CN114024005B - 一种具有快速停机功能的燃料电池系统及停机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有快速停机功能的燃料电池系统及停机控制方法，系统包括燃料电池电堆、空压机、储氢罐、单体电池电压采集单元和N个放电电路；燃料电池电堆被划分为N个电池单元，每个电池单元至少包括一片单体电池，每个电池单元与一个放电电路连接；放电电路包括控制开关和负温度系数热敏电阻，负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而降低。由于电堆卸载后，燃料电池内部的反应气体逐渐减少，对放电负载的需求也逐渐减少，本发明利用负温度系数热敏电阻随着温度升高电阻值降低的特性，实现了燃料电池停机过程中的自然变阻放电，在加快放电速度的前提下，防止了电堆反极，保护了电堆。

Description

一种具有快速停机功能的燃料电池系统及停机控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种具有快速停机功能的燃料电池系统及停机控制方法。
背景技术
燃料电池可以把燃料的化学能直接转化为电能，清洁高效，被认为是终极清洁能源。目前质子交换膜燃料电池已经商业化应用，但是成本高、寿命短、安全管理要求高等因素阻碍了质子交换膜燃料电池的大规模推广与应用。特别是应用于交通运输领域的燃料电池，燃料电池汽车运行工况复杂，需要频繁停开机，对燃料电池的启停寿命要求高，因此，如何对燃料电池进行合理管理，实现其高启停寿命是目前面临的一大难题。
燃料电池以氢气为燃料，空气为氧化剂，在系统停止运行后，阳极管道内会残留一定量的氢气，阴极管道内会残留一定量的空气。因此，即使不再向电堆内供应燃料气体，电堆两端也还存在高电位。同时，长时间存放时，由于存在浓度差，空气会从阴极透过膜达到阳极，也会通过管道渗入，从而在阳极管道内形成氢-氧的混合气体，产生氢空界面的现象。氢氧混合气体在达到爆炸限后不仅存在爆炸的风险，并且会对燃料电池电堆内部组件的寿命产生很大的影响。
现有的燃料电池停机控制方法主要分为以下几类：第一类是在停机后，使用直流变换装置控制电堆的输出电流，并向母线上的锂电池充电。这个方法的不足之处在于停机状态下电堆内部的气体分布状态不均匀，电堆电压下降速度快、幅度大，在拉载末期容易引起电堆反极的现象；直流变换装置过高的升压比也对其内部电路元器件有损伤。第二类是使用定值电阻放电，如中国专利CN103259031A中公开的一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，将整个燃料电池电堆分成若干电池模块，每个电池模块包括一个或多个单体电池，在每一个电池模块上连接一个模块化放电电路，模块化放电电路由一个控制开关，一个辅助负载和一个晶体二极管相互串联组成，在放电时接通放电电路，利用纯阻性的辅助负载消耗燃料电池内部的剩余气体。
对于定值电阻放电的方式而言，当定值电阻阻值过大时，会导致放电时间长，停机速度慢，而在定值电阻阻值过小的情况下，放电电流大，电压下降速度快，虽然加快了停机速度，但是由于电池内部组分分布不均匀导致的反极现象将会发生。
发明内容
发明人研究发现，使用定值电阻作为放电负载对电池电堆放电存在以下不足：
1)、理想情况下，为电堆中的每个单体电池并联一个定值电阻，各个单体电池的放电电路单独控制，分别对每一个单体电池进行放电，定值电阻的阻值可以较小，能够快速放电，加快停机速度，但是由于单体电池数量非常多，考虑到成本、体积和实现难度，难以集成化布置，因此这种放电方式难以实车应用；
2)、将电堆划分为多个模块，每个模块包括多个单体电池，每个模块上并联一个定值电阻，分别对每一个模块进行放电，降低了控制难度。但是，一方面，在阻值较小的情况下，放电速度快，如果不及时断开放电电路，由于模块内部每个单体电池内的气体分布是不均匀的，气体分布较少的单体电池会迅速耗尽气体，气体分布较多的单体电池仍在放电，这些气体分布较少的单体电池的电压会迅速下降至负压，造成单体电池反极化现象的发生，损伤燃料电池，如果过早断开放电电路，则仍有部分单体电池的内部残留较多的气体；另一方面，如果定值电阻的阻值较大，那么放电过程中的电流较小，放电过程慢，导致燃料电池的停机速度较慢，不满足要求。
