CN111224132A - 一种燃料电池关机吹扫方法及系统 - Google Patents

一种燃料电池关机吹扫方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池关机吹扫方法及系统，包括对燃料电池进行空载吹扫，在空载吹扫的步骤之前，还包括：控制燃料电池带载运行；对燃料电池进行吹扫，并实时检测第一燃料电池湿度表征参数，直至第一燃料电池湿度表征参数满足第一设定条件。本发明在空载吹扫之前，进行带载吹扫，在带载吹扫中燃料电池处于带载状态，燃料电池的单片电压较低，避免了燃料电池高电位造成催化剂腐蚀，由于带载吹扫过程降低了燃料电池的湿度，这样就缩减了后续空载吹扫的时间，降低了整个吹扫过程中对催化剂的腐蚀程度，延长了燃料电池的寿命。

Description

一种燃料电池关机吹扫方法及系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池关机吹扫方法及系统，属于燃料电池技术领域。
背景技术
作为一种新能源汽车，燃料电池汽车具有无污染、零排放的特点，越来越受到人们的重视。为了提高燃料电池的低温启动性能，在燃料电池发送机停机时，通常需要对燃料电池进行吹扫，以降低燃料电池中的残存水含量。
现有技术给出了各种不同的方法以对燃料电池进行关机吹扫，但是这些方法均属于空载吹扫方式，即在燃料电池处于空载状态下时，进行吹扫过程。例如，申请公布号为CN105161741A的中国专利申请文件公开了一种燃料电池的吹扫方法，在停止向燃料电池堆通入燃料后，利用空气对燃料电池堆进行吹扫，对燃料电池堆内部温度和系统环境温度进行测量，以判断是否对燃料电池堆进行有效地吹扫。当采用这些空载吹扫方式对燃料电池进行关机吹扫时，由于燃料电池电位较高，长时间的吹扫容易导致催化剂腐蚀，从而使得燃料电池的寿命降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池关机吹扫方法及系统，用于解决长时间的空载吹扫过程使燃料电池寿命降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池关机吹扫方法，包括对燃料电池进行空载吹扫，对燃料电池进行空载吹扫的过程包括：
控制燃料电池空载运行；
对燃料电池进行吹扫，并实时检测第二燃料电池湿度表征参数，直至所述第二燃料电池湿度表征参数满足第二设定条件。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种燃料电池关机吹扫系统，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：
对燃料电池进行空载吹扫，对燃料电池进行空载吹扫的过程包括：
控制燃料电池空载运行；
对燃料电池进行吹扫，并实时检测第二燃料电池湿度表征参数，直至所述第二燃料电池湿度表征参数满足第二设定条件。
进一步的，所述第二燃料电池湿度表征参数包括：燃料电池阳极气体进出口压差和/或燃料电池阴极气体进出口压差，所述第二设定条件包括：燃料电池阳极气体进出口压差不大于第三压差设定阈值和/或燃料电池阴极气体进出口压差不大于第四压差设定阈值。
在吹扫过程中，通过对燃料电池阳极气体进出口压差和/或燃料电池阴极气体进出口压差进行检测，当压差满足对应的条件时，表明燃料电池内的湿度已经满足要求。由于压差便于检测，容易实现，可以实现燃料电池湿度的精准控制。
进一步的，在空载吹扫的步骤之前，还包括：
控制燃料电池带载运行；
对燃料电池进行吹扫，并实时检测第一燃料电池湿度表征参数，直至所述第一燃料电池湿度表征参数满足第一设定条件。
