CN112366336B - 一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法及系统，该方法通过在当前环境温度小于预设的温度阈值时，将质子交换膜燃料电池的阳极腔入口的压强调整到第一压强阈值、气体流量调整到第一流量阈值，将阴极腔入口的压强调整到第二压强阈值、气体流量调整到第二流量阈值；其中，第二压强阈值小于第一压强阈值；同时使电池放电，在监测到电池的内阻大于等于预设阻值时，将阳极腔入口的压强调整到第三压强阈值，将阴极腔入口的气体流量调整到第三流量阈值；电池停止放电，进入低温停机储存状态；上述方法通过控制电池的阳极腔与阴极腔的压强差和气体流量，能有效在低温环境下吹扫质子交换膜燃料电池内部的液态水，提高氢气利用率，降低吹扫成本。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法及系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应将燃料的化学能转化为电能的电化学装置。由于其洁净、高效的特点，因此被看成是车用发动机的理想替代方案。
质子交换膜燃料电池发电时会生成大量的液态水。在停机后，这些液态水在低温环境会凝结固化成冰，并发生体积膨胀，破坏质子交换膜燃料电池的结构，造成不可逆的衰减与损害，例如：膜中的水凝结会导致膜穿透，形成短路；催化层中的水凝结会导致碳载体结构坍塌，造成催化剂流失等。
目前，现有的解决方案是在停机后，通过吹扫将质子交换膜燃料电池中的水吹走。传统的吹扫方法主要有以下几种：(1)在阴极外接空气吹扫；(2)通过外接氮气吹扫；(3)通过在阴阳极分别使用反应气体，例如氢气和空气(氧气)吹扫。但是以上三种吹扫方法均存在缺陷，通过空气吹扫，在电池阳极会导致氢空(氢氧)混合，因此仅使用空气在阴极吹扫，则无法吹走阳极中的水；通过外接氮气吹扫，则会增加了系统附件与成本；在阳极使用氢气吹扫，虽然可以避免氢空(氢氧)混合，但是降低了氢气的利用率，增加了氢气的消耗量与使用成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法及系统，其能有效在低温环境下吹扫质子交换膜燃料电池内部的液态水，提高氢气利用率，降低吹扫成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，包括：
在停机状态下，将检测到的当前环境温度与预设的温度阈值进行比较；
在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入吹扫模式；其中，所述吹扫模式为将所述质子交换膜燃料电池的阳极腔入口的压强调整到第一压强阈值以及将所述阳极腔入口的气体流量调整到第一流量阈值，将所述质子交换膜燃料电池的阴极腔入口的压强调整到第二压强阈值以及将所述阴极腔入口的气体流量调整到第二流量阈值；所述第二压强阈值小于所述第一压强阈值，所述第一流量阈值小于所述第二流量阈值；
启动所述质子交换膜燃料电池进入放电状态；
监测所述质子交换膜燃料电池的内阻，并将所述内阻与预设阻值进行比较；
在所述内阻小于所述预设阻值时，将所述质子交换膜燃料电池维持在所述吹扫模式；
在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入停止吹扫模式；其中，所述停止吹扫模式为将所述阳极腔入口的压强调整到第三压强阈值，将所述阴极腔入口的气体流量调整到第三流量阈值；
关闭所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态，以使得所述质子交换膜燃料电池进入低温停机储存状态。
作为上述方案的改进，所述在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入吹扫模式，具体包括：
在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，通过第一压力阀门按照第一设定速度将所述阳极腔入口的压强增大到所述第一压强阈值、以及通过控制氢气尾排阀将所述阳极腔入口的气体流量调整到所述第一流量阈值；
通过第二压力阀门按照第二设定速度将所述阴极腔入口的压强调整到所述第二压强阈值以及将所述阴极腔入口的气体流量调整到所述第二流量阈值；
其中，所述阳极腔入口连通一氢气管路，所述氢气管路上设有所述第一压力阀门和所述氢气尾排阀，用于控制接入所述阳极腔入口的压强和气体流量；所述阴极腔入口连通一空气管路，所述空气管路上设有所述第二压力阀门，用于控制接入所述阴极腔入口的压强和气体流量。
