CN117239179B - 燃料电池系统限制高电位的启动方法及高电压放电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池系统限制高电位的启动方法及高电压放电系统，属于燃料电池技术领域，所述方法为：燃料电池系统车辆开启，判断燃料电池系统停机时间是否大于第一预设时间，是转步骤S3，否转步骤S4，燃料电池系统正常启动，判断燃料电池系统是否启动，是转步骤S5，否则继续判断燃料电池系统是否启动，启动燃料电池系统的冷却系统，启动燃料电池系统的高电压放电系统直至燃料电池电堆电压符合要求，开启燃料电池系统的尾排氢浓度控制系统。所述系统包括放电电阻、继电器。可消除长时间停机后的阳极存在空气，阳极产生氢空界面导致阴极高电位存在而产生的影响，可以提升氢气利用率，可有效的保证氢气排放的安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统限制高电位的启动方法及高电压放电系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池（PEMFC）汽车是新能源汽车的一个重要分支，由于其具有氢气加注速度快、系统效率高、噪音低、零排放等优点，被认为是未来汽车的最终解决方案之一。质子交换膜燃料电池是一种将氢气和氧气的化学反应转化为电能的装置，在转化的过程中伴随着热量的产生，通过冷却液在内部的循环，将电堆内部产生的热量带走，电堆正常最佳工作温度在60-80℃左右。
搭载质子交换膜燃料电池系统的新能源汽车在运行过程，会出现高频率的开机启动，一个燃料电池堆在整个全寿命运行周期内，开关机对其寿命的衰减占了重要的影响地位，一个良好的开机启动会在一定程度上延长使用寿命。现有燃料电池堆在开机过程因开机启动会引入阴极高电位，一般认为在电池的电压超过0.85V，阴极易出现碳腐蚀现象，导致燃料电池堆的性能出现衰减。阴极高电位的存在，最主要的原因是在燃料电池系统长时间关机后，外界的空气进入电堆的阳极侧，下次开机直接向阳极通入燃料氢气，在阳极形成氢空界面效应，氢空界面效应是典型的形成阴极高电位的一种形式。现有技术会在开机过程，为了降低氢空界面效应，采用对电堆的阳极侧敞口吹扫方式，此种的方式会引入两个问题：其一，氢气的直接吹扫，会导致燃料电池系统的尾排氢气浓度过高，存在安全隐患，同时降低了整个系统的氢气利用率；其二，吹扫过程的氢空界面效应引入的高电位一直存在，不能有效的降低高电位的存在。同时，阴极的高电位的存在并非每次的开机均会存在，现有的开机启动多数采用与氢空界面效应处理方式一样的方式进行吹扫，此样以来，不仅会对燃料电池堆的寿命产生影响，还同样会导致在整个使用的周期中，氢气的利用率降低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中燃料电池电堆开机时阳极存在氢空界面，导致阴极高电位存在，造成电堆性能衰减的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种燃料电池系统限制高电位的启动方法，所述方法依次包括如下步骤：
S1、燃料电池系统车辆开启，
S2、判断燃料电池系统停机时间是否大于第一预设时间，是转步骤S4，否转步骤S3，
S3、燃料电池系统正常启动，
S4、判断燃料电池系统是否启动，是转步骤S5，否则继续判断燃料电池系统是否启动，
S5、启动燃料电池系统的冷却系统，
S6、启动燃料电池系统的高电压放电系统直至燃料电池电堆电压符合要求，
S7、开启燃料电池系统的尾排氢浓度控制系统。
优选的，步骤S6所述启动燃料电池系统的高电压放电系统的方法依次包括如下步骤：
S6.1、设定氢气进口第一压力，
S6.2、判断燃料电池电堆电压是否大于第一设定电压，是转步骤S6.3，否则继续判断燃料电池电堆电压是否大于第一设定电压，
S6.3、开启高电压放电系统进行放电，
S6.4、判断燃料电池电堆电压是否大于第二设定电压，是则继续判断燃料电池电堆电压是否大于第二设定电压，否转步骤S6.5，
