CN108039504A - 一种质子交换膜燃料电池停机控制系统及方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池停机控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种质子交换膜燃料电池停机方法。停机步骤如下：（1）保持燃料电池堆的阳极侧氢气供应充足，保持燃料电池堆的阴极侧空气供应充足；（2）停止所述阳极侧的氢气供应；（3）利用辅助负载放电消耗所述燃料电池堆内的氢气，直至所述燃料电池堆内的氢气消耗完全并且在所述燃料电池堆内形成负压；（4）利用所述负压使得所述空气以及所述氢气管路中残余的氢气能够一起经所述进气口进入所述燃料电池对内部反应完全，并且使得所述空气和所述排气管路中残余的氢气能够一起经所述排气口进入所述燃料电池反应堆内部反应完全；（5）完成停机。有效防止管路内残留氢气扩散到阳极腔内与渗入的空气接触反应，延长燃料电池寿命。

Description

一种质子交换膜燃料电池停机控制系统及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种质子交换膜燃料电池停机方法。
背景技术
根据电解质和结构不同，燃料电池分为碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、金属空气燃料电池和质子交换膜燃料电池，其中质子交换膜燃料电池由于具有可常温下快速启动、功率密度高、工作温度低、无废气排放等优点，目前对质子交换膜燃料电池的研究日益深入，但其商业化仍然存在技术瓶颈问题，如何提高质子交换膜燃料电池寿命是关键问题之一。影响燃料电池的寿命因素很多，其中关机后燃料电池堆中的残余氢气与渗入的空气接触反应是因素之一。
授权公告号CN103259031B，授权公告日2015.9月30日的发明专利公开了一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法。其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。能够减少燃料电池停机的时间消耗。但是，未解决关机后燃料电池堆以及管路中残余的氢气影响电池寿命的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种质子交换膜燃料电池停机方法，采用阴极侧空气供应充足，停止氢气供应，然后利用辅助负载放电消耗燃料电池堆内的氢气，待氢气消耗完全，电堆内部形成负压，利用负压使燃料电池堆进气口前端和排气口后端同时进入空气，利用空气消耗管路内残余氢气，防止质子交换膜燃料电池在待机状态下，管路残余氢气缓慢扩散到膜电极，与渗入的空气接触反应，对催化剂造成损伤。
本发明解决其技术问题所采用如下技术方案：
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池停机控制系统，其特征在于，包括：
第一控制阀，安装在氢气管路的进气阀和进气口之间；
第二控制阀，安装在排气管路的排气口和排气阀之间；
所述第一控制阀，在燃料电池堆停机之前，使得所述进气口与所述进气阀相通；
所述第二控制阀，在燃料电池堆停机之前，使得所述排气口与所述排气阀相通；
所述第一控制阀和所述第二控制阀，在所述燃料电池堆停机并且所述燃料电池堆内形成负压以后，同时将所述进气口和所述排气口与空气相通，使得所述空气以及所述氢气管路中残余的氢气能够一起经所述进气口进入所述燃料电池对内部反应完全，并且使得所述空气和所述排气管路中残余的氢气能够一起经所述排气口进入所述燃料电池反应堆内部反应完全。
作为优选，所述第一控制阀和所述第二控制阀为三通阀；
所述第一控制阀的第一通路使得所述进气口和所述进气阀相通，所述第一控制阀的第二通路使得所述进气口与空气相通；
所述第二控制阀的第一通路使得所述排气口和所述排气阀相通，所述第二控制阀的第二通路使得所述排气口与空气相通。
本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池停机控制方法，其特征在于，包括步骤：
（1）保持燃料电池堆的阳极侧氢气供应充足，保持燃料电池堆的阴极侧空气供应充足；
（2）停止所述阳极侧的氢气供应；
