CN115763899A - 一种模拟燃料电池系统关机装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟燃料电池系统关机装置及方法，装置包括：电堆模块，分别用于向电堆模块的空腔、氧腔提供空气、氢气的空气输入模块与氢气输入模块，与电堆模块中的水腔循环连通的水热循环模块，用于检测电堆模块电压的电池测试模块，以及包括电连接于电堆模块正负极之间的放电电阻与开关断电器的氧气消耗模块。与现有技术相比，本发明通过调节相应参数模拟系统关机过程，检测氢空压力等参数实时变化情况，达到规避氧气消耗不彻底、调节合适氢空压差等效果。

Description

一种模拟燃料电池系统关机装置及方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种模拟燃料电池系统关机装置及方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种使氢气和氧气发生电化学反应并将化学能转化为电能的装置，在交通、便携式电源、发电站等领域得到广泛的应用。实际应用中需将燃料电池堆匹配相应的辅助系统构成燃料电池系统进行运行，运行后的关机操作合理性，会直接影响系统后期的性能输出及运行寿命。

燃料电池系统关机时会进行氧气消耗处理操作，阴极氧气消耗不彻底渗透到阳极或者由于密封原因从外界渗入的氧气无法持续消耗，会导致阳极出现氧气，下次启动时阳极通入氢气后形成氢空界面，当阳极发生氢氧反应时，在此区域出现与正常燃料电池模式相反的电流流动，阴极界面形成高电位，导致阴极催化层发生碳腐蚀，影响电堆性能及寿命。其次，燃料电池系统关机放置一段时间后可能会出现氢空负压较严重的现象，导致下次正常开机氢气入堆时氢空压差过大，对膜电极造成损伤。

中国专利CN113130946A公开了一种关闭燃料电池的控制方法及系统，即在燃料电池关机程序中停止提供反应物后，利用可调变负载消耗剩余反应物，并利用检测氢气压力和燃料电池电压来判断反应物的消耗状况，但该技术的判断方法受到氢气流量、初始压力、氢空串漏等的影响，判断偏差较大，无法充分消耗氧气。

中国专利CN113809366A提及了一种燃料电池系统停机控制方法，其发明内容主要为通过氢气累积流量与预设阈值的关系确定是否关闭燃料电池系统，预设阈值等于空气侧容腔的氢气量减去氢气侧容腔的氢气量，氢气量通过关机时容腔的压力、体积及温度，开机时氢气预设浓度等参数计算，由于计算所需参数较多，且关机时压力、温度变化或开机氢气浓度状态受停机时长、密封、串漏等因素影响，预设阈值可能受到干扰或需要持续调整，增加了系统程序复杂度。

上述技术方案均直接通过燃料电池系统端的辅助系统控制摸索关机过程，判断方法存在多因素干扰，导致设计偏差或增加复杂程度，无法精确匹配燃料电池堆特性；且由于辅助系统的耦合作用无法准确判断燃料电池堆在关机后实际内部状态。

发明内容

本发明的目的就是提供一种模拟燃料电池系统关机装置及方法，通过调节相应参数模拟系统关机，检测氢空压力等参数实时变化情况，达到规避氧气消耗不彻底、调节合适氢空压差等效果，匹配适合该燃料电池堆及对应系统的关机控制方法，并应用于系统控制中，简化系统调节复杂度，提高关机判断程序可靠性；且该装置可针对不同电堆不同辅助系统进行相应调整，适用性广。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池系统关机过程模拟装置，包括