对在空载吹扫之前，进行带载吹扫，即通过控制燃料电池按照设定输出电流进行输出，然后进行吹扫过程，由于此带载吹扫中燃料电池处于带载状态，燃料电池的单片电压较低，避免了燃料电池高电位造成催化剂腐蚀。由于带载吹扫过程降低了燃料电池的湿度，这样就缩减了后续空载吹扫的时间，降低了整个吹扫过程中对催化剂的腐蚀程度，延长了燃料电池的寿命。
进一步的，所述第一燃料电池湿度表征参数包括：燃料电池阳极气体进出口压差和/或燃料电池阴极气体进出口压差，所述第一设定条件包括：燃料电池阳极气体进出口压差不大于第一压差设定阈值和/或燃料电池阴极气体进出口压差不大于第二压差设定阈值。
在吹扫过程中，通过对燃料电池阳极气体进出口压差和/或燃料电池阴极气体进出口压差进行检测，当压差满足对应的条件时，表明燃料电池内的湿度已经满足要求。由于压差便于检测，容易实现，能够准确判定燃料电池的湿度是否满足要求，可以实现燃料电池湿度的精准控制。
进一步的，对燃料电池进行吹扫时，控制燃料电池堆处于对应设定的温度范围内。
通过对燃料电池堆的温度进行控制，可以加快吹扫过程。
进一步的，所述控制燃料电池带载运行包括控制燃料电池按照设定输出电流进行输出，所述控制燃料电池空载运行包括控制燃料电池的输出电流为零。
通过对燃料电池的输出电流进行控制，可以实现带载吹扫和空载吹扫。
附图说明
图1是本发明的燃料电池关机吹扫方法的流程图；
图2是本发明的燃料电池关机吹扫装置结构图；
图3是本发明的燃料电池关机吹扫装置的工作流程图；
其中：1为空压机，2为增湿器，3和4为开关，5为入堆空气压力传感器，6为燃料电池堆，7为出堆空气压力传感器，8为节气门，9为比例阀，10为入堆氢气压力传感器，11为出堆氢气压力传感器，12为分水器，13为氢气循环泵，14为燃料电池散热系统，15为燃料电池控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
燃料电池关机吹扫方法：
本实施例提供了一种燃料电池关机吹扫方法，该方法主要包括接收关机指令、带载吹扫、空载吹扫和正常关机四个过程。当燃料电池系统收到关机指令时，开始执行带载吹扫过程，带载吹扫完成后执行空载吹扫过程，空载吹扫结束后正常关机，对应的流程图如图1所示，包括以下步骤：
(1)燃料电池系统接收关机指令。
(2)对燃料电池进行带载吹扫。
其中，燃料电池系统接收到关机指令后，控制燃料电池系统按照设定输出电流I1进行输出(例如质子交换膜燃料电池堆，能够输出的最小电流为15A，则I1＝15A)，控制燃料电池堆的工作温度为第一设定温度T1(T1为该燃料电池堆输出电流I1条件下的最佳工作温度，例如T1＝50℃)，设定T1是为了在固定温度下计算阳极和阴极的压差，温度变化会影响压差。
向燃料电池的阳极通入第一设定流速的气体进行吹扫，向燃料电池的阴极通入第二设定流速的气体进行吹扫，例如按照第一设定流速向燃料电池的阳极通入氢气，按照第二设定流速向燃料电池的阴极通入空气。其中，第一设定流速的氢气和第二设定流速的空气下限是燃料电池堆在设定输出电流I1输出下的最佳工作流速(根据质子交换膜燃料电池堆确定)，上限是通过增加流速，燃料电池堆在I1条件下的电压U1(U1是燃料电池堆中催化剂能够腐蚀的电压，例如Pt催化剂的腐蚀电压为0.85V，则U1为0.85V，不同催化剂的腐蚀电压不同)不超过0.85V。例如，燃料电池堆在I1条件下氢气流速和空气流速分别为100L/min和500L/min，增大流速，燃料电池堆电压上升至0.85V时，氢气流速和空气流速分别为200L/min和1000L/min，则第一设定流速的氢气为100L/min至200L/min之间，第一设定流速的空气为500L/min至1000L/min之间。
