CN115051000A - 燃料电池系统及其起动前氢氧界面状态的判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池系统及其起动前氢氧界面状态的判断方法，包括：如计时器的记录时间已超过设定的目标时间，直接采用氢气置换燃料电池堆的阳极腔内的空气；如果计时器的记录时间不超过设定的目标时间，则先向换燃料电池堆的阳极腔内通入少量的检查氢气，以检查是否需要采用氢气置换来消除燃料电池堆的氢氧界面；如果通入检查氢气后，燃料电池堆的电压上升至目标电压以上，则采用氢气置换燃料电池堆的阳极腔内的空气；如果通入检查氢气后，燃料电池堆的电压始终低于目标电压，则跳过氢气置换的步骤直接进行下一步。借此，可针对不同起动前状态配合不同起动控制策略，减少起动过程中系统寿命的衰减，减少了不要氢气置换情况的起动时间。
Description
技术领域
本发明是关于车用燃料电池系统起动控制技术领域，特别是关于一种燃料电池系统及其起动前氢氧界面状态的判断方法。
背景技术
燃料电池系统是用于一种新能源汽车用的动力系统，以氢气作为燃料，空气作为氧化剂，产生电能的动力装置，排放物仅为水和热量。燃料电池系统包括核心零部件(燃料电池电堆)、电辅件(空压机、增湿器、传感器、阀类零件、DCDC等)、热管理系统零部件(阳极热交换器、中冷器、节温器等)、连接的管路接头、机械结构等。
燃料电池系统中最核心零部件，燃料电池电堆，是利用燃料氢气和氧化剂空气的电化学反应产生电能的电化学装置，燃料电池电堆阳极发生氢气的氧化反应，阴极发生空气的还原反应。燃料电池电堆不同于传统内燃机，是通过电化学反应产生电能，其工作耐久性受到工况影响较大。例如，起动过程中，如果空气出现在阳极(通常是因为上一次燃料电池系统停机后放置时间过长，或上一次未正常停机)，当起动时，当阳极注入氢气，造成氢气与氧气在阳极相会，形成一个氢氧界面。氢氧界面形成后，在此区域会出现与正常燃料电池模式相反的电流流动，并将阴极界面电位差提高到1.44V，导致催化剂碳腐蚀，降低催化剂的活性表面积，最终导致燃料电池堆耐久性下降。为了防止氢氧界面的形成，通常燃料电池系统中将设置截止阀，隔绝燃料电池系统阳极、阴极与空气的接触，减缓空气漏入阳极，避免氢氧界面的形成。另外，燃料电池系统需通过系统层级的控制策略避免或者减少氢氧界面对燃料电池堆的不利影响，通常是通过氢气置换的方式。但是，在燃料电池系统起动前氢氧界面，没有较精确的测量手段判断氢氧界面形成与否。且如果不管是否形成氢氧界面都进行氢气置换，将大大延长燃料电池系统起动时长，对于燃料电池系统在整车上的应用不利。
现有的燃料电池系统起动前氢氧界面状态方式及相应的起动控制策略方案存在以下不足：
1、CN 112201812 A为一种燃料电池系统的气体供给方法，主要包括以下步骤：起动时检测电堆的氢气侧的压力；若氢气侧的压力不小于目标压力值，则直接向所述氢气侧供给氢气；若氢气侧的压力小于所述目标压力值，则用氢气置换所述氢气侧的气体。该方案通过氢气侧压力判断的方式，确定阳极是否形成氢氧界面，通过系统模型仿真或台架实验，确定不同目标压力值下所需的所述置换时长，且该方案虽然对起动前氢氧界面形成与否进行判断，但是判断过程需要依赖以往的经验。随着累计运行的时长的增加，设定的目标压力值可能存在逐渐失效的情况。
2、CN 109962269 A为一种燃料电池延寿系统，其控制单元收到起动电堆的信号时，控制单元控制气泵将电堆阳极中的氧气抽出，来自外部供氢设备的氢气通过管路进入催化器，催化器使氢气与氧气发生催化反应。控制单元根据上次关机的时间与本次开机的时间之间的时间间隔判断电堆阳极中的氧气耗尽后控制单元起动电堆。催化器为催化燃烧器，催化燃烧器使氢气与氧气发生催化燃烧。该方案通过在燃料电池系统中增加催化燃烧器的方式，不对阳极是否存在氢氧界面进行判断，将可能存在阳极的氧气耗尽后起动燃料电池系统，以避免氢氧界面的影响。但是，该方案没有对燃料电池系统阳极的氢氧界面进行判断，会不可避免的增加了起动过程的复杂性及时长，增加的催化燃烧器也会增加系统成本及集成设计难度。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，其具有在启动前可判断系统内是否存在氢氧截面的功能。
