CN113097539A

CN113097539A - 一种燃料电池恢复方法

Info

Publication number: CN113097539A
Application number: CN202110394495.0A
Authority: CN
Inventors: 周鸿波; 郭志阳; 陆建山; 王勃
Original assignee: Jinhua Hydrogen Technology Co ltd
Current assignee: Jinhua Hydrogen Technology Co ltd
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2041-04-13
Also published as: CN113097539B

Abstract

本发明提出了一种燃料电池恢复方法，包括如下步骤：S1、检测燃料电池系统输出额定功率的衰减比例；判断额定功率的衰减比例是否大于衰减阈值；S2、系统自检是否符合恢复条件；S3、逐步降低阴极入口压力，阳极入口压力维持高于阴极压力，平均单片电压V0逐渐减低V1；若最低单片电压低于最低额定平均单片电压V2，则升高反应气体入口压力使最低单节电压高于最低额定平均单片电压V2；S4、通过循环步骤3中降低‑升高反应气体入口压力，完成燃料电池系统的性能恢复。通过该方法，燃料电池电堆的活化过程可以在整车上完成，驾驶员不必将车辆行驶至指定的维修点，电堆的恢复处理更加及时，能够有效避免由于恢复不及时而影响电堆的使用寿命。

Description

一种燃料电池恢复方法

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机系统技术领域，特别涉及一种燃料电池恢复方法。

背景技术

燃料电池电堆是燃料电池发动机系统最核心零部件之一，是由上百节单电池串联构成的一种发电装置。燃料电池系统在整车上长时间运行过程中，在实际应用中需要经历启停、负载周期循环以及低温冷启动等动态工况变化。动态工况包括物理方面和化学方面，物理方面：车辆在动态选行过程中由于电流载荷的瞬态变化引起反应气压力、温度、湿度等频繁波动，导致材料本身或部件结构的机械性损伤，化学方面：由于动态过程载荷的变化，引起电压波动，导致材料化学衰减尤其在启动、停车、怠速以及带有高电位的动态循环过程中材料性能会加速衰减，如催化剂的溶解和聚集，聚合物降解等。在启停工况等导致的电位循环作用下，作为氧化过程中的中间产物，如果Pt-Ox(-OH,-O)大量存在，则铂颗粒表面的氧气难以与质子和电子反应，表观来看，就是电堆性能下降。但在铂以离子态溶解之前，这些中间产物可以通过典型的操作工况如大电流低电位下进行电化学还原。

中国专利CN101582513B公开了一种质子交换膜燃料电池活化方法：步骤为①向阴极供应空气，阳极供应氢气，保持开路电压；②切断空气供应，降低开路电压；③供应空气使电压恢复初始开路电压；通过开路电压在0.2V~0.9V之间循环，还原阴极催化剂表面的氧化层，实现电极性能的恢复过程，该方法虽然可以恢复燃料电池性能然而带来不可逆损伤即燃料电池处于长时间的开路状态下，会对电极中质子交换膜造成较大不可逆的衰减，快速降低燃料电池的使用寿命。

另一方面，在较低的电势环境下，空气中的杂质如硫化物会吸附在催化层表面形成硫化膜（Pt-SO3-等），在车辆正常运行过程中催化层表面吸附的硫化物无法解吸从而导致燃料电池的劣化，随着硫化物吸附量的积累，导致燃料电池性能衰减严重从而导致车辆无法运行。

发明内容

本发明的目的在于克服不损伤燃料电池系统而提供的一种直接的可恢复安装在燃料电池车辆内的燃料电池电堆衰减性能而无需将燃料电池电堆从车辆上拆下来的方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种燃料电池恢复方法，包括如下步骤：

S1、检测燃料电池系统输出额定功率的衰减比例；判断额定功率的衰减比例是否大于衰减阈值，若是，进入下一步；若否，则燃料电池无需恢复；

S2、系统自检是否符合恢复条件；若是，进入下一步；若否，则无法恢复；

S3、在额定电流档位下，逐步降低阴极入口压力，降压步长为2~10KPa，间隔1~30秒，阳极入口压力维持高于阴极压力0~30KPa，平均单片电压V0逐渐减低V1；若最低单片电压低于最低额定平均单片电压V2，则升高反应气体入口压力使最低单节电压高于最低额定平均单片电压V2，升压步长2~10KPa，间隔1~30秒，所述V0为0.6~0.7V，V1为0.3~0.5V，V2为0.2~0.3V；

