CN114976132B - 一种用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术无法在低氧环境中在线实时调节电堆活性的问题。该方法包括：S1.将电堆的空气入口与活性可逆的空气调控装置连接；该空气调控装置包括氧分离装置、空压机、调压阀和分配阀；分配阀的输入端一经空压机接氧分离装置的氧气出口，输入端二接氧分离装置的氮气出口，输出端接电堆的空气入口；调压阀设于电堆的空气尾气出口；S2.启动设有上述电堆和空气调控装置的燃料电池系统；S3.定时监测空气调控装置的运行参数识别该装置是否需要活化，一旦需要，关闭燃料电池系统后对该装置内活性材料进行活化调整，否则，继续维持燃料电池系统的运行状态不变。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法。
背景技术
燃料电池系统是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的装置。其通常包含电堆和外围的氢气、空气、冷却设备等零部件。目前，燃料电池系统主要应用于氢能燃料电池汽车中。氢能燃料电池汽车是一种具有广阔发展应用前景的新能源汽车，具有加氢时间短、续驶里程长等诸多优点。
而燃料电池系统应用于飞机等高空场景或地下密闭环境中，由于空气稀薄，需要非常大的压缩比才能将空气压缩到氢氧高效燃烧反应所需的压力，这将导致电堆的能源转换效率非常低。氧分压是燃料电池系统内部反应的关键参数，空气中79%的氮气并不参与反应。
并且，现有燃料电池电堆的活化控制大多是耐久性测试，无法应用于低氧环境中在线实时调节电堆的活性。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，用以解决现有技术无法在低氧环境中在线实时调节电堆活性的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，包括如下步骤：
S1.将电堆的空气入口与活性可逆的空气调控装置连接；该空气调控装置包括氧分离装置、空压机、调压阀和分配阀；分配阀的输入端一经空压机接氧分离装置的氧气出口，输入端二接氧分离装置的氮气出口，输出端接电堆的空气入口；调压阀设于电堆的空气尾气出口；
S2.启动设有上述电堆和空气调控装置的燃料电池系统；
S3.定时监测空气调控装置的运行参数识别该空气调控装置是否需要活化，一旦需要，关闭燃料电池系统后对该空气调控装置内活性材料进行活化调整，否则，继续维持该燃料电池系统的运行状态不变。
上述技术方案的有益效果如下：为了提高低氧环境中电堆的活性，在电堆的空气侧设置了活性可逆的空气调控装置，通过氧分离装置、空压机提高入堆气体的氧分压，并在燃料电池系统启动后，定时监测空气调控装置的运行参数，对空气调控装置的活化状态进行识别，一旦活化状态较差，及时对空气调控装置进行活性调整，将活性物质还原，从而保证了燃料电池的能量转换效率。
基于上述方法的进一步改进，所述氧分离装置中的高透膜采用活性可逆的含钡钙钛矿氧化物材质。
进一步，所述空气调控装置还包括空气过滤器；其中，
所述空气过滤器设于氧分离装置的输入端，其内部采用活性可逆的活性炭纤维作为过滤材料。
进一步，该空气调控装置还包括密封阀；其中，
所述氧分离装置的氮气出口分成两路，一路接密封阀，另一路接分配阀的输入端二。
进一步，该空气调控装置还包括空气循环装置；其中，
所述空气循环装置的输入端与电堆的空气尾气出口连接，其输出端与分配阀的输出端并联后与电堆的空气入口连接。
进一步，所述步骤S1进一步包括：
S11.搭建活性可逆的空气调控装置，并确定该装置中每一活性物质对应的还原温度；所述活性物质包括氧分离装置中的高透膜、空气过滤器中的过滤材料中的至少一种；
S12.接收到开机指令后，将电堆接入上述空气调控装置，并控制空气调控装置中分配阀的输出端关闭。
进一步，所述步骤S2进一步包括：
S21.将电堆分别与外设的氢气控制装置、冷却液控制装置连接，建立用于低氧环境的燃料电池系统；