作为上述方案的改进，所述在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入停止吹扫模式，具体包括：
在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，通过所述第二压力阀门按照第三设定速度将所述阳极腔入口的气体流量调整到所述第三流量阈值；
通过所述第一压力阀门按照第四设定速度将所述阳极腔入口的压强调整到所述第三压强阈值。
作为上述方案的改进，所述第一压强阈值在50kPa到Pamax之间，其中，所述Pamax为所述阳极腔入口允许的最高压强；所述第一流量阈值等于0L/min。
作为上述方案的改进，所述第二压强阈值在Pamin到50kPa之间，其中，所述Pamin为所述阴极腔入口允许的最低压强；所述第二流量阈值等于额定阴极流量。
作为上述方案的改进，所述第三压强阈值等于所述第二压强阈值；所述第三流量阈值等于0L/min。
作为上述方案的改进，所述启动所述质子交换膜燃料电池进入放电状态，具体包括：
启动与所述质子交换膜燃料电池连接的负载或所述质子交换膜燃料电池内部的电子辅件，以使得所述质子交换膜燃料电池进入放电状态；其中，所述质子交换膜燃料电池处于放电状态时平均电压维持在预设的电压范围内。
作为上述方案的改进，所述电压范围在0.8V到0.9V之间。
作为上述方案的改进，所述关闭所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态，具体包括：
按照第五设定速度降低所述质子交换膜燃料电池的对外输出功率，以使得所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态。
第二方面，本发明实施例还提供了一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫系统，包括：质子交换膜燃料电池以及吹扫系统，其中，所述吹扫系统包括用于检测当前环境温度的温度检测模块、与所述质子交换膜燃料电池的阳极腔入口连通的氢气管路、与所述质子交换膜燃料电池的阴极腔入口连通的空气管路以及执行如第一方面任一项所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法的控制器。
相对于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：通过在停机状态下，将检测到的当前环境温度与预设的温度阈值进行比较；在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入吹扫模式；其中，所述吹扫模式为将所述质子交换膜燃料电池的阳极腔入口的压强调整到第一压强阈值以及将所述阳极腔入口的气体流量调整到第一流量阈值，将所述质子交换膜燃料电池的阴极腔入口的压强调整到第二压强阈值以及将所述阴极腔入口的气体流量调整到第二流量阈值；所述第二压强阈值小于所述第一压强阈值；同时启动所述质子交换膜燃料电池进入放电状态；监测所述质子交换膜燃料电池的内阻，并将所述内阻与预设阻值进行比较；在所述内阻小于所述预设阻值时，将所述质子交换膜燃料电池维持在所述吹扫模式；在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入停止吹扫模式；其中，所述停止吹扫模式为将所述阳极腔入口的压强调整到第三压强阈值，将所述阴极腔入口的气体流量调整到第三流量阈值；关闭所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态，以使得所述质子交换膜燃料电池进入低温停机储存状态；上述吹扫方法能有效在低温环境下吹扫质子交换膜燃料电池内部的液态水，提高氢气利用率，降低吹扫成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的所述用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法的整体工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，包括：
S1：在停机状态下，将检测到的当前环境温度与预设的温度阈值进行比较。
在本发明实施例中，所述温度阈值为0℃。
S2：在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入吹扫模式；其中，所述吹扫模式为将所述质子交换膜燃料电池的阳极腔入口的压强调整到第一压强阈值以及将所述阳极腔入口的气体流量调整到第一流量阈值，将所述质子交换膜燃料电池的阴极腔入口的压强调整到第二压强阈值以及将所述阴极腔入口的气体流量调整到第二流量阈值；所述第二压强阈值小于所述第一压强阈值，所述第一流量阈值小于所述第二流量阈值。
