CN111224131A - 燃料电池系统及其低温吹扫方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统及其低温吹扫方法，所述低温吹扫方法包括以下步骤：燃料电池系统执行低温吹扫，通过冷却系统将进入电堆的冷却液的温度调节至预设温度范围，使燃料电池系统内的水蒸气冷凝成液态水；在低温吹扫中，调节电堆的电流至最小电流值，使电堆以最小电流值进行拉载，并且实时监测阳极流阻和阴极流阻，判断阳极流阻和阴极流阻是否均为稳定值，若阳极流阻和阴极流阻中至少一个处于不稳定状态，则燃料电池系统继续低温吹扫；若阳极流阻和阴极流阻均为稳定值，则燃料电池系统结束低温吹扫。本发明不需要在燃料电池系统上增设多余的传感器，更全面地考虑燃料电池系统的吹扫状态，更准确地完成低温长吹扫过程。

Description

燃料电池系统及其低温吹扫方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池系统及其低温吹扫方法。
背景技术
燃料电池系统是通过氢氧反应生成水并对外供电的发电装置，在低温环境下，系统内部流道、气体扩散层或管路中的水凝结后产生冰，其膨胀作用导致燃料电池系统部件或燃料电池电堆产生机械损伤，故需要在燃料电池系统关机时进行吹扫，避免损伤燃料电池系统。
现有的吹扫方式有通过车载交流阻抗估计电堆内阻的方式进行吹扫，即通过实时监控电堆阻抗大小进行吹扫，当电堆阻抗大于一定值后停止吹扫。该方法采用高频电流激励电堆，并同步采集电堆电流和端电压进行高频阻抗分析。故该方法需要额外增加一些电子器件，如高精度、高响应速度、高采样速率的电流电压传感器，增加了系统成本。同时该方法易受到外部电磁环境以及系统内固有噪声等的干扰，对电堆内阻计算产生一定的误差。另一方面电堆内阻在质子交换膜较湿情况下差异较小，若电堆的低温吹扫不要求将膜吹偏干，则该方案更加难以进行合理吹扫。同时该方案只关注电堆的干湿状态，并未全面考虑系统整体液态水吹扫情况。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种燃料电池系统及其低温吹扫方法，不需要在燃料电池系统上增设多余的传感器，通过低成本、更简易的燃料电池系统架构，更全面地考虑燃料电池系统的吹扫状态，更准确地完成低温长吹扫过程。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池系统的低温吹扫方法，所述燃料电池系统包括电堆、向电堆供给燃料的阳极系统、向电堆供给氧化剂的阴极系统以及冷却电堆的冷却系统，所述低温吹扫方法包括以下步骤：
燃料电池系统执行低温吹扫，通过冷却系统将进入电堆的冷却液的温度调节至预设温度范围，使燃料电池系统内的水蒸气冷凝成液态水；在低温吹扫中，调节电堆的电流至最小电流值，使电堆以最小电流值进行拉载，并且实时监测阳极流阻和阴极流阻，判断阳极流阻和阴极流阻是否均为稳定值，若阳极流阻和阴极流阻中至少一个处于不稳定状态，则燃料电池系统继续低温吹扫；若阳极流阻和阴极流阻均为稳定值，则燃料电池系统结束低温吹扫。
优选地，所述燃料电池系统在执行低温吹扫前获取关机命令，预判关机后燃料电池系统的内部温度是否低于警戒低温值，若否则燃料电池系统进入关机状态，若是则低温吹扫。
优选地，所述阳极流阻的测试过程为：在所述阳极系统中，获取向所述电堆内供燃料的燃料进气压值，获取从所述电堆内向外排气的燃料出气压值，计算燃料进气压值与燃料出气压值之间的差值，所述差值为所述阳极流阻。
优选地，所述阴极流阻的测试过程为：在所述阴极系统中，检测向所述电堆内供氧化剂的氧化剂进气压值，所述氧化剂进气压值为所述阴极流阻。
优选地，在所述阳极流阻和阴极流阻均为稳定值且燃料电池系统结束低温吹扫前，需判断进入电堆内的冷却液的液温是否低于预设温度，若是则燃料电池系统结束低温吹扫，若否则判断第一次液温判断和最后一次液温判断之间的液温判断总时长是否超过预设时长，若液温判断总时长超过预设时长，则燃料电池系统结束低温吹扫，若液温判断总时长不超过预设时长，则继续执行低温吹扫。