S6.5、关闭高电压放电系统。
优选的，所述的方法依次包括如下步骤：
S7.1、开启燃料电池系统的空气系统的空气旁通阀，设定空气第一流量，
S7.2、开启燃料电池系统的氢气系统的排气排水阀，
S7.3、判断对燃料电池电堆氢腔的吹扫时间是否大于第二预设时间，是则氮气全部排放完成，否则继续判断对燃料电池电堆氢腔的吹扫时间是否大于第二预设时间。
优选的，所述氢气进口第一压力设定为不大于燃料电池电堆阴极侧初始压力20kPa。
优选的，所述第一设定电压为0.3~0.85V任意一数值乘以燃料电池电堆的单电池总数。
优选的，所述第二设定电压选择小于0.1V的一个正电压值。
优选的，步骤3所述燃料电池系统正常启动的方法依次包括如下步骤：
S3.1、设定氢气进口第二压力，
S3.2、开启燃料电池系统的空气系统的空气截止阀和背压阀，设定空气第二流量，
S3.3、判断燃料电池电堆电压是否大于第三设定电压，是则设定燃料电池电堆第一电流，完成燃料电池系统的启动流程，否则继续判断燃料电池电堆电压是否大于第三设定电压。
优选的，所述氢气进口第二压力设定为电堆最小运行工况对应的压力，或者设定为满足启动的其他合适的氢腔压力。
优选的，所述空气第二流量设定为燃料电池电堆最小运行工况对应的流量，或者设定为满足启动的其他合适的空气流量。
本发明还提供了一种燃料电池系统的高电压放电系统，包括放电电阻、继电器，所述继电器的一端接燃料电池电堆的供电输出端正极，另一端接放电电阻，其控制端接燃料电池电堆的控制器的输出端；所述放电电阻的一端接燃料电池电堆的供电输出端负极并接地，另一端接继电器。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
本发明专利提出一种开机启动方法，可消除长时间停机后的阳极存在空气，阳极产生氢空界面导致阴极高电位存在而产生的影响，可以提升氢气利用率；本专利的方式可以提升氢气利用率，对氢空界面的存在导致阴极高电位存在后再采用放电电阻进行处理，防止阴极高电位的影响；尾排采用控制氢气浓度的方式，可有效的保证氢气排放的安全可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的燃料电池系统的结构原理图；
图2为本发明提供的燃料电池系统限制高电位的启动方法的流程图；
图3为本发明提供的高电压放电系统的控制流程图；
图4为本发明提供的尾排氢浓度控制系统的控制流程图；
图5为本发明提供的正常启动的控制流程图；
图6为本发明提供的燃料电池系统开机启动时序图；
图7为本发明提供的燃料电池电堆阴阳极的内部气体分布状态图。
图例说明：
空气系统100、冷却系统200、氢气系统300、控制器400、燃料电池电堆500、尾排系统600、燃料电池系统700、高电压放电系统800；
储氢罐301、减压阀302、压力流量调节阀303、引射循环装置304、氢气进堆压力传感器305、泄压阀306、汽水分离器307及排气排水阀308；
空气过滤器101、空气流量计102、空气泵103、空气冷却器104、空气加湿器105、截止阀106、空气压力检测传感器107、空气温度检测传感器108、背压调节阀109以及旁通阀110；
冷却液循环泵201、冷却液进口温度传感器202、冷却液出口温度传感器203、三通阀204、散热器205、离子器206。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本实施例提供一种燃料电池系统限制高电位的启动方法，
本实施例所述燃料电池系统的结构如图1所示，包括燃料电池系统700具备燃料电池电堆500、控制器400、氢气系统300，冷却系统200、空气系统100、尾排系统600以及高电压放电系统800。燃料电池系统700可以直接用来搭载在车辆上作为动力电源给车辆提供动力源，同时也可以作为固定式的燃料电池发电系统。
