CN109962269A - 燃料电池延寿系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池延寿系统和方法，所述燃料电池延寿系统包括电堆、第一管路、气泵、第二管路、催化器、第三管路、第四管路和控制单元，所述电堆的阳极上设有进气口和出气口，气泵通过第一管路与出气口连通，催化器通过第二管路与气泵连通，进气口通过第三管路与催化器连通，催化器还通过第四管路与外部供氢设备连通，控制单元与气泵电连接。这种装置的优点在于：采用催化燃烧方式在燃料电池启动前消耗掉了电堆阳极残余氧气，解决了因电堆阳极内部产生氢氧界面造成电堆性能衰减的问题；无需使用无法实现完全密封截止阀。

Description

燃料电池延寿系统和方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池延寿系统和方法。

背景技术

氢燃料电池是一种高效、零排放、低噪音的能源利用方式，非常适合应用于新能源汽车领域。在氢燃料电池系统中，外围辅助系统为燃料电池电堆阴极提供空气，为电堆阳极提供氢气。在燃料电池电堆内部，阳极的氢气在阳极催化剂的作用下失去电子变成质子，穿过质子交换膜到达阳极，与阴极空气中的氧气在阴极催化剂的作用下结合生成水，同时得到电子。在上述过程中，燃料电池消耗氢气和空气，生成水，并产生电能。

氢燃料电池的耐久性是主要的难点，影响其耐久性的主要因素之一为停机后再次启动产生的氢氧界面。图1示出了开机过程中阳极氢氧界面导致反向电流效应造成电堆衰减的机理，在长时间停机后，膜阴极侧的氧气缓慢扩散到阳极，再次开机时，氢气从阳极入口流进电堆，沿着氢气流动的方向，阳极分为氢气富集区和氢气饥饿区。在氢气富集区，阴极、阳极催化剂层和膜之间仍然保持着正常的电势差。在氢气饥饿区，阴极渗透到阳极的氧气使得此位置的阳极与膜之间的界面电势差向氧气平衡电位(1.23V)偏移，但由于催化剂层的导电性，阳极电位不变，膜电位被拉低，以至于阴极与膜之间的电势差增大，加速阴极侧碳载体的腐蚀，导致催化剂铂颗粒流失，甚至引发水电解。这两个反应产生的质子将被渗透到阳极的氧气还原反应消耗，从而产生反向电流。

为了避免开机过程中阳极氢氧界面的出现造成电堆衰减，现有技术的技术方案在燃料电池的阴极进出口使用了截止阀进行密封，当燃料电池系统关机后，截止阀将电堆阴极密封，待阳极的氢气把阴极的氧气消耗完毕后，燃料电池内部只剩下氮气或氮气和氢气的混合气，减轻再次开机时氢氧界面的发生。

现有技术的缺陷在于无法实现入口截止阀和出口截止阀的完全密封，随着时间的推移，不可避免地会有空气从截止阀渗透进入阴极，进一步通过膜缓慢渗透到阳极，仍然无法防止再次开机时形成氢氧界面造成燃料电池寿命衰减。

综上所述，需要提供一种燃料电池延寿系统和方法，其能够克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明旨在提供一种燃料电池延寿系统和方法，其能够克服现有技术的缺陷。本发明的目的通过以下技术方案得以实现。