优选地，在所述阳极流阻和阴极流阻均为稳定值且燃料电池系统结束低温吹扫前，需判断进入电堆内的冷却液的液温是否属于预设温度范围内，若是则燃料电池系统结束低温吹扫，若否则判断电堆的单片电压是否低于预设电压，若单片电压低于预设电压，则燃料电池系统结束低温吹扫，若单片电压不低于预设电压，则继续执行低温吹扫。
优选地，在执行低温吹扫中，实时判断从开始执行低温吹扫至当前时刻所累计的运行总时长是否超过警戒时长时，若是则燃料电池系统结束吹扫动作，若否则燃料电池系统继续执行低温吹扫。
优选地，在所述燃料电池系统执行低温吹扫中，将阳极系统内的燃料流速提高至最大流速，将阴极系统内的氧化剂流速提高至最大流速。
本发明还提供一种燃料电池系统，包括：
电堆；
向电堆供给燃料的阳极系统，阳极系统包括伸入电堆的燃料输入流道、伸出电堆的燃料输出流道、与燃料输出流道连通的分水器以及连接分水器和燃料输入流道的燃料循环流道，燃料输入流道上设有第一燃料气压传感器，燃料输出流道上设有第二燃料气压传感器，分水器还与一排气排液管路连通，燃料循环流道上设有循环泵；
向电堆供给氧化剂的阴极系统，阴极系统包括氧化剂供给流道、与氧化剂供给流道连通的增湿器以及连通增湿器和电堆的氧化剂输入流道和氧化剂输出流道，氧化剂供给流道上设有空压机，增湿器与所述排气排液管路连通，氧化剂输入流道上设有氧化剂气压传感器；
冷却电堆的冷却系统，冷却系统按照冷却液流经方向依次包括伸出电堆的冷却液输出流道、内外循环散热系统以及伸入电堆的冷却液输入流道，冷却液输入流道上设有液温传感器，内外循环散热系统和冷却液输入流道之间设有调温阀，内外循环散热系统包括相互并联的内循环散热管路和外循环散热管路；
控制器，所述第一燃料气压传感器、第二燃料气压传感器、循环泵、空压机、氧化剂气压传感器、液温传感器以及调温阀均与控制器通信连接以实现所述低温吹扫方法。
如上所述，本发明的燃料电池系统及其低温吹扫方法，具有以下有益效果：由于电堆的阳极系统、阴极系统内的液态水存在一定流阻，当阳极系统、阴极系统内的液态水被吹尽后，阳极流阻和阴极流阻会呈现基本不变的状态。若阳极流阻和阴极流阻均为稳定值，则表明燃料电池系统内的液态水被吹尽，燃料电池系统完成整个低温吹扫的过程。本发明的低温吹扫方法不需要在燃料电池系统上增设多余的传感器，通过低成本、更简易的燃料电池系统架构，更全面地考虑燃料电池系统的吹扫状态，更准确地完成低温长吹扫过程。
附图说明
图1显示为本发明的燃料电池系统的示意图。
图2显示为本发明的燃料电池系统的低温吹扫方法的流程图；
图3显示为电堆的电流电压特性曲线的示意图；
图4显示为阳极系统或阴极系统的流阻变化图。
元件标号说明
1 电堆
2 阳极系统
21 燃料输入流道
211 第一燃料气压传感器
22 燃料输出流道
221 第二燃料气压传感器
23 分水器
24 燃料循环流道
241 循环泵
25 排液管
251 排液阀
26 排气管
261 排气阀
3 阴极系统
31 氧化剂供给流道
311 空压机
312 中冷器
32 增湿器
33 氧化剂输入流道
331 氧化剂气压传感器
34 氧化剂输出流道
4 冷却系统
41 冷却液输出流道
42 冷却液输入流道
421 液温传感器
43 调温阀
44 内循环散热管路
45 外循环散热管路
5 电驱系统
51 电流传感器
52 电压传感器
6 排气排液管路
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种燃料电池系统，包括：
电堆1；
向电堆1供给燃料(燃料可以氢气)的阳极系统2，阳极系统2包括伸入电堆1的燃料输入流道21、伸出电堆1的燃料输出流道22、与燃料输出流道22连通的分水器23以及连接分水器23和燃料输入流道21的燃料循环流道24，燃料输入流道21上设有第一燃料气压传感器211，燃料输出流道22上设有第二燃料气压传感器221，分水器23还与一排气排液管路6连通，燃料循环流道24上设有循环泵241；
