CN115360384B - 一种延长车用氢燃料电池系统使用寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种延长车用氢燃料电池系统使用寿命的方法，所述方法包括：当氢燃料电池系统停机时，空压机停止工作，同时空入截止阀和空出截止阀关闭，停止向阴极内通入空气，同时也避免了空气通过尾排管反向进入到阴极流道内。此时继续向阳极内通入氢气，通过辅助负载将阴极腔室内残余的空气反应殆尽，通过第一压力传感器及第二压力传感器来监测阴极出入口压力。当阴极出口压力达到预设值时，关闭氢回流泵，打开截止阀，关闭尾排阀，继续向系统内通入氢气。本申请在不增加其他辅助设备的前提下，避免阳极氢/空界面的形成，同时能够实现低温启动，进而提高燃料电池的使用性能，达到延长车用燃料电池系统的使用寿命的目的。

Description

一种延长车用氢燃料电池系统使用寿命的方法

技术领域

本申请涉及车用燃料电池技术领域，特别是涉及一种延长车用氢燃料电池系统使用寿命的方法。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，它具有无污染、无噪声、高效率及能量密度大等优点。

车用氢燃料电池系统存在频繁的启停工况，当氢燃料电池系统停机后外界的空气会通过尾排管再通过膜电极的扩散进入到阳极流道中，当氢燃料电池系统再次启动时，在氢气通入到阳极的瞬间，阳极流场内会形成氢/空界面；同样，当停机时，氢燃料电池的阳极及阴极会残留氢气和氧气，而由于阳极和阴极之间浓度梯度的存在，阴极的氧气会慢慢扩散到阳极，形成氢/空界面。氢/空界面的存在会导致阴极形成高电位，造成催化剂碳载体材料的氧化，进而造成氢燃料电池性能的衰减。

车用氢燃料电池系统在低温环境下，内部反应生成的水很容易结冰，造成膜电极表面及阴阳极流道等膨胀甚至破裂，同样会造成氢燃料电池性能的衰减。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种延长车用氢燃料电池系统使用寿命的方法，在不增加其他辅助设备的前提下，避免阳极氢/空界面的形成，同时能够实现低温启动，进而提高燃料电池的使用性能，达到延长车用燃料电池系统的使用寿命的目的。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种延长车用氢燃料电池使用寿命的方法，所述车用氢燃料电池系统包括：具有空气入口端、空气出口端、氢气入口端和氢气出口端的氢燃料电池、连接在空气入口端的空压机、设置在空压机和空气入口端之间的空入截止阀、连接在空气出口端的尾排管、设置在尾排管和空气出口端之间的空出截止阀、背压阀和第二压力传感器、连接在氢气入口端的氢气源、设置在氢气源和氢气入口端的比例阀和电磁阀、设置在空气出口端和氢气入口端之间的截止阀、设置在氢气出口端的尾排阀、设置在氢气出口端和氢气入口端之间的气液分离器和氢回流泵；

所述方法包括：当氢燃料电池系统停机时，空压机停止工作，同时空入截止阀和空出截止阀关闭，停止向阴极内通入空气，继续向阳极内通入氢气，通过辅助负载将阴极腔室内残余的空气反应殆尽，通过第二压力传感器监测阴极出口压力；当阴极出口压力达到第一预设值时，关闭氢回流泵，打开截止阀，关闭尾排阀，继续向系统内通入氢气，一部分氢气直接通过阳极入口进入氢燃料电池阳极腔，同时另一部分氢气经过截止阀，通过阴极出口进入到氢燃料电池阴极腔室。

进一步地，空压机和空气入口端之间设置有第一压力传感器，所述第一压力传感器用于监测阴极入口压力；

氢气源和氢气入口端之间设置有第三压力传感器，所述第三压力传感器用于监测阳极入口压力；

氢气出口端设置有第四压力传感器；所述第四压力传感器用于监测阳极出口压力；

所述方法还包括：

监测第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器及第四压力传感器的数值，在符合氢气源关闭条件时关闭氢气源。

进一步地，监测第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器及第四压力传感器的数值，在符合氢气源关闭条件时关闭氢气源，包括：

若先监测到第一压力传感器与第二压力传感器值相等且等于第二预设值时，则关闭截止阀，仍持续向系统内通氢气，直到监测到第三压力传感器及第四压力传感器的数值相等且也等于所述第二预设值时，此时氢气源关闭。

进一步地，监测第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器及第四压力传感器的数值，在符合氢气源关闭条件时关闭氢气源，包括：