S4、通过循环步骤3中降低-升高反应气体入口压力，实现电堆的平均单片电压在V0~V1之间循环若干次，直到额定功率衰减比例低于衰减阈值，完成燃料电池系统的性能恢复。

作为优选，所述步骤S1中，额定功率的衰减比例检测方法如下：计算标定输出功率与实际输出功率的差值，得到功率的下降值，再通过计算功率的下降值与标定输出功率的比值，得到额定功率的衰减比例。

作为优选，所述步骤S1中衰减阈值为初始功率的2~20%。

作为优选，所述步骤S1中衰减阈值为初始功率的5~10%.

作为优选，所述步骤S3中的降压步长为2~5KPa，间隔为5~20秒；升压步长为2~5KPa，间隔为5~20秒。

作为优选，所述步骤S3中阳极入口压力维持高于阴极压力0~20KPa。

作为优选，所述步骤S4中实现电堆的平均单片电压在V0~V1之间循环次数为3~6次。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种燃料电池恢复方法，通过该方法，燃料电池电堆的活化过程可以在整车上完成，驾驶员不必将车辆行驶至指定的维修点，电堆的恢复处理更加及时，能够有效避免由于恢复不及时而影响电堆的使用寿命，同时，便于驾驶员对车辆进行维护保养，改善驾驶员的使用感受；

2、通过本发明的方法可样可以在较低的还原电势同时在额定电流下阴极产生较多的水环境下，吸附在催化层表面的硫化物在小液滴的环境下排出电池外面，达到净化阴极催化层上由空气中硫化物带来的杂质，从而恢复燃料电池的输出性能，通过还原阴极催化层表面的氧化膜而恢复燃料电池的性能输出，同时可以额外的提供恢复环境用于解吸阴极催化层上由空气中硫化物带来的杂质的优点，从而延长燃料电池的使用寿命。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种燃料电池恢复方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

当系统检测到额定输出功率衰减比例大于衰减阈值，开始运行燃料电池性能恢复程序，通过控制器调节控制参数使反应物入口压力逐步降低，以至于平均单片电压逐渐降低，低于0.6V以下的电位可为阴极侧提供还原电势环境从而去除阴极催化剂表面上的形成的氧化物膜（Pt-Ox（-OH,-O）等）而恢复电极的催化活性和燃料电池性能，首先当系统检测到额定输出功率衰减比例大于衰减阈值时，系统自检是否具有恢复条件，由于在燃料电池性能恢复过程中需要持续的消耗氢气，并且在恢复过程中，燃料电池电堆持续的输出功率为动力电池SOC充电，因此要保证动力电池的电量不能太高，避免过冲问题，首先要监测氢气存储量充足同时动力电池SOC值要小于或等于预设的电量阈值，此时认为燃料电池车辆满足恢复条件，本发明的性能恢复期间，在阴极出发生的催化层氧化膜还原反应如下：

Pt-O + H+ +e- →Pt-OHads；

Pt-OHads + H+ +e- →Pt + H2O。

实施例一：

参阅图1，本发明一种燃料电池恢复方法，包括如下步骤：

S1、检测燃料电池系统输出额定功率的衰减比例：计算标定输出功率与实际输出功率的差值，得到功率的下降值，再通过计算功率的下降值与标定输出功率的比值，得到额定功率的衰减比例；判断额定功率的衰减比例是否大于衰减阈值；若是，进入下一步；若否，则燃料电池无需恢复；所述衰减阀值为初始功率的2%；

S3、在额定电流档位下，逐步降低阴极入口压力，降压步长为2KPa，间隔1秒，阳极入口压力维持高于阴极压力0Pa，平均单片电压V0逐渐减低V1；若最低单片电压低于最低额定平均单片电压V2，则升高反应气体入口压力使最低单节电压高于最低额定平均单片电压V2，升压步长2KPa，间隔1秒，所述V0为0.6V，V1为0.3V，V2为0.2V；