电堆模块；

空气输入模块与氢气输入模块，分别用于向电堆模块的空腔、氧腔提供空气、氢气；

水热循环模块，与电堆模块中的水腔循环连通；

电池测试模块，用于检测电堆模块电压；以及

氧气消耗模块，包括电连接于电堆模块正负极之间的放电电阻与开关断电器。

进一步地，所述的电堆模块包括燃料电池电堆，所述的水热循环模块包括循环恒温水浴箱，所述的电池测试模块包括电池测试仪。

进一步地，所述的空气输入模块包括空气出口控制阀，以及沿空气流动方向依次连通的空气储气罐、空气进气减压阀、空气路入口控制阀；

所述的空气出口控制阀与空腔出口相连通，所述的空气路入口控制阀与空腔入口相连通。

进一步地，所述的空气入口控制阀与空腔入口之间设有空气压力表。

进一步地，所述的空气进气减压阀与空气路入口控制阀之间设有空气压力传感器。

进一步地，所述的氢气输入模块包括氢气路出口控制阀，以及沿空气流动方向依次连通的氢气储气罐、氢气进气减压阀、氢气路入口控制阀；

所述的氢气路出口控制阀与氢腔出口相连通，所述的氢气路入口控制阀与氢腔入口相连通。

进一步地，所述的氢气路出口控制阀后还设有氢气稀释装置。

一种基于上述装置的燃料电池系统关机过程模拟方法，包括以下步骤：

S1：启动水热循环模块，将电堆模块加热至设定温度；启动电池测试模块检测电堆模块电压；

S2：通过空气输入模块向电堆模块的空腔通入设定压力P₀的空气，通过氢气输入模块向电堆模块的氢腔通入设定压力P_H的氢气；

S3：停止通入空气，并关闭空腔进出口；持续通入氢气，并关闭氢腔出口；

S4：接通开关断电器，通过阻值为R的放电电阻进行放电；氢气通入时间控制在t₁，之后关闭氢腔进口；

S5：当电池测试模块检测电堆模块电压低于阈值电压U时，断开开关断电器；

S6：记录步骤S1-S5氢腔压力及空腔压力随时间的变化，以及氢腔压力及空腔压力与电压变化的对应关系，并判断氧气消耗情况及不同时刻电堆内部状态。

进一步地，步骤S5中，所述的阈值电压U为0.001n V，其中n为电堆包含的单电池数量。

进一步地，步骤S6中，氧气消耗情况判断：通过氢空腔压力差变化及电压的变化判断，当P_空腔-P_氢腔达到最大时认为氧气基本已消耗完全，电堆内部为氢氮混合环境，此时可确认总电压＜0.01nV；

电堆内部状态判断：根据空腔压力随时间变化判断，记录空腔负压持续时间段，避免开机时造成氢空压差过大情况；根据氢腔压力随时间变化判断，记录氢腔最小压力及负压持续时间，可用于下一次开机时氢气压力及时长判断，避免开机氢气局部压力分布过度不均匀。

进一步地，本方法还包括，在步骤S6后，分别调整空气压力P₀、氢气压力P_H、放电电阻阻值R、氢气通入时间t₁，并重复步骤S1-S5以获得优化关机操作条件。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明通过控制水热循环模块，模拟系统关机时燃料电池堆温；通过改变空气输入模块和氢气输入模块的管路容腔体积，模拟不同系统气体腔容积；通过控制气体进出口阀的开关，模拟系统关机吹扫及停气情况；通过切换不同内阻值的放电电阻，模拟系统关机过程消耗反应物的速率；通过电压检测装置判断电堆电压大小，模拟系统监测关机过程电压变化；

通过调节相应参数模拟系统关机过程，检测氢空压力等参数实时变化情况，达到规避氧气消耗不彻底、调节合适氢空压差等效果；

2)本发明可针对不同特性的燃料电池进行模拟关机操作，匹配合适的关机控制方法，适用范围广；

3)本发明可通过不同辅助系统做出对应调整，普适性强；

4)本发明中相应的关机控制方法可适用于系统控制中，简化系统调节复杂度，提高关机判断程序可靠性。

附图说明

图1为本发明中一种模拟燃料电池系统关机装置的结构示意图；

图2为实施例1中关机过程中氢腔空腔压力变化曲线；

图3为实施例2中关机过程中氢腔空腔压力变化曲线；

图4为实施例3中关机过程中氢腔空腔压力变化曲线；；

图中标记说明：

100-水热循环模块；200-电池测试模块；300-电堆模块；400-氧气消耗模块；500-空气输入模块；600-氢气输入模块；

1-空气储气罐；2-空气进气减压阀；3-空气压力传感器；4-空气入口控制阀；5-空气压力表；6-空气出口控制阀；7-循环恒温水浴箱；8-电池测试仪；9-燃料电池堆；10-放电电阻；11-开关断电器；12-氢气路出口控制阀；13-氢气压力表；14-氢气路入口控制阀；15-氢气压力传感器；16-氢气进气减压阀；17-氢气储气罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，包括