本发明的另一目的在于提供一种燃料电池系统起动前氢氧界面状态的判断方法，其优化了燃料电池系统起动前氢氧界面状态判断的准确性，针对不同起动前状态配合不同起动控制策略，减少起动过程中系统寿命的衰减，减少了不要氢气置换情况的起动时间。
为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统，包括空气路以及氢气路；空气路包括空压机、中冷器、第一截止阀、燃料电池堆及第二截止阀；中冷器的入口与空压机的出口连通；第一截止阀的入口与中冷器的出口连通；燃料电池堆的阴极腔入口与第一截止阀的出口连通；第二截止阀的入口与燃料电池堆的阴极腔出口连通；氢气路包括氢气比例阀、氢气循环泵、燃料电池堆及排氢阀；氢气循环泵的入口与氢气比例阀的出口连通，氢气循环泵的出口与燃料电池堆的阳极腔入口连通，燃料电池堆的阳极腔出口与氢气比例阀的出口和氢气循环泵的入口之间的管路接口连通，并以此形成氢气循环回路；排氢阀设置在燃料电池堆的阳极腔出口与氢气比例阀的出口和氢气循环泵的入口之间的管路接口之间的管路上。
在一优选的实施方式中，燃料电池系统还包括空气入口、排气口以及氢气入口；空气入口与空压机的入口连通；排气口同时与第二截止阀的出口和排氢阀的出口连通；氢气入口与氢气比例阀的入口连通。
在一优选的实施方式中，燃料电池系统还包括计时器，其用以记录燃料电池系统每次停机后到下一次起动前的时间间隔。
为实现上述另一目的，本发明还提供了一种如前述的燃料电池系统起动前氢氧界面状态的判断方法，包括计时器检查步骤：如计时器的记录时间已超过设定的目标时间，直接采用氢气置换燃料电池堆的阳极腔内的空气，以消除燃料电池堆的氢氧界面；如果计时器的记录时间不超过设定的目标时间，则进行下列步骤：先向换燃料电池堆的阳极腔内通入少量的检查氢气，以检查是否需要采用氢气置换来消除燃料电池堆的氢氧界面；如果通入检查氢气后，燃料电池堆的电压上升至目标电压以上，表明燃料电池堆的阴极腔已经漏入环境空气，则采用氢气置换燃料电池堆的阳极腔内的空气，以消除燃料电池堆的氢氧界面；及如果通入检查氢气后，燃料电池堆的电压始终低于目标电压，表明燃料电池堆的阴极腔未漏入环境空气，则跳过氢气置换的步骤直接进行下一步。
在一优选的实施方式中，在计时器检查步骤前还包括指令判断步骤，其包括：当燃料电池系统接到指令后，首先判断是否为起动指令，若非起动指令，则燃料电池系统不响应任何起动动作，若为起动指令，则燃料电池系统响应下列步骤：接到起动指令后，燃料电池系统继续进行零部件自检步骤，若自检不通过，则不再继续进行起动过程；以及若自检通过，则继续进行计时器检查步骤。
在一优选的实施方式中，在采用氢气置换燃料电池堆的阳极腔内的空气以后或者通入检查氢气后燃料电池堆的电压始终低于目标电压时，则打开空压机、第一截止阀一季第二截止阀的空气路的开启步骤，以将反应气体空气引入燃料电池堆的阴极腔。
在一优选的实施方式中，在开启空气路的同时打开氢气比例阀、氢气循环泵以及排氢阀完成氢气路的开启步骤。
在一优选的实施方式中，燃料电池系统起动前氢氧界面状态的判断方法还包括通过调整氢气比例阀的开度控制氢气循环回路内的气体压力符合设定值。
与现有技术相比，本发明的燃料电池系统及其起动前氢氧界面状态的判断方法具有以下有益效果：本方案提可通过通入少量检查氢气的方式，刺探燃料电池堆存在氢氧界面的情况，判断是否需要进行氢气置换消除燃料电池阳极腔中的氢氧界面，减少因错误判断氢氧界面造成的燃料电池系统耐久性衰减的可能性，同时还可减少不存在氢氧界面的情况的起动时间。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的燃料电池系统的设备结构布置示意图；
图2是根据本发明一实施方式的判断方法的流程示意图。
主要附图标记说明：