本发明的一个实施方式提供了一种燃料电池延寿系统，所述燃料电池延寿系统包括电堆、第一管路、气泵、第二管路、催化器、第三管路、第四管路和控制单元，所述电堆的阳极上设有进气口和出气口，气泵通过第一管路与出气口连通，催化器通过第二管路与气泵连通，进气口通过第三管路与催化器连通，催化器还通过第四管路与外部供氢设备连通，控制单元与气泵电连接。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述控制单元收到启动电堆的信号时，控制单元控制气泵将电堆阳极中的氧气抽出，来自外部供氢设备的氢气通过第四管路进入催化器，催化器使氢气与氧气发生催化反应，控制单元根据上次关机的时间与本次开机的时间之间的时间间隔判断电堆阳极中的氧气耗尽后控制单元启动电堆。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述催化器为催化燃烧器，催化燃烧器使氢气与氧气发生催化燃烧。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述燃料电池延寿系统还包括检测器、调压器和第五管路，所述调压器通过第四管路与催化器连通，调压器通过第五管路与外部供氢设备连通，检测器设置在电堆阳极的进气口，控制单元分别与检测器和调压器电连接，控制单元通过检测器检测电堆阳极的进气口的氢气压力，控制单元控制调压器的开度，控制单元根据调压器的开度积分计算氢气消耗量。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述燃料电池延寿系统还包括尾排阀，所述第一管路为三通管路，第一管路的第一端与电堆的出气口连通，第一管路的第二端与气泵连通，第一管路的第三端与尾排阀连通，控制单元与尾排阀电连接，尾排阀用于排出因氢氧催化燃烧产生的水，控制单元控制尾排阀打开和关闭。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述控制单元收到电堆开机指令后控制单元计算根据上次关机的时间与本次开机的时间之间的时间间隔计算电堆阳极内的氧气量，控制单元根据电堆阳极内的氧气量计算目标氢气消耗量和目标燃烧时间，控制单元启动气泵并根据电堆阳极内的氧气量设定气泵的抽气速度，控制单元启动调压器，气泵将电堆阳极内的氧气从出气口抽出，氧气经第一管路、气泵和第二管路进入催化器，来自外部储氢系统的氢气经第五管路、调压器和第四管路进入催化器，催化器使氢气和氧气发生催化燃烧反应，经过催化燃烧的气体经过第三管路从进气口回到电堆阳极，控制单元通过检测器检测电堆阳极的进气口的氢气压力，控制单元根据电堆阳极的进气口的氢气压力调整调压器的开度，控制单元根据调压器的开度积分计算氢气消耗量，当控制单元判断收到电堆开机指令后经过的时间达到目标燃烧时间且氢气消耗量达到目标氢气消耗量时，控制单元控制电堆启动。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中当控制单元根据电堆阳极的进气口的氢气压力调整调压器的开度时，控制单元根据调压器的开度调整计算目标燃烧时间。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿方法，其中所述燃料电池延寿方法包括下列步骤：

步骤1：根据上次关机与本次开机之间的间隔时间计算电堆阳极内的氧气量；

步骤2：根据电堆阳极内的氧气量计算目标氢气消耗量和目标燃烧时间；

步骤3：输入氢气并从电堆的阳极抽出氧气；

步骤4：调整氢气输入速度并计算氢气输入量；

步骤5：使氢气和氧气发生催化反应；

步骤6：判断是否方法开始执行后经过的时间已到达目标燃烧时间及氢气输入量已到达目标氢气消耗量，若“是”，电堆启动；若“否”，执行步骤4。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿方法，其中所述步骤4调整氢气输入速度并计算氢气输入量包括下列步骤：

步骤41：根据电堆阳极内的氧气量设定抽气速度；

步骤42：检测电堆阳极的进气口的氢气压力；

步骤43：根据电堆阳极的进气口的氢气压力调整输入氢气的速度并根据输入氢气的速度调整计算目标燃烧时间。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿方法，其中所述步骤5使氢气和氧气发生催化反应包括下列步骤；

步骤51：使氧气与氢气进行催化燃烧；

步骤52：排出催化燃烧产生的水。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿方法，其中所述步骤52排出催化燃烧产生的水包括下列步骤：

步骤521：根据输入的氢气量计算催化燃烧产生的水量；

步骤522：判断催化燃烧产生的水量是否达到预设的水量阈值，若“是”，排水。

该燃料电池延寿系统和方法的优点在于：采用催化燃烧方式在燃料电池启动前消耗掉了电堆阳极残余氧气，解决了因电堆阳极内部产生氢氧界面造成电堆性能衰减的问题；无需使用无法实现完全密封截止阀，从而不必担心发生因截止阀漏气造成氧气从阴极渗入阳极的问题。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1为开机过程中电堆阳极中的氢氧界面导致反向电流效应造成电堆衰减的原理示意图；