电堆模块300，包括燃料电池电堆9以及连接氢腔空腔的管路，可以根据系统上氢空容腔进口截止阀到出口截止阀之间的总体积调节模块管路体积，以达到和系统氢空容腔条件相匹配；

空气输入模块500，用于向电堆模块300的空腔提供空气，包括空气出口控制阀6，以及沿空气流动方向依次连通的空气储气罐1、空气进气减压阀2、空气路入口控制阀4；其中空气出口控制阀6与空腔出口相连通，空气路入口控制阀4与空腔入口相连通；空气路入口控制阀4与空腔入口之间设有空气压力表5；空气进气减压阀2与空气路入口控制阀4之间设有空气压力传感器3；通过控制减压阀调节空气入堆压力，并由空气压力表记录实时压力变化；

氢气输入模块600，用于向电堆模块300的氢腔提供氢气，包括氢气路出口控制阀12，以及沿空气流动方向依次连通的氢气储气罐17、氢气进气减压阀16、氢气路入口控制阀14；其中氢气路出口控制阀12与氢腔出口相连通，氢气路入口控制阀14与氢腔入口相连通，通过控制减压阀调节氢气入堆压力，并由氢气压力表记录实时压力变化，氢气出口控制阀尾排可连接氢气稀释装置，确保氢气排放安全；

优选的，氢气路出口控制阀12后还设有氢气稀释装置。

水热循环模块100，包括循环恒温水浴箱7以及将循环恒温水浴箱7与燃料电池电堆9水腔循环连通的循环管路；可以连接燃料电池堆的水腔进口及出口，通过设置水浴箱温度并开启水循环模式，对电堆进行加热，以达到所需电堆温度条件模拟系统关机时堆温；

电池测试模块200，包括电池测试仪8以及测试线，测试线连接到燃料电池堆正负极用于检测电压实时变化；

氧气消耗模块400，包括电连接于电堆模块300正负极之间的放电电阻10与开关断电器11和导线；通过更换不同阻值的放电电阻来调节氧气消耗速率，通过控制开关通断模拟系统关机时控制器工作消耗氢氧的过程。

一种模拟燃料电池系统关机方法，包括以下步骤：

S1：启动水热循环模块100，将电堆模块300加热至设定温度；启动电池测试模块200检测电堆模块300电压；

S2：通过空气输入模块500向电堆模块300的空腔通入设定压力P₀的空气，通过氢气输入模块600向电堆模块300的氢腔通入设定压力P_H的氢气；

S3：停止通入空气，并关闭空腔进出口；持续通入氢气，并关闭氢腔出口；

S4：接通开关断电器11，通过阻值为R的放电电阻10进行放电；氢气通入时间控制在t₁，之后关闭氢腔进口；

S5：当电池测试模块200检测电堆模块300电压低于阈值电压U时，断开开关断电器11；其中阈值电压U为0.001n V，其中n为电堆包含的单电池数量；

S6：记录步骤S1-S5氢腔压力及空腔压力随时间的变化，以及氢腔压力及空腔压力与电压变化的对应关系，并判断氧气消耗情况及不同时刻电堆内部状态：

氧气消耗情况判断：通过氢空腔压力差变化及电压的变化判断，当P_空腔-P_氢腔达到最大时认为氧气基本已消耗完全，电堆内部为氢氮混合环境，此时可确认总电压＜0.01nV；

电堆内部状态判断：根据空腔压力随时间变化判断，记录空腔负压持续时间段，避免开机时造成氢空压差过大情况；根据氢腔压力随时间变化判断，记录氢腔最小压力及负压持续时间，可用于下一次开机时氢气压力及时长判断，避免开机氢气局部压力分布过度不均匀。

优选的，在步骤S6后，分别调整空气压力P₀、氢气压力P_H、放电电阻10阻值R、氢气通入时间t₁，并重复步骤S1-S5以获得优化关机操作条件。

在上述步骤当中，根据氢气腔压力及空气腔压力随时间的变化以及与电压变化的对应关系判断氧气消耗情况及不同时刻电堆内部还原状态，通过调节氢气压力P_H、保压时间t₁、放电电阻阻值R、电压阈值U、容腔体积V等制定适合该燃料电池堆及对应系统的关机控制方法。