向电堆1供给氧化剂(氧化剂可以是空气)的阴极系统3，阴极系统3包括氧化剂供给流道31、与氧化剂供给流道31连通的增湿器32以及连通增湿器32和电堆1的氧化剂输入流道33和氧化剂输出流道34，氧化剂供给流道31上设有空压机311，增湿器32与上述排气排液管路6连通，氧化剂输入流道33上设有氧化剂气压传感器331；
冷却电堆1的冷却系统4，冷却系统4按照冷却液(冷却液可以是水)流经方向依次包括伸出电堆1的冷却液输出流道41、内外循环散热系统以及伸入电堆1的冷却液输入流道42，冷却液输入流道42上设有液温传感器421，内外循环散热系统和冷却液输入流道42之间设有调温阀43，内外循环散热系统包括相互并联的内循环散热管路44和外循环散热管路45；
控制器，上述第一燃料气压传感器211、第二燃料气压传感器221、循环泵241、空压机311、氧化剂气压传感器331、液温传感器421以及调温阀43均与控制器通信连接。
本发明的燃料电池系统还包括对外提供由电堆1产生的电能的电驱系统5，电驱系统5和电堆1的连接处设有电流传感器51和电压传感器52。
上述氧化剂供给流道31上还设有中冷器312，中冷器312布置在空压机311的下游处，以降低增压后的氧化剂温度。
如图2、图3以及图4所示，本发明还提供一种燃料电池系统的低温吹扫方法，本发明的低温吹扫方法可以通过上述燃料电池系统实现，本发明的低温吹扫方法包括以下步骤：
燃料电池系统执行低温吹扫，通过冷却系统4将进入电堆1的冷却液的温度调节至预设温度范围，使燃料电池系统内的水蒸气冷凝成液态水；在低温吹扫中，调节电堆1的电流至最小电流值，使电堆1以最小电流值进行拉载(加载或减载)，并且实时监测阳极流阻和阴极流阻，判断阳极流阻和阴极流阻是否均为稳定值，若阳极流阻和阴极流阻中至少一个处于不稳定状态，则燃料电池系统继续低温吹扫；若阳极流阻和阴极流阻均为稳定值，则燃料电池系统结束低温吹扫。
在本发明的低温吹扫方法中，电堆1的阳极系统2、阴极系统3内的液态水存在一定流阻，当阳极系统2、阴极系统3内的液态水被吹尽后，阳极流阻和阴极流阻会呈现基本不变的状态。若阳极流阻和阴极流阻均为稳定值，则表明燃料电池系统内的液态水被吹尽，燃料电池系统完成整个低温吹扫的过程。本发明的低温吹扫方法不需要在燃料电池系统上增设多余的传感器，通过低成本、更简易的燃料电池系统架构，更全面地考虑燃料电池系统的吹扫状态，更准确地完成低温长吹扫过程。
在本发明的低温吹扫方法中，可以通过上述冷却系统4将进入电堆1的冷却液的温度调节至预设温度范围。具体的，内循环散热管路44的冷却液和外循环散热管路45的冷却液在调温阀43的混合下通过冷却液输入流道42流入电堆1，随后在电堆1内进行热交换，最终流回至冷却液输出流道41，如此循环。外循环散热管路45上设有散热器(散热器可以是散热风扇)。内循环散热管路44的冷却液和外循环散热管路45的冷却液的混合比受到调温阀43的开度调节，例如，当调温阀43全开时，则冷却液完全走外循环散热管路45，反之全部走内循环散热管路44。通过液温传感器421，使冷却液输入流道42的冷却液的温度达到5～10摄氏度。
在本发明的低温吹扫方法中，可以根据电堆1的电流电压特性曲线(参见图3，若目标电压越高，则拉载电流越低)将电堆1的电流调节至最小电流值，例如，可以将电堆1的单片电压的目标电压设定为0.8～0.85V(单片电压可以通过上述电压传感器52监测)，这样电堆1的拉载电流(拉载电流可以通过电流传感器51监测)会比较小，致使燃料电池系统的产热量和产水量均较小，更有利于燃料电池系统的冷却和除水。
上述燃料电池系统在执行低温吹扫前获取关机命令，预判关机后燃料电池系统的内部温度是否低于警戒低温值，若否则燃料电池系统进入关机状态，若是则执行低温吹扫。预判标准可基于外部大气温度、日期信息、地埋位置信息来确定，来预判关机后燃料电池系统的内部温度是否低于燃料电池系统的冰点温度(即水由液态变为固态的警戒低温值)。
上述阳极流阻的测试过程为：在上述阳极系统2中，获取向上述电堆1内供燃料的燃料进气压值，获取从上述电堆1内向外排气的燃料出气压值，计算燃料进气压值与燃料出气压值之间的差值，上述差值为上述阳极流阻。如图4所示，随着低温吹扫的进行，阳极流阻趋于稳定。