在吹扫过程中，实时检测燃料电池阳极气体进出口的压力值以及阴极气体进出口的压力值，计算燃料电池阳极气体进出口压差ΔP1阳-实和燃料电池阴极气体进出口压差ΔP1阴-实。当燃料电池阳极气体进出口压差ΔP1阳-实不大于燃料电池阳极气体进出口压差设定阈值ΔP阳1时，即满足ΔP1阳-实≤ΔP阳1，则阳极吹扫结束；当燃料电池阴极气体进出口压差ΔP1阴-实不大于燃料电池阴极气体进出口压差设定阈值ΔP阴1时，即满足ΔP1阴-实≤ΔP阴1，则阴极吹扫结束。
其中，ΔP阳1、ΔP阴1与ΔP阳2、ΔP阴2为关联关系，ΔP阳1小于ΔP阳2，ΔP阴1小于ΔP阴2，可设定为ΔP阳1＝0.9*ΔP阳2和ΔP阴1＝0.9*ΔP阴2。当燃料电池堆得湿度非常低时，ΔP阳-实和ΔP阴-实几乎等于燃料电池阳极和阴极流道的固有压力降(燃料电池堆的固有属性，例如阳极和阴极压差都为10kPa)，当燃料电池堆湿度增大，甚至有液态水时，ΔP阳-实和ΔP阴-实会增大(例如阳极和阴极压差都会增大至20kPa)，吹扫结束的判断：通过吹扫将压差从20kPa降低至10kPa。
当阳极和阴极都完成吹扫后，带载吹扫结束。
(3)对燃料电池进行空载吹扫。
其中，当燃料电池带载吹扫结束后，控制燃料电池系统输出电流为零，控制燃料电池堆的工作温度为第二设定温度T2。第二设定温度T2和第一设定温度T1类似，为了方便计算压差，此处不再赘述。
向燃料电池的阳极通入第三设定流速的气体进行吹扫，向燃料电池的阴极通入第四设定流速的气体进行吹扫，例如按照第三设定流速向燃料电池的阳极通入氢气，按照第四设定流速向燃料电池的阴极通入空气。第三设定流速和第四设定流速是燃料电池堆能够承受的最大流速，例如阳极和阴极设定流速分别为300L/min和1500L/min。
在吹扫过程中，实时检测燃料电池阳极气体进出口的压力值以及阴极气体进出口的压力值，计算燃料电池阳极气体进出口压差ΔP2阳-实和燃料电池阴极气体进出口压差ΔP2阴-实。当燃料电池阳极气体进出口压差ΔP2阳-实不大于燃料电池阳极气体进出口压差设定阈值ΔP阳2时，即满足ΔP2阳-实≤ΔP阳2，则阳极吹扫结束；当燃料电池阴极气体进出口压差ΔP2阴-实不大于燃料电池阴极气体进出口压差设定阈值ΔP阴2时，即满足ΔP2阴-实≤ΔP阴2，则阴极吹扫结束。其中，ΔP阳2和ΔP阴2尽量接近燃料电池堆干态下的固有压力降，例如燃料电池堆干态下固有压力降都为10kPa。
当阳极和阴极都完成吹扫后，空载吹扫结束。
(4)当返料电池系统空载吹扫结束后，正常关机。
在上述的燃料电池关机吹扫方法中，在空载吹扫之前增加了带载吹扫过程，在带载吹扫过程中，通过设置燃料电池系统的带载吹扫电流为设定输出电流I1，即控制燃料电池带载运行，此时燃料电池堆单片平均电压小于等于设定电压U1这样就避免了燃料电池高电位造成催化剂腐蚀，由于带载吹扫过程降低了燃料电池的湿度，这样就缩减了后续空载吹扫的时间，降低了整个吹扫过程中对催化剂的腐蚀程度，延长了燃料电池的寿命，提升了燃料电池系统性能。在带载吹扫完成后，控制燃料电池的输出电流为零，即控制燃料电池空载运行，进行空载吹扫。空载吹扫能够最终完成燃料电池堆内部的水含量吹扫控制，达到燃料电池堆最佳关机条件。在不考虑燃料电池堆温度对吹扫效果影响的情况，作为其他的实施方式，也可以不对燃料电池堆的温度进行控制。
需要说明的是，本实施例是以燃料电池气体进出口压差作为燃料电池湿度表征参数，这里的燃料电池湿度表征参数是指可以表征燃料电池内部湿度大小的参数，该参数值与燃料电池湿度值一一对应，根据该参数值就可以知道燃料电池内部湿度大小。当燃料电池湿度表征参数满足对应的设定条件后，设定条件根据燃料电池湿度表征参数来确定，则对应控制带载吹扫或者空载吹扫过程结束。当然，作为其他的实施方式，燃料电池湿度表征参数也可以是与燃料电池内部湿度相对应的其他类型的参数值，例如交流阻抗、湿度传感器等，但是交流阻抗测量难度高，实现复杂，湿度传感器的准确性较差。另外，在上述的燃料电池关机吹扫方法中，所涉及到的第一、第二等词语并不代表前后顺序或者大小。