S4、通过循环步骤3中降低-升高反应气体入口压力，实现电堆的平均单片电压在V0~V1之间循环6次，额定功率衰减比例低于衰减阈值，完成燃料电池系统的性能恢复。

实施例2：

S1、检测燃料电池系统输出额定功率的衰减比例；计算标定输出功率与实际输出功率的差值，得到功率的下降值，再通过计算功率的下降值与标定输出功率的比值，得到额定功率的衰减比例；判断额定功率的衰减比例是否大于衰减阈值；若是，进入下一步；若否，则燃料电池无需恢复；所述衰减阀值为初始功率的10%；

S3、在额定电流档位下，逐步降低阴极入口压力，降压步长为6KPa，间隔15秒，阳极入口压力维持高于阴极压力15KPa，平均单片电压V0逐渐减低V1；若最低单片电压低于最低额定平均单片电压V2，则升高反应气体入口压力使最低单节电压高于最低额定平均单片电压V2，升压步长6KPa，间隔15秒，所述V0为0.65V，V1为0.4V，V2为0.25V；

S4、通过循环步骤3中降低-升高反应气体入口压力，实现电堆的平均单片电压在V0~V1之间循环4次，额定功率衰减比例低于衰减阈值，完成燃料电池系统的性能恢复。

实施例三：

S1、检测燃料电池系统输出额定功率的衰减比例：计算标定输出功率与实际输出功率的差值，得到功率的下降值，再通过计算功率的下降值与标定输出功率的比值，得到额定功率的衰减比例；判断额定功率的衰减比例是否大于衰减阈值；若是，进入下一步；若否，则燃料电池无需恢复；所述衰减阀值为初始功率的20%；

S3、在额定电流档位下，逐步降低阴极入口压力，降压步长为10KPa，间隔30秒，阳极入口压力维持高于阴极压力30Pa，平均单片电压V0逐渐减低V1；若最低单片电压低于最低额定平均单片电压V2，则升高反应气体入口压力使最低单节电压高于最低额定平均单片电压V2，升压步长10KPa，间隔30秒，所述V0为0.7V，V1为0.5V，V2为0.3V；

S4、通过循环步骤3中降低-升高反应气体入口压力，实现电堆的平均单片电压在V0~V1之间循环3次，额定功率衰减比例低于衰减阈值，完成燃料电池系统的性能恢复。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种燃料电池恢复方法，其特征在于，包括如下步骤： S1、检测燃料电池系统输出额定功率的衰减比例；判断额定功率的衰减比例是否大于衰减阈值，若是，进入下一步；若否，则燃料电池无需恢复； S2、系统自检是否符合恢复条件；若是，进入下一步；若否，则无法恢复； S3、在额定电流档位下，逐步降低阴极入口压力，降压步长为2~10KPa，间隔1~30秒，阳极入口压力维持高于阴极压力0~30KPa，平均单片电压V0逐渐减低V1；若最低单片电压低于最低额定平均单片电压V2，则升高反应气体入口压力使最低单节电压高于最低额定平均单片电压V2，升压步长2~10KPa，间隔1~30秒，所述V0为0.6~0.7V，V1为0.3~0.5V，V2为0.2~0.3V；S4、通过循环步骤3中降低-升高反应气体入口压力，实现电堆的平均单片电压在V0~V1之间循环若干次，直到额定功率衰减比例低于衰减阈值，完成燃料电池系统的性能恢复。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池恢复方法，其特征在于，所述步骤S1中，额定功率的衰减比例检测方法如下：计算标定输出功率与实际输出功率的差值，得到功率的下降值，再通过计算功率的下降值与标定输出功率的比值，得到额定功率的衰减比例。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池恢复方法，其特征在于，所述步骤S1中衰减阈值为初始功率的2~20%。

4.如权利要求3所述的一种燃料电池恢复方法，其特征在于，所述步骤S1中衰减阈值为初始功率的5~10%。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池恢复方法，其特征在于，所述步骤S3中的降压步长为2~5KPa，间隔为5~20秒；升压步长为2~5KPa，间隔为5~20秒。

6.如权利要求1所述的一种燃料电池恢复方法，其特征在于，所述步骤S3中阳极入口压力维持高于阴极压力0~20KPa。

7.如权利要求1所述的一种燃料电池恢复方法，其特征在于，所述步骤S4中实现电堆的平均单片电压在V0~V1之间循环次数为3~6次。