极，最终致使阴极催化层表面形成一个很高的电位(大约1.44V)，在此高电位下阳极存在空气的区域会出现反向电流的存在发生“反极化”现象，导致作为催化剂的载体碳发生氧化腐蚀的速率非常快，进而会造成Pt的溶解和流失，最终导致电堆失效。

目前，很多文献都关于PEMFC电堆停机过程中如何消除氢-空界面进行了相关研究。气体吹扫和辅助负载是电堆停机过程中两种较为常见的抑制电池阴极高电位的控制方式。相较于气体吹扫方式而言，辅助负载方式更容易消耗掉电堆内残留的反应气体，更加广泛应用于PEMFC电堆处于频繁启停的场合。然而，在PEMFC电堆停机过程中，通常都是选择一个恒定的辅助负载，极易造成电堆内某些单体电池的电压降低速度过快，导致单体电池发生“反极化”现象，并残存部分气体无法均匀消耗，此时同样会出现氢-空界面，对电池的性能造成损伤。所以，在使用辅助负载时，应充分考虑PEMFC电堆的单体电池电压均衡性变化趋势，使电堆内各部位的气体消耗速度保持一种相对平衡的状态，避免电池内氢-空界面的产生，从而降低电堆在停机过程中的衰减速度。

为了避免上述现象的发生，本发明将测试不同大小的恒流辅助负载在启停机过程中对电堆性能的影响，在此基础上提出计及单体电池电压均衡的PEMFC电堆停机控制策略，并通过测试验证控制策略的有效性。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种计及电压均衡的PEMFC电堆停机策略，旨在有效缩短电池处于高电位的时间，使停机完成时的单体电池处于较均衡的低电压状态，避免停机过程中残余气体消耗不均匀的现象，有效阻止氢-空界面的生成，从而在充分考虑PEMFC电堆的单体电池电压均衡性变化趋势的基础上降低电堆在停机过程中的衰减速度。

本发明实施是这样实现的，一种计及电压均衡的PEMFC电堆停机策略，该PEMFC电堆停机策略包括以下步骤：

步骤一，停机开始，断开电子负载、切入辅助负载；同时关闭氢气、空气进气电磁阀。

步骤二，检测最低单体电压值是否大于0.2V，若是，则进入步骤三；否则切除辅助负载，结束停机。

步骤三，检测单体间的最大电压差值是否小于30mV，若是，则将辅助负载电流值切为初期切入辅助负载电流值(如2A)，进行步骤二的检测；否则进入步骤四。

步骤四，检测单体间的最大电压差值是否小于50mV，若是，则将辅助负载电流值切为小于初期切入辅助负载电流值(如1A)，进行步骤二的检测；否则进入步骤五。

步骤五，检测单体间的最大电压差值是否小于150mV，若是，则将辅助负载电流切为0.5A，进行步骤二的检测；否则将辅助负载电流值切为0.1A，进行步骤二的检测。

计及电压均衡的PEMFC电堆停机策略方法，其特征在于，初期切入辅助负载的电流值，应选择停机时刻单体电池电压维持在高电位状态(0.9V以上)时间较短的辅助负载恒流值(如2A)，作为切入辅助负载的电流值。具体实施方法：

步骤一，测试停机过程中辅助负载分别为不同恒流下(此数值应以实际使用电堆情况进行选择)，测量其单体电池电压响应的变化趋势，同时，测量停机过程中不同恒流下单体电池电压波动率随时间的变化关系，绘制三种恒流辅助负载切除时刻的单体电池电压状态；

步骤二，分析不同恒流时单体电池电压响应的变化趋势，在停机初期会使电池产生较高的电位、并且使高电位持续时间较长的恒流值不适合作为停机辅助负载电流长期使用；

步骤三，分析不同恒流下单体电池电压波动率随时间的变化关系图，对比后可以得到单体电池电压波动率峰值随着辅助负载电流的增大而增大，恶化速度不断加快，并且从停机时刻到C_v峰值出现的时间随着辅助负载电流的增大而不断缩小；

步骤四，分析不同恒流辅助负载切除时刻的单体电池电压状态，对比不同恒流下的电压差值，若停机时刻的单体电池电压差值较大，仍有较多的单体电池处于高电压状态，说明此时电池内残余的反应气体剩余量较大，无法避免氢-空界面的生成。

