CN111082106A - 一种燃料电池启停机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池启停机控制方法，包括启动方法和停机方法，所述的停机方法包括以下步骤：S1)控制燃料电池保持运行电流I，分别对燃料电池的阳极和阴极进行第一次吹扫，直至电池的单片高频内阻达到第二内阻R2；S2)关闭负载，分别对燃料电池的阳极和阴极进行第二次吹扫，直至电池的单片高频内阻达到第三内阻R3；S3)停止通入空气，继续通入氢气，保持第二设定时间t2；S4)停止通入氢气，完成停机，与现有技术相比，本发明具有降低燃料电池启停过程性能衰减等优点。

Description

一种燃料电池启停机控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其是涉及一种燃料电池启停机控制方法。
背景技术
燃料电池能够将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的发展前景。其中质子交换膜燃料电池功率密度高、启动快、对负载变化响应快，成为交通运输领域能源重要发展方向。质子交换膜燃料电池作为车用动力必须要经受高电位、大电流、频变载、零下启动、空气杂质等复杂工况和严苛环境的考验，其中常温下的频繁开启而引起的性能衰减是燃料电池汽车在寿命提高的主要障碍之一。因此，需要开发能够提高启停耐受性的控制方法。
中国专利CN101958422公开了一种提高燃料电池运行耐久性的方法，主要的控制策略是通过设定燃料电池的停机程序来提高燃料电池的寿命。主要是通过提升燃料电池停机后的温度，通过运行可控开关使电池保持在零电压，阴极缺氧的状态下的处理方法。相关的操作步骤：保持阳极氢气正常通入、关闭空压机、电堆短接升温、自然空气进入、排水(打开燃料电池氢气出口电磁阀，将燃料电池中的积累的水通过氢气排出)、关闭氢气供应。该方法利用停机时阳极的氢气消耗空压机的关闭后阴极腔内的氧气，尽量保证N2存在在阴极腔，对设备的密封要求很高，成本高。
中国专利CN103259031公开了一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，主要的控制策略是在原质子交换膜燃料电池的基础系统上附加模块化放电电路和空气吹扫，通过设定燃料电池的停机程序来提高燃料电池的寿命。具体实施上是将燃料电池电堆分成若干个模块，在每个电池模块上连接一个由控制开关，一个辅助负载和一个晶体二级管相互串联组成模块化放电电路，控制电池的电压；停机控制方法是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残余的氢气。该方法能够在降低电压的操作上尽可能的使各电池电压平均，降低电压的辅助系统复杂，但是其没有解决启停过程中，在高电压(1.4V)情况下阴极催化层的碳载体与水发生反应，造成碳腐蚀，引起金属催化剂的流失、团聚，造成活性面积下降，性能衰减较快的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种降低燃料电池启停过程性能衰减的燃料电池启停机控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池启停机控制方法，包括启动方法和停机方法，所述的停机方法包括以下步骤：
S1)控制燃料电池保持运行电流I，分别对燃料电池的阳极和阴极进行第一次吹扫，直至电池的单片高频内阻达到第二内阻R2；
S2)关闭负载，分别对燃料电池的阳极和阴极进行第二次吹扫，直至电池的单片高频内阻达到第三内阻R3；
S3)停止通入空气，继续通入氢气，保持第二设定时间t2；
S4)停止通入氢气，完成停机。
所述的启动方法包括以下步骤：
1)同时对燃料电池的阳极和阴极进行吹扫；
2)保持第一设定时间t1；
3)接入负载，并监测电池单片的第一高频内阻R1，完成启动。通过监测电堆单片的第一高频内阻R1，可以清楚监测电堆内部水分的残留情况，保证开机过程中较低的衰减速率。
进一步地，所述的步骤A1)中，向燃料电池阳极通入压力为20kPa-100kPa、电池运行电流50A下计量比为1.9～2.5的空气，进行阴极吹扫，向燃料电池阳极通入压力为20kPa-100kPa，电池运行电流50A下计量比为1.2～1.9的氢气，进行阳极吹扫，所述的第一设定时间t1的范围为0.01s～50s。对于一个固定型号的电池，每个特定的电流对应一种流量，通过调节该电流下的计量比来调整流量。因此对于不同大小功率的电池，流量不是固定值。
