CN1783633A - 燃料电池安全运行的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池安全运行的控制方法，该方法是通过一中央处理器对运行中的燃料电池堆进行实时监控，将出现异常的燃料电池从运行的燃料电池堆主电路中自动断开，同时自动将备用电池接入主电路。本发明能及时检测出运行中的燃料电池堆中的异常燃料电池，并自动加以替换，因而可保证燃料电池堆能在额定功率下安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，特别是涉及一种能将燃料电池堆中出现异常的燃料电池从主电路中断开，将备用电池接入主电路，因而可保证燃料电池堆正常工作的燃料电池安全运行的控制方法。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的电池，它具有效率高，污染少和噪声低等特点。燃料电池和普通电池一样，都具有正负极和隔膜材料。在燃料电池中，一般用空气和氧气作为氧化剂，氢气或者甲醇、乙醇等用作燃料，正负极之间通过隔膜隔开，隔膜为透水不透气的膜，可防止氧化剂和燃料发生混合爆炸。在隔膜两侧还具有催化正负极反应的催化剂。燃料电池以石墨或导电性能良好的不锈钢板等作基板，在上述基板材料上刻有多道平行的蛇形流场，作为反应气体和产物传输通道。例如，在以氢气作为燃料，空气作为氧化剂的质子交换膜燃料电池中，燃料电池工作时发生如下反应：
负极：
正极： ，根据上述反应式，燃料电池在工作时，其负极端的氢气通过渗透穿过多孔性材料，到达催化层发生氧化反应，使得燃料氢气失去电子，产生正离子质子。电子通过外电路向正极迁移，质子则通过隔膜材料向正极迁移。燃料电池的正极端氧化剂则渗透穿过多孔性材料，到达催化层后接受从外电路来的电子，发生还原反应，并与从隔膜传递过来的正离子结合，生成产物水。
燃料电池与其它电池的不同在于，其活性物质为气体或液体，如一般质子交换膜燃料电池以H2为燃料气，直接甲醇燃料电池以气态或液态甲醇为燃料，而一般燃料电池以氧气或空气作为氧化剂。燃料电池生成的产物水也以气态或液态的形式存在。在燃料电池的运行过程中，氢气和氧气或空气有时还需要水来增湿，使得反应的活性物质在燃料电池内部的传输是气液两相流的形式。鉴于气液两相流的复杂性，极板流道上液态水的存在会严重影响气体流体形态变化，使得反应活性物质在燃料电池内部分配不均匀，甚至缺乏，使得每个燃料电池在性能上表现出不一致性。这种现象被称为燃料电池的水堵(FLOODING)现象，即液态水使得反应活性物质不能顺畅的在燃料电池流反应流场上分布，所述的水即可能来自反应物增湿带来的水，也可能是燃料电池反应生成的水。水堵(FLOODING)现象会导致燃料电池的性能下降，其实质是液态水的存在阻碍了反应活性物质向反应区域的传输，造成在某一电流下需要的活性物质缺乏。
轻微水堵(FLOODING)现象对于燃料电池性能的影响是可逆的。燃料电池流道上液态水是随机动态分布的，当其被反应活性物质吹扫走后，燃料电池的性能电池又重新恢复。燃料电池流道中的液态水的量与燃料电池放电电流是密切相关的。燃料电池放电电流增加，相应产生的水的量增加，需要的反应活性物质增加，水堵的现象越容易发生。解决此类问题最有效的办法是将燃料电池的放电电流减小，燃料电池的放电电流减少，相应产生的水的量减少，需要的反应活性物质减少，过量的反应气很容易将流道中的液态水吹扫干净，燃料电池的性能得到恢复。
