CN114447375A - 一种燃料电池系统停机吹扫方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统停机吹扫方法。其技术方案为：一种燃料电池系统停机吹扫方法，包括以下步骤：第一阶段吹扫：设定第一阶段预设温度，使燃料电池入口或出口冷却介质温度维持在大于等于第一阶段预设温度；加载电流，对燃料电池进行吹扫，直至监测到电压小于预设电压值；第二阶段吹扫：对电堆进行强制降温，向电堆通入气体进行吹扫；设定第二阶段预设温度，当燃料电池入口或出口流体介质温度低于第二阶段设定温度时，或达到设定的吹扫时间，或达到设定的电压均值或最小值，则停止降温和吹扫。本发明提供了一种吹扫效率高且避免冷凝水残留在电堆内的燃料电池系统停机吹扫方法。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统停机吹扫方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池在其工作的温度区间内，由于氢氧的电化学反应和化学反应，都会导致在反应区存在气态水和液态水。在质子交换膜燃料电池实际应用中，0℃以下的启动过程称为“低温冷启动”。冷启动过程中，由于电池温度低于水的冰点，故而上一次停机后电池内残留的水和电化学反应生成的水都存在结冰的可能。而电池堆内水结冰后，会有四大危害：1.结冰阻止反应气体传输、覆盖膜电极活性表面，减弱或阻止反应气到达反应界面；2.结冰形成的冰碴等容易损伤膜结构：造成膜鼓胀、穿孔或破裂，最终形成膜电极窜气、缺气、缺氢等情况，损坏电池；3.结冰导致反应速率减弱：低温启动时产热小，更加促进电化学反应后的产水结冰，如此恶性循环，最终导致低温启动失败，大大限制燃料电池堆及系统在低温环境下的正常使用；4.结冰后体积膨胀，还会在电池堆内产生应力，不仅损伤催化剂界面、多孔电极的基体材料，还会影响电池堆的流道，以及相应管道、密封结构等。
因此，在寒冷条件下，若膜电极表面及内部储水未能有效排出，含水量过高，低温下结冰会影响膜电极表面反应区域，极易导致冷启动失败，且在多次启停后将会对电池堆和膜电极产生永久性的损坏。而如果膜电极表面及内部储水含量过低，又会减弱质子膜的质子传导特性，导致冷启动时间变长、启动性能恶化等情况。
为保证电池堆和燃料电池系统在低温环境下的顺利、无损启动，则需将多孔电极内的水含量控制到合理的范围。同时，由于催化剂在高电位(＞0.85V)情况下易腐蚀失效，因此在停机吹扫期间，需严格控制高电位的产生及其持续时间。
在发明专利申请202010586864.1中提到的：燃料电池控制器控制负载电流为燃料电池堆额定输出电流的25％～30％，控制加热器和散热器使燃料电池堆的入口冷却水温度维持在60～65℃，控制空压机的转速使得空气流量为输出该负载电流条件下所需空气流量的10倍以上，通过单片电压巡检单元检测燃料电池堆各个单片电池电压直至各个单片电池电压的最低电压小于0.75V。此方案虽然考虑了吹扫温度和气量，然而未考虑：1.吹扫结束，冷却水温低于60℃后，电池堆内水蒸气会继续冷凝产水，将膜电极重新变湿润。2.控制空压机的转速使得空气流量为输出该负载电流条件下所需空气流量的10倍以上，这一气量要求太高，在增加空压机能耗的同时，还可能由于空压机性能限制无法达到这一气量，影响吹扫效果。
同时，本专利描述方案的第二阶段中，燃料电池控制器控制负载电流为0，控制加热器和散热器使燃料电池堆的入口冷却水温度维持在55～60℃，向电堆通入空气、氢气进行吹扫，这势必会造成膜电极的持续的开路高电位，会极大的缩短膜电极寿命。
发明专利申请202010047923.8的方案是：燃料电池系统执行低温吹扫，通过冷却系统将进入电堆的冷却液的温度调节至预设温度范围，使燃料电池系统内的水蒸气冷凝成液态水。这个方法虽然可避免停机吹扫结束后，由于堆温下降导致堆内产生凝露，从而将膜再次变潮湿的情况。但，吹扫期间温度越低，越不利于在尽量短的时间内将电池堆内的水蒸气和水排尽，会导致吹扫时间较长，停机时间较长，增加燃料电池系统部件功耗以及影响客户使用的体验感。