本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：调节氢气保压时间t₁

步骤1：按照图1结构示意图搭建测试装置，初始状态为所有阀门都关闭状态，将燃料电池堆连接到测试装置中；

步骤2：开启循环恒温水浴箱，设置水浴温度并开启循环，将燃料电池堆加热到设定温度T1后停止加热；

步骤3：打开电池测试模块，进行电堆电压检测；

步骤4：将氢气进气减压阀压力调节为P，打开氢气出口控制阀，将空气进气减压阀压力调节为P0，打开空气出口控制阀；

步骤5：同时打开空气入口控制阀和氢气入口控制阀，对燃料电池堆进行通气，通气时间T；

步骤6：关闭空气入口控制阀和空气出口控制阀，关闭氢气出口控制阀；

步骤7：同时接通氧气消耗模块开关，进行放电以消耗电堆内的氢氧气体；

步骤8：氢气压力维持时间t1后关闭氢气入口控制阀；

步骤9：电池测试仪检测到的电堆电压降至电压阈值U时,断开氧气消耗模块开关；

步骤10：全程用空气压力表及氢气压力表继续记录氢空两腔压力变化,记录时长为Tx。

将氢气保压时间t1变更为tn(n＝1，2，3……)，重复步骤1到步骤10，对比不同参数条件下氢腔空腔压力变化趋势，图2为通过本实施例操作的测试结果，通过改变保压时长可调节氢空腔极值和稳定值，且针对关机和开机间隔时间长短，可判断停机后在不同时刻堆内压力表现，通过模拟系统关机过程选取合适的保压压力用于系统关机控制。

实施例2：调节氢气保压压力

步骤1：按照图1结构示意图搭建测试装置，初始状态为所有阀门都关闭状态，将燃料电池堆连接到测试装置中；

步骤2：开启循环恒温水浴箱，设置水浴温度并开启循环，将燃料电池堆加热到设定温度T1后停止加热；

步骤3：打开电池测试模块，进行电堆电压检测；

步骤4：将氢气进气减压阀压力调节为P1，打开氢气出口控制阀，将空气进气减压阀压力调节为P0，打开空气出口控制阀；

步骤5：同时打开空气入口控制阀和氢气入口控制阀，对燃料电池堆进行通气，通气时间T；

步骤6：关闭空气入口控制阀和空气出口控制阀，关闭氢气出口控制阀；

步骤7：同时接通氧气消耗模块开关，进行放电以消耗电堆内的氢氧气体；

步骤8：氢气压力维持时间tn后关闭氢气入口控制阀；

步骤9：电池测试仪检测到的电堆电压降至电压阈值U时,断开氧气消耗模块开关；

步骤10：全程用空气压力表及氢气压力表继续记录氢空两腔压力变化,记录时长为Tx。

将氢气保压压力P1变更为Pn(n＝1，2，3……)，重复步骤1到步骤10，对比不同参数条件下氢腔空腔压力变化趋势，图3为通过本实施例操作的测试结果，通过改变保压压力可调节氢空腔压力极值和稳定值，且针对关机和开机间隔时间长短，可判断停机后在不同时刻堆内压力表现，通过模拟系统关机过程选取合适的保压时长用于系统关机控制。