S3：启动所述质子交换膜燃料电池进入放电状态。
S4：监测所述质子交换膜燃料电池的内阻，并将所述内阻与预设阻值进行比较。
S5：在所述内阻小于所述预设阻值时，将所述质子交换膜燃料电池维持在所述吹扫模式。
S6：在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入停止吹扫模式；其中，所述停止吹扫模式为将所述阳极腔入口的压强调整到第三压强阈值，将所述阴极腔入口的气体流量调整到第三流量阈值。
S7：关闭所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态，以使得所述质子交换膜燃料电池进入低温停机储存状态。
在本发明实施例中，在吹扫过程中，通过控制所述质子交换膜燃料电池的阳极腔与阴极腔的压强，使所述阳极腔的压强大于所述阴极腔的压强，同时所述阳极腔内气体流量小于阴极腔内空气或氧气气体流量，通过所述阴极腔大气量地吹扫除去阴极扩散层、催化层、以及阴极流道内的水；同时阳极扩散层、催化层、以及质子交换膜中的水在阳极腔与阴极腔的压力差的驱动下，从阳极扩散到阴极，通过阴极腔的大气量的吹扫，达到除去阳极扩散层、催化层、以及质子交换膜中的水的目的，避免了使用氢气作为阳极吹扫气体导致的氢气利用率下降，以及使用空气作为阳极吹扫气体导致的阳极氢空界面的形成，同时通过在线交流阻抗检测所述质子交换膜燃料电池的内阻，与预设阻值进行比较，确定吹扫是否达标。上述吹扫方法能有效在低温环境下吹扫质子交换膜燃料电池内部的液态水，提高氢气利用率，降低吹扫成本。
在一种可选的实施例中，S2：在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入吹扫模式，具体包括：
在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，通过第一压力阀门按照第一设定速度将所述阳极腔入口的压强增大到所述第一压强阈值、以及通过控制氢气尾排阀将所述阳极腔入口的气体流量调整到所述第一流量阈值；
通过第二压力阀门按照第二设定速度将所述阴极腔入口的压强调整到所述第二压强阈值以及将所述阴极腔入口的气体流量调整到所述第二流量阈值；
其中，所述阳极腔入口连通一氢气管路，所述氢气管路上设有所述第一压力阀门和所述氢气尾排阀，用于控制接入所述阳极腔入口的压强和气体流量；所述阴极腔入口连通一空气管路，所述空气管路上设有所述第二压力阀门，用于控制接入所述阴极腔入口的压强和气体流量。
在一种可选的实施例中，S6：在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入停止吹扫模式，具体包括：
在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，通过所述第二压力阀门按照第三设定速度将所述阳极腔入口的气体流量调整到所述第三流量阈值；
通过所述第一压力阀门按照第四设定速度将所述阳极腔入口的压强调整到所述第三压强阈值。
在一种可选的实施例中，所述第一压强阈值在50kPa到Pamax之间，其中，所述Pamax为所述阳极腔入口允许的最高压强；所述第一流量阈值等于0L/min。
在一种可选的实施例中，所述第二压强阈值在Pamin到50kPa之间，其中，所述Pamin为所述阴极腔入口允许的最低压强；所述第二流量阈值等于额定阴极流量。
在本发明实施例中，所述额定阴极流量为阴极腔允许的最大气体流量。当检测到当前环境温度低于0℃时，所述阳极腔与阴极腔分别连接氢气管路与空气/氧气管路，通过阀门控制阳极腔压强大于阴极腔压强，且阳极气体流量为0L/min，阴极气体流量为最大流量，能有效提高吹扫排水的效率。
在一种可选的实施例中，所述第三压强阈值等于所述第二压强阈值；所述第三流量阈值等于0L/min。
在一种可选的实施例中，所述启动所述质子交换膜燃料电池进入放电状态，具体包括：
启动与所述质子交换膜燃料电池连接的负载或所述质子交换膜燃料电池内部的电子辅件，以使得所述质子交换膜燃料电池进入放电状态；其中，所述质子交换膜燃料电池处于放电状态时平均电压维持在预设的电压范围内。
在本发明实施例中，在吹扫过程中，保持质子交换膜燃料电池放电状态，并保持质子交换膜燃料电池平均电压在预设的电压范围内，一方面是为了防止质子交换膜燃料电池的高电位腐蚀，另一个方面通过减小质子交换膜燃料电池的放电电流与放电功率，减少质子交换膜燃料电池的产水量，达到减轻质子交换膜燃料电池排水的压力的目的。
在一种可选的实施例中，所述电压范围在0.8V到0.9V之间。