若先监测到第三压力传感器及第四压力传感器的数值相等且等于第二预设值时，则关闭电磁阀，仍持续向系统内通入氢气，直到第一压力传感器与第二压力传感器值相等且也等于所述第二预设值时，此时氢气源关闭。

进一步地，监测第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器及第四压力传感器的数值，在符合氢气源关闭条件时关闭氢气源，包括：

若第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器及第四压力传感器的压力同时等于第二预设值，则关闭氢气源。

进一步地，所述方法还包括：根据实际的燃料电池功率设定通入氢气量及通入时间，当达到通入氢气量及通入时间的设定值时，关闭氢气源，停止向系统内通入氢气。

进一步地，所述车用氢燃料电池系统还包括：与燃料电池相连接的燃料电池冷却子系统。

进一步地，当氢燃料电池系统再次启动时，空气通过空压机、空入截止阀进入阴极，迅速与阴极腔室内的氢气发生化学反应，反应产生大量的热，使氢燃料电池系统在低温的环境中快速启动。

本申请的优点和积极效果：本申请结构简单，通过将互通管路对阴阳极通入氢气，从而避免了氢燃料电池堆内形成氢空界面；在不增加其他辅助设备的情况下，能够实现快速低温冷启动功能，满足现在市场集成化、轻量化的需求，降低了燃料电池成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中一种车用氢燃料电池系统的结构原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明实施例中的氢燃料电池系统包括：氢燃料电池(包括空气入口端、空气出口端、氢气入口端和氢气出口端)、与燃料电池相连接的燃料电池冷却子系统20、连接在空气入口端的空压机1、设置在空压机1和空气入口端之间的空入截止阀2和第一压力传感器12、连接在空气出口端的尾排管5、设置在尾排管5和空气出口端之间的空出截止阀3、背压阀4和第二压力传感器13、连接在氢气入口端的氢气源6、设置在氢气源6和氢气入口端的比例阀7、电磁阀8和第三压力传感器14、设置在空气出口端和氢气入口端之间的截止阀16、设置在氢气出口端的尾排阀9和第四压力传感器15、设置在氢气出口端和氢气入口端之间的气液分离器10和氢回流泵11。

基于上述氢燃料电池系统，本发明提出的一种延长车用氢燃料电池使用寿命的方法，具体实施步骤如下：

氢燃料电池系统正常工作时，空入截止阀2和空出截止阀3打开，空气通过空压机1、空入截止阀2进入氢燃料电池堆参加反应，反应后剩余气体及生成的水通过空出截止阀3、背压阀4，再经过尾排管5排出系统外。同样，氢气通过氢气源6进入系统，再通过比例阀7以及电磁阀8进入氢燃料电池堆中参加反应，此时截止阀16不开启，反应后的气体一大部分通过气液分离器10及氢回流泵11回到阳极入口再次参与反应，另一小部分气体通过尾排阀9排出系统外。

当氢燃料电池系统停机时，空压机1停止工作，同时空入截止阀2和空出截止阀3关闭，停止向阴极内通入空气，同时也避免了空气通过尾排管反向进入到阴极流道内。此时继续向阳极内通入氢气，通过辅助负载将阴极腔室内残余的空气反应殆尽，通过第一压力传感器12及第二压力传感器13来监测阴极出入口压力。当阴极出口压力达到T1时，关闭氢回流泵11，打开截止阀16，关闭尾排阀9，继续向系统内通入氢气。一部分氢气直接通过阳极入口进入氢燃料电池阳极腔，同时另一部分氢气经过截止阀16，通过阴极出口进入到氢燃料电池阴极腔室，随时监测第一压力传感器12、第二压力传感器13、第三压力传感器14及第四压力传感器15的数值。若先监测到第一压力传感器12与第二压力传感器值13相等且等于P1时，则关闭截止阀16，仍持续向系统内通氢气，直到监测到第三压力传感器14及第四压力传感器15的数值相等且也等于P1时，此时氢气源6关闭；若先监测到第三压力传感器14及第四压力传感器15的数值相等且等于P1时，则关闭电磁阀8，仍持续向系统内通入氢气，直到第一压力传感器12与第二压力传感器值13相等且也等于P1，此时氢气源6关闭；若第一压力传感器12、第二压力传感器13、第三压力传感器14及第四压力传感器15的压力同时等于P1，则关闭氢气源6。

当氢燃料电池系统再次启动时，空气通过空压机1、空入截止阀2进入阴极，迅速与阴极腔室内的氢气发生化学反应，反应产生大量的热，可以使氢燃料电池系统在低温的环境中快速启动，进而提高氢燃料电池堆的冷启动性能。同时通过冷却子系统20可以实现对燃料电池系统出入堆冷却液温度的控制以及出入堆冷却液温差的控制，进而满足氢燃料电池堆反应的最佳需求温度。