通过步骤二、三、四中的分析对比，可以得到初期切入辅助负载电流值越大，越有利于避免电池处于高电位状态，而辅助负载电流值越小，单体电池电压变化越均衡，在辅助负载切除时刻电堆内部的反应气体消耗也越彻底。因此，选择停机时刻单体电池电压维持在高电位状态(0.9V以上)时间较短的辅助负载恒流值(如2A)，作为初期切入辅助负载的电流值。

进一步，质子交换膜燃料电池PEMFC电压均衡性C_v定义为:在某一输出条件下，质子交换膜燃料电池各单片电池电压与平均电压之间的偏离程度，即

其中V_i为单片电池电压，i为电池序号数，为单片电池平均电压，n为自然数。

电压波动率越大，则说明该单片电池偏移电压平均值越大，电压均衡性越差；相反电压波动率越小，单片电压偏移平均值越小，电压均衡性越好。

本发明提供的计及电压均衡性的电堆停机控制策略可以有效缩短电池处于高电位的时间，使停机完成时的单体电池处于较均衡的低电压状态，避免了停机过程中残余气体消耗不均匀的现象，有效的避免了氢-空界面的生成。

附图说明

图1是本发明实施例提供的计及电压均衡性的电堆停机控制策略流程图；

图2a-2c是本发明实施例测试停机过程中辅助负载分别为恒流1A、2A和5A的情况下单体电池电压响应；

图3a-3c是本发明实施例测试停机过程中辅助负载分别为恒流1A、2A和5A的情况下单体电池电压波动率；

图4是本发明实施例三种恒流辅助负载切除时刻的单体电池电压状态；

图5是本发明实施例单体电池电压均衡性变化趋势；

图6是本发明实施例单体电池电压变化趋势；

图7是本发明实施例动态辅助负载切除时刻的单体电池电压状态。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例由75片单体组成14kW的水冷型PEMFC电堆，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的水冷PEMFC空气过量系数控制方法包括以下步骤：

步骤一，停机开始，断开电子负载、切入辅助负载；同时关闭氢气、空气进气电磁阀；

步骤二，检测最低单体电压值是否大于0.2V，若是，则进入步骤三；否则切除辅助负载，结束停机；

步骤三，检测单体间的最大电压差值是否小于30mV，若是，则将辅助负载电流值切为初期切入辅助负载电流值(如2A)，进行步骤二的检测；否则进入步骤四；

步骤四，检测单体间的最大电压差值是否小于50mV，若是，则将辅助负载电流值切换为小于初期切入辅助负载电流值(如1A)，进行步骤二的检测；否则进入步骤五；

步骤五，检测单体间的最大电压差值是否小于150mV，若是，则将辅助负载电流值切换为0.5A，进行步骤二的检测；否则将辅助负载电流值切换为0.1A，进行步骤二的检测。

初期切入辅助负载的电流值，应选择停机时刻单体电池电压维持在高电位状态(0.9V以上)时间较短的辅助负载恒流值(如2A)，作为切入辅助负载的电流值。具体实施方法：

步骤一，测试停机过程中辅助负载分别为恒流1A、2A和5A的情况下(此数值应以实际使用电堆情况进行选择)，测量其单体电池电压响应的变化趋势如图2所示，同时，测量停机过程中不同恒流下单体电池电压波动率随时间的变化关系如图3所示，绘制不同恒流辅助负载切除时刻的单体电池电压状态如图4所示；

步骤二，分析不同恒流下单体电池电压响应的变化趋势图如图2所示，若在停机初期会使电池产生较高的电位、并且持续时间较长的恒流值不适合作为停机负载长期使用。当辅助负载为恒流1A时，在停机时刻单体电池电压快速提升至0.95V以上，并持续了大约20s左右后下降到0.9V以下，整个电堆内单体电池处于高电压状态的时间较长，并未有效缩短电池处于高电位的时间。当辅助负载为恒流2A时的停机过程，在停机时刻单体电池电压提升幅度有所降低，最大值为0.92V左右，较1A辅助负载停机时最高电压有所降低。并且单体电池维持在0.9V以上时持续时间缩减到10s左右。当辅助负载为恒流5A时的停机过程，由于辅助电流保持原输出状态未变，单体电池的电压没有出现电流切换带来的增幅，但是由于有单体电池的电压过快的被拉低至0.2V，整个辅助负载接入过程时间很短，大约为10s；