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具有快速停机功能的燃料电池系统及停机控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有快速停机功能的燃料电池系统，包括燃料电池电堆、空压机、储氢罐、单体电池电压采集单元和N个放电电路，N为正整数；所述燃料电池电堆被划分为N个电池单元，每个电池单元至少包括一片单体电池，每个电池单元与一个放电电路连接；所述放电电路包括控制开关和负温度系数热敏电阻，所述负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而降低，负温度系数热敏电阻在放电过程中由于耗电而发热，随着温度升高电阻值变小，从而消耗的功率也降低，与燃料电池电堆管道中燃料逐渐减少同步，可以更充分地放电且不会引起反极。
优选的，为了保证在燃料电池电堆工作温度范围内负温度系数热敏电阻能正常工作，所述负温度系数热敏电阻的工作温度范围覆盖-50℃～100℃。
优选的，根据燃料电池电堆的停机放电要求，所述放电电路的电流为90mA/cm2～350mA/cm2。
优选的，所述放电电路上还包括与负温度系数热敏电阻串联/并联/串并联的辅助电阻。
优选的，所述辅助电阻为定值电阻。
优选的，所述辅助电阻为可变电阻。
优选的，所述燃料电池电堆包括N片单体电池，每个电池单元包括一片单体电池，每片单体电池连接一个放电电路。
优选的，为了燃料电池系统集成和管理方便，所述放电电路集成在单体电池电压采集单元中。
一种使用如上所述的具有快速停机功能的燃料电池系统的停机控制方法，所述燃料电池系统还包括氢气减压阀、氢气入口阀、氢气出口阀、空气入口阀和空气出口阀，控制方法具体为：
接收停机命令后，关闭燃料电池电堆的系统负载，空压机正常工作，关闭氢气减压阀和氢气出口阀，接通各个放电电路的控制开关；
当单体电池电压采集单元检测到单体电池的电压达到预设置的阈值时，断开各个放电电路的控制开关，关闭氢气入口阀、空气入口阀和空气出口阀，空压机停止工作。
优选的，预设置的阈值为0.1V～0.2V。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)将电堆划分为电池单元，为每个电池电压连接放电电路，放电电路上设有控制开关和负温度系数热敏电阻，由于电堆卸载后，燃料电池内部的反应气体逐渐减少，对放电负载的需求也逐渐减少，利用负温度系数热敏电阻随着温度升高电阻值降低的特性，实现了燃料电池停机过程中的自然变阻放电，在加快放电速度的前提下，防止了电堆反极，保护了电堆。
(2)放电电路由负温度系数热敏电阻、控制开关组成，成本低，且易于集成，可以集成在单体电压采集单元电路内，不用增设其他部件，易于管理与控制。
(3)负温度系数热敏电阻还可以串联/并联/串并联辅助电阻，以适应放电功率要求不同的燃料电池系统。
附图说明
图1为实施例1中具有快速停机功能的燃料电池系统的架构图；
图2为实施例2中具有快速停机功能的燃料电池系统的架构图；
图3为负温度系数热敏电阻并联辅助电阻后放电电路的阻值变化图；
图4为负温度系数热敏电阻串联辅助电阻后放电电路的阻值变化图；
附图标记：1、燃料电池电堆，2、控制开关，3、负温度系数热敏电阻，4、双极板端板，5、空气出口阀，6、氢气出口阀，7、空气入口阀，8、空压机，9、储氢罐，10、氢气减压阀，11、氢气入口阀，12、辅助电阻。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种具有快速停机功能的燃料电池系统，如图1所示，包括燃料电池电堆1、空压机8、储氢罐9、单体电池电压采集单元(图中未示出)和N个放电电路，N为正整数；燃料电池电堆1被划分为N个电池单元，每个电池单元至少包括一片单体电池，每个电池单元与一个放电电路连接；放电电路包括控制开关2和负温度系数热敏电阻3，负温度系数热敏电阻3的阻值随温度升高而降低，负温度系数热敏电阻3在放电过程中由于耗电而发热，随着温度升高电阻值变小，从而消耗的功率也降低，与燃料电池电堆1的管道中氢气逐渐减少同步，从而可以更充分地放电且不会引起反极。为了燃料电池系统集成和管理方便，放电电路可以集成在单体电池电压采集单元中。