然而，如果水堵的现象不能够及时处理，在情况严重下，将会出现如下的变化：以质子交换膜燃料电池为例，在燃料电池工作过程中，如果发生由于水堵引起氧气或空气严重缺乏时，在阳极侧还是氢气发生氧化反应，氢气失去电子变成质子和电子。质子与水结合通过膜向阴极侧移动，而电子通过外电路向阴极移动。由于在阴极发生水堵引起氧气或空气严重缺乏，使得电子和质子不能被氧化剂消耗掉，其结果是从阳极通过膜传递过来的质子结合电子而被还原。从而在阴极会产生氢气，结果是燃料电池会变成一个氢泵，即只是阳极氢气的消耗和在阴极氢气的生成，造成燃料电池的电压为零甚至变负。
负极：
正极： 如果在这种状态下长时间运行，将会使阴极侧的氢气越聚越多，从而可能发生爆炸的危险。另外，如果在阳极发生由于水堵引起氢气的缺乏，虽然阴极侧的反应是正常进行的，但在阳极没有可以失去电子发生氧化反应的氢气。结果是燃料电池在阳极发生水的电解反应，
负极：
正极： 在阳极生成氧气、质子和电子。其结果是在阳极生成大量的氧气，使燃料电池电压迅速变负，可以到-2伏甚至更低。同样，长时间在这种状态下运行将会使燃料电池有爆炸的危险。
燃料电池与其它类型的电池相比，具有低电压大电流的特点，特别适合作为车用动力源，家庭用备用电源，或者电子产品的便携式电源。由于燃料电池的低电压和大电流的特点，使得其在使用过程中需要串联起来使用，以获得所需要的电压和电流，从而满足用户的功率需求。如果将燃料电池用作电子产品的便携市式电源，需要5～20片电池来进行串联；如果将燃料电池用在电动自行车上，需要30～50片的电池串联起来，以获得电动自行车所需要的电压；而如果将燃料电池用在轿车和大型客车上，则需要将上百片类似的燃料电池串联起来。
将如此多的燃料电池串联起来，要克服的一个难点就是如何保证所有的电池具有同样的性能。由于所有的电池都串接在电路中，通过它们的电流都是一样的。如果某一个电池发生上述空气或氢气缺乏的现象，则其可承受的电流将大大降低，为防止单个燃料电池出现负电压而发生爆炸，只能使所有的电池都必须在更低的电流下工作。这将会使整个燃料电池堆的输出功率大大降低。即会出现因为一个燃料电池的性能引起的“木桶效应”。
由于燃料电池经常会发生这样的现象，所以如果不对燃料电池采取措施，将会极大的限制燃料电池的应用。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，而提供一种能及时检测出运行中的燃料电池堆中的异常燃料电池，并自动加以替换，因而可保证燃料电池堆能在额定功率下安全运行的燃料电池安全运行的控制方法。
为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池安全运行的控制方法，该方法是对运行中的燃料电池堆进行实时监控，将出现异常的燃料电池从运行的燃料电池堆主电路中自动断开，同时自动将备用电池接入主电路。
该方法包括如下步骤：
a、在燃料电池堆向负载进行功率输出之前和运行时，对燃料电池堆中的各个燃料电池的即时电压、放电电流与预定电压、电流值进行比较，如果各燃料电池的电压不低于设定电压值，则进行设定电流的输出或保持燃料电池堆继续正常运行；
b、如果在某一放电电流下，某个燃料电池的电压低于预定电压值一定范围，则将该燃料电池从燃料电池堆的主电路中断开，并自动从备用电池中随机取出一个接入燃料电池堆主电路；
c、在燃料电池运行过程中，上述步骤(a)、(b)将反复进行，直到燃料电池停止工作。
步骤a中，由电流传感器和电压传感器对燃料电池的放电电流和各个电池的电压数据进行采集，并将数据传给中央处理器处理。
步骤a及步骤b中，由中央处理器对电流传感器和电压传感器采集到的燃料电池的放电电流和各个燃料电池的即时电压数据与已经事先设置在中央处理器的存储器中的数据进行对比判断，并进行相应的处理，将出现异常的燃料电池从燃料电池主电路中断开，并从备用电池中随机取出一个电池使其接入主电路，使燃料电池继续正常运行。
