CN115036540A - 一种燃料电池系统停机方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池系统停机方法，步骤包括：燃料电池系统收到停机指令，打开空气旁通阀至设定开度；减少空气入口阀开度；调整空气出口阀的开度，使电堆空气入口压力维持于规定高压状态；调整电堆的拉载电流，并使得电堆电压维持在规定低电压范围；经过设定时间，关闭空气入口阀和空气出口阀，调整电堆的拉载电流，将电堆电压降至安全电压以下，停止电流拉载；降低空压机转速，完全打开空气旁通阀，使中冷器的空气出口压力降至最低，空气入口阀打开规定小开度，电堆的空气逆向从空气入口阀流出；当电堆空气入口压力等于中冷器出口压力时，关闭空气入口阀。本发明能够彻底降低阴极管路中的余氧含量，从而抑制停机后阴极高电位的产生。

Description

一种燃料电池系统停机方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统停机方法。

背景技术

燃料电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，相比煤、石油、天然气等传统能源有着巨大的优势，是解决环境污染和能源危机的有效手段，燃料电池的燃料一般是氢气、甲醇、甲烷等，空气或氧气等为氧化剂。

燃料电池系统经过停机吹扫后，通过封闭阴极，消耗阴极氧气，而降低电堆电压，完成停机。

但目前燃料电池系统停机后，会产生两种情况：1）阴极氧气不能完全耗光，空气管路和电堆歧管内的余氧扩散到阴极腔体与阳极氢气继续反应形成高电位；2）氧气剩余过多时，会渗透到阳极形成氢氧界面，出现阴极高电位。

目前技术方案是通过对阴极废气再循环，反复通过电堆消耗掉阴极余氧，而现有技术存在以下缺陷和不足：

阴极废气再循环需要额外的循环泵，增加了成本和系统复杂度；或废气通过空压机吸入进入再循环，但高湿度的废气会损害空压机，也增加了系统复杂度。

发明内容

本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池系统停机方法，在不增加额外设备或装置情况下，通过控制方法在停机过程中彻底降低阴极管路中的余氧含量，从而抑制停机后阴极高电位的产生。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统停机方法，其运行于一种燃料电池系统上，所述燃料电池系统包括电堆、空压机、中冷器、空气入口阀、空气出口阀、空气旁通阀以及DC/DC模块，所述电堆包括空气入口、阴极腔和空气出口，所述空压机、中冷器、空气入口阀和电堆的空气入口依次连接；所述电堆的空气出口连接空气出口阀；所述空气出口阀通过空气旁通阀连接中冷器；空气入口阀通过空气入口管路连接空气入口，空气出口阀通过空气出口管路连接空气出口；

所述一种燃料电池系统停机方法包括以下步骤：

燃料电池系统收到停机指令后，进入降电压过程：空压机维持运转状态；打开空气旁通阀至设定开度；减少空气入口阀开度，使得空气入口阀开度从完全打开状态变成规定开度状态；调整空气出口阀的开度，使电堆空气入口压力升高并维持于规定高压状态；DC/DC模块调整电堆的拉载电流，并使得电堆电压维持在规定低电压范围；

经过设定时间后，关闭空气入口阀和空气出口阀，DC/DC模块调整电堆的拉载电流，将电堆电压降至安全电压以下后，停止电流拉载；降低空压机转速，完全打开空气旁通阀，使中冷器的出口压力降至最低，空气入口阀打开规定小开度，电堆阴极气体逆向流动，从空气入口阀流出；监测电堆空气入口压力和中冷器空气出口压力，当电堆空气入口压力等于中冷器空气出口压力时，关闭空气入口阀，降电压过程完成。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过逆向排出电堆阴极残留的氧气，可以阻止停机后电堆阴形成极高电位的情况发生，从而有效保护电堆寿命；另外，本发明完全没有增加额外的装置或设备，既减少了电堆电能的损耗，更加节约成本。