实施例3：调节气体腔总容积

步骤1：按照图1结构示意图搭建测试装置，初始状态为所有阀门都关闭状态，将燃料电池堆连接到测试装置中，且空腔到空气压力表之间接入容积为V1的管道；

步骤2：开启循环恒温水浴箱，设置水浴温度并开启循环，将燃料电池堆加热到设定温度T1后停止加热；

步骤3：打开电池测试模块，进行电堆电压检测；

步骤4：将氢气进气减压阀压力调节为Pn，打开氢气出口控制阀，将空气进气减压阀压力调节为P0，打开空气出口控制阀；

步骤5：同时打开空气入口控制阀和氢气入口控制阀，对燃料电池堆进行通气，通气时间T；

步骤6：关闭空气入口控制阀和空气出口控制阀，关闭氢气出口控制阀；

步骤7：同时接通氧气消耗模块开关，进行放电以消耗电堆内的氢氧气体；

步骤8：氢气压力维持时间tn后关闭氢气入口控制阀；

步骤9：电池测试仪检测到的电堆电压降至电压阈值U时,断开氧气消耗模块开关；

步骤10：全程用空气压力表及氢气压力表继续记录氢空两腔压力变化,记录时长为Tx。

将管道容积V1变更为Vn(n＝1，2，3……)，重复步骤1到步骤10，对比不同参数条件下氢腔空腔压力变化趋势，图4为通过本实施例操作的测试结果，可针对燃料电池堆匹配的不同辅助系统，改变连接空腔和氢腔的管道容积，拟合系统上气体腔总容积，通过不同气体总容积模拟系统关机过程，并结合测试结果匹配合适的辅助系统。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，包括

电堆模块(300)；

空气输入模块(500)与氢气输入模块(600)，分别用于向电堆模块(300)的空腔、氧腔提供空气、氢气；

水热循环模块(100)，与电堆模块(300)中的水腔循环连通；

电池测试模块(200)，用于检测电堆模块(300)电压；以及

氧气消耗模块(400)，包括电连接于电堆模块(300)正负极之间的放电电阻(10)与开关断电器(11)。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的电堆模块(300)包括燃料电池电堆(9)，所述的水热循环模块(100)包括循环恒温水浴箱(7)，所述的电池测试模块(200)包括电池测试仪(8)。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的空气输入模块(500)包括空气出口控制阀(6)，以及沿空气流动方向依次连通的空气储气罐(1)、空气进气减压阀(2)、空气路入口控制阀(4)；

所述的空气出口控制阀(6)与空腔出口相连通，所述的空气路入口控制阀(4)与空腔入口相连通。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的空气路入口控制阀(4)与空腔入口之间设有空气压力表(5)。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的空气进气减压阀(2)与空气路入口控制阀(4)之间设有空气压力传感器(3)。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的氢气输入模块(600)包括氢气路出口控制阀(12)，以及沿空气流动方向依次连通的氢气储气罐(17)、氢气进气减压阀(16)、氢气路入口控制阀(14)；

所述的氢气路出口控制阀(12)与氢腔出口相连通，所述的氢气路入口控制阀(14)与氢腔入口相连通。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的氢气路出口控制阀(12)后还设有氢气稀释装置。

8.一种基于如权利要求1至7任一项所述装置的燃料电池系统关机过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：启动水热循环模块(100)，将电堆模块(300)加热至设定温度；启动电池测试模块(200)检测电堆模块(300)电压；

S2：通过空气输入模块(500)向电堆模块(300)的空腔通入设定压力P₀的空气，通过氢气输入模块(600)向电堆模块(300)的氢腔通入设定压力P_H的氢气；

S3：停止通入空气，并关闭空腔进出口；持续通入氢气，并关闭氢腔出口；

S4：接通开关断电器(11)，通过阻值为R的放电电阻(10)进行放电；氢气通入时间控制在t₁，之后关闭氢腔进口；

S5：当电池测试模块(200)检测电堆模块(300)电压低于阈值电压U时，断开开关断电器(11)；

S6：记录步骤S1-S5氢腔压力及空腔压力随时间的变化，以及氢腔压力及空腔压力与电压变化的对应关系，并判断氧气消耗情况及不同时刻电堆内部状态。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池系统关机过程模拟方法，其特征在于，步骤S5中，所述的阈值电压U为0.001n V，其中n为电堆包含的单电池数量；

步骤S6中，氧气消耗情况的判断方法包括：通过氢空腔压力差变化及电压的变化判断，当P_空腔-P_氢腔达到最大时，则判断氧气已消耗完全，此时确认总电压<0.01nV；

电堆内部状态判断：根据空腔压力随时间变化判断，记录空腔负压持续时间段；根据氢腔压力随时间变化判断，记录氢腔最小压力及负压持续时间，用于下一次开机时氢气压力及时长判断。

10.根据权利要求8所述的一种燃料电池系统关机过程模拟方法，其特征在于，还包括，在步骤S6后，分别调整空气压力P₀、氢气压力P_H、放电电阻(10)阻值R、氢气通入时间t₁，并重复步骤S1-S5以获得优化关机操作条件。

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