在一种可选的实施例中，所述关闭所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态，具体包括：
按照第五设定速度降低所述质子交换膜燃料电池的对外输出功率，以使得所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态。
相对于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：请参阅图2，通过控制所述质子交换膜燃料电池的阳极腔与阴极腔的压强差，阳极腔入口的压强Pa小于阴极腔入口的压强Pc，同时阳极腔的气体流量Fa为零，阴极腔的气体流量Fc为最大流量Fcf，构筑阳极腔与质子交换膜内的水向阴极腔扩散的驱动力，并通过阴极大气量吹扫除去质子交换膜燃料电池内部的水，避免了传统吹扫方法氢气利用率低、易产生氢空界面的缺点，之后通过在线监测内阻RI的阻值是否大于或等于所述预设阻值RIset，判断吹扫是否达标，若达标，则缓慢降低气体流量Fc到零，同时缓慢降低压强Pa到压强Pc对应的压强值，质子交换膜燃料电池停止放电，从而完成吹扫。上述吹扫方法能有效在低温环境下吹扫质子交换膜燃料电池内部的液态水，提高氢气利用率，降低吹扫成本；且吹扫过程中燃料电池处于小电流放电状态，保持质子交换膜燃料电池平均电压在预设的电压范围U内，避免了所述燃料电池的高电压腐蚀，以及大电流放电产生水，带来的额外的排水压力。
值得注意的是，本发明实施例不仅适用于质子交换膜燃料电池低温储存时的吹扫，也适用于质子交换膜燃料电池正常关机时的吹扫。
第二方面，本发明实施例还提供了一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫系统，包括：质子交换膜燃料电池以及吹扫系统，其中，所述吹扫系统包括用于检测当前环境温度的温度检测模块、与所述质子交换膜燃料电池的阳极腔入口连通的氢气管路、与所述质子交换膜燃料电池的阴极腔入口连通的空气管路以及执行如第一实施例任一项所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法的控制器。
所述控制器执行用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法请参见第一实施例，在此不在进行详细说明。
相对于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：通过在停机状态下，将检测到的当前环境温度与预设的温度阈值进行比较；在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入吹扫模式；其中，所述吹扫模式为将所述质子交换膜燃料电池的阳极腔入口的压强调整到第一压强阈值以及将所述阳极腔入口的气体流量调整到第一流量阈值，将所述质子交换膜燃料电池的阴极腔入口的压强调整到第二压强阈值以及将所述阴极腔入口的气体流量调整到第二流量阈值；所述第二压强阈值小于所述第一压强阈值；同时启动所述质子交换膜燃料电池进入放电状态；监测所述质子交换膜燃料电池的内阻，并将所述内阻与预设阻值进行比较；在所述内阻小于所述预设阻值时，将所述质子交换膜燃料电池维持在所述吹扫模式；在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入停止吹扫模式；其中，所述停止吹扫模式为将所述阳极腔入口的压强调整到第三压强阈值，将所述阴极腔入口的气体流量调整到第三流量阈值；关闭所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态，以使得所述质子交换膜燃料电池进入低温停机储存状态；上述吹扫方法能有效在低温环境下吹扫质子交换膜燃料电池内部的液态水，提高氢气利用率，降低吹扫成本。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，其特征在于，包括：
在停机状态下，将检测到的当前环境温度与预设的温度阈值进行比较；
在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入吹扫模式；其中，所述吹扫模式为将所述质子交换膜燃料电池的阳极腔入口的压强调整到第一压强阈值以及将所述阳极腔入口的气体流量调整到第一流量阈值，将所述质子交换膜燃料电池的阴极腔入口的压强调整到第二压强阈值以及将所述阴极腔入口的气体流量调整到第二流量阈值；所述第二压强阈值小于所述第一压强阈值，所述第一流量阈值小于所述第二流量阈值；
启动所述质子交换膜燃料电池进入放电状态；
