CN105336969B - 燃料电池系统及其停机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，其特征在于，包括：阳极，其进气端设有第一进气阀且其排气端设有第一排气阀；阴极，其进气端设有第二进气阀且其排气端设有第二排气阀及氧气浓度传感器；以及电连接所述阴极与所述阳极的辅助电路，其用于调节放电阻值。其通过在燃料电池阴阳极两侧连接能够实时调节放电阻值的辅助电路，来控制燃料电池系统停机时的放电速率，从而不断消耗阴极侧的残留氧气，以最大程度地实现阴极富氮环境；放电阻值可根据残留氧气浓度来调节，以防止阴极浓差极化过大而导致放电不均匀和局部欠气，因此可有效提高燃料电池的使用寿命。

Description

燃料电池系统及其停机控制方法

技术领域

本发明涉及一燃料电池系统及其停机控制方法，特别地，本发明涉及一种能够保持燃料电池阴极腔富氮的燃料电池系统及其停机控制方法。

背景技术

在现有技术中，燃料电池是一种直接把化学能转化为电能的装置。车载燃料电池一般均为质子交换膜燃料电池（PEMFC），其主要以氢气作为燃料，空气作为氧化剂。车载燃料电池系统通常包括由多片单体电池串联构成的电堆的燃料电池，因此燃料电池既具有所有单体电池串联形成的电堆的总电压，又存在各个单体电池的电压。基于现有的设计，燃料电池的阴极腔的流路没有封闭，当运行停止时，阴极腔内在放电过程中短时间内形成缺氧富氮状态，外界空气中的氧气会很容易通过浓差扩散进入阴极腔，最终使阴极腔内的气体与常规空气组分相同，此时阴极腔内仍存在较多氧气，无法形成富氮状态。同时，在停机放置过程中，随着燃料电池的阳极腔内保留的氢气被消耗，外界的空气会自然渗透进入阳极腔内，空气中的氧气与阳极腔内剩余的氢气在催化剂表面产生氢氧界面。当阳极催化剂表面存在氢氧界面、而阴极催化剂表面存在氧气时，会导致催化剂产生局部高电位（例如，高达1.443V），并在各电极单侧产生逆向电流，从而导致阴极催化层碳载体发生氧化反应并使碳载体腐蚀降解，这会导致阴极催化剂流失或团聚现象加剧，活性降低，最终表观为燃料电池性能衰减。长此以往，必然会严重影响到燃料电池系统的使用寿命。

另一方面，燃料电池系统的阳极腔一般是封闭的，当燃料电池系统停机放电后，阳极腔内的氢气被消耗掉，会产生零压，甚至是负压，此过程中空气会渗入阳极腔内，还会对系统带来下述不利的影响：其一，阴极腔的水会因为负压的存在而进入阳极侧，长此以往会造成催化剂层与膜的结合度变弱，产生所谓的“剥离”现象。其二，在开机启动时，随着阳极侧管路阀开启，进入燃料电池阳极腔的氢气会与阳极腔内的空气在催化剂表面再次形成氢氧界面。这两个过程同样会影响燃料电池的寿命，由于氢氧混合也可能会存在安全性问题。为了避免以上的情况发生，在现有技术中，一般在停机后人工往阳极腔通入氮气，使氢腔保持一定的压力。然而，在车用条件下，额外纯净的氮气并不容易获得，这是因为车载有限的空间不允许增加一个用于保持氢腔压力的氮气供应装置，同时该装置的存在使得设备的维护变得更加复杂。

现有技术中，存在一种在停机前对燃料电池中的氧气进行消耗的办法，其依据电压的变化来判定是否放电结束。然而，根据燃料电池工作原理，燃料电池的阴极侧是通过空气压缩机供给空气作为反应的氧化剂，阴极侧的氧气浓度对燃料电池的性能有很大的影响。只有保证燃料电池阴极腔内氧气一定的压力和浓度并保证燃料电池内各单节的氧气均匀分配，才能保证燃料电池的性能稳定。

在其他条件恒定不变的情况下，燃料电池阴极腔内的氧气浓度影响了燃料电池的输出电压。但是，氧气浓度并不等同于输出电压。由于氧气浓度对燃料电池的性能有很大影响，当氧气浓度低到一定程度时，燃料电池阴极侧的浓差极化会增大，而表现在燃料电池输出电压上的就是电压急剧下降。也就说当燃料电池的输出电压为0或接近于0时，并不能说明燃料电池阴极腔的氧含量为0或者接近于0，而只能说明氧气的浓度较低。因此，现有技术中的这种停机控制方法也无法切实有效地解决上述问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种燃料电池系统及其停机控制方法，实现燃料电池阴极腔内富氮（耗尽氧气，使其含量尽量降低），避免阳极侧电极表面产生氢氧界面现象对阴极催化剂碳载体的腐蚀和阳极负压导致催化层液态水含量多等问题，使得燃料电池寿命得以提高。