在上述的燃料电池关机吹扫方法过程中，是同时对燃料电池的阳极和阴极进行带载吹扫和空载吹扫控制，作为其他的实施方式，也可以选择仅对燃料电池的阳极或阴极进行带载吹扫和空载吹扫控制。例如，仅对燃料电池的阳极进行带载吹扫和空载吹扫过程，而燃料电池的阴极在整个吹扫过程中仅进行空载吹扫。当然，上述的步骤(3)仅是给出了空载吹扫过程的一个具体实施方式，作为其他的实施方式，该空载吹扫过程也可以采用现有技术中的已有方法。
为了实现上述的燃料电池关机吹扫方法，本实施例还提供了一种燃料电池关机吹扫装置，如图2所示，该装置包括空压机1，增湿器2，开关3和4，入堆空气压力传感器5，燃料电池堆6，出堆空气压力传感器7，节气门8，比例阀9，入堆氢气压力传感器10，出堆氢气压力传感器11，分水器12，氢气循环泵13，燃料电池散热系统14，燃料电池控制器15。其中，空压机1，增湿器2，开关3和4，燃料电池堆6和节气门8之间通过软管连接，燃料电池堆6、比例阀9、分水器12和氢气循环泵13之间通过供氢软管连接，燃料电池堆6和燃料电池散热系统14之间通过冷却软管连接，入堆空气压力传感器5、出堆空气压力传感器7、入堆氢气压力传感器10和出堆氢气压力传感器11的探头镶嵌在各自的管路内部，空压机1、开关3、开关4、节气门8、比例阀9、氢气循环泵13、压力传感器5、7、10和11等部件与燃料电池控制器15通过控制线链接。
其中，空压机1能够为燃料电池堆6提供一定流量和压力的空气，节气门8能够调节开度，通过空压机1和节气门8联合控制燃料电池堆6的入堆空气压力。通过开关3和4控制空压机1排出的空气是否通过增湿器2。比例阀9能够调节开度，通过比例阀9和氢气循环泵13联合控制燃料电池堆6的入堆氢气压力。压力传感器5、7、10和11分别能够采集燃料电池堆6的入/出堆空气和氢气压力；燃料电池散热系统14能够控制燃料电池堆6的工作温度；燃料电池控制器15可以采集压力传感器5、7、10和11检测到的压力值，控制空压机1、开关3和4、节气门8、比例阀9和氢气循环泵13的工作过程，接收关机指令以及控制燃料电池系统输出电流。
如图3所示，该燃料电池关机吹扫装置实现上述燃料电池关机吹扫方法的过程如下：
接收到关机指令后，进入到带载吹扫过程：
燃料电池控制器15控制燃料电池堆6输出设定输出电流I1，燃料电池散热系统14控制燃料电池堆6的工作温度为第一设定温度T1。燃料电池控制器15控制空压机1的转速和节气门8的开度分别为R1和A1，控制氢气循环泵13的转速和比例阀9的开度分别为R′1和A′1。燃料电池控制器15根据入堆氢气压力传感器10和出堆氢气压力传感器11采集到的压力值，计算燃料电池的阳极实际进/出气压ΔP1阳-实，当ΔP1阳-实≤ΔP阳1时，阳极吹扫结束。燃料电池控制器15根据入堆空气压力传感器5和出堆空气压力传感器7采集到的压力值，计算燃料电池的阴极实际进/出气压差ΔP1阴-实，当ΔP1阴-实≤ΔP阴1时，阴极吹扫结束。当阴极和阳极都完成吹扫，带载吹扫结束。
带载吹扫结束后，进入到空载吹扫过程：
燃料电池控制器15控制燃料电池堆6输出电流降至零，燃料电池散热系统14控制燃料电池堆6的工作温度为第二设定温度T2。燃料电池控制器15控制空压机1的转速和节气门8的开度分别为R2和A2，控制氢气循环泵13的转速和比例阀9的开度分别为R′2和A′2。燃料电池控制器15根据入堆氢气压力传感器10和出堆氢气压力传感器11采集到的压力值，计算燃料电池的阳极实际进/出气压ΔP2阳-实，当ΔP2阳-实≤ΔP阳2时，阳极吹扫结束。燃料电池控制器15根据入堆空气压力传感器5和出堆空气压力传感器7采集到的压力值，计算燃料电池的阴极实际进/出气压差ΔP2阴-实，当ΔP2阴-实≤ΔP阴2时，阴极吹扫结束。当阴极和阳极都完成吹扫，空载吹扫结束。