图2示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池延寿系统的示意图；

图3示出了根据图1所示的本发明一个实施方式的燃料电池延寿系统的电连接关系的框图；

图4示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池延寿方法的流程图。

具体实施方式

图2-4和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

图2-3示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池延寿系统，所述燃料电池延寿系统包括电堆1、第一管路2、气泵3、第二管路4、催化器5、第三管路6、第四管路7和控制单元11，所述电堆1的阳极上设有进气口102和出气口101，气泵3通过第一管路2与出气口101连通，催化器5通过第二管路4与气泵3连通，进气口102通过第三管路6与催化器5连通，催化器5还通过第四管路7与外部供氢设备连通，控制单元11与气泵3电连接。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述控制单元11收到启动电堆的信号时，控制单元11控制气泵3将电堆阳极中的氧气抽出，来自外部供氢设备的氢气通过第四管路7进入催化器5，催化器5使氢气与氧气发生催化反应，控制单元11根据上次关机的时间与本次开机的时间之间的时间间隔判断电堆阳极中的氧气耗尽后控制单元11启动电堆1。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述催化器5为催化燃烧器，催化燃烧器使氢气与氧气发生催化燃烧。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述燃料电池延寿系统还包括调压器8、第五管路9和检测器12，所述调压器8通过第四管路7与催化器5连通，调压器8通过第五管路9与外部供氢设备连通，检测器12设置在电堆阳极的进气口102，控制单元11分别与检测器12和调压器8电连接，控制单元11通过检测器12检测电堆阳极的进气口102的氢气压力，控制单元11控制调压器8的开度，控制单元11根据调压器8的开度积分计算氢气消耗量。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述燃料电池延寿系统还包括尾排阀10，所述第一管路2为三通管路，第一管路2的第一端与电堆1的出气口101连通，第一管路2的第二端与气泵3连通，第一管路2的第三端与尾排阀10连通，控制单元11与尾排阀10电连接，尾排阀10用于排出因氢氧催化燃烧产生的水，控制单元11控制尾排阀10打开和关闭，具体而言，控制单元11根据氢气消耗量计算产生的水量，当产生的水量超过预设的排水阈值时，控制单元11控制尾排阀11开启排水，排水阈值根据电堆的结构与类型确定，尾排阀11开启排水的时间长短根据尾排阀11的排水能力和排水阈值确定。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中所述控制单元11收到电堆1开机指令后控制单元11计算根据上次关机的时间与本次开机的时间之间的时间间隔计算电堆阳极内的氧气量，具体而言，时间间隔与电堆阳极内的氧气量之间为正相关关系，时间间隔越长，电堆阳极内的氧气量越多，控制单元11根据电堆阳极内的氧气量计算目标氢气消耗量和目标燃烧时间，控制单元11启动气泵3并根据电堆阳极内的氧气量设定气泵3的抽气速度，控制单元11启动调压器8，气泵3将电堆阳极内的氧气从出气口101抽出，氧气经第一管路2、气泵3和第二管路4进入催化器5，来自外部储氢系统的氢气经第五管路9、调压器8和第四管路7进入催化器5，催化器5使氢气和氧气发生催化燃烧反应，经过催化燃烧的气体经过第三管路6从进气口102回到电堆阳极，控制单元11通过检测器12检测电堆阳极的进气口102的氢气压力，控制单元11根据电堆阳极的进气口102的氢气压力调整调压器8的开度，控制单元11根据调压器8的开度积分计算氢气消耗量，当控制单元11判断收到电堆1开机指令后经过的时间达到目标燃烧时间且氢气消耗量达到目标氢气消耗量时，控制单元11控制电堆1启动。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿系统，其中当控制单元11根据电堆阳极的进气口102的氢气压力调整调压器8的开度时，控制单元11根据调压器8的开度调整计算目标燃烧时间。

