CN112952157A - 一种燃料电池电堆启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池电堆启动方法,该方法包括以下步骤:(1)将一定化学计量比的氢气和空气通入燃料电池电堆,发生电化学反应;(2)以一定的电流加载速度进行加载至暖机电流;(3)当电堆电流达到暖机电流时,降低空气计量比或者继续提高电流强度,使电堆启动速度更快。与现有技术相比,本发明适用于零上温度的启动,和常规的启动方法相比,暖机时间较短。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域,具体涉及一种燃料电池电堆启动方法。
背景技术
燃料电池从常温开始启动时,为了避免高电流下产水过多,导致电堆发生水淹等启动失败的问题,一般需要控制启动时电流拉载的速度,或者在相对低的电流下维持一段时间对电堆进行预热,然后再进一步拉载到目标的高电流。从而导致燃料电池电堆启动速度较慢。
现有技术中的方法主要是针对低于0℃的燃料电池启动采用的方法,且没有公开针对电堆适用的启动具体操作条件。此外,零下温度启动面临的问题和风险,和零上温度(如室温)启动的问题和风险不同,主要表现在零下温度启动时,需要考虑生成水结冰的问题,而零上温度启动时,不存在水结冰的问题,但需要避免启动过程中水淹发生反极,因此零下温度启动的启动速度、拉载温度等启动条件和零上启动不同。
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适用于零上温度的启动、暖机时间较短的燃料电池电堆启动方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种燃料电池电堆启动方法,该方法包括以下步骤:
(1)将一定化学计量比的氢气和空气通入燃料电池电堆,发生电化学反应;
(2)以一定的电流加载速度进行加载至暖机电流;
(3)当电堆电流达到暖机电流时,降低空气计量比或者继续提高电流强度,使电堆启动速度更快。
发明人发现,通过控制反应物饥饿,比恒电流下降低计量比和恒计量比下提升电流产生更多的热量。反应物饥饿加热的主要原理是当反应物饥饿时,电极上将产生很高的过电位,导致内阻引起的内部发热增加。
具体而言,燃料电池堆的能量平衡有多种估计方法。一般情况下,认为燃料电池堆反应的化学能转换为电能与热功率:
I/2F·HNHV·ncell=Qgen+I·Ucell·ncell (1)
如果产生的水以液态形式流出电池堆,则燃料电池堆内产生的热量为:
Qgen=(1.482-Ucell)·I·ncell (2)
式(1)-(2)中:F为法拉第常数;HNHV为氢的高热值;Qgen为电池堆产生的热功率;ncell为电池堆中单体电池的片数;I为电池堆电流;Ucell为电池堆电压。
如上所述,燃料电池产生的热量和电池堆电压和电流有关,电池堆电压越低,电流越高,燃料电池产热越多。因此,为加快电堆的启动,可以采用缺空气的方法使得电堆的电压降低,从而使得燃料电池产热增多。
根据上述原理,在不增加空气供给流量的情况下,提高电流至暖机电流以上,阴极(即空气侧)发生反应物饥饿,一方面可以降低电堆电压,另外还可以增大电流,瞬间产生的热量更多,也能使电堆启动速度更快。
值得注意的是,在冷启动中,也有相关报道采用降低空气计量比的方式进行暖机,但是冷启动中的降低空气计量比暖机过程中遇到的问题和常温降低空气计量比暖机过程中遇到的问题不同。冷启动中,由于电堆内电化学反应产生的液态水很容易结成冰,不存在明显的水淹问题,但是在常温暖机过程中,空气计量比过低可能导致水淹问题,阴极水淹也会进一步使阳极的水管理出现恶化。因此,在常温缺空气暖机过程中,阴极、阳极的气体计量比调节非常关键,应该保证阳极的气体计量比充足,例如阳极的化学计量比≥1.1,即使在降低阴极的化学计量比时,也保证阴极的化学计量比≥1。
进一步地,步骤(1)中所述的氢气计量比St.a=1.2-1.5,空气计量比St.c=1.2-1.5。
St(stoichiometric ratio)是指化学计量比,St.a是氢气化学计量比,St.c是空气化学计量比。电堆入口处反应物的实际流量和反应物的消耗量之比称为化学计量比。在燃料电池中,为提高电堆的电压和保证电堆正常运行,一般化学计量比设置为1以上,甚至1.5以上,即实际提供的反应物流量要高于消耗量。当化学计量比降低时,电堆的电压也会相应降低。