燃料电池关机吹扫系统实施例：
本实施例提供了一种燃料电池关机吹扫系统，包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现一种燃料电池关机吹扫方法。由于该燃料电池关机吹扫方法已经在上述的燃料电池关机吹扫方法实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种燃料电池关机吹扫方法，包括对燃料电池进行空载吹扫，其特征在于，对燃料电池进行空载吹扫的过程包括：
控制燃料电池空载运行；
对燃料电池进行吹扫，并实时检测第二燃料电池湿度表征参数，直至所述第二燃料电池湿度表征参数满足第二设定条件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，所述第二燃料电池湿度表征参数包括：燃料电池阳极气体进出口压差和/或燃料电池阴极气体进出口压差，所述第二设定条件包括：燃料电池阳极气体进出口压差不大于第三压差设定阈值和/或燃料电池阴极气体进出口压差不大于第四压差设定阈值。
3.根据权利要求1所述的燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，在空载吹扫的步骤之前，还包括：
控制燃料电池带载运行；
对燃料电池进行吹扫，并实时检测第一燃料电池湿度表征参数，直至所述第一燃料电池湿度表征参数满足第一设定条件。
4.根据权利要求3所述的燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，所述第一燃料电池湿度表征参数包括：燃料电池阳极气体进出口压差和/或燃料电池阴极气体进出口压差，所述第一设定条件包括：燃料电池阳极气体进出口压差不大于第一压差设定阈值和/或燃料电池阴极气体进出口压差不大于第二压差设定阈值。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，对燃料电池进行吹扫时，控制燃料电池堆处于对应设定的温度范围内。
6.根据权利要求3或4所述的燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，所述控制燃料电池带载运行包括控制燃料电池按照设定输出电流进行输出，所述控制燃料电池空载运行包括控制燃料电池的输出电流为零。
7.一种燃料电池关机吹扫系统，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：
对燃料电池进行空载吹扫，对燃料电池进行空载吹扫的过程包括：
控制燃料电池空载运行；
对燃料电池进行吹扫，并实时检测第二燃料电池湿度表征参数，直至所述第二燃料电池湿度表征参数满足第二设定条件。
8.根据权利要求7所述的燃料电池关机吹扫系统，其特征在于，所述第二燃料电池湿度表征参数包括：燃料电池阳极气体进出口压差和/或燃料电池阴极气体进出口压差，所述第二设定条件包括：燃料电池阳极气体进出口压差不大于第三压差设定阈值和/或燃料电池阴极气体进出口压差不大于第四压差设定阈值。
9.根据权利要求7所述的燃料电池关机吹扫系统，其特征在于，在空载吹扫的步骤之前，还包括：
控制燃料电池带载运行；
对燃料电池进行吹扫，并实时检测第一燃料电池湿度表征参数，直至所述第一燃料电池湿度表征参数满足第一设定条件。
10.根据权利要求9所述的燃料电池关机吹扫系统，其特征在于，所述第一燃料电池湿度表征参数包括：燃料电池阳极气体进出口压差和/或燃料电池阴极气体进出口压差，所述第一设定条件包括：燃料电池阳极气体进出口压差不大于第一压差设定阈值和/或燃料电池阴极气体进出口压差不大于第二压差设定阈值。
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