根据本发明的第一个方面，提供一种燃料电池系统，其包括：阳极，其进气端设有第一进气阀且其排气端设有第一排气阀；阴极，其进气端设有第二进气阀且其排气端设有第二排气阀及氧气浓度传感器；用于检测所述燃料电池中的各个单体电池的电压及总电压的电压传感器；以及电连接所述阴极与所述阳极的辅助电路，其用于调节放电阻值。

可选地，所述辅助电路用于根据所述氧气浓度传感器检测到的氧气浓度及所述电压传感器检测到的电压值来调节放电阻值。

可选地，所述辅助电路上串联设有控制开关、可调电阻及晶体二极管，所述控制开关和/或所述晶体二极管用于控制所述辅助电路的通断。

可选地，所述辅助电路的晶体二极管具有最低导通电压V_stack，所述最低导通电压V_stack的值与所述燃料电池系统的燃料电池中单体电池的片数N构成如下函数：V_stack=0.2•N。

可选地，所述可调电阻能够根据氧气浓度传感器检测到的氧气浓度来调节所述放电阻值。

根据本发明的另一个方面，还提供一种燃料电池系统停机控制方法，其包括如下步骤：

步骤一，收到停机指令；

步骤二，停止向燃料电池的阴极供应空气，但保持向所述燃料电池的阳极供应氢气；同时接通辅助电路，将其放电阻值设定为初始值R₀；

步骤三，设于所述燃料电池的阴极的排气端的氧气浓度传感器检测所述所述燃料电池的阴极的排气端的氧气浓度Q，设于所述燃料电池上的电压传感器检测所述燃料电池中的各个单体电池的电压及总电压：当所述氧气浓度Q小于第一浓度阈值Q₁且所述燃料电池的单体电池中所具有的最低的电压V大于第一电压阈值V₁时，将所述放电阻值调整为R₁；

步骤四，当所述氧气浓度值Q小于第二浓度阈值Q₂且当所述燃料电池的总电压V_total小于最低导通电压V_stack时，断开辅助电路；

步骤五，停止向燃料电池的阳极供应氢气，并保持所述燃料电池的阴极和阳极的完全封闭。

可选地，所述步骤二包括，关闭设于阴极的进气端的第二进气阀及设于阴极的排气端的第二排气阀；且保持打开设于阳极的进气端的第一进气阀及设于阳极的排气端的第一排气阀。

可选地，所述步骤五包括，关闭设于阳极的进气端的第一进气阀及设于阳极的排气端的第一排气阀。

使用本发明的燃料电池系统及其停机控制方法，使阴极腔内的氧气被快速消耗，形成阴极腔内的富氮状态，最大程度减少和缓解了当阳极催化剂表面存在氢氧界面时阴极内存在氧气对阴极催化剂载体产生的腐蚀，从而提高了电池的寿命；与此同时，使阳极腔内也氢气不会因阴极侧有氧气存在产生消耗，造成氢腔形成负压导致的液态水由于压力梯度而从阴极侧透过膜至阳极侧累积，从而避免了“剥离”现象产生，进一步地提高了电池的寿命。

附图说明

图1是本发明的燃料电池系统的示意图；

图2是本发明的燃料电池系统停机控制方法的一个实施例的流程图；以及

图3是本发明提供的电阻放电阻值实时调节所对应的曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的燃料电池系统包括阳极1、阴极2。其中，阳极1进气端连接氢气源3及第一进气阀4，而阳极1的排气端连接第一排气阀7；阴极2进气端连接空气压缩机5及第二进气阀6，而阴极2的排气端连接第二排气阀8。同时，阴极1的排气端还设有能够检测氧气浓度的氧气浓度传感器9，氧气浓度传感器9将检测到的数据传输给可调电阻控制器10；以及用于检测所述燃料电池中的各个单体电池的电压及总电压的电压传感器（图中未示出），其也将检测到的电压数据传输给可调电阻控制器10；可调电阻控制器10可以据此两者来调节可调电阻12的阻值。其中，可对数据进行实时检测或间断检测。发明的燃料电池系统还包括辅助电路，其上设有能够调节放电阻值的可调电阻12、能够控制辅助电路通断的控制开关11以及通过导通电压来控制辅助电路导通的晶体二极管13。当需要停止氢气供应时，通过关闭第一进气阀4和第一排气阀7即可实现；当需要停止空气供应时，通过关闭第二进气阀6和第二排气阀8即可实现。另外，由于本实施例中还设有空气压缩机来辅助供应空气，因此，在停止供应空气时，优选地应关闭空气压缩机5。辅助电路的通断则一方面由控制开关11控制，另一方面也受到晶体二极管13的影响。因为，当燃料电池的总电压低于最小导通电压时，晶体二极管13可以断开辅助电路的连接。在本实施例中，晶体二极管13的最小导通电压为0.2•N（N为燃料电池的电堆的单体电池的片数）。该燃料电池系统能够通过调节辅助电路中接通的阻值大小来控制燃料电池系统在停机后的放电消耗，尽快时停机的燃料电池系统的阴极中处于富氮状态，避免停机后对燃料电池系统的腐蚀现象的发生，从而提高燃料电池系统的使用寿命。