进一步地，进行第一次吹扫时，向燃料电池的阴极通入相对湿度为第一空气设定湿度的空气，进行阴极吹扫，向燃料电池的阳极通入相对湿度为第一氢气设定湿度的氢气，进行阳极吹扫；
进行第二次吹扫时，向燃料电池的阴极通入相对湿度为第二空气设定湿度的空气，进行阴极吹扫，向燃料电池的阳极通入相对湿度为第二氢气设定湿度的氢气，进行阳极吹扫。
更进一步地，所述的第一空气设定湿度与第二空气设定湿度不相等，所述的第一氢气设定湿度与第二氢气设定湿度不相等，第一次吹扫是采用一定湿度的气体在带载的情况下，将电池内部残留的管路、双极板流道、气体扩散层的大量液体水排出电池外；但是电池内部的质子交换膜内部仍有一定的水分。本发明通过二次吹扫，优选采用更低的湿度，并在关闭负载的情况下进行吹扫，将质子交换膜内的水分排出，有效地降低了燃料电池内部的含水量。
更进一步优选地，25℃下，所述的第一空气设定湿度的范围为20-100％，所述的第二空气设定湿度的范围为0-60％，所述的第一氢气设定湿度的范围为20-60％，所述的第二氢气设定湿度的范围为0-50％。
进一步地，所述的第二内阻R2与燃料电池系统正常运行时单片高频内阻范围相差±0.1mΩ。
进一步地，所述的第三内阻R3为第二内阻R2的2～100倍，优选地，第三内阻R3为第二内阻R2的3～50倍，通过引入测试电堆单片的高频内阻测试，反映内部水分的残留情况，当第三内阻R3为第二内阻R2的2～100倍，特别是3～50倍时，说明内部水分残留已较少，水分较少时，质子交换膜变干，膜的电导率下降、内阻增加，因此采用对燃料电池电堆、单片高频内阻的检测和监测，可以有效检测内部水分，保证吹扫完成时内部残留水分已达到降低衰减速率、提高电池寿命的目的。
进一步地，所述的第二设定时间t2的范围为5～100s，优选地，第二设定时间t2的范围为5～50s。
进一步地，所述的运行电流I的范围为15-100A。
本发明的原理为：启停过程中，在高电压(1.4V)情况下阴极催化层的碳载体与水发生反应，造成碳腐蚀，进而引起金属催化剂的流失、团聚，造成活性面积下降，性能衰减。本发明通过吹扫控制，降低开启时阴极侧的水含量，降低碳和水发生腐蚀的反应速率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过在停机过程中设置两次吹扫，且两次吹扫分别通入不同湿度的空气和氢气，有效降低电池中的水含量，从源头降低碳水反应速率；
2)本发明通过在停机过程中引入电堆单片的高频内阻测试，能够及时准确地反映内部水分的残留情况，实现对吹扫的稳定控制，保证启停过程中较低的衰减速率，有效提高电池的寿命；
3)本发明通过在启动过程中引入电堆单片的高频内阻测试，监测电堆单片的第一高频内阻R1，可以清楚监测电堆内部水分的残留情况，保证开机过程中较低的衰减速率；
4)本发明的启停机方法依靠自身运行中使用的氢气和空气进行阳极和阴极吹扫，不涉及气体的转换，操作简单。
附图说明
图1为本发明停机的流程示意图；
图2为本发明启动的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供一种燃料电池启停机控制方法，其中停机方法包括以下步骤：
S1)控制燃料电池保持运行电流I，分别对燃料电池的阳极和阴极进行第一次吹扫，直至电池的单片高频内阻达到第二内阻R2；
S2)关闭负载，分别对燃料电池的阳极和阴极进行第二次吹扫，直至电池的单片高频内阻达到第三内阻R3；
S3)停止通入空气，继续通入氢气，保持第二设定时间t2；
S4)停止通入氢气，完成停机。
启动方法包括以下步骤：
1)同时对燃料电池的阳极和阴极进行吹扫；
2)保持第一设定时间t1；
3)接入负载，并监测电池单片的第一高频内阻R1，完成启动。
本发明方法中进行燃料电池启动的具体过程为：
常温下，在第一设定时间t1内，将一定压力和流量的氢气和空气分别通入到燃料电池的阳极和阴极，然后外接负载，并监测电池单片的第一高频内阻R1。
其中第一设定时间t1＝0.01～50s，优选为0.01～30s，通入的氢气和空气的压力为20-100kPa，通入的氢气流量为：电流50A@计量比1.2～1.9，通入的空气流量为：电流50A@计量比1.9～2.5。
本发明方法中进行燃料电池启动的具体过程为：
a)第一次吹扫：控制燃料电池保持运行电流I，向燃料电池的阳极和阴极进口通入一定压力、流量和湿度的氢气和空气，直至检测到电池的单片高频内阻达到第二内阻R2，其中运行电流I＝15-100A，第二内阻R2与燃料电池系统正常运行时单片高频内阻范围相差±0.1mΩ，此步骤中通入的氢气的相对湿度的范围为20-100％@25℃，通入的空气的相对湿度的范围为20-80％@25℃。