附图说明

图1为本发明燃料电池系统结构示意图。

图2为本发明燃料电池系统内部结构示意图。

图3为现有技术中燃料电池系统停机后的电压变化图。

图4为现有技术中燃料电池系统停机流程图。

图5为本发明燃料电池系统停机降电压过程的步骤流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图3所示，现有的燃料电池系统在完成停机时，通过消耗电堆阴极腔体内的氧气，电压已降至安全电压以下，随后电堆单电池电压继续降低至零。但电堆的空气入口管路和空气入口歧管中空气没有流经电堆，仍包含大量氧气，另外电堆阳极腔体充满氢气，氧气逐渐扩散到电堆阴极腔体或渗透过质子交换膜进入电堆阳极腔体，随后造成了长时间的阴极高电位。

现有燃料电池系统到停机指令后，一般停机流程如图4所示，首先电堆降功率到最小功率，然后完成电堆阴极和阳极的吹扫，再通过消耗阴极氧气将电堆电压降到安全电压以下，最后关停辅助部件即完成停机。

实施例1

本实施例公开一种燃料电池系统，如图1和图2所示，包括电堆1、空压机2、中冷器3、空气入口阀4、空气出口阀5、空气旁通阀6、氢气比例阀7、引射器8、气水分离器9、排水排气阀10、供氢单元11、DC/DC模块12、空气流量传感器13、中冷器出口压力传感器14、空气入口压力传感器15以及氢气入口压力传感器16，所述电堆1包括质子交换膜21、氢气入口、氢气出口、阳极腔22、空气入口24、阴极腔25和空气出口26。

所述空压机2、中冷器3、空气入口阀4和电堆1的空气入口24依次连接；所述电堆1的空气出口26连接空气出口阀5；所述空气出口阀5通过空气旁通阀6连接中冷器3；所述空气流量传感器13连接空压机2；所述中冷器出口压力传感器14连接中冷器3；所述空气入口压力传感器15连接电堆1的空气入口24；

所述供氢单元11、氢气比例阀7、引射器8和电堆1的氢气入口依次连接；所述电堆1的氢气出口连接气水分离器9；所述气水分离器9连接引射器8和排水排气阀10；所述氢气入口压力传感器16连接电堆1的氢气入口；

所述DC/DC模块12连接电堆1。

其中，阳极腔22和阴极腔25通过质子交换膜21分隔，电堆1进行电化学反应时，阳极腔22的氢离子穿越质子交换膜21进入阴极腔25并与阴极腔25的氧离子结合生成水。

如图2所示，氢气入口、阳极腔22和氢气出口依次连接，空气入口24、阴极腔25和空气出口26依次连接，空气入口阀4通过空气入口管路23连接空气入口24，空气出口阀5通过空气出口管路27连接空气出口26。

本实施例的一种燃料电池系统，其工作原理为：供氢单元11的高压氢气经过氢气比例阀7减压后进入电堆1的阳极，并进行电化学反应，气水分离器9分离电堆1氢气出口的氢气尾气和液态水，氢气尾气通过氢气引射器8实现再循环。排水排气阀10定时开启排出液态积水和电堆1阳极的积氮；电堆氢气入口压力传感器16用于监测电堆1氢气入口压力；

燃料电池系统运行时，空气旁通阀6关闭，电堆1的空气入口阀4完全打开，空气通过空压机2增压，经过中冷器3冷却后进入电堆1的阴极；空气流量传感器13和空气入口压力传感器15分别用于监测空压机2的空气流量和电堆1空气入口的压力，中冷器出口压力传感器14用于监测中冷器3空气出口的压力。

