CN105161740A - 采用非线性放电负载的燃料电池停机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

采用非线性放电负载的燃料电池停机控制装置及方法，涉及质子交换膜燃料电池领域，其主旨在于进一步缩短燃料电池系统停机后的电堆放电时间和解决传统外加恒定的放电负载会导致因单电池电压下降速率不一致而引起的单电池反极化现象的发生等问题。其方案是将控制开关、放电负载和燃料电池电堆依次连接成回路，当电堆停机后，将放电负载接入系统对电堆进行放电，放电负载采用非线性放电负载。电堆放电过程中其阻抗值在实时变化，相当于一个动态的放电负载。

Description

采用非线性放电负载的燃料电池停机控制装置及方法

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池停机降压方法及装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应把反应物质的化学能转换成电能的发电装置，因其能量转换效率高、环境友好和启动迅速等一系列优点，在很多领域有着广阔的应用前景。然而，PEMFC的寿命一直是制约其大规模商业化应用的关键因素之一。尤其对于车载燃料电池系统，会频繁的经历各种不同形式的工况，如启停工况等。PEMFC在停机过程中性能的衰减，根本原因是由于残留在阳极侧的氢气所引起的。停机瞬间，燃料电池处于开路状态，阳极侧残留的氢气和阴极侧的空气发生反应，电堆电压为开路电压，而开路电压容易引起催化剂碳载体氧化腐蚀，造成电堆性能衰减和寿命缩短。由此可见，加快消耗PEMFC系统停机后阳极残留的氢气和缩短停机后各单电池维持在开路高电压的时间是延长燃料电池寿命的关键因素。

为了尽量减小PEMFC停机过程中开路高电压对催化剂碳载体的氧化腐蚀作用，大量的文献和专利已经提出了相应的系统停机控制策略，其中目前的系统停机控制策略主要分为两个方面：（1）气体吹扫；（2）利用放电负载消耗残留在电堆内部的气体。气体吹扫是一种非常有效的办法，能缩短氢-空界面存在的时间，但是在质子交换膜燃料电池的实际运行系统中吹扫气体不容易得到。此外气体吹扫虽然能快速消除PEMFC停机过程中阳极存在的氢-空界面，但是燃料电池停机后残留在气体扩散层以及催化层内的气体难以被消除。因此，另外一种有效消耗残留在气体扩散层以及催化层内的气体的方法是利用放电负载。如专利CN200810103881.4，公开了一种燃料电池延长使用寿命的方法，其方法是在燃料电池系统停机后，采用恒定的电阻充当放电负载对电堆进行放电，以快速消除燃料电池堆上的残留电荷，达到延长电池使用寿命的目的。该专利虽然提出了采用放电负载消除电池上的残留电荷的思想，但是并未研究和对比不同类型的放电负载对消除电堆上残留电荷快慢的影响。

此外，由于燃料电池停机后残留在电堆内部各单体电池中的氢气浓度不一样，导致了在使用外加的恒定的放电负载对电堆放电时，电堆内部每一片单体电池电压下降的速率不一致，这样一方面会造成某些片单体电池电压下降过快而导致电池反极现象的发生，对电堆造成破坏；另一方面，在采用恒定的放电负载的情况下，如果为了避免电压下降最快的单体电池出现反极化，在其电压达到系统预设下限阈值时切除放电负载，则会使PEMFC内部仍然残留大量的反应气体，不能较好的减少氢-空界面存在的时间，致使电堆维持在较高开路电压的时间依然比较长，违背了延长燃料电池寿命的初衷。

为解决上述问题，专利CN102437356A公开了一种燃料电池堆停机降压的方法和装置，采用将电池电堆分组然后对每组电池电堆分别进行加载放电负载，从而解决降压不均衡的问题，该方法需要的放电负载需要额外增加，且因每组电池电堆均需放电负载，放电负载使用数量大，且其控制电路复杂，成本较高。

所以针对上述存在的问题，寻找一种可靠和实用的燃料电池系统停机控制策略成为亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池停机降压方法及装置，旨在进一步缩短燃料电池系统停机后的电堆放电时间和解决传统外加恒定的放电负载会导致因单电池电压下降速率不一致而引起的单电池反极化现象发生和电堆散热等问题，从而延长电堆寿命和减缓电堆性能的衰减。本发明提供了一种简化放电负载结构且适用性强的质子交换膜燃料电池停机降压方法及装置。