燃料电池电堆500为由多个单电池（未编号示意）堆叠组成的电池发电组结构。本实施例的燃料电池电堆500为质子交换膜燃料电池堆，单电池由质子交换膜、催化层、扩散层、双极板及密封圈等组成。
氢气系统300具备储氢罐301、减压阀302、压力流量调节阀303、引射循环装置304、氢气进堆压力传感器305、泄压阀306、汽水分离器307及排气排水阀308。储氢罐301用来储存高压氢气，通过减压阀302减压到一定使用压力，通过压力流量调节阀303来提供燃料电池电堆500工作使用的流量，氢气进堆压力传感器305用来检测燃料电池电堆500入口的氢气压力大小，防止压力不在正常范围内，氢气在燃料电池电堆500内发生反应之后，剩余的过量氢气（过量氢气防止燃料电池电堆500出现氢气饥饿现象）通过汽水分离器307将氢气中液态水分离出，湿氢气通过引射循环装置304再次进入燃料电池电堆500内，分离的液态水通过排气排水阀308向尾排系统600中排放。
空气系统100具备空气过滤器101、空气流量计102、空气泵103、空气冷却器104、空气加湿器105、截止阀106、空气压力检测传感器107、空气温度检测传感器108、背压调节阀109以及旁通阀110。空气泵103通过的空气首先通过空气过滤器101过滤杂质及有害气体，再通过空气流量计102检测进入燃料电池电堆500的流量大小来调节空气泵103，通过空气泵103的空气增压后空气温度提升无法满足燃料电池电堆500使用要求，因此增压后的高温空气通过空气冷却器104降温到燃料电池电堆500要求的工作温度。一定温度和压力的空气经过空气加湿器105加湿到一定燃料电池电堆500满足的空气湿度进入燃料电池电堆500工作，经过燃料电池电堆500剩余的湿空气最后经过空气加湿器105给环境中加压的干空气加湿后经过背压调节阀109排入大气中。背压调节阀109用来调节燃料电池电堆500空气的压力，截止阀106用来在燃料电池电堆500不工作之后防止外界的空气进入燃料电池电堆500腔体内部，旁通阀110用来在开机过程控制通过的空气流量大小。
冷却系统200具备冷却液循环泵201、冷却液进口温度传感器202、冷却液出口温度传感器203、三通阀204、散热器205（由散热器芯体及散热风扇组成）以及离子器206。冷却系统200的冷却液可使用水、乙二醇等防冻液。冷却液在冷却液循环泵201的作用下进行循环，三通阀204用来调节流向散热器205和流向旁路的流量分配，散热器205上配备散热风扇用以给燃料电池电堆500产生的热量排向大气中。冷却液进口温度传感器202、冷却液出口温度传感器203用来检测燃料电池电堆500的冷却液进口与出口的温度，来保护电堆在一定的合理范围内工作。
本实施例高电压放电系统800包含继电器801，放电电阻802，所述放电电阻802为恒阻值电阻，一般包含直流升压变换器（图示未给出），在电堆阳极出现氢气界面（存在氧气），控制器400发出关闭继电器801指令，电堆产生的电力通过放电电阻802进行消耗，工作完成后，控制器400下达指令断开继电器801。
所述控制器400用来检测各个子系统的零部件工作状态同步协调系统零部件工作。
如图2所示，所述燃料电池系统限制高电位的启动方法依次包括如下步骤：
S1、燃料电池系统车辆开启；
S2、判断燃料电池系统停机时间是否大于第一预设时间，是转步骤S4，开始消除阳极进入的空气，否转步骤S3，直接进行正常开启启动，所述第一预定时间为停机后电堆阳极存在空气（氧气）的时长；
S3、燃料电池系统正常启动，因系统停机后的时间小于第一预定时间，表明燃料电池电堆阳极内部不存在空气，因此正常启动即可；
S4、判断燃料电池系统是否启动，是转步骤S5，否则继续判断燃料电池系统是否启动；
S5、启动燃料电池系统的冷却系统；
S6、启动燃料电池系统的高电压放电系统直至燃料电池电堆电压符合要求；
S7、开启燃料电池系统的尾排氢浓度控制系统。
参照图3，作为本实施例的一个优选实施方式，步骤S6所述启动燃料系统的高电压放电系统的方法依次包括如下步骤：