此外,报道的缺空气活化方法,主要是针对短堆的验证(单电池数≤20片),对于单电池节数大于等于100节的长堆,目前少有报道。对于长堆的暖机,由于存在单电池之间一致性问题,例如气体分配不一致、水流量分配不一致,在缺气活化或者升高电流活化的过程中,需要着重考虑这一点,否则可能会导致某些单节由于分配的气体过少出现反极。例如阳极的化学计量比≥1.1,即使在降低阴极的化学计量比时,也保证阴极的化学计量比≥1。
进一步地,步骤(1)中所述的氢气计量比St.a=1.2,空气计量比St.c=1.5。
进一步地,步骤(2)中所述的电流加载速度为1-50A/s。
进一步地,步骤(2)中所述的电流加载速度为10-30A/s。
进一步地,步骤(2)中所述的暖机电流为100-300A。
进一步地,步骤(3)中所述的空气计量比St.c=1.01-1.05。
空气计量比下降到过低,可能在单电池的膜电极内部加剧电流分布的差异,局部可能产热速度过多,加剧膜电极的衰减甚至穿孔。此外,空气计量比下降过低,可能会在电堆内部发生水淹,电池堆电压下降到0V以下时,甚至可能引起电堆反极,加剧膜电极的衰减甚至穿孔。空气计量比下降的不够低,电池堆电压没有明显下降,产热不会明显增多,电堆的启动速度也不会加快。
进一步地,步骤(3)中继续提高电流强度至150-500A。
进一步地,该方法包括以下步骤:
(1)将St.a=1.2的氢气和St.c=1.5的空气通入燃料电池电堆,发生电化学反应;
(2)以15A/s电流加载速度进行加载至暖机电流145A;
(3)当电堆电流达到暖机电流145A时,降低空气计量比至1.01,使电堆从室温加热到50℃的时间不超过120s。
进一步地,该方法包括以下步骤:
(1)将St.a=1.2的氢气和St.c=1.5的空气通入燃料电池电堆,发生电化学反应;
(2)以15A/s电流加载速度进行加载至暖机电流290A;
(3)当电堆电流达到暖机电流290A时,降低空气计量比至1.05,使电堆从室温加热到50℃的时间不超过60s。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)发明人发现,燃料电池产生的热量和电池堆电压和电流有关,电池堆电压越低,电流越高,燃料电池产热越多。因此,为加快电堆的启动,可以采用缺空气的方法使得电堆的电压降低,从而使得燃料电池产热增多;
(2)发明人还发现,在不增加空气供给流量的情况下,提高电流至暖机电流以上,阴极发生反应物饥饿,一方面可以降低电堆电压,另外还可以增大电流,瞬间产生的热量更多,也能使电堆启动速度更快;
(3)本发明适用于零上温度的启动,和常规的启动方法相比,暖机时间较短。
附图说明
图1为燃料电池电堆的结构图;
图2为实施例1中燃料电池电堆电压输出图;
图3为实施例1中燃料电池电堆电流输出和温度图;
图4为实施例2中燃料电池电堆电压输出图;
图5为实施例2中燃料电池电堆电流输出和温度图;
图6为对比例1中燃料电池电堆电压输出图;
图7为对比例1中燃料电池电堆电流输出和温度图;
图中标号所示:第二端板1、第一端板2、单电池3、空气进口101、空气出口102、冷却水进口201、冷却水出口202、氢气进口301、氢气出口302。
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。
本发明用到的燃料电池电堆如图1所示,包括第二端板1、第一端板2、200片单电池3、空气进口101、空气出口102、冷却水进口201、冷却水出口202、氢气进口301和氢气出口302。
注意,下面的实施例、对比例是针对200片的燃料电池电堆,MEA的活性面积约300cm2。
实施例1
一种燃料电池电堆启动方法,该方法为:按照15A/s的加载速度进行加载至暖机电流145A,拉载过程中,氢气计量比为St.a=1.2的流量,空气计量比为St.c=1.5,电流升高到145A后,降低空气计量比至1.01。拉载过程中的电压、电流和冷却水进出口温度曲线如图2-3所示。电堆从室温加热到50℃的时间约为112s。
实施例2
一种燃料电池电堆启动方法,该方法为:按照15A/s的加载速度进行加载至暖机电流290A,拉载过程中,氢气计量比为St.a=1.2的流量,空气计量比为St.c=1.5,电流升高到290A后,降低空气计量比至1.05。拉载过程中的电压、电流和冷却水进出口温度曲线如图4-5所示。电堆从室温加热到50℃的时间约为52s。