监测所述质子交换膜燃料电池的内阻，并将所述内阻与预设阻值进行比较；
在所述内阻小于所述预设阻值时，将所述质子交换膜燃料电池维持在所述吹扫模式；
在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入停止吹扫模式；其中，所述停止吹扫模式为将所述阳极腔入口的压强调整到第三压强阈值，将所述阴极腔入口的气体流量调整到第三流量阈值；
关闭所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态，以使得所述质子交换膜燃料电池进入低温停机储存状态。
2.如权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，其特征在于，所述在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入吹扫模式，具体包括：
在所述当前环境温度小于所述温度阈值时，通过第一压力阀门按照第一设定速度将所述阳极腔入口的压强增大到所述第一压强阈值、以及通过控制氢气尾排阀将所述阳极腔入口的气体流量调整到所述第一流量阈值；
通过第二压力阀门按照第二设定速度将所述阴极腔入口的压强调整到所述第二压强阈值以及将所述阴极腔入口的气体流量调整到所述第二流量阈值；
其中，所述阳极腔入口连通一氢气管路，所述氢气管路上设有所述第一压力阀门和所述氢气尾排阀，用于控制接入所述阳极腔入口的压强和气体流量；所述阴极腔入口连通一空气管路，所述空气管路上设有所述第二压力阀门，用于控制接入所述阴极腔入口的压强和气体流量。
3.如权利要求2所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，其特征在于，所述在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，控制所述质子交换膜燃料电池进入停止吹扫模式，具体包括：
在所述内阻大于或等于所述预设阻值时，通过所述第二压力阀门按照第三设定速度将所述阳极腔入口的气体流量调整到所述第三流量阈值；
通过所述第一压力阀门按照第四设定速度将所述阳极腔入口的压强调整到所述第三压强阈值。
4.如权利要求2所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，其特征在于，所述第一压强阈值在50kPa到Pamax之间，其中，所述Pamax为所述阳极腔入口允许的最高压强；所述第一流量阈值等于0L/min。
5.如权利要求4所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，其特征在于，所述第二压强阈值在Pamin到50kPa之间，其中，所述Pamin为所述阴极腔入口允许的最低压强；所述第二流量阈值等于额定阴极流量。
6.如权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，其特征在于，所述第三压强阈值等于所述第二压强阈值；所述第三流量阈值等于0L/min。
7.如权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，其特征在于，所述启动所述质子交换膜燃料电池进入放电状态，具体包括：
启动与所述质子交换膜燃料电池连接的负载或所述质子交换膜燃料电池内部的电子辅件，以使得所述质子交换膜燃料电池进入放电状态；其中，所述质子交换膜燃料电池处于放电状态时平均电压维持在预设的电压范围内。
8.如权利要求7所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，其特征在于，所述电压范围在0.8V到0.9V之间。
9.如权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法，其特征在于，所述关闭所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态，具体包括：
按照第五设定速度降低所述质子交换膜燃料电池的对外输出功率，以使得所述质子交换膜燃料电池进入停止放电状态。
10.一种用于质子交换膜燃料电池的吹扫系统，其特征在于，包括：质子交换膜燃料电池以及吹扫系统，其中，所述吹扫系统包括用于检测当前环境温度的温度检测模块、与所述质子交换膜燃料电池的阳极腔入口连通的氢气管路、与所述质子交换膜燃料电池的阴极腔入口连通的空气管路以及执行如权利要求1-9任一项所述的用于质子交换膜燃料电池的吹扫方法的控制器。
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