本发明为了实现上述目的采用以下技术方案：

本申请提供了一种采用非线性放电负载的燃料电池停机控制方法，将控制开关、放电负载和燃料电池电堆依次连接成回路，当电堆停机后，将放电负载接入系统对电堆进行放电,其特征在于，放电负载采用非线性放电负载。

上述计算方案中，所述的一种采用非线性放电负载的燃料电池停机控制方法，所述的非线性放电负载为非线性感性负载、非线性容性负载，或非线性感性负载、非线性容性负载中一种或两种与阻性负载的组合。

本申请还提供了一种采用非线性放电负载的燃料电池停机控制装置，包括控制开关、放电负载，放电负载通过控制开关接入燃料电池电堆，当电堆停机后，将放电负载接入系统对电堆进行放电,其特征在于，放电负载采用非线性放电负载。

上述技术方案中所述的一种采用非线性放电负载的燃料电池停机控制装置，所述的非线性放电负载为非线性感性负载、非线性容性负载，或非线性感性负载、非线性容性负载中一种或两种与阻性负载的组合。

在燃料电池系统停机后，关闭阳极进气阀和排气阀，同时将控制开关闭合以接入非线性放电负载（风扇）对燃料电池进行放电，在此过程中风扇运转，它一方面对电堆进行降温，另一方面可以提供空气流量，从而可以加速电堆中残留氢气的消耗。当电堆中残留电压下降到某个电压阈值时，风扇停止运转，自动断开风扇和电堆的连接。

本发明因为采用了上述技术方案，因此具有以下有益效果：

一、本申请采用非线性感性负载作为放电负载，而非线性感性负载其电感随电流大小变化而变化，根据公式：，当电流发生变化时，其电感也变化，而感性负载的阻抗关系式：，其中为电阻，为电感，因此感性负载其阻抗为一个变化的阻抗，其作用就相当于一个动态的放电负载。

由于电堆停机后残留在各个单体电池中的氢气浓度不一样，会造成某些片单电池电压下降速率要快，如果使用恒定的放电负载对电堆放电，可能会出现某些片单电池电压迅速下降至负压，这会造成单电池反极化现象的发生，它严重影响电堆的寿命和性能；但是如果使用非线性感性负载作为放电负载，由于电堆放电过程中非线性感性负载的两端电流实时的变化，那么其阻抗值也在实时变化，这相当于一个动态的放电负载。而动态的放电负载和恒定的放电负载相比，其能自动实时的调整从电堆中抽取的电能大小，这样一方面会缩短电堆的放电时间，另外一方面也能防止单电池反极化现象的发生，还可以使电堆放电过程中电堆内部各单体电池电压下降保持一定的电压均衡性，这也有利于延长电堆寿命。

二、本发明可将燃料电池系统中的辅助系统设备——风扇（风扇为非线性感性负载），充当放电负载，这样不需要增加额外的放电负载，节省了系统部件，简化了系统结构，操作更加方便。

三、燃料电池系统运行在大负载电流下直接停机，其电堆温度会超过PEMFC空载条件下的最佳工作温度，过高的电堆温度会加速质子交换膜的降解，因此，若燃料电池系统停机后使用系统辅助设备风扇(非线性感性负载)充当放电负载，电堆残留的电压在一定时间和电压范围内能驱动电堆风扇继续运转，它不仅能加快电堆内部残留氢气的消耗速度，还能对电堆散热以减缓质子交换膜的降解。

四、传统的放电负载采用恒定的电阻，如专利CN102437356A。采用恒定的电阻作为放电负载，在放电过程中主要是将残余电能转换为热能。为了缩短停机初期电堆维持在开路高电压的时间，需要采用阻值较小的电阻，但是如果电阻值过小，电堆在放电过程中就会造成电堆温度急剧上升，加速质子交换膜的降解；同时为了防止电堆放电过程某些单体电池电压下降过快而引起的单电池反极化现象的发生，常设置一个防止单电池反极化的单体电池阈值保护电压，当停机电阻设置过小时，电堆放电过程中可能会出现某些片单电池的电压过快的被拉低至时，系统控制装置就会立即切断放电负载，整个放电负载接入系统的时间很短，这可能会造成电堆内部仍有较多的单体电池的电压处于开路高电压状态，电堆内部还残留较多的氢气，这会导致电堆放电时间比较长，严重影响电堆的寿命和性能。但是如果采用阻值较大的电阻，虽然能够解决发热问题同时也能是单体电池电压下降较为均衡，但是会造成燃料电池停机后初期维持在开路高电压的时间比较长，放电效率大大降低，会缩短电堆寿命。而本申请采用非线性感性负载，其可以将电能转换为磁场能储存起来，避免了发热问题，同时如果采用燃料电池系统的辅助设备风扇来作为放电负载，那么其就将残余的电能同时转换为机械能、磁场能、热能等，很好的解决了发热的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的是质子交换膜燃料电池实际系统结构图。