上述阴极流阻的测试过程为：在上述阴极系统2中，检测向上述电堆1内供氧化剂的氧化剂进气压值，上述氧化剂进气压值为上述阴极流阻。如图4所示，随着低温吹扫的进行，阴极流阻也趋于稳定。
作为保护上述燃料电池系统的第一种实施例：在上述阳极流阻和阴极流阻均为稳定值且燃料电池系统结束低温吹扫前，需判断进入电堆1内的冷却液的液温是否低于预设温度，该预设温度可以设置为5-10℃之间任一温度值，若是则燃料电池系统结束低温吹扫，若否则判断第一次液温判断和最后一次液温判断之间的液温判断总时长是否超过预设时长，若液温判断总时长超过预设时长，则燃料电池系统结束低温吹扫，若液温判断总时长不超过预设时长，则继续执行低温吹扫。
作为保护上述燃料电池系统的第二种实施例：在上述阳极流阻和阴极流阻均为稳定值且燃料电池系统结束低温吹扫前，需判断进入电堆1内的冷却液的液温是否低于预设温度，该预设温度可以设置为5-10℃之间任一温度值，若是则燃料电池系统结束低温吹扫，若否则判断电堆1的单片电压是否低于预设电压(预设电压可以是0.78V；燃料电池系统的低温吹扫时间越长，电堆1越干，电堆1的单片电压也就越低，然而在适当的湿度下电堆1才能正常运行)，若单片电压低于预设电压，则燃料电池系统结束低温吹扫，若单片电压不低于预设电压，则继续执行低温吹扫。
作为保护上述燃料电池系统的第三种实施例：在执行低温吹扫中，实时判断从开始执行低温吹扫至当前时刻所累计的运行总时长是否超过警戒时长(警戒时长可以是240秒)时，若是则燃料电池系统结束吹扫动作，若否则燃料电池系统继续执行低温吹扫。
在上述燃料电池系统执行低温吹扫中，将阳极系统2内的燃料流速提高至最大流速，将阴极系统3内的氧化剂流速提高至最大流速。阳极系统2内的燃料流速可以通过提高上述循环泵241的功率实现，阴极系统3内的氧化剂流速可以通过提高上述空压机311的功率实现。
上述阳极系统2内的液态水、废气经分水器23分成两路进入排气排液管路6，上述阴极系统3内的液态水流经增湿器32进入排气排液管路6；具体的，分水器23通过排液管25与排气排液管路6连通，排液管25上设有排液阀251，分水器23还通过排气管26与排气排液管路6连通，排气管26上设有排气阀261，周期性地打开或关闭排液阀251和排气阀261。排液阀251和排气阀261周期性的打开或关闭，一方面能够将分水器23中的液态水尽快排出燃料电池系统，另一方面可在阳极系统2内产生压力脉动，通过压力脉动能够更加有效地排出液态水。
综上所述，本发明的燃料电池系统及其低温吹扫方法不需要在燃料电池系统上增设多余的传感器，通过低成本、更简易的燃料电池系统架构，更全面地考虑燃料电池系统的吹扫状态，更准确地完成低温长吹扫过程。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统的低温吹扫方法，所述燃料电池系统包括电堆(1)、向电堆(1)供给燃料的阳极系统(2)、向电堆(1)供给氧化剂的阴极系统(3)以及冷却电堆(1)的冷却系统(4)，其特征在于，所述低温吹扫方法包括以下步骤：
燃料电池系统执行低温吹扫，通过冷却系统(4)将进入电堆(1)的冷却液的温度调节至预设温度范围，使燃料电池系统内的水蒸气冷凝成液态水；在低温吹扫中，调节电堆(1)的电流至最小电流值，使电堆(1)以最小电流值进行拉载，并且实时监测阳极流阻和阴极流阻，判断阳极流阻和阴极流阻是否均为稳定值，若阳极流阻和阴极流阻中至少一个处于不稳定状态，则燃料电池系统继续低温吹扫；若阳极流阻和阴极流阻均为稳定值，则燃料电池系统结束低温吹扫。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的低温吹扫方法，其特征在于：所述燃料电池系统在执行低温吹扫前获取关机命令，预判关机后燃料电池系统的内部温度是否低于警戒低温值，若否则燃料电池系统进入关机状态，若是则低温吹扫。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的低温吹扫方法，其特征在于：所述阳极流阻的测试过程为：在所述阳极系统(2)中，获取向所述电堆(1)内供燃料的燃料进气压值，获取从所述电堆(1)内向外排气的燃料出气压值，计算燃料进气压值与燃料出气压值之间的差值，所述差值为所述阳极流阻。