1-计时器，2-空压机，3-中冷器，4-压力传感器，5-第一截止阀，6-燃料电池堆，7-氢气循环泵，8-排氢阀，9-第二截止阀，10-氢气比例阀。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种燃料电池系统，主要包括空气路以及氢气路。空气路主要包括空压机2、中冷器3、第一截止阀5、燃料电池堆6以及第二截止阀9等。其中，燃料电池系统的空气入口通过管路连接空压机2，空压机2的出口通过管路连接中冷器3。中冷器3的出口通过管路连接第一截止阀5。第一截止阀5的出口通过管路连接燃料电池堆6的阴极腔入口。燃料电池堆6的阴极腔出口通过管路连接第二截止阀9，第二截止阀9的出口连接燃料电池系统的排气口，将尾气排出燃料电池系统。
请参阅图1，在一些实施方式中，氢气路主要包括压力传感器4、燃料电池堆6、氢气循环泵7、排氢阀8以及氢气比例阀10等。其中，燃料电池系统的氢气入口通过管路连接氢气比例阀10的入口，氢气比例阀10的出口通过管路连接氢气循环泵7的入口，氢气循环泵7的出口通过管路连接燃料电池堆6的阳极腔入口，燃料电池堆6的出口通过管路连接氢气循环泵7和氢气比例阀10之间的接口，并形成氢气循环回路。氢气循环回路可通过排氢阀8，将氢气路的尾气通过排气口排出燃料电池系统。
请参阅图1，在一些实施方式中，燃料电池系统的空气通过空气入口进入燃料电池系统后，经空压机2加压后，通过中冷器3冷却，流经第一截止阀5流入燃料电池堆6的阴极腔作为阴极的反应气体。反应后的尾气通过燃料电池堆6的阴极腔出口，流入第二截止阀9入口，通过第二截止阀9开度调节，调整整个空气路的压力。尾气通过第二截止阀9出口和排气口流出燃料电池系统。
请参阅图1，在一些实施方式中，燃料电池系统的氢气通过氢气入口进入燃料电池系统，流经氢气比例阀10进入氢气循环回路。氢气循环回路由氢气循环泵7驱动循环回路中的气体循环，循环气体流入燃料电池堆6的阳极腔，作为阳极反应气体。反应后的尾气通过燃料电池堆6的阳极腔出口，流回氢气循环回路。氢气循环回路中的反应后的气体通过排氢阀8排出燃料电池系统。通过调节氢气比例阀10的开度，可以调节氢气循环回路的压力，压力由压力传感器4监测。
请参阅图1，在一些实施方式中，在燃料电池系统停机时，通过第一截止阀5和第二截止阀9起到隔离燃料电池堆6阴极腔与环境空气的作用。在燃料电池系统停机时，通过氢气比例阀10隔离阳极腔与环境空气的作用。正常停机后燃料电池堆6的阴极腔应为氮气，阳极腔为氢气。燃料电池堆6的阴极腔和阳极腔与环境空气的隔离，可以延缓环境空气漏入燃料电池系统的阳极腔和阴极腔，防止起动过程氢氧界面形成。计时器1的作用是记录燃料电池系统本次停机后到下一次起动前的时间间隔。
如图2所示，根据本发明优选实施方式的燃料电池系统起动前氢氧界面状态的判断方法，燃料电池系统在接到指令后，首先需要判断是否为起动指令。若非起动指令，则不响应下述的状态判断方法及起动控制策略，若为起动指令，则响应下述状态判断方法及起动控制策略。接到起动指令后，进行燃料电池系统零部件自检，若自检不通过，则不再继续起动过程；若自检通过，则继续下述的状态判断方法及起动控制策略。零部件自检后，开始起动前状态判断方法(图2中深色框内所示)。完成起动前状态判断方法后，开启空气路空压机2、第一截止阀5以及第二截止阀9，将反应气体空气引入燃料电池堆6阴极腔，在燃料电池堆6内与氢气进行反应。通过拉载电流的方式，将产生的电能导出负载，完成起动过程。
请参阅图2所示，在一些实施方式中，起动前状态判断方法首先检查计时器1的时间，如果超过设定的目标时间，说明停机时间过长，环境空气漏入燃料电池堆6阳极腔及阴极腔，直接执行燃料电池系统阳极腔氢气置换，用氢气置换燃料电池堆6阳极腔内的空气，消除燃料电池堆6的氢氧界面。如果不超过设定的目标时间，则存在燃料电池堆6阳极腔存在氢氧界面的可能性较小，但是不能排除上次非正常停机的可能性。通过通入少量检查氢气的方法，来检查是否需要氢气置换消除氢氧界面。如果通入检查氢气后，燃料电池堆6电压上升至目标电压以上，表明燃料电池堆6的阴极腔已漏入环境空气，表明阳极腔同样存在环境空气，需要执行氢气置换以消除氢氧界面。如果通入检查氢气后，燃料电池堆6电压未上升至目标电压，始终低于目标电压，表明燃料电池堆6阴极腔不存在漏入环境空气的情况，阳极腔无漏入环境空气的可能性较大，可跳过氢气置换，直接进行起动策略的下一步开启空气路，以减少起动时间。