图4示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池延寿方法，其中所述燃料电池延寿方法包括下列步骤：

步骤S1：根据上次关机与本次开机之间的间隔时间计算电堆阳极内的氧气量；

步骤S2：根据电堆阳极内的氧气量计算目标氢气消耗量和目标燃烧时间；

步骤S3：输入氢气并从电堆的阳极抽出氧气；

步骤S4：调整氢气输入速度并计算氢气输入量；

步骤S5：使氢气和氧气发生催化反应；

步骤S6：判断是否方法开始执行后经过的时间已到达目标燃烧时间及氢气输入量已到达目标氢气消耗量，若“是”，执行步骤S7；若“否”，执行步骤S4；

步骤S7：电堆启动。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿方法，其中所述步骤S4调整氢气输入速度并计算氢气输入量包括下列步骤：

步骤S41：根据电堆阳极内的氧气量设定抽气速度；具体而言，氢氧催化燃烧的反应速度有限，需要控制从电堆正极抽出氧气的速度，因此，电堆阳极内的氧气量与抽气速度为逆相关关系，即电堆阳极内的氧气量越高，从电堆正极抽出的气体的氧气浓度越高，抽气速度应越低；

步骤S42：检测电堆阳极的进气口的氢气压力；

步骤S43：根据电堆阳极的进气口的氢气压力调整输入氢气的速度并根据输入氢气的速度调整计算目标燃烧时间。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿方法，其中所述步骤S5使氢气和氧气发生催化反应包括下列步骤；

步骤S51：使氧气与氢气进行催化燃烧；

步骤S52：排出催化燃烧产生的水。

根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池延寿方法，其中所述步骤S52排出催化燃烧产生的水包括下列步骤：

步骤S521：根据输入的氢气量计算催化燃烧产生的水量；

步骤S522：判断催化燃烧产生的水量是否达到预设的水量阈值，若“是”，执行步骤S523，若“否”，执行步骤S6；

步骤S523：排水。

该燃料电池延寿系统和方法的优点在于：采用催化燃烧方式在燃料电池启动前消耗掉了电堆阳极残余氧气，解决了因电堆阳极内部产生氢氧界面造成电堆性能衰减的问题；无需使用无法实现完全密封截止阀，从而不必担心发生因截止阀漏气造成氧气从阴极渗入阳极的问题。

当然应意识到，虽然通过本发明的示例已经进行了前面的描述，但是对本发明做出的将对本领域的技术人员显而易见的这样和其他的改进及改变应认为落入如本文提出的本发明宽广范围内。因此，尽管本发明已经参照了优选的实施方式进行描述，但是，其意并不是使具新颖性的设备由此而受到限制，相反，其旨在包括符合上述公开部分、权利要求的广阔范围之内的各种改进和等同修改。

Claims (11)

1.一种燃料电池延寿系统，其特征在于，所述燃料电池延寿系统包括电堆、第一管路、气泵、第二管路、催化器、第三管路、第四管路和控制单元，所述电堆的阳极上设有进气口和出气口，气泵通过第一管路与出气口连通，催化器通过第二管路与气泵连通，进气口通过第三管路与催化器连通，催化器还通过第四管路与外部供氢设备连通，控制单元与气泵电连接。

2.如权利要求1所述的燃料电池延寿系统，其特征在于，所述控制单元收到启动电堆的信号时，控制单元控制气泵将电堆阳极中的氧气抽出，来自外部供氢设备的氢气通过第四管路进入催化器，催化器使氢气与氧气发生催化反应，控制单元根据上次关机的时间与本次开机的时间之间的时间间隔判断电堆阳极中的氧气耗尽后控制单元启动电堆。