图中：1-储氢罐，2-减压阀，3-稳压球阀，4-氢气进气电磁阀，5-控制开关，6-放电负载，7-阳极排气阀。

图2是本发明实施例中直接停机后电堆中各单电池电压曲线。

图3是本发明实施例中采用外加恒阻R=1Ω（线性放电负载）对电堆进行放电后，电堆中各单体电池电压曲线。

图4是本发明实施例中燃料电池停机后利用系统中的辅助设备风扇——非线性感性负载充当放电负载对电堆进行放电后，电堆中各单体电池电压曲线。

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，对本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。

实施例一

通过实验研究对比直接停机、采用外加的恒阻R=1Ω（线性放电负载）和采用辅助系统设备风扇（非线性放电负载）对电堆进行放电这三种不同的停机方式对电堆放电时间的影响。

（1）直接停机

停机操作过程如下：

切断负载的瞬间，同时关闭氢气进气阀、排气阀和风扇。附图2是在15A的运行负载电流下，PEMFC直接停机后的单电池电压曲线。从附图2中可以看出燃料电池停机后，电堆维持在开路高电压的时间长达40min～45min，而开路高电压容易引起催化剂碳载体氧化腐蚀，造成电堆性能衰减和寿命缩短。直接停机过程中，电堆维持在开路电压的时间过长，这主要是由于电堆停机后残留在阳极侧的氢气所引起的。因此，PEMFC停机后迅速消耗掉残留在阳极侧的氢气对于缩短电堆维持在开路高电压的时间尤为重要。

(2)外加恒定的电阻（线性放电负载）对电堆进行放电

停机的具体过程如下：

S1、打开主辅助电路开关以断开主负载的连接；

S2、关闭氢气进气电磁阀、排气电磁阀以及风扇；

S3、合上控制开关，以连接电阻R（线性放电负载）对电堆进行放电；

S4、当电堆内部电压下降最快的那一片单体电池电压低于预设阈值电压时，断开放电控制电路。

（3）采用辅助系统设备风扇（非线性放电负载）对电堆放电

停机的具体过程如下：

S1、打开主辅助电路开关以断开主负载的连接；

S2、关闭氢气进气电磁阀、排气电磁阀以及风扇；

S3、接通控制开关，将辅助系统设备风扇（非线性放电负载）接入；

S4、当电堆电压低于使风扇运转的最低电压时，系统会自动断开放电控制电路。

对比附图2、附图3和附图4可以明显发现，无论是采用外加的恒定的电阻R（线性放电负载）还是采用系统辅助设备风扇（非线性放电负载）都能明显的缩短燃料电池系统停机后电堆的放电时间，这必然可以减缓催化剂碳载体的氧化腐蚀从而延长电堆寿命，但是对比附图3和附图4可以发现，采用系统辅助设备风扇充当放电负载，不仅更能缩短燃料电池系统停机后电堆放电时间，还能防止单电池反极化现象的发生，这表明采用非线性放电负载（风扇）更佳。

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 (4)

1.一种采用非线性放电负载的燃料电池停机控制方法，将控制开关、放电负载和燃料电池电堆依次连接成回路，当电堆停机后，将放电负载接入系统对电堆进行放电,其特征在于，放电负载采用非线性放电负载。

2.根据权利要求1所述的一种采用非线性放电负载的燃料电池停机控制方法，其特征在于，非线性放电负载为非线性感性负载、非线性容性负载，或非线性感性负载、非线性容性负载中一种或两种与阻性负载的组合。

3.一种采用非线性放电负载的燃料电池停机控制装置，包括控制开关、放电负载，放电负载通过控制开关接入燃料电池电堆，当电堆停机后，将放电负载接入系统对电堆进行放电,其特征在于，放电负载采用非线性放电负载。

4.根据权利要求3所述的一种采用非线性放电负载的燃料电池停机控制装置，其特征在于，非线性放电负载为非线性感性负载、非线性容性负载，或非线性感性负载、非线性容性负载中一种或两种与阻性负载的组合。