（3）利用辅助负载放电消耗所述燃料电池堆内的氢气，直至所述燃料电池堆内的氢气消耗完全并且在所述燃料电池堆内形成负压；
（4）利用所述负压使所述燃料电池堆的氢气管路和排气管路同时进入空气以消耗所述氢气管路和所述排气管路和所述燃料电池反应堆内残余的氢气；
（5）完成停机。
进一步的， 所述步骤（1）中：所述保持燃料电池堆的阳极侧氢气供应充足，将所述进气口前端和所述排气口后端的两通阀分别与所述氢气管路和所述排气管路相通。
进一步的，所述步骤（1）中：所述保持燃料电池堆的阴极侧空气供应充足，是指保持所述燃料电池堆阴极侧的风机开启。
进一步的，所述步骤（4）还包括，停止所述风机。
进一步的，所述步骤（2）中：所述停止所述阳极侧的氢气供应，是指关闭同时进气阀和排气阀；所述进气阀设置在氢气进气口处，所述排气阀设置在氢气排气口处。
进一步的，所述步骤（3）中：所述辅助负载的放电电流范围为50mA/cm2-150mA/cm2。
进一步的，所述步骤（4）中：将所述进气口前端和所述气排气口后端的两通阀与空气相通，使得所述氢气管路和所述排气管路进入空气。
进一步的，所述步骤（5）包括关闭所述风机。
附图说明
附图1是本发明质子交换膜燃料电池的结构示意图。
附图2是采用本发明技术方案，停机过程及停机后用氮气吹扫过程中电压随时间变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都收到专利法的保护。
实施例一
如图1所示为一个400W质子交换膜燃料电池的结构示意图，包括燃料电池堆3，供应空气的风机6，在燃料电池堆的氢气管路31上设有进气电磁阀1。在燃料电池堆3的进气口311和进气电磁阀1之间设有第一三通电磁阀2。第一三通电磁阀2的第一通孔与进气口311连接，第一三通电磁阀2的第二通孔与进气电磁阀1连接，第一三通电磁阀2的第三通孔与空气相通（例如可以直接通向外部空气）。第一三通电磁阀2包括两条通路，第一通路连通第一通孔和第二通孔，第二通路连通第一通孔和第三通孔，通过其通电和断电来实现通路的切换。例如本实施例中，第一三通电磁阀2处于通电状态时，其第一通路有效。第一通路使得进气口311与进气阀1相通；第一电磁阀2处于断电状态时，其第二通路有效。第二通路使得进气口311直接与空气相通。燃料电池堆3的排气管道32上设有排气电磁阀5。在燃料电池堆3的排气口321和排气电磁阀5之间设有第二三通电磁阀4。
第二三通电磁阀4的第一通孔与排气口321连接，第二三通电磁阀4的第二通孔与排气电磁阀5连接，第二三通电磁阀4的第三通孔与空气相通（例如可以直接通向外部空气）。第二三通电磁阀4包括两条通路，第一通路连通第一通孔和第二通孔，第二通路连通第一通孔和第三通孔，通过其通电和断电来实现通路的切换。第二三通电磁阀4处于通电状态时，其第一通路有效。第一通路使得排气口321与排气阀5相通；第二三通电磁阀4处于断电状态时，其第二通路有效。第二通路使得排气管路32与空气相通。
基于上述质子交换膜燃料电池的停机方法，具体过程如下：
步骤（1），在停机之前、燃料电池正常运行时，第一三通电磁阀2和第二三通电磁阀4处于通电状态，使得进气口311与连接有氢气源的进气电磁阀1相通、排气口321与排气电磁阀5相通，保证燃料电池对阳极侧氢气供应充足。
步骤（2），同时关闭进气电磁阀1和排气电磁阀5，使得氢气源的中的氢气无法经进气电磁阀1进入氢气管路，停止氢气的供应。
步骤（3），启动辅助负载放电消耗燃料电池堆中的氢气。其中，辅助负载的放电电流为50 mA/cm2-150 mA/cm2（本实施例中以50 mA/cm2为例进行描述），直至燃料电池堆内氢气耗尽并且燃料电池堆内部为负压。
步骤（4）同时关闭第一三通电磁阀2和第二三通电磁阀4的电源。这样进气口311通过第一三通电磁阀2直接与外部空气相同；同时，排气口321也通过第二三通电磁阀4直接与外部空气相通。由于与氢气管路31和排气管路32相通的燃料电池堆内为负压。使得外部空气被挤压，分别经位于进气口311前端的第一三通电磁阀2和位于排气口321后端的第二三通电磁阀4进入到氢气管路和排气管路。空气以及氢气管路中残余的氢气一起经进气口311进入燃料电池堆3的内部反应完全，并且使得空气和排气管路32中残余的氢气能够一起经排气口321进入燃料电池反应堆内部3反应完全
步骤（5）完成停机。停止电池的所有工作（例如停止风机），完成停机。