在发明专利202010240734.2中，提到的方案：以第一初始流量和第一吹扫下降速率对所述燃料电池进行吹扫；测量所述燃料电池的交流阻抗值，判断所述交流阻抗值是否达到第一交流阻抗值；若是，则以第二初始流量和第二吹扫下降速率对所述燃料电池进行吹扫；测量所述燃料电池的交流阻抗值，判断所述交流阻抗值是否达到第二交流阻抗值；若是，则以第三恒定流量对所述燃料电池进行吹扫，直至所述燃料电池的交流阻抗值达到目标交流阻抗。此方案的实现需要结合内阻仪监测燃料电池的交流阻抗值，在实际应用中，每套燃料电池系统都需额外配备一套交流阻抗仪，大大增加使用、维护成本。同时，本方案未考虑吹扫完成后，由于电池堆温度下降造成堆内水蒸气凝露，从而将膜再次变潮湿，导致的内阻再次降低的问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种吹扫效率高且尽量避免冷凝水残留在燃料系统内的，适合燃料电池系统低温储存的停机吹扫方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种燃料电池系统停机吹扫方法，包括以下步骤：
第一阶段吹扫：设定第一阶段预设温度，使燃料电池出口冷却介质温度维持在大于等于第一阶段预设温度；加载电流，对燃料电池进行吹扫，直至监测到电压均值或电压最小值小于预设电压值；
第二阶段吹扫：对电堆进行强制降温，向电堆通入气体进行吹扫；设定第二阶段预设温度，第二阶段预设温度低于第一阶段预设温度，当燃料电池入口或出口流体介质温度低于第二阶段设定温度时，或达到设定的吹扫时间，或达到设定的电压均值或最小值，则停止降温和吹扫；其中，流体介质温度为液体介质、氢气或者空气温度。
向电堆阳极通入氢气或向电堆阳极和/或阴极通入非反应气体或反应气体进行吹扫。
本发明将停机吹扫分两级：较高温度带载吹扫和降温吹扫。第一阶段吹扫时，使燃料电池出口冷却介质温度维持在大于等于第一阶段预设温度，可使电堆内的水蒸气和水快速排尽。而第二阶段中，通过对燃料电池系统和电堆的强制降温吹扫，可使系统内水蒸气迅速冷凝，并被吹扫气体迅速吹扫带出系统，避免第二阶段自然冷凝时时间过长，停机后无吹扫气导致的冷凝水残留在系统、电堆内，使膜电极含水量重新升高的问题。
从氢燃料电池电化学反应机理可知，带载电流(或电流密度)越小，电池电位会越高，膜电极产水量会越少。第一阶段通过加载电流密度较小的电流进行带载吹扫，可减少产水量，进一步缩短吹扫时间。并且，加载电流直至电压均值或电压最小值小于预设电压值，可保证加载的电流密度不至过小对应膜电极高电位，可避免高电位对膜电极寿命带来的影响。
作为本发明的优选方案，第二阶段中，向电堆通入气体时，向电堆阳极通入氢气或向电堆阳极和/或阴极通入非反应气体进行吹扫而将冷凝水带出电堆，从而电堆内不通入空气、可避免氢气和空气又在膜电极表面发生反应产生高电位，也避免额外的产水。
作为本发明的优选方案，第一阶段吹扫时，分为至少一个环节进行吹扫且加载的电流密度逐渐降低，各吹扫环节中的电压均值或电压最小值小于此环节预设电压值后进入下一环节加载电流的吹扫。
带载电流(或电流密度)越小，电池电位会越高，膜电极产水量会越少。但如果使用不带载吹扫的方式会使得膜电极存在长期高于0.85V的高电位，对膜电极寿命有很大影响。每个吹扫环节后，膜会变得更干，其质子传导、电化学反应能力下降，电池电位会逐渐降低。因此，如果后续环节再加载相同的电流密度，电池电位会更加低，故可在后续环节降低电流密度，仍能确保电池电位始终低于预设电压值，从而在保证不影响电池寿命的情况下，尽可能减少产水量，相应地尽可能提高吹扫效率。
作为本发明的优选方案，前四个环节中加载电流密度的范围分别为：第一环节0.05～0.4A/cm2、第二环节0.03～0.3A/cm2、第三环节0.02～0.2A/cm2、第四环节0.01～0.1A/cm2。
作为本发明的优选方案，前四个环节中吹扫空气的计量比范围分别为：第一环节1～30、第二环节1～25、第三环节1～25、第四环节1～25。
作为本发明的优选方案，前四个环节中预设电压值均在0～0.9V之间。
作为本发明的优选方案，第二阶段吹扫时，使用散热器对电堆进行强制降温，监测电堆流体介质进口或出口温度，到达设定值后，停止吹扫。