为了保证在燃料电池电堆1工作温度范围内负温度系数热敏电阻3能正常工作，负温度系数热敏电阻3的工作温度范围覆盖-50℃～100℃。
各个单体电池电压基本一定，但是电流跟单体电池的面积有关，每个厂家的单体电池面积存在差异，根据燃料电池电堆1的停机放电要求，放电电路的电流为90mA/cm2～350mA/cm2，描述的是单位面积膜电极的放电电流，本质上就是负温度系数热敏电阻3与单体电池的关系。
为了使燃料电池电堆1卸载(即燃料电池电堆1的系统负载关闭)后能快速且均匀的放电，将燃料电池电堆1分成若干电池单元，以第一个电池单元为例，燃料电池电堆1的双极板端板4、控制开关2、热敏电阻3与燃料电池电堆1中某个双极板连接构成放电回路。
燃料电池电堆1被分成的电池单元数量可根据燃料电池电堆1特性决定，即如果燃料电池电堆1由N个单体电池组成，则燃料电池可分成1～N个电池单元。每个单体电池单独构成一个放电回路的效果最好，即划分为N个电池单元，每个电池单元包括一片单体电池，每片单体电池连接一个放电电路。但是考虑到成本、系统复杂度和控制难度，也可以将多个串联的单体电池划分为一个电池单元。如果燃料电池电堆1设计均一性好，不同单体电池之间的差异小，且管道气流分布均匀，则被划分的电池单元可以越少。值得说明的是，燃料电池电堆1划分的电池单元可以不均等划分，即各个电池单元可以由不同数量单体电池组成，在此情况下，每个电池单元的放电电路的负温度系数热敏电阻3的选型也会相应发生变化，可以根据经验，经过简单计算和测试后确定。
相较于使用阻值可以调控的可变电阻，本申请不需要复杂的阻值调节系统，完全依靠负温度系数热敏电阻3因放热而导致的阻值变化，更利用集成化布置，有利于实车应用。
实施例2：
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，各个放电电路的负温度系数热敏电阻3还并联有一个辅助电阻12，相当于负温度系数热敏电阻3与辅助电阻12并联后与控制开关2串联。与单独的负温度系数热敏电阻3相比，在相同温度下，并联辅助电阻12后放电电路的阻值更低，因此对于放电功率要求小的燃料电池系统，可通过给负温度系数热敏电阻3并联一个辅助电阻12而获得符合要求的放电电路。
同理，对于放电功率要求大的燃料电池系统，可以给负温度系数热敏电阻3串联一个辅助电阻12，从而获得相同温度下阻值更高的放电电路。根据实际需要，放电电路上还可以设置多个辅助电阻12，与负温度系数热敏电阻3串并联。具体的，根据实际需要，辅助电阻12可以为定值电阻，也可以为阻值可变的可变电阻。同样的，在电池单元不均等划分时，各个放电电路的负温度系数热敏电阻3的选型会相应发生变化，各个放电电路的辅助电阻12的大小和连接方式也可以进行相应的调整。
本实施例中，辅助电阻12为定值电阻，随温度升高其阻值会略有上升，辅助电阻12与负温度系数热敏电阻3并联后，放电电路的阻值随温度的变化如图3所示，辅助电阻12与负温度系数热敏电阻3串联后，放电电路的阻值随温度的变化如图4所示。
实施例3：
本申请还包括一种停机控制方法，使用一种具有快速停机功能的燃料电池系统实现，如图1和图2所示，燃料电池系统还包括氢气减压阀10、氢气入口阀11、氢气出口阀6、空气入口阀7和空气出口阀5，控制方法具体为：
接收停机命令后，关闭燃料电池电堆1的系统负载，空压机8正常工作，关闭氢气减压阀10和氢气出口阀6，接通各个放电电路的控制开关2；
当单体电池电压采集单元检测到单体电池的电压达到预设置的阈值时，断开各个放电电路的控制开关2，关闭氢气入口阀11、空气入口阀7和空气出口阀5，空压机8停止工作。其中，根据不同燃料电池电堆1的要求确定预设置的阈值的大小，本实施例中，根据燃料电池电堆1的一般要求，预设置的阈值为0.1V～0.2V。