另外， 停止风机的操作也可以在步骤（4）中与两个三通电磁阀的操作同时进行。
为了验证本停机方法的效果，采用氮气从进气电磁阀1的位置处吹扫燃料电池堆，经检测，燃料电池堆没有电压。说明此时管路和燃料电池堆内部没有残留氢气。具体的，停机过程及停机后用氮气吹扫过程中电压随时间变化如图2所示。
采用本发明的技术方案能防止质子交换膜燃料电池在待机状态下，管路残余氢气缓慢扩散到膜电极，与渗入的空气接触反应，对催化剂造成损伤，延长燃料电池堆的寿命。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池停机控制系统，其特征在于，包括：
第一控制阀，安装在氢气管路的进气阀和进气口之间；
第二控制阀，安装在排气管路的排气口和排气阀之间；
所述第一控制阀，在燃料电池堆停机之前，使得所述进气口与所述进气阀相通；
所述第二控制阀，在燃料电池堆停机之前，使得所述排气口与所述排气阀相通；
所述第一控制阀和所述第二控制阀，在所述燃料电池堆停机并且所述燃料电池堆内形成负压以后，同时将所述进气口和所述排气口与空气相通，使得所述空气以及所述氢气管路中残余的氢气能够一起经所述进气口进入所述燃料电池堆内部反应完全，并且使得所述空气和所述排气管路中残余的氢气能够一起经所述排气口进入所述燃料电池反应堆内部反应完全。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池停机控制系统，其特征在于：
所述第一控制阀和所述第二控制阀为三通阀；
所述第一控制阀的第一通路使得所述进气口和所述进气阀相通，所述第一控制阀的第二通路使得所述进气口与空气相通；
所述第二控制阀的第一通路使得所述排气口和所述排气阀相通，所述第二控制阀的第二通路使得所述排气口与空气相通。
3.一种质子交换膜燃料电池停机控制方法，其特征在于，包括步骤：
（1）保持燃料电池堆的阳极侧氢气供应充足，保持燃料电池堆的阴极侧空气供应充足；
（2）停止所述阳极侧的氢气供应；
（3）利用辅助负载放电消耗所述燃料电池堆内的氢气，直至所述燃料电池堆内的氢气消耗完全并且在所述燃料电池堆内形成负压；
（4）利用所述负压使所述燃料电池堆的氢气管路和排气管路同时进入空气以消耗所述氢气管路和所述排气管路和所述燃料电池反应堆内残余的氢气；
（5）完成停机。
4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池停机方法，其特征在于，所述步骤（1）中：
所述保持燃料电池堆的阳极侧氢气供应充足，将所述进气口前端和所述排气口后端的三通阀分别与所述氢气管路和所述排气管路相通。
5.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池停机方法，其特征在于，所述步骤（1）中：
所述保持燃料电池堆的阴极侧空气供应充足，是指保持所述燃料电池堆阴极侧的风机开启。
6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池停机方法，其特征在于：
所述步骤（4）还包括，停止所述风机。
7.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池停机方法，其特征在于，所述步骤（2）中：
所述停止所述阳极侧的氢气供应，是指同时关闭进气阀和排气阀；
所述进气阀设置在氢气进气口处，所述排气阀设置在氢气排气口处。
8.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池停机方法，其特征在于，所述步骤（3）中：
所述辅助负载的放电电流范围为50mA/cm2-150mA/cm2。
9.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池停机方法，其特征在于，所述步骤（4）中：
将所述进气口前端和所述气排气口后端的三通阀与空气相通，使得所述氢气管路和所述排气管路进入空气。
10.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池停机方法，其特征在于：
所述步骤（5）包括关闭所述风机。
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