S22.对氧分离装置内高透膜执行加热，直到其温度达到高效分离的预设温度后，向氧分离装置内通入空气；
S23.获取当前时刻电堆所处位置的大气压P 1、大气含氧量m，以及氧分离装置输出的氧气气压P 2，结合电堆预设氧分压P，通过下面公式得出空压机的理论转速V，调整空压机的运行状态至该理论转速V
V=f（P 1，P 2，P，m）
式中，f（）为拟合函数；
S24.控制分配阀的输出端打开，并调整分配阀的开度至理论开度m，同步开启电堆的氢气供应，使得电堆空侧压力P始终等于电堆氢侧压力，以正常运行燃料电池系统。
进一步，所述步骤S3进一步包括：
S31.定时获取电堆的输出电流，识别燃料电池系统是否处于正常运行状态；如果处于正常运行状态，执行下一步，否则，维持燃料电池系统的运行状态不变；
S32.分别获取氧分离装置的输入端处气体压力P 1、氧气出口处气体压力P 2，得出氧分离装置的输入端-氧气出口气体压差P 2-P 1；
S33.根据该压差P 2-P 1的绝对值与阈值P 0比较识别氧分离装置内高透膜是否需要活化，如果是，控制燃料电池关机后，设置活化标记位为1，并执行下一步，否则，维持燃料电池系统的运行状态不变，设置活化标记位为0；
S34.对空气过滤器内的过滤材料通电，使活性炭纤维的温度升高，从而实现空气过滤器的活性再生；
S35.对氧分离装置执行800℃以上的高温活化加热，直到加热时间达到设定值t判定高透膜中活性物质已被还原，关闭氧分离装置后，再根据用户的开机指令执行燃料电池系统的开机。
进一步，所述空气调控装置还包括CO2吸附装置；其中，
所述CO2吸附装置设于分配阀的输出端与燃料电池的空气入口之间，用于对入堆气体中的CO2进行吸附。
进一步，该燃料电池电堆活化控制方法还包括如下步骤：
S4.在电堆的出堆空气压力达到设定压力P后，关闭调压阀，并控制分配阀输入端一打开、输入端二关闭；
S5.启动空气循环装置，以仅通入氧气至电堆，并打开密封阀；
S6.获取空气循环装置外的大气压力，空气各成分占比，确定保证氧分离装置的氮气出口至分配阀的输入端二段内的气体压力达到常压对应的密封阀的开启频率；
S7.控制密封阀工作于上述开启频率，以将氮气连续不断地持续送出电堆。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、对燃料电池系统的空气调控装置及调控方法进行了改进，通过同一套设备实现了电堆的供电控制和活性调节。
2、该方法可通用于各类工况环境，特别是，可应用于高空、密闭等低氧环境。
3、通过设置氧分离装置、氧气循环装置，能够有效提高燃料电池系统在低氧环境下使用时的氧分压，进而保证燃料电池系统在整个使用过程中的能量转换效率，保证氢气与氧气的充分燃烧。
4、通过设置CO2吸附装置，有效提高了燃料电池电堆的使用耐久性。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法的步骤示意图；
图2示出了实施例1方法使用的空气调控装置示意图；
图3示出了实施例2方法使用的空气调控装置示意图；
图4出了实施例2方法中主要的控制原理示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1.将电堆的空气入口与活性可逆的空气调控装置连接；该空气调控装置包括氧分离装置、空压机、调压阀和分配阀；分配阀的输入端一经空压机接氧分离装置的氧气出口，输入端二接氧分离装置的氮气出口，输出端接电堆的空气入口；调压阀设于电堆的空气尾气出口，如图2所示；
S2.启动设有上述电堆和空气调控装置的燃料电池系统；
S3.定时监测空气调控装置的运行参数识别该空气调控装置是否需要活化，一旦需要，关闭燃料电池系统后对该空气调控装置内活性材料（至少包括氧分离装置内高透膜）进行活化调整，否则，继续维持该燃料电池系统的运行状态不变。
步骤S3中，活化调整方法除了实施例2所述高温活化方法外，还可参见中国科学技术大学的博士论文《高稳定性陶瓷透氧膜及膜过程研究》，采用还原性气氛对活性物质进行还原。