如图2所示，本发明的燃料电池系统停机控制方法的一个实施例包括如下步骤：

步骤一，收到停机指令。

步骤二，停止向燃料电池的阴极供应空气，但保持向所述燃料电池的阳极供应氢气；同时接通辅助电路，将其放电阻值设定为初始值R₀；此时，第二进气阀6、第二排气阀8及空气压缩机5被关闭，外界的氧气（即空气）不再进入阴极2，而燃料电池的阳极1内的氢气会与阴极2中剩余的氧气继续发生电化学反应，使无法得到补充的氧气持续消耗，来为阴极2创造低氧富氮环境。其中，为了使该电化学反应过程更为迅速地发生，将保持向阳极1供应氢气，即保持第一进气阀4及第一排气阀7的开启。同时，闭合控制开关11，即导通辅助电路，将可调电阻12的初始阻止设为R₀，保持燃料电池一定程度的放电，使燃料电池内剩余的氧气通过可调电阻12来与阳极1内的氢气发生反应而消耗。

步骤三，设于所述燃料电池的阴极的排气端的氧气浓度传感器检测所述所述燃料电池的阴极的排气端的氧气浓度Q，当所述氧气浓度Q小于第一浓度阈值Q₁且所述燃料电池的单体电池中所具有的最低的电压V大于第一电压阈值V₁时，将所述放电阻值调整为R₁；由于浓差极化会导致燃料电池的电压下降，若一直采用固定大小的电阻来作为放电电阻，则会导致燃料电池阴极内的氧气消耗不彻底，对燃料电池安全停机效果产生影响，从而引起燃料电池的衰减。所以，当阴极2的排气端的氧气浓度传感器9检测到阴极排气的氧气浓度Q小于第一浓度阈值Q₁，且燃料电池的单体电池中所具有的最低的电压V大于第一电压阈值V₁，通过可调电阻控制器10将可调电阻12的放电阻值调整为R₁。在辅助电路的作用下，使燃料电池内的氧气继续保持消耗。值得注意的是，虽然此处参数的具体数值会随着电池容量大小等变量而发生变化，但这几者之间的关系均如本发明所述这般（几者的相对关系在如图3所示的部分会有对应描述）。

步骤四，当所述氧气浓度Q小于第二浓度阈值Q₂且当所述燃料电池的总电压V_total小于最低导通电压V_stack，断开辅助电路；此时，则燃料电池的阴极中的氧气确实已被消耗至最低程度，由于燃料电池的总电压V_total小于最低导通电压V_stack，因此晶体二极管无法保持导通，从而使辅助电路停止工作。

步骤五，停止向燃料电池的阳极供应氢气，并保持所述燃料电池的阴极和阳极的完全封闭。此时，即需要关闭氢气源3、第一进气阀4及第一排气阀7，以停止氢气供应并保持燃料电池系统的阳极1的完全封闭。同时，由于之前的操作步骤，燃料电池系统的阴极2也处于完全封闭状态。整个停机过程结束。

通过采用上述实施例中的停机方法，使得在正式停机前，实现了阴极富含氮气，阳极保留氢气的状态，从而避免了下述问题发生：即在停机放置过程中，由于阳极催化剂表面存在氢氧界面、而阴极催化剂表面有氧气存在时，导致催化剂局部高电位（1.443V），并在各电极单侧产生逆向电流，产生阴极催化层碳载体氧化反应而导致碳载体腐蚀降解，导致阴极催化剂流失或团聚现象加剧，活性降低，表观为燃料电池性能衰减，并且很可能会存在在下次启动时阻碍电池工作及因低温结冰等问题，从而本实施例的方案有效延长了燃料电池的使用寿命和提高了燃料电池系统的可靠性。