S6.1、设定氢气进口第一压力，为了消除电堆阳极侧的空气中的氧气，氢气进口第一压力可为一个较小的压力值，对此压力的要求一般为不大于阴极侧初始压力20kPa，质子交换膜对阴阳极侧的压差有要求，对于不同的电堆耐压值不一致，此处的数值可以根据实际的耐压要求进行设定。在此设定氢气进口第一压力前，电堆阴阳极的内部气体分布状态如图7（a）所示，阴阳极均为空气（主要成分为氧气（O2）与氮气（N2））；在设定氢气进口第一压力后，电堆阴阳极的内部气体分布状态如图7（b）所示，出现氢空界面效应，会出现阴极高电压；
S6.2、判断燃料电池电堆电压是否大于第一设定电压，是转步骤S6.3，否则继续判断燃料电池电堆电压是否大于第一设定电压，所述第一设定电压为0.3-0.85V任意一数值乘以燃料电池电堆的单电池总数。
S6.3、开启高电压放电系统进行放电，继电器吸合，放电电阻主动的消耗电堆阳极侧出现的氧气，此处采用放电电阻，可以防止出现单电池反极现象（采用电堆电流放电因初始过程可能出现电堆反极，出现负电压现象），放电电阻的阻值可根据实际系统电堆的启动产生的能量大小进行选择；
S6.4、判断燃料电池电堆电压是否大于第二设定电压，是则继续判断燃料电池电堆电压是否大于第二设定电压，否转步骤S6.5，所述第二设定电压用来判断电堆阳极侧的氧气消耗是否完成，所述第二设定电压选择小于0.1V的一个正电压值；
S6.5、关闭高电压放电系统，继电器断开，放电电阻关闭，在阳极氧气完全消耗殆尽，关闭放电电阻，电堆阴阳极的内部气体分布状态如图7（c）所示，阳极气体存在主要为氢气（H2）与氮气（N2）两种成分，消除氢空界面带入的高电压的存在。
参照图4，作为本实施例的一个优选实施方式，所述的尾排氢浓度控制系统的控制方法依次包括如下步骤：
S7.1、开启燃料电池系统的空气系统的空气旁通阀，设定空气第一流量，完成电堆高电压消除控制，电堆内部阳极存在的气体状态为氢气（H2）与氮气（N2），因需要进行去除氮气成分，提高燃料电池电堆启动对氢气纯度的要求，如阳极侧的气体直接排放会出现大量氢气排出，会导致尾排的氢气浓度过高存在安全隐患，通过设定空气第一流量并通过旁通阀110稀释排放的氢气，来保证氢气排放的浓度在安全范围内（一般要求氢气排放的浓度不高于4%Vol），所述空气第一设定流量根据对排放的氢气浓度要求选择合适的流量值；
S7.2、开启燃料电池系统的氢气系统的排气排水阀，快速将阳极侧的电堆内部的氮气排放到大气中；
S7.3、判断对燃料电池堆氢腔的吹扫时间是否大于第二预设时间，是则氮气全部排放完成，系统完成开机启动，此时电堆阴阳极的内部气体分布状态如图7（d）所示，否则继续判断对燃料电池堆氢腔的吹扫时间是否大于第二预设时间。
作为本实施例的一个优选实施方式，步骤3所述燃料电池系统正常启动的方法依次包括如下步骤：
S3.1、设定氢气进口第二压力，此压力值为系统启动前设定需要的氢气压力，氢气进口第二压力可设定为电堆最小运行工况点对应的压力，也可以为满足启动的其他的合适氢腔压力；所述最小工况点定义为电堆的各个单电池电压不超过0.85V对应的最小运行电流点；
S3.2、开启燃料电池系统的空气系统的空气截止阀和背压阀，设定空气第二流量，所述空气第二流量可设定为电堆最小运行工况点对应的流量，也可以为满足启动的其他的合适空气流量；
S3.3、判断燃料电池电堆电压是否大于第三设定电压，是则设定燃料电池电堆第一电流，完成燃料电池系统的启动流程，否则继续判断判断燃料电池电堆电压是否大于第三设定电压。所述第三设定电压可为电堆的单电池电压0.85V乘以总单电池数量，也可以为其他适合启动的电堆电压。燃料电池电堆第一电流一般情况下为燃料电池电堆最小运行工况下的电流，也可以设定适合电堆运行的其他电流点。