需说明的是，该空气调控装置还可根据实际功能需求添置其他设备，本领域技术人员能够理解。
现有氧分离装置的结构可参见现有公开专利CN201380039222.8、CN201920525750.9、CN202120461920.9等所述。
实施时，燃料电池系统包括电堆以及空气控制支路、氢气控制支路、冷却液控制支路，可参见专利CN202011171825.1等，本实施例是对其空气控制支路的改进。
与现有技术相比，本实施例为了提高低氧环境中电堆的活性，在电堆的空气侧设置了活性可逆的空气调控装置，通过氧分离装置、空压机提高入堆气体的氧分压，并在燃料电池系统启动后，定时监测空气调控装置的运行参数，对空气调控装置的活化状态进行识别，一旦活化状态较差，及时对空气调控装置进行活性调整，将活性物质还原，从而保证了燃料电池的能量转换效率。
实施例2
在实施例1方法的基础上进行改进，所述氧分离装置中的高透膜采用活性可逆的含钡钙钛矿氧化物材质。含钡钙钛矿氧化物表面析出的氧化钡纳米粒子对氧活化具有超高活性，该粒子也是氧交换反应的活性位点，因此可以用来制备高透膜，实现对空气中氧气的高效分离，适合多种场景下的燃料电池系统应用。
氧气分离装置通常为具有高透膜的气体装置，高透膜为新型材料制作的膜。含钡钙钛矿氧化物高透膜在高温700 ℃下，将空气高效地分离成氧气和氮气。
优选地，所述空气调控装置还包括空气过滤器，如图3所示。其中，所述空气过滤器设于氧分离装置的输入端，其内部采用活性可逆的活性炭纤维作为过滤材料。
优选地，该空气调控装置还包括密封阀，如图3所示。其中，所述氧分离装置的氮气出口分成两路，一路接密封阀，另一路接分配阀的输入端二。
优选地，该空气调控装置还包括空气循环装置，如图3所示。其中，所述空气循环装置的输入端与电堆的空气尾气出口连接，其输出端与分配阀的输出端并联后与电堆的空气入口连接。
优选地，所述步骤S1进一步包括：
S11.搭建活性可逆的空气调控装置，并确定该装置中每一活性物质对应的还原温度；所述活性物质包括氧分离装置中的高透膜、空气过滤器中的过滤材料中的至少一种；不同的活性物质对应的还原温度不同，应分别确定；
S12.接收到开机指令后，将电堆接入上述空气调控装置，并控制空气调控装置中分配阀的输出端关闭。
优选地，所述步骤S2进一步包括：
S21.将电堆分别与外设的氢气控制装置、冷却液控制装置连接，建立用于低氧环境的燃料电池系统；
S22.对氧分离装置内高透膜执行加热，直到其温度达到高效分离的预设温度（不同材质的高透膜，具有不同的高效分离温度和不同的还原温度）后，向氧分离装置内通入空气；即先预热再通空气进行气体分离；
S23.获取当前时刻电堆所处位置的大气压P 1、大气含氧量m，以及氧分离装置输出的氧气气压P 2，结合电堆预设氧分压P，通过下面公式得出空压机的理论转速V，调整空压机的运行状态至该理论转速V
V=f（P 1，P 2，P，m）
式中，f（）为拟合函数，可通过实验室标定获得，或采用训练好的神经网络；
S24.控制分配阀的输出端打开，并调整分配阀的开度至理论开度m，同步开启电堆的氢气供应，使得电堆空侧压力P始终等于电堆氢侧压力，以正常运行燃料电池系统。
优选地，所述步骤S3进一步包括：
S31.定时获取电堆的输出电流，识别燃料电池系统是否处于正常运行状态；如果处于正常运行状态，执行下一步，否则，维持燃料电池系统的运行状态不变；
S32.分别获取氧分离装置的输入端处气体压力P 1、氧气出口处气体压力P 2，得出氧分离装置的输入端-氧气出口气体压差P 2-P 1；
S33.根据该压差P 2-P 1的绝对值与阈值P 0比较识别氧分离装置内高透膜是否需要活化，如果是，控制燃料电池关机后，设置活化标记位为1，并执行下一步，否则，维持燃料电池系统的运行状态不变，设置活化标记位为0；
S34.对空气过滤器内的过滤材料通电，使活性炭纤维的温度升高，从而实现空气过滤器的活性再生；
S35.对氧分离装置执行800℃以上的高温活化加热，直到加热时间达到设定值t判定高透膜中活性物质已被还原，关闭氧分离装置后，再根据用户的开机指令执行燃料电池系统的开机。