作为本发明的优选方案，第二阶段吹扫时，根据调试经验，设定吹扫时间，当第二阶段吹扫时间满足设定时间后，停止吹扫。
作为本发明的优选方案，第二阶段吹扫时，根据调试经验，设定平均电压或最小电压值，当第二阶段的平均电压或最小电压值达到设定值后，停止吹扫。
作为本发明的优选方案，第二阶段吹扫后，使用不进电堆的旁路气体稀释从电堆排出的气体，避免尾排气浓度超标。
作为本发明的优选方案，所述第一阶段预设温度大于等于50℃，所述第二阶段预设温度的范围为0～50℃。
本发明的有益效果为：
1.本发明将停机吹扫分两级：较高温度带载吹扫和降温吹扫。第一阶段吹扫时，使燃料电池出口冷却介质温度维持在大于等于第一阶段预设温度，可在较高温度时使电堆内水蒸气和水快速排尽。而第二阶段中，通过对电堆进行强制降温并吹扫，可使系统内水蒸气迅速冷凝，并被迅速吹离电堆和燃料电池系统，避免停机后自然冷凝耗时过长且冷凝水无吹扫气吹出、残留在电堆和燃料电池系统内，导致膜电极含水量重新升高的问题。
2.第一阶段通过加载电流密度较小的电流进行带载吹扫，可减少产水量，进一步缩短吹扫时间。并且，加载电流直至电压均值或电压最小值小于预设电压值，从而加载的电流密度不至过小，避免高电位对膜电极寿命带来影响。
3.第二阶段中，向电堆阳极通入氢气或向电堆阳极和/或阴极通入非反应气体进行吹扫而将冷凝水带出电堆，从而电堆内不通入空气可避免氢气和空气又在膜电极表面反应产生高电位，也避免额外产水。
4.随着第一阶段吹扫的进行，膜会变得更干，其质子传导、电化学反应能力下降，电池电位会逐渐降低。因此，如果后续环节再加载相同的电流密度，电池电位会更加低，故可在后续环节降低电流密度，仍能确保电池电位始终低于预设电压值，从而在保证不影响电池寿命的情况下，尽可能减少产水量，相应地尽可能提高吹扫效率。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例的燃料电池系统停机吹扫方法，包括以下步骤：
第一阶段吹扫：设定第一阶段预设温度为50℃，控制节温器使燃料电池入口或出口冷却介质温度维持在≥50℃，加载电流按从大到小的顺序分级，分至少一个环节：
比如，第一环节中，加载电流密度为0.4A/cm2的电流，开展带载吹扫。待平均节电压降至0.8V时，进入第二环节，加载电流密度为0.3A/cm2的电流，此时平均节电压回升到0.83V。但随着吹扫的进行、膜电极持续变干后，平均节电压持续下降。直到0.78V时，进入第三环节，切换电流密度为0.2A/cm2的电流继续吹扫，直到平均节电压下降到0.75V时，第一级“较高温度吹扫”阶段结束。
第二阶段吹扫：带载吹扫完毕后，此时温度高于预设的第二阶段预设温度。进入停机吹扫第二阶段“降温吹扫”阶段：运行散热器对电堆进行强制迅速降温。同时给燃料电池系统的阳极通入氢气或者向燃料电池系统的阴极和/或阳极通入二氧化碳等不发生电化学反应的气体，将燃电系统降温时系统内冷凝的水迅速吹扫离开燃料电池系统。直到燃料电池堆入口或出口流体介质温度降低至40℃，第二级降温吹扫结束，停机流程彻底结束。其中，流体介质温度为液体介质、氢气或者空气温度。
排出的氢气使用用不进堆的旁路空气或其他气体进行稀释排出的氢气，避免尾排气浓度超标。
本发明将停机吹扫分两级：较高温度带载吹扫和降温吹扫。第一阶段“较高温度带载吹扫”环节使用带载电流由大到小的分级吹扫方式；第二阶段“降温吹扫”环节采用强制降温、阳极吹扫的方式。第一阶段吹扫时，使燃料电池出口冷却介质温度维持在大于等于第一阶段预设温度，可使电堆内水蒸气和水快速排尽。而第二阶段中，通过电堆进行强制降温吹扫，可使系统内水蒸气迅速冷凝，并被迅速吹走，避免第二阶段自然冷凝时时间过长且冷凝水残留的问题。
从氢燃料电池电化学反应机理可知，带载电流(或电流密度)越小，电池电位会越高，膜电极产水量会越少。第一阶段通过加载电流密度较小的电流，进行带载吹扫，可减少产水量，进一步缩短吹扫时间。
在停机吹扫期间，如果使用不带载吹扫的方式会使得膜电极存在长期高于0.85V的高电位，对膜电极寿命有很大影响。因此停机吹扫期间需要带载吹扫以避免持续的高电位。加载电流直至电压均值或电压最小值小于预设电压值，从而加载的电流密度不至过小，避免高电位对膜电极寿命带来影响。