b)第二次吹扫：关闭负载，向燃料电池的阳极和阴极进口通入一定压力、流量和湿度的氢气和空气，直至检测到电池的单片高频内阻达到第三内阻R3，其中第三内阻R3＝2～100R2，优选第三内阻R3＝3～50R2，此步骤中通入的氢气的相对湿度的范围为0-50％@25℃，通入的空气的相对湿度的范围为0-50％@25℃。
c)关机：保持氢气流量不变，关闭空气，保持第二设定时间t2后，关闭氢气，其中第二设定时间t2＝5～100s，优选为5～50s。
如下表所示，为常温下25℃下，启动过程通入40kPa、电流50A@计量比1.5的氢气和40kPa、电流50A@计量比2.5的空气，设定不同参数值的四个实施例，对性能衰减的影响。与对比例相比，实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的衰减有效减缓了性能衰减速率。
Figure BDA0002348114590000051
Figure BDA0002348114590000061
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，包括启动方法和停机方法，所述的停机方法包括以下步骤：
S1)控制燃料电池保持运行电流I，分别对燃料电池的阳极和阴极进行第一次吹扫，直至电池的单片高频内阻达到第二内阻R2；
S2)关闭负载，分别对燃料电池的阳极和阴极进行第二次吹扫，直至电池的单片高频内阻达到第三内阻R3；
S3)停止通入空气，继续通入氢气，保持第二设定时间t2；
S4)停止通入氢气，完成停机。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，所述的启动方法包括以下步骤：
1)同时对燃料电池的阳极和阴极进行吹扫；
2)保持第一设定时间t1；
3)接入负载，并监测电池单片的第一高频内阻R1，完成启动。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，所述的步骤A1)中，向燃料电池阳极通入压力为20kPa-100kPa、电池运行电流50A下计量比为1.9～2.5的空气，进行阴极吹扫，向燃料电池阳极通入压力为20kPa-100kPa，电池运行电流50A下计量比为1.2～1.9的氢气，进行阳极吹扫，所述的第一设定时间t1的范围为0.01s～50s。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，进行第一次吹扫时，向燃料电池的阴极通入相对湿度为第一空气设定湿度的空气，进行阴极吹扫，向燃料电池的阳极通入相对湿度为第一氢气设定湿度的氢气，进行阳极吹扫；
进行第二次吹扫时，向燃料电池的阴极通入相对湿度为第二空气设定湿度的空气，进行阴极吹扫，向燃料电池的阳极通入相对湿度为第二氢气设定湿度的氢气，进行阳极吹扫。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，所述的第一空气设定湿度与第二空气设定湿度不相等，所述的第一氢气设定湿度与第二氢气设定湿度不相等。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，25℃下，所述的第一空气设定湿度的范围为20-100％，所述的第二空气设定湿度的范围为0-60％，所述的第一氢气设定湿度的范围为20-60％，所述的第二氢气设定湿度的范围为0-50％。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，所述的第二内阻R2与燃料电池系统正常运行时单片高频内阻范围相差±0.1mΩ。
8.根据权利要求1或7所述的一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，所述的第三内阻R3为第二内阻R2的2-100倍。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，所述的第二设定时间t2的范围为5～100s。
10.根据权利要求1所述的一种燃料电池启停机控制方法，其特征在于，所述的运行电流I的范围为15-100A。
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