上述方法的主要控制原理如图4所示，但不限于图4所包含的内容。
空气的主要成分包括氮气、氧气和水蒸气，各自的占比分别为M N2，M O2，M H2O。空气中约79%的氮气并不参与反应。因此通过氧气分离器装置，将大气中的氮气和氧气分离，并将氧气单独压缩，这样即使在电堆空气侧氧气压力较低的情况下，依然可以保证较高的反应效率，例如，通常情况下，燃料电池系统空气侧的压力为200kPa，氧分压大概为42kPa，因此在高空中只需要将分离后的氧气压缩到42kPa，就可以与常规的燃料电池系统相当。
优选地，所述空气调控装置还包括CO2吸附装置。其中，所述CO2吸附装置设于分配阀的输出端与燃料电池的空气入口之间，用于对入堆气体中的CO2进行吸附。
氧分离装置中的高透膜使用一段时间后，其膜内的化学活性物质会与空气中的二氧化碳发生缓慢的化学反应，导致透氧速率下降，压差增大，因此前面的方案需要将氧分离器内环境温度提升至800℃以上，将活性物质还原。
同时，CO2也会对电堆的性能产生一定的影响，并且这种影响不可修复。其原因，应该如Ahluwalia会和Wang指出的，燃料气中的CO2与H2 发生逆水汽变换反应，产生了CO，从而影响了燃料电池的性能。因此，在电堆的空气入口前端设置CO2吸附装置，从而可以有效提高电堆的使用耐久性。
优选地，该活化控制方法还包括如下步骤：
S4.在电堆的出堆空气压力达到设定压力P后，关闭调压阀，并控制分配阀输入端一打开、输入端二关闭；
S5.启动空气循环装置，以仅通入氧气至电堆，并打开密封阀；
S6.获取空气循环装置外的大气压力，空气各成分占比，确定保证氧分离装置的氮气出口至分配阀的输入端二段内的气体压力达到常压对应的密封阀的开启频率；
S7.控制密封阀工作于上述开启频率，以将氮气连续不断地持续送出电堆。
优选地，该活化控制方法还包括如下步骤：
S01.接收开机指令后，控制分配阀输入端一关闭、输入端二打开，以使仅氮气进入电堆；
S02.调整调压阀的开度，使得电堆空侧压力P达到设定值；
S03.待设定时间t后，调整分配阀的开度，以正常运行燃料电池系统。
优选地，上述步骤S02中设定值应大于一个标准大气压。
优选地，该活化控制方法还包括如下步骤：
S8.接收到关机指令后，停止电堆的氢气供应；
S9.控制分配阀输入端一关闭、输入端二打开，以使仅氮气进入电堆；
S10.调节调压阀至开度K，使得电堆空气侧压力大于一个大气压；
S11.定时监测燃料电池输出的平均单片电压是否小于0.3V，一旦小于，控制该空气调控装置关闭（燃料电池系统停机）。
优选地，该活化控制方法还包括如下步骤：
S12.识别调压阀是否开启，如果开启，控制分配阀至设定开度以对电堆补充氮氧混合气，否则，控制分配阀输入端一打开、输入端二关闭以对电堆补充纯氧。
与现有技术相比，本实施例提供的活化控制方法具有如下有益效果：
1、对燃料电池系统的空气调控装置及调控方法进行了改进，通过同一套设备实现了电堆的供电控制和活性调节。
2、该方法可通用于各类工况环境，特别是，可应用于高空、密闭等低氧环境。
3、通过设置氧分离装置、氧气循环装置，能够有效提高燃料电池系统在低氧环境下使用时的氧分压，进而保证燃料电池系统在整个使用过程中的能量转换效率，保证氢气与氧气的充分燃烧。
4、通过设置CO2吸附装置，有效提高了燃料电池电堆的使用耐久性。
实施例3
本实施例还提供了一种上述实施例1或2方法对应的用于燃料电池电堆的活性可逆的空气调控装置，包括氧分离装置、空压机、调压阀、分配阀和控制器。
其中，分配阀的输入端一经空压机接氧分离装置的氧气出口，输入端二接氧分离装置的氮气出口，输出端接电堆的空气入口；调压阀设于电堆的空气尾气出口。
控制器，用于将电堆的空气入口与活性可逆的空气调控装置连接；以及，启动设有上述电堆和空气调控装置的燃料电池系统；以及，定时监测空气调控装置的运行参数识别该空气调控装置是否需要活化，一旦需要，关闭燃料电池系统后对该空气调控装置内活性材料进行活化调整，否则，继续维持该燃料电池系统的运行状态不变。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (6)