在第一阶段“较高温度吹扫”期间，使用带载电流密度由大到小的分级吹扫方式，在较大电流时保持电池电位不会高于0.85V，随着吹扫过程的进行，膜变干些后其质子传导、电化学反应能力下降，电池电位会逐渐降低达到判定值。此时程序设定将较大电流密度调低，电池电位虽会回升一部分，但仍不会高于0.85V。在这个条件下继续吹扫，电池电位又逐渐降低到达此吹扫电流下的判定值，程序设定更小电流的带载吹扫，如此继续直到最小的带载吹扫电流下对应电池电位到达设定值，第一阶段较高温度吹扫过程则结束。此阶段操作方式可极大的消除膜电极高电位或持续高电位对其寿命的影响，且可根据电池电位降低的情况逐渐降低吹扫气量，减小空压机能耗。通过加载电流密度从大到小的电流，但确保电池电位始终低于预设电压值，从而在保证不影响电池寿命的情况下，尽可能减少产水量，相应地尽可能提高吹扫效率。
第二阶段中，通过阳极吹扫的氢气和/或不会在阴极、阳极膜电极表面发生反应的气体(非反应气体)进行吹扫而将冷凝水带出电堆，从而电堆内不通入空气可避免氢气和空气又在膜电极表面反应产生高电位，也避免额外产水。
本发明的方案不依赖交流阻抗(内阻)仪来开展停机期间在线监测，可通过燃料电池系统现有的节电压监控设备来判断吹扫程度。因此可节约设备成本及能耗，能在更短的停机时间内将燃料电池内部水量吹扫到合适范围，从而提高燃料电池系统在零度以下条件下的低温储存性能和低温无损启动性能。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种燃料电池系统停机吹扫方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一阶段吹扫：设定第一阶段预设温度，使燃料电池入口或出口冷却介质温度维持在大于等于第一阶段预设温度；加载电流，对燃料电池进行吹扫，直至监测到电压均值或电压最小值小于预设电压值；
第二阶段吹扫：对电堆进行强制降温，向电堆通入气体进行吹扫；设定第二阶段预设温度，第二阶段预设温度低于第一阶段预设温度，当燃料电池入口或出口流体介质温度低于第二阶段设定温度时，或达到设定的吹扫时间，或达到设定的电压均值或最小值，则停止降温和吹扫。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统停机吹扫方法，其特征在于，第一阶段吹扫时，分为至少一个环节进行吹扫且加载的电流密度逐渐降低，各吹扫环节中的电压均值或电压最小值小于此环节预设电压值后进入下一环节加载电流的吹扫。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统停机吹扫方法，其特征在于，前四个环节中加载电流密度的范围分别为：第一环节0.05～0.4A/cm2、第二环节0.03～0.3A/cm2、第三环节0.02～0.2A/cm2、第四环节0.01～0.1A/cm2。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统停机吹扫方法，其特征在于，前四个环节中吹扫空气计量比范围分别为：第一环节1～30、第二环节1～25、第三环节1～25、第四环节1～25。
5.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统停机吹扫方法，其特征在于，前四个环节中预设电压值均在0～0.9V之间。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统停机吹扫方法，其特征在于，第二阶段吹扫时，使用散热器对电堆进行强制降温。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统停机吹扫方法，其特征在于，第二阶段吹扫后，使用不进电堆的旁路气体稀释从电堆排出的气体。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种燃料电池系统停机吹扫方法，其特征在于，所述第一阶段预设温度大于等于50℃，所述第二阶段预设温度的范围为0～50℃。
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