图6为一种质子交换膜燃料电池系统开机启动时序图，t0至t1时间内，车辆处于停止状态，在停机的时间大于第一预定时间，氢气进口压力初始为Pan0也可视为与外界大气压力相同，电堆电压在长时间停机可视为0；t1至t3为开机启动的高电压控制，在t1至t2时间内，首先给定氢气进口第一压力（Pan1），并开启冷却系统，电堆电压逐步升到V1（第一设定电压），t2时间点开始开启放电电阻消耗电堆阳极侧的空气（氧气），在t2至t3开启放电电阻后电堆的电压逐渐下降，在t3时刻，电堆电压下降至V2（第二设定电压），此时电堆阴极高电位消除；在t3至t4时间内主要消除阳极的氮气，t3时刻开启空气旁通阀，设定空气第一流量，排气排水阀开启，进行吹扫阳极氮气以及尾排氢气浓度控制；在t4时刻，吹扫完成，关闭排气排水阀，空气流量设定为0，旁通阀关闭，在t4至t5时间内进行等待电堆加载运行启动。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种燃料电池系统限制高电位的启动方法，其特征在于，所述方法依次包括如下步骤：
S1、燃料电池系统车辆开启，
S2、判断燃料电池系统停机时间是否大于第一预设时间，是转步骤S4，否转步骤S3，
S3、燃料电池系统正常启动，
S4、判断燃料电池系统是否启动，是转步骤S5，否则继续判断燃料电池系统是否启动，
S5、启动燃料电池系统的冷却系统，
S6、启动燃料电池系统的高电压放电系统直至燃料电池电堆电压符合要求，
S7、开启燃料电池系统的尾排氢浓度控制系统；
步骤S6所述启动燃料电池系统的高电压放电系统的方法依次包括如下步骤：
S6.1、设定氢气进口第一压力，
S6.2、判断燃料电池电堆电压是否大于第一设定电压，是转步骤S6.3，否则继续判断燃料电池电堆电压是否大于第一设定电压，
S6.3、开启高电压放电系统进行放电，
S6.4、判断燃料电池电堆电压是否大于第二设定电压，是则继续判断燃料电池电堆电压是否大于第二设定电压，否转步骤S6.5，
S6.5、关闭高电压放电系统；
所述尾排氢浓度控制系统的控制方法依次包括如下步骤：
S7.1、开启燃料电池系统的空气系统的空气旁通阀，设定空气第一流量，
S7.2、开启燃料电池系统的氢气系统的排气排水阀，
S7.3、判断对燃料电池电堆氢腔的吹扫时间是否大于第二预设时间，是则氮气全部排放完成，否则继续判断对燃料电池电堆氢腔的吹扫时间是否大于第二预设时间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统限制高电位的启动方法，其特征在于：所述氢气进口第一压力设定为不大于燃料电池电堆阴极侧初始压力20kpa。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统限制高电位的启动方法，其特征在于：所述第一设定电压为0.3~0.85V任意一数值乘以燃料电池电堆的单电池总数。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统限制高电位的启动方法，其特征在于：所述第二设定电压选择小于0.1V的一个正电压值。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统限制高电位的启动方法，其特征在于：步骤3所述燃料电池系统正常启动的方法依次包括如下步骤：
S3.1、设定氢气进口第二压力，
S3.2、开启燃料电池系统的空气系统的空气截止阀和背压阀，设定空气第二流量，
S3.3、判断燃料电池电堆电压是否大于第三设定电压，是则设定燃料电池电堆第一电流，完成燃料电池系统的启动流程，否则继续判断燃料电池电堆电压是否大于第三设定电压。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统限制高电位的启动方法，其特征在于：所述氢气进口第二压力设定为电堆最小运行工况对应的压力，或者设定为满足启动的其他合适的氢腔压力。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统限制高电位的启动方法，其特征在于：所述空气第二流量设定为燃料电池电堆最小运行工况对应的流量，或者设定为满足启动的其他合适的空气流量。
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