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统的低温吹扫方法，其特征在于：所述阴极流阻的测试过程为：在所述阴极系统(2)中，检测向所述电堆(1)内供氧化剂的氧化剂进气压值，所述氧化剂进气压值为所述阴极流阻。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统的低温吹扫方法，其特征在于：在所述阳极流阻和阴极流阻均为稳定值且燃料电池系统结束低温吹扫前，需判断进入电堆(1)内的冷却液的液温是否低于预设温度，若是则燃料电池系统结束低温吹扫，若否则判断第一次液温判断和最后一次液温判断之间的液温判断总时长是否超过预设时长，若液温判断总时长超过预设时长，则燃料电池系统结束低温吹扫，若液温判断总时长不超过预设时长，则继续执行低温吹扫。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统的低温吹扫方法，其特征在于：在所述阳极流阻和阴极流阻均为稳定值且燃料电池系统结束低温吹扫前，需判断进入电堆(1)内的冷却液的液温是否属于预设温度范围内，若是则燃料电池系统结束低温吹扫，若否则判断电堆(1)的单片电压是否低于预设电压，若单片电压低于预设电压，则燃料电池系统结束低温吹扫，若单片电压不低于预设电压，则继续执行低温吹扫。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统的低温吹扫方法，其特征在于：在执行低温吹扫中，实时判断从开始执行低温吹扫至当前时刻所累计的运行总时长是否超过警戒时长时，若是则燃料电池系统结束吹扫动作，若否则燃料电池系统继续执行低温吹扫。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统的低温吹扫方法，其特征在于：在所述燃料电池系统执行低温吹扫中，将阳极系统(2)内的燃料流速提高至最大流速，将阴极系统(3)内的氧化剂流速提高至最大流速。
9.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
电堆(1)；
向电堆(1)供给燃料的阳极系统(2)，阳极系统(2)包括伸入电堆(1)的燃料输入流道(21)、伸出电堆(1)的燃料输出流道(22)、与燃料输出流道(22)连通的分水器(23)以及连接分水器(23)和燃料输入流道(21)的燃料循环流道(24)，燃料输入流道(21)上设有第一燃料气压传感器(211)，燃料输出流道(22)上设有第二燃料气压传感器(221)，分水器(23)还与一排气排液管路(6)连通，燃料循环流道(24)上设有循环泵(241)；
向电堆(1)供给氧化剂的阴极系统(3)，阴极系统(3)包括氧化剂供给流道(31)、与氧化剂供给流道(31)连通的增湿器(32)以及连通增湿器(32)和电堆(1)的氧化剂输入流道(33)和氧化剂输出流道(34)，氧化剂供给流道(31)上设有空压机(311)，增湿器(32)与所述排气排液管路(6)连通，氧化剂输入流道(33)上设有氧化剂气压传感器(331)；
冷却电堆(1)的冷却系统(4)，冷却系统(4)按照冷却液流经方向依次包括伸出电堆(1)的冷却液输出流道(41)、内外循环散热系统以及伸入电堆(1)的冷却液输入流道(42)，冷却液输入流道(42)上设有液温传感器(421)，内外循环散热系统和冷却液输入流道(42)之间设有调温阀(43)，内外循环散热系统包括相互并联的内循环散热管路(44)和外循环散热管路(45)；
控制器，所述第一燃料气压传感器(211)、第二燃料气压传感器(221)、循环泵(241)、空压机(311)、氧化剂气压传感器(331)、液温传感器(421)以及调温阀(43)均与控制器通信连接以实现如权利要求1至权利要求8任一项所述的低温吹扫方法。
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