此外，与现有技术中部分通过检测电压来判定结束放电过程的停机控制方法相比，本发明的停机控制方法利用阴极内的氧气浓度作为判据明显带来更好的技术效果。事实上，当燃料电池输出电压降到0时，并不能说明阴极腔内的氧气浓度为0。此时燃料电池本身仍具备发电能力，只是其发出的电不足以克服电池本体的电压损耗，因此表现出的输出电压为0。换言之，燃料电池的电动势并不为0，而是输出电压为0。通过电压检测作为结束放电的判定依据最多只能进行到此种地步。而使用阴极内的氧气浓度作为判据，则在此情况下仍可继续对燃料电池进行放电，如此能够更加充分地消耗阴极内的氧气。这是使用电压作为判据所无法优化或逾越的。

如图3所示，本发明还给出了氧气浓度传感器9检测的氧气浓度值与可调电阻12的设定值之间的关系曲线。本发明中的可调电阻控制器10可以根据图3中的曲线图的示意来调整放电电阻的大小，以实现最大程度地消耗阴极2内的残留氧气。当燃料电池系统停机后，阴极腔内的氧气浓度初始值为Q₀，此时设定放电电阻大小为R₀，通过放电电路的导通消耗阴极腔体内的残留氧气；当所述氧气浓度Q小于第一浓度阈值Q₁且所述燃料电池的单体电池中所具有的最低的电压V大于第一电压阈值V₁时，将所述放电阻值调整为R，在辅助电路的作用下，使燃料电池内的氧气继续保持消耗，及氧气浓度与被检测到的输出电压会继续下降；当所述氧气浓度值Q小于第二浓度阈值Q₂且当所述燃料电池的总电压V_total小于最低导通电压V_stack时，断开辅助电路，此时放电电阻为0。其中，值得注意的是，在一定程度内，当氧气浓度下降时，电压也会下降，但其并非为一一对应关系，最终还需判定这两者均满足相应条件后方能停机。

如上根据附图对本发明的具体实施方式进行了详细的描述。所属领域的技术人员根据上述说明可以对实施方式中具体的特征进行等同的改型或变型，毫无疑问，这些改变的实施方式也将落入权利要求书所覆盖的保护范围内。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：阳极，其进气端设有第一进气阀且其排气端设有第一排气阀；阴极，其进气端设有第二进气阀且其排气端设有第二排气阀及氧气浓度传感器；用于检测所述燃料电池中的各个单体电池的电压及总电压的电压传感器；以及电连接所述阴极与所述阳极的辅助电路，其用于调节放电阻值；所述辅助电路用于根据所述氧气浓度传感器检测到的氧气浓度及所述电压传感器检测到的电压值来调节放电阻值。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述辅助电路上串联设有控制开关、可调电阻及晶体二极管，所述控制开关和/或所述晶体二极管用于控制所述辅助电路的通断。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述辅助电路的晶体二极管具有最低导通电压V_stack，所述最低导通电压V_stack的值与所述燃料电池系统的燃料电池中单体电池的片数N构成如下函数：V_stack=0.2•N。

4.一种燃料电池系统停机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，收到停机指令；

步骤二，停止向燃料电池的阴极供应空气，但保持向所述燃料电池的阳极供应氢气；同时接通辅助电路，将其放电阻值设定为初始值R₀；

步骤三，设于所述燃料电池的阴极的排气端的氧气浓度传感器检测所述燃料电池的阴极的排气端的氧气浓度Q，设于所述燃料电池上的电压传感器检测所述燃料电池中的各个单体电池的电压及总电压：当所述氧气浓度Q小于第一浓度阈值Q₁且所述燃料电池的单体电池中所具有的最低的电压V大于第一电压阈值V₁时，将所述放电阻值调整为R₁；

步骤四，当所述氧气浓度值Q小于第二浓度阈值Q₂且当所述燃料电池的总电压V_total小于辅助电路上的晶体二极管的最低导通电压V_stack时，断开辅助电路；

步骤五，停止向燃料电池的阳极供应氢气，并保持所述燃料电池的阴极和阳极的完全封闭。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统停机控制方法，其特征在于，所述步骤二包括，关闭设于阴极的进气端的第二进气阀及设于阴极的排气端的第二排气阀；且保持打开设于阳极的进气端的第一进气阀及设于阳极的排气端的第一排气阀。

6.根据权利要求4所述的燃料电池系统停机控制方法，其特征在于，所述步骤五包括，关闭设于阳极的进气端的第一进气阀及设于阳极的排气端的第一排气阀。