上述实施例中的方法，通过将互通管路对阴阳极通入氢气，从而避免了氢燃料电池堆内形成氢空界面；在不增加其他辅助设备的情况下，能够实现快速低温冷启动功能，满足现在市场集成化、轻量化的需求，降低了燃料电池成本。

在另一种实施例方式中，停机后，通入氢燃料电池中的氢气量及通入时间需要根据实际的燃料电池功率来设定，同样混合气体量也是按实际氢燃料电池功率设定，若燃料电池系统内部堆芯为双堆芯或者为多堆芯也可按此方案进行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种延长车用氢燃料电池系统使用寿命的方法，其特征在于，所述车用氢燃料电池系统包括：具有空气入口端、空气出口端、氢气入口端和氢气出口端的氢燃料电池、连接在空气入口端的空压机（1）、设置在空压机（1）和空气入口端之间的空入截止阀（2）、连接在空气出口端的尾排管（5）、设置在尾排管（5）和空气出口端之间的空出截止阀（3）、背压阀（4）和第二压力传感器（13）、连接在氢气入口端的氢气源（6）、设置在氢气源（6）和氢气入口端的比例阀（7）和电磁阀（8）、设置在空气出口端和氢气入口端之间的截止阀（16）、设置在氢气出口端的尾排阀（9）、设置在氢气出口端和氢气入口端之间的气液分离器（10）和氢回流泵（11）；

所述方法包括：当氢燃料电池系统停机时，空压机（1）停止工作，同时空入截止阀（2）和空出截止阀（3）关闭，停止向阴极内通入空气，继续向阳极内通入氢气，通过辅助负载将阴极腔室内残余的空气反应殆尽，通过第二压力传感器（13）监测阴极出口压力；当阴极出口压力达到第一预设值时，关闭氢回流泵（11），打开截止阀（16），关闭尾排阀（9），继续向系统内通入氢气，一部分氢气直接通过阳极入口进入氢燃料电池阳极腔，同时另一部分氢气经过截止阀（16），通过阴极出口进入到氢燃料电池阴极腔室；

空压机（1）和空气入口端之间设置有第一压力传感器（12），所述第一压力传感器（12）用于监测阴极入口压力；

氢气源（6）和氢气入口端之间设置有第三压力传感器（14），所述第三压力传感器（14）用于监测阳极入口压力；

氢气出口端设置有第四压力传感器（15）；所述第四压力传感器（15）用于监测阳极出口压力；

所述方法还包括：

监测第一压力传感器（12）、第二压力传感器（13）、第三压力传感器（14）及第四压力传感器（15）的数值，在符合氢气源（6）关闭条件时关闭氢气源（6）；监测第一压力传感器（12）、第二压力传感器（13）、第三压力传感器（14）及第四压力传感器（15）的数值，在符合氢气源（6）关闭条件时关闭氢气源（6），包括：

若先监测到第一压力传感器（12）与第二压力传感器（13）的数值相等且等于第二预设值时，则关闭截止阀（16），仍持续向系统内通氢气，直到监测到第三压力传感器（14）及第四压力传感器（15）的数值相等且也等于所述第二预设值时，此时氢气源（6）关闭；

若先监测到第三压力传感器（14）及第四压力传感器（15）的数值相等且等于第二预设值时，则关闭电磁阀（8），仍持续向系统内通入氢气，直到第一压力传感器（12）与第二压力传感器（13）的数值相等且也等于所述第二预设值时，此时氢气源（6）关闭；

若第一压力传感器（12）、第二压力传感器（13）、第三压力传感器（14）及第四压力传感器（15）的压力同时等于第二预设值，则关闭氢气源（6）。

2.根据权利要求1所述的一种延长车用氢燃料电池系统使用寿命的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据实际的燃料电池功率设定通入氢气量及通入时间，当达到通入氢气量及通入时间的设定值时，关闭氢气源（6），停止向系统内通入氢气。

3.根据权利要求1所述的一种延长车用氢燃料电池系统使用寿命的方法，其特征在于，所述车用氢燃料电池系统还包括：与燃料电池相连接的燃料电池冷却子系统（20）。

4.根据权利要求1所述的一种延长车用氢燃料电池系统使用寿命的方法，其特征在于，当氢燃料电池系统再次启动时，空气通过空压机（1）、空入截止阀（2）进入阴极，迅速与阴极腔室内的氢气发生化学反应，反应产生大量的热，使氢燃料电池系统在低温的环境中快速启动。

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