综上所述，本发明的燃料电池系统及其起动前氢氧界面状态的判断方法具有以下优点：本方案提可通过通入少量检查氢气的方式，刺探燃料电池堆存在氢氧界面的情况，判断是否需要进行氢气置换消除燃料电池阳极腔中的氢氧界面，减少因错误判断氢氧界面造成的燃料电池系统耐久性衰减的可能性，同时还可减少不存在氢氧界面的情况的起动时间。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (8)
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
空气路，其包括：
空压机；
中冷器，其入口与所述空压机的出口连通；、
第一截止阀，其入口与所述中冷器的出口连通；
燃料电池堆，其阴极腔入口与所述第一截止阀的出口连通；及
第二截止阀，其入口与所述燃料电池堆的阴极腔出口连通；以及氢气路，其包括：
氢气比例阀；
氢气循环泵，其入口与所述氢气比例阀的出口连通，所述氢气循环泵的出口与所述燃料电池堆的阳极腔入口连通，所述燃料电池堆的阳极腔出口与所述氢气比例阀的出口和所述氢气循环泵的入口之间的管路接口连通，并以此形成氢气循环回路；及
排氢阀，其设置在所述燃料电池堆的阳极腔出口与所述氢气比例阀的出口和所述氢气循环泵的入口之间的管路接口之间的管路上。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
空气入口，其与所述空压机的入口连通；
排气口，其同时与所述第二截止阀的出口和所述排氢阀的出口连通；以及
氢气入口，其与所述氢气比例阀的入口连通。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括计时器，其用以记录所述燃料电池系统每次停机后到下一次起动前的时间间隔。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的燃料电池系统起动前氢氧界面状态的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
计时器检查步骤：
如所述计时器的记录时间已超过设定的目标时间，直接采用氢气置换所述燃料电池堆的阳极腔内的空气，以消除所述燃料电池堆的氢氧界面；
如果所述计时器的记录时间不超过设定的目标时间，则进行下列步骤：
先向所述换燃料电池堆的阳极腔内通入少量的检查氢气，以检查是否需要采用氢气置换来消除所述燃料电池堆的氢氧界面；
如果通入检查氢气后，所述燃料电池堆的电压上升至目标电压以上，表明所述燃料电池堆的阴极腔已经漏入环境空气，则采用氢气置换所述燃料电池堆的阳极腔内的空气，以消除所述燃料电池堆的氢氧界面；及
如果通入检查氢气后，所述燃料电池堆的电压始终低于目标电压，表明所述燃料电池堆的阴极腔未漏入环境空气，则跳过氢气置换的步骤直接进行下一步。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统起动前氢氧界面状态的判断方法，其特征在于，在所述计时器检查步骤前还包括指令判断步骤，其包括：
当所述燃料电池系统接到指令后，首先判断是否为起动指令，若非起动指令，则所述燃料电池系统不响应任何起动动作，若为起动指令，则所述燃料电池系统响应下列步骤：
接到所述起动指令后，所述燃料电池系统继续进行零部件自检步骤，若自检不通过，则不再继续进行起动过程；以及若自检通过，则继续进行所述计时器检查步骤。
6.如权利要求4所述的燃料电池系统起动前氢氧界面状态的判断方法，其特征在于，在采用氢气置换所述燃料电池堆的阳极腔内的空气以后或者通入检查氢气后所述燃料电池堆的电压始终低于目标电压时，则打开所述空压机、所述第一截止阀一季所述第二截止阀的所述空气路的开启步骤，以将反应气体空气引入所述燃料电池堆的阴极腔。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统起动前氢氧界面状态的判断方法，其特征在于，在开启所述空气路的同时打开所述氢气比例阀、所述氢气循环泵以及所述排氢阀完成所述氢气路的开启步骤。
8.如权利要求4所述的燃料电池系统起动前氢氧界面状态的判断方法，其特征在于，还包括通过调整所述氢气比例阀的开度控制所述氢气循环回路内的气体压力符合设定值。
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