步骤S1中关闭氢气减压阀10和氢气出口阀6，接通控制开关2后，放电电路相当于燃料电池电堆1的系统负载，放电电路的负温度系数热敏电阻3工作而消耗燃料电池电堆1的阳极管道中的剩余氢气，氢气减压阀10关闭后，储氢罐9内的氢气不再流向燃料电池电堆1。因为没有氢气供应，管道中氢气越来越少，因此输出功率也会随着降低，而随着负温度系数热敏电阻3的工作，其发热温度不断上升，对于负温度系数热敏电阻3来说，温度越高，阻值越小，因此负载需求会越小，与阳极管道中氢气浓度的降低自适应匹配，不会因为在电堆无能力输出时而出现反极。同时随着氢气的消耗，电堆阳极管道内形成负压，从氢气减压阀10至氢气出口阀6之间的管道中的氢气会被吸入燃料电池电堆1阳极管道中参加反应，因此管道中的氢气完全消耗而不会排出电堆1的外部，避免了长时间储存过程中空气的渗入而引起的氢空界面现象。
步骤S2中当检测到燃料电池电堆1某个电池单元的单体电池电压达到0.1～0.2V时，说明阳极管道氢气耗尽，此时关闭空气管路，即关闭空气入口阀7和空气出口阀5，同时关闭氢气入口阀11，空压机8停止工作，停机完成。此时阳极管道中为近真空，阴极管道为空气，在燃料电池电堆1存储过程中，阴极的空气会微量透过膜进入阳极，但是其量很小，下次启动电堆前氢气通入时，存在氢-氧界面的时间会比停机用空气吹扫阳极的方法少，因此该停机方法更有利于增加电堆的性能的寿命。
目前几乎所有的燃料电池电堆1都有单体电压采集单元，本发明只需将燃料电池电堆1划分为若干个电池单元后为每个电池单元设置放电电路即可，放电电路结构简单，由控制开关2、热敏电阻3、辅助电阻12(根据需要设置)组成，可以集成于单体电压采集电路中，共同使用探测引脚，更便于使用和控制。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种停机控制方法，其特征在于，基于一种具有快速停机功能的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆（1）、空压机（8）、储氢罐（9）、单体电池电压采集单元和N个放电电路，N为正整数；所述燃料电池系统还包括氢气减压阀（10）、氢气入口阀（11）、氢气出口阀（6）、空气入口阀（7）和空气出口阀（5）；所述燃料电池电堆（1）被划分为N个电池单元，每个电池单元至少包括一片单体电池，每个电池单元与一个放电电路连接；所述放电电路包括控制开关（2）和负温度系数热敏电阻（3），所述负温度系数热敏电阻（3）的阻值随温度升高而降低；所述放电电路上还包括与负温度系数热敏电阻（3）串联/并联/串并联的辅助电阻（12）；
具体的，停机控制方法具体为：
接收停机命令后，关闭燃料电池电堆（1）的系统负载，空压机（8）正常工作，关闭氢气减压阀（10）和氢气出口阀（6），接通各个放电电路的控制开关（2）；
当单体电池电压采集单元检测到单体电池的电压达到预设置的阈值时，断开各个放电电路的控制开关（2），关闭氢气入口阀（11）、空气入口阀（7）和空气出口阀（5），空压机（8）停止工作。
2.根据权利要求1所述的一种停机控制方法，其特征在于，所述负温度系数热敏电阻（3）的工作温度范围覆盖-50℃~100℃。
3.根据权利要求1所述的一种停机控制方法，其特征在于，所述放电电路的电流为90mA/cm2~350mA/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种停机控制方法，其特征在于，所述辅助电阻（12）为定值电阻。
5.根据权利要求1所述的一种停机控制方法，其特征在于，所述辅助电阻（12）为可变电阻。
6.根据权利要求1所述的一种停机控制方法，其特征在于，所述燃料电池电堆（1）包括N个电池单元，每个电池单元包括一片单体电池，每片单体电池连接一个放电电路。
7.根据权利要求1所述的一种停机控制方法，其特征在于，所述放电电路集成在单体电池电压采集单元中。
8.根据权利要求1所述的一种停机控制方法，其特征在于，预设置的阈值为0.1V~0.2V。
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