实施例3
一种燃料电池电堆启动方法,该方法为:按照15A/s的加载速度进行加载至暖机电流290A,拉载过程中,氢气计量比为St.a=1.2的流量,空气计量比为St.c=1.5,电流升高到290A后,维持氢气和空气的流量不变,电流迅速升高到340A,电堆从室温加热到50℃的时间约为53s。
实施例4
一种燃料电池电堆启动方法,该方法为:按照15A/s的加载速度进行加载至暖机电流290A,拉载过程中,氢气计量比为St.a=1.5的流量,空气计量比为St.c=1.5,电流升高到290A后,维持氢气和空气的流量不变,电流迅速升高到430A,电堆从室温加热到50℃的时间约为45s。
可见阴阳极气体流量不变的情况下,提高电流,也能提高暖机速度。
对比例1
一种燃料电池电堆启动方法,该方法为:按照15A/s的加载速度进行加载至暖机电流145A,拉载过程和平衡过程中,氢气计量比维持为St.a=1.2的流量,空气计量比维持St.c=1.5。拉载过程中的电压、电流和冷却水进出口温度曲线如下图所示。电堆从室温加热到50℃的时间约为141s。
对比例2
一种燃料电池电堆启动方法,该方法为:按照15A/s的加载速度进行加载至暖机电流290A,拉载过程中,氢气计量比为St.a=1.2的流量,空气计量比为St.c=1.5,电流升高到290A后,降低空气计量比至0.95。过程中发现最低单片在5s内迅速下降到-1.5V,出现停机保护,存在安全隐患。
可见对于缺空气暖机的过程,空气计量比的调控比较关键,随意降低空气计量比,可能存在安全隐患。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)将一定化学计量比的氢气和空气通入燃料电池电堆,发生电化学反应;
(2)以一定的电流加载速度进行加载至暖机电流;
(3)当电堆电流达到暖机电流时,降低空气计量比或者继续提高电流强度,使电堆启动速度更快。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,步骤(1)中所述的氢气计量比St.a=1.2-1.5,空气计量比St.c=1.2-1.5。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,步骤(1)中所述的氢气计量比St.a=1.2,空气计量比St.c=1.5。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,步骤(2)中所述的电流加载速度为1-50A/s。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,步骤(2)中所述的电流加载速度为10-30A/s。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,步骤(2)中所述的暖机电流为100-300A。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,步骤(3)中所述的空气计量比St.c=1.01-1.05。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,步骤(3)中继续提高电流强度至150-500A。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)将St.a=1.2的氢气和St.c=1.5的空气通入燃料电池电堆,发生电化学反应;
(2)以15A/s电流加载速度进行加载至暖机电流145A;
(3)当电堆电流达到暖机电流145A时,降低空气计量比至1.01,使电堆从室温加热到50℃的时间不超过120s。
10.根据权利要求1-6任一项所述的一种燃料电池电堆启动方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)将St.a=1.2的氢气和St.c=1.5的空气通入燃料电池电堆,发生电化学反应;
(2)以15A/s电流加载速度进行加载至暖机电流290A;
(3)当电堆电流达到暖机电流290A时,降低空气计量比至1.05,使电堆从室温加热到50℃的时间不超过60s。
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