本实施例燃料电池系统目的是不增加额外设备或装置，通过控制方法在停机过程中彻底降低阴极管路中的余氧含量，从而抑制阴极高电位的产生。

实施例2

本实施例是在实施例1一种燃料电池系统的基础上，公开一种燃料电池系统停机方法，如图5所示，包括以下步骤：

燃料电池系统收到停机指令后，进入降电压过程：空压机2维持运转状态；打开空气旁通阀6至设定开度（允许空气旁通），经过中冷器3冷却的一部分空气从空气旁通阀6排出外界；减少空气入口阀4开度，使得空气入口阀4开度从完全打开状态变成设定开度状态，适应性地调整空气出口阀5的开度，使电堆1的阴极腔25压力升高并维持于规定高压状态；DC/DC模块12调整电堆1的拉载电流，并使得电堆1电压维持在规定低电压范围；由于空气过量系数小，此时空气进入电堆1阴极腔25后，氧气大部分被消耗，随后含氧量极少的空气废气经由空气出口26和空气出口管路27流出；

经过设定时间（达到指定时间）后，空气出口26和空气出口管路27已充满空气废气，关闭空气入口阀4和空气出口阀5，DC/DC模块12调整电堆1的拉载电流，将电堆1电压降至安全电压以下后，停止电流拉载；此时，电堆1阴极维持较高压力，电堆阴极腔25、空气出口26和空气出口管路27中空气含氧量极低，而空气入口管路23和空气入口24中的空气由于没有流过电堆，氧气含量高；降低空压机转速，完全打开空气旁通阀6，使中冷器3的出口压力降至最低（接近环境压力），而电堆1阴极压力远高于中冷器出口压力，这时使电堆空气入口阀4打开规定小开度，电堆1阴极的气体开始逆向流动，从空气入口阀4流出，从而将空气入口管路23和空气入口24中含氧量高的空气排出；监测电堆1空气入口压力和中冷器出口压力，电堆1空气入口压力会逐渐降低，当电堆1空气入口压力等于中冷器空气出口压力时，关闭空气入口阀4，完成阴极逆向排气，至此降电压过程完成；

在降电压过程中，电堆1阳极维持高于阴极的压力；

降电压过程完成后，电堆1阴极的含氧量极低，进入燃料电池系统的下一步停机流程，直至燃料电池系统完成关机。

本发明通过逆向排出电堆阴极残留的氧气，可以阻止停机后电堆阴形成极高电位的情况发生，从而有效保护电堆寿命；另外，本发明完全没有增加额外的装置或设备，既减少了电堆电能的损耗，更加节约成本。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (1)

1.一种燃料电池系统停机方法，其运行于一种燃料电池系统上，所述燃料电池系统包括电堆、空压机、中冷器、空气入口阀、空气出口阀、空气旁通阀以及DC/DC模块，所述电堆包括空气入口、阴极腔和空气出口，所述空压机、中冷器、空气入口阀和电堆的空气入口依次连接；所述电堆的空气出口连接空气出口阀；所述空气出口阀通过空气旁通阀连接中冷器；空气入口阀通过空气入口管路连接空气入口，空气出口阀通过空气出口管路连接空气出口；其特征在于，所述一种燃料电池系统停机方法包括以下步骤：

燃料电池系统收到停机指令后，进入降电压过程：空压机维持运转状态；打开空气旁通阀至设定开度；减少空气入口阀开度，使得空气入口阀开度从完全打开状态变成规定开度状态；调整空气出口阀的开度，使电堆空气入口压力升高并维持于规定高压状态；DC/DC模块调整电堆的拉载电流，并使得电堆电压维持在规定低电压范围；

经过设定时间后，关闭空气入口阀和空气出口阀，DC/DC模块调整电堆的拉载电流，将电堆电压降至安全电压以下后，停止电流拉载；降低空压机转速，完全打开空气旁通阀，使中冷器的出口压力降至最低，空气入口阀打开规定小开度，电堆阴极气体逆向流动，从空气入口阀流出；监测电堆空气入口压力和中冷器空气出口压力，当电堆空气入口压力等于中冷器空气出口压力时，关闭空气入口阀，降电压过程完成。

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