3.如权利要求1所述的燃料电池延寿系统，其特征在于，所述催化器为催化燃烧器，催化燃烧器使氢气与氧气发生催化燃烧。

4.如权利要求3所述的燃料电池延寿系统，其特征在于，所述燃料电池延寿系统还包括检测器、调压器和第五管路，所述调压器通过第四管路与催化器连通，调压器通过第五管路与外部供氢设备连通，检测器设置在电堆阳极的进气口，控制单元分别与检测器和调压器电连接，控制单元通过检测器检测电堆阳极的进气口的氢气压力，控制单元控制调压器的开度，控制单元根据调压器的开度积分计算氢气消耗量。

5.如权利要求4所述的燃料电池延寿系统，其特征在于，所述燃料电池延寿系统还包括尾排阀，所述第一管路为三通管路，第一管路的第一端与电堆的出气口连通，第一管路的第二端与气泵连通，第一管路的第三端与尾排阀连通，控制单元与尾排阀电连接，尾排阀用于排出因氢氧催化燃烧产生的水，控制单元控制尾排阀打开和关闭。

6.如权利要求5所述的燃料电池延寿系统，其特征在于，所述控制单元收到电堆开机指令后控制单元计算根据上次关机的时间与本次开机的时间之间的时间间隔计算电堆阳极内的氧气量，控制单元根据电堆阳极内的氧气量计算目标氢气消耗量和目标燃烧时间，控制单元启动气泵并根据电堆阳极内的氧气量设定气泵的抽气速度，控制单元启动调压器，气泵将电堆阳极内的氧气从出气口抽出，氧气经第一管路、气泵和第二管路进入催化器，来自外部储氢系统的氢气经第五管路、调压器和第四管路进入催化器，催化器使氢气和氧气发生催化燃烧反应，经过催化燃烧的气体经过第三管路从进气口回到电堆阳极，控制单元通过检测器检测电堆阳极的进气口的氢气压力，控制单元根据电堆阳极的进气口的氢气压力调整调压器的开度，控制单元根据调压器的开度积分计算氢气消耗量，当控制单元判断收到电堆开机指令后经过的时间达到目标燃烧时间且氢气消耗量达到目标氢气消耗量时，控制单元控制电堆启动。

7.如权利要求6所述的燃料电池延寿系统，其特征在于，当控制单元根据电堆阳极的进气口的氢气压力调整调压器的开度时，控制单元根据调压器的开度调整计算目标燃烧时间。

8.一种燃料电池延寿方法，其特征在于，所述燃料电池延寿方法包括下列步骤：

步骤1：根据上次关机与本次开机之间的间隔时间计算电堆阳极内的氧气量；

步骤2：根据电堆阳极内的氧气量计算目标氢气消耗量和目标燃烧时间；

步骤3：输入氢气并从电堆的阳极抽出氧气；

步骤4：调整氢气输入速度并计算氢气输入量；

步骤5：使氢气和氧气发生催化反应；

步骤6：判断是否方法开始执行后经过的时间已到达目标燃烧时间及氢气输入量已到达目标氢气消耗量，若“是”，电堆启动；若“否”，执行步骤4。

9.如权利要求8所述的燃料电池延寿方法，其特征在于，所述步骤4调整氢气输入速度并计算氢气输入量包括下列步骤：

步骤41：根据电堆阳极内的氧气量设定抽气速度；

步骤42：检测电堆阳极的进气口的氢气压力；

步骤43：根据电堆阳极的进气口的氢气压力调整输入氢气的速度并根据输入氢气的速度调整计算目标燃烧时间。

10.如权利要求9所述的燃料电池延寿方法，其特征在于，所述步骤5使氢气和氧气发生催化反应包括下列步骤；

步骤51：使氧气与氢气进行催化燃烧；

步骤52：排出催化燃烧产生的水。

11.如权利要求10所述的燃料电池延寿方法，其特征在于，所述步骤52排出催化燃烧产生的水包括包括下列步骤：

步骤521：根据输入的氢气量计算催化燃烧产生的水量；

步骤522：判断催化燃烧产生的水量是否达到预设的水量阈值，若“是”，排水。