1.一种用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将电堆的空气入口与活性可逆的空气调控装置连接；该空气调控装置包括氧分离装置、空气过滤器、空压机、调压阀和分配阀；分配阀的输入端一经空压机接氧分离装置的氧气出口，输入端二接氧分离装置的氮气出口，输出端接电堆的空气入口；调压阀设于电堆的空气尾气出口；氧分离装置中的高透膜采用活性可逆的含钡钙钛矿氧化物材质；空气过滤器设于氧分离装置的输入端，其内部采用活性可逆的活性炭纤维作为过滤材料；
S2.启动设有上述电堆和空气调控装置的燃料电池系统；
S3.定时监测空气调控装置的运行参数识别该空气调控装置是否需要活化，一旦需要，关闭燃料电池系统后对该空气调控装置内活性材料进行活化调整，否则，继续维持该燃料电池系统的运行状态不变；并且，
上述步骤S3进一步包括：
S31.定时获取电堆的输出电流，识别燃料电池系统是否处于正常运行状态；如果处于正常运行状态，执行下一步，否则，维持燃料电池系统的运行状态不变；
S32.分别获取氧分离装置的输入端处气体压力P 1、氧气出口处气体压力P 2，得出氧分离装置的输入端-氧气出口气体压差P 2-P 1；
S33.根据该压差P 2-P 1的绝对值与阈值P 0比较识别氧分离装置内高透膜是否需要活化，如果是，控制燃料电池关机后，设置活化标记位为1，并执行下一步，否则，维持燃料电池系统的运行状态不变，设置活化标记位为0；
S34.对空气过滤器内的过滤材料通电，使活性炭纤维的温度升高，从而实现空气过滤器的活性再生；
S35.对氧分离装置执行800℃以上的高温活化加热，直到加热时间达到设定值t判定高透膜中活性物质已被还原，关闭氧分离装置后，再根据用户的开机指令执行燃料电池系统的开机。
2.根据权利要求1所述的用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，其特征在于，该空气调控装置还包括密封阀；其中，
所述氧分离装置的氮气出口分成两路，一路接密封阀，另一路接分配阀的输入端二。
3.根据权利要求2所述的用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，其特征在于，该空气调控装置还包括空气循环装置；其中，
所述空气循环装置的输入端与电堆的空气尾气出口连接，其输出端与分配阀的输出端并联后与电堆的空气入口连接。
4.根据权利要求3所述的用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：
S11.搭建活性可逆的空气调控装置，并确定该装置中每一活性物质对应的还原温度；所述活性物质包括氧分离装置中的高透膜、空气过滤器中的过滤材料中的至少一种；
S12.接收到开机指令后，将电堆接入上述空气调控装置，并控制空气调控装置中分配阀的输出端关闭。
5.根据权利要求4所述的用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，其特征在于，所述空气调控装置还包括CO2吸附装置；其中，
所述CO2吸附装置设于分配阀的输出端与燃料电池的空气入口之间，用于对入堆气体中的CO2进行吸附。
6.根据权利要求5所述的用于低氧环境的燃料电池电堆活化控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S4.在电堆的出堆空气压力达到设定压力P后，关闭调压阀，并控制分配阀输入端一打开、输入端二关闭；
S5.启动空气循环装置，以仅通入氧气至电堆，并打开密封阀；
S6.获取空气循环装置外的大气压力，空气各成分占比，确定保证氧分离装置的氮气出口至分配阀的输入端二段内的气体压力达到常压对应的密封阀的开启频率；
S7.控制密封阀工作于上述开启频率，以将氮气连续不断地持续送出电堆。
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