步骤三，分析不同恒流下单体电池电压波动率随时间的变化关系图如图3所示，对比后可以得到单体电池电压波动率峰值随着辅助负载电流的增大而增大，恶化速度不断加快，并且从停机时刻到C_v峰值出现的时间随着辅助负载电流的增大而不断缩小；

步骤四，分析不同恒流辅助负载切除时刻的单体电池电压状态如图4所示，对比不同恒流下的电压差值，可以看出在2A和5A辅助负载电流下，停机时刻的单体电池电压差值较大，仍有较多的单体电池处于高电压状态，说明此时电池内残余的反应气体剩余量较大，无法避免氢-空界面的生成。1A辅助负载电流下，停机时刻的单体电池电压分布较为均匀，基本都在停机值0.2V左右，但是由于1A辅助负载电流在停机初期会使电池产生较高的电位，并且持续时间较长，所以依然不适合作为停机负载长期使用。

通过步骤二、三、四中的分析对比，可以得到初期切入辅助负载电流值越大，越有利于避免电池处于高电位状态，而辅助负载电流值越小，单体电池电压变化越均衡，在辅助负载切除时刻电堆内部的反应气体消耗也越彻底。因此，选择停机时刻单体电池电压维持在高电位状态(0.9V以上)时间较短的辅助负载恒流值2A，作为初期切入辅助负载的电流值。

综合恒电流辅助负载的停机情况，实施例选定辅助负载电流以2A切入停机状态。从图5可以看出，辅助负载切入时刻，由于负载电流突然出现了一个阶跃减小的动作，电压波动率C_v出现了一个较小的增长，当负载稳定后又逐渐恢复。随着电堆内部残余反应气体的不断消耗，单体电池之间的气体浓度差异逐渐拉大，单体电池的电压波动也逐渐变大。当系统判断最大电压偏差ΔV大于30mV时，辅助负载切换到1A，在维持大约2s后ΔV大于50mV，辅助负载再次切换到0.5A。在这一小段时间内出现两次负载阶跃减小，所以C_v出现了一段小幅波动。当辅助负载以0.5A持续至ΔV大于150mV时，切换为0.2A最小电流状态，并持续至单体电池最小电压低于0.2V时切除。

在整个停机过程中，单体电池电压波动情况都处于较优的状态，C_v最大峰值为65，要明显好于以2A、5A恒定辅助负载停机情况，甚至低于1A恒流辅助负载时的C_v最大值，并且停机过程大约为33s，短于恒定1A时的停机时间。另外在辅助负载切除时刻，C_v仅为15，说明此时PEMFC电堆内单体电池电压处于一个相对均衡的状态，如图6、图7，内部的残余气体消耗程度基本一致，最大电压偏差大约为170mV左右。图7可以更清楚的观察到所有75节单体电池在辅助负载切除时刻的电压状态，总体电压分布比较平稳，基本都处于一个低电压状态，很好的避免了停机过程中残余气体消耗不均匀的现象，有效避免了氢-空界面的生成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种计及电压均衡的PEMFC 电堆停机策略方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，停机开始，切入辅助放电负载；同时关闭氢气、空气进气电磁阀；

步骤二，检测最低单体电压值是否大于0.2 V，若是，则进入步骤三；否则切除辅助放电负

载，结束停机；

步骤三，检测单体间的最大电压差值是否小于30 mV，若是，则将辅助放电负载电流值切换为初期切入辅助负载电流值，进行步骤二的检测；否则进入步骤四；

步骤四，检测单体间的最大电压差值是否小于50 mV，若是，则将辅助放电负载电流值切换

为小于初期切入辅助负载电流值，进行步骤二的检测；否则进入步骤五；

步骤五，检测单体间的最大电压差值是否小于150 mV，若是，则将辅助放电负载电流值切

换为0.5 A，进行步骤二的检测；否则将辅助负载电流值切换为0.1 A，进行步骤二的检测。

2.如权利要求1 所述的计及电压均衡的PEMFC 电堆停机策略方法，其特征在于，选择停机时刻单体电池电压维持在高电位状态时间10s 以内的辅助负载恒流值，作为初期切入辅助负载的电流值。

3.如权利要求2 所述的计及电压均衡的PEMFC 电堆停机策略方法，高电位状态为0.9V以上。