步骤b中，当中央处理器判断出某个燃料电池的即时电压值低于该电流下的标准电压值一定范围时，便将与该电池电路并联的继电器闭合，使得电池堆的主电流从含有继电器的旁路中通过，而使出现异常的燃料电池从燃料电池主电路中断开。
步骤b中，由中央处理器从备用电池中随机取出一个电池，并将与该电池电路并联的继电器断开，使燃料电池堆主电流从该电池通过，从而使燃料电池继续正常运行。
步骤a及步骤b中，当燃料电池在正常工作时，与其电路并联的继电器是断开的，当燃料电池处于备用状态时，与其电路并联的继电器是闭合的。
燃料电池堆中含有M+N个燃料电池，其中，M为正在工作电池的个数，M＞1；N为备用燃料电池的个数，N≥1。
本发明的贡献在于，它有效解决了燃料电池因水堵现象而引起的燃料电池性能不一致使得燃料电池堆不能按设定电流安全输出的问题。本发明通过对运行中的燃料电池进行实时自动检测，及时从燃料电池堆中检测出发生异常的燃料电池，并自动由备用电池进行替换，使得燃料电池的运行不会中断，保证了燃料电池的连续安全运行。
附图说明
图1是本发明的燃料电池安全运行的控制方法流程示意图。
图2是本发明的控制装置结构示意图。
图3是燃料电池堆正常工作时的电流和燃料电池单电池电压曲线图。
具体实施方式
下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。
参阅图1，本发明的燃料电池的安全运行的控制方法包括如下步骤：
a、在燃料电池堆向负载进行功率输出之前和运行时，由中央处理器通过与之相连的电流传感器和电压传感器采集燃料电池堆中的各个燃料电池的放电电流和即时电压，并将数据传送给中央处理器。中央处理器对从电流传感器和电压传感器采集来的各个燃料电池的即时电压信号与已经事先设置并存储于存储器中的数据进行比较判断，得出燃料电池的即时电压在该放电电流下是否低于设定电压结论，并控制与燃料电池的电路并联的继电器进行动作。如果各燃料电池的电压不低于设定电压值，则进行预定功率的输出或保持燃料电池堆继续正常运行；
b、如果某个燃料电池的电压低于设定电压值，本例中，异常燃料电池是其电压比数据库中相应电流下的燃料电池平均电压要低，其差值大于0.1v的燃料电池。中央处理器将出现异常的燃料电池从燃料电池主电路中断开，即将与该电池的电路并联的继电器闭合，使主电路电流不通过该异常的燃料电池，从而使该燃料电池通过的电流大大减小，让其性能得到恢复。异常的燃料电池从主电路中断开时，其还有很小的电流通过，约为主电路电流的1％。燃料电池在这么小的电流下工作时，其性能会很快的恢复。同时中央处理器从备用电池中随机取出一个电池使其接入燃料电池堆主电路，即将与该电池电路并联的继电器断开，使燃料电池的主电流从该电池的通过，使燃料电池继续正常运行。出现异常的电池变为备用电池，其性能由于通过的电流很小，其性能会逐渐恢复。
c、在燃料电池运行过程中，上述步骤(a)、(b)将反复进行，直到燃料电池停止工作。
图3示出了本例中燃料电池堆正常工作时的电流和燃料电池单电池电压曲线，如图所示，当燃料电池中的电流为0时，各个电池的平均电压为1V，当燃料电池的放电电流逐渐增大时，各个电池的电压逐渐降低。如放电电流为4A时，燃料电池正常工作的电压为0.8V，当放电电流为10A时，燃料电池的正常工作电压为0.65V。该数据储存于中央处理器的存储器中，中央处理器在燃料电池堆运行过程中通过传感器采集电流和电压数据来与存储器中的数据进行对比，用以来判断燃料电池工作是否正常。
本例中，燃料电池堆由36个工作电池和5个备用电池所构成，其电路连接如图2所示，所有41个燃料电池的正负极的接线端子通过数据线与电压传感器1连接，该电压传感器与中央处理器3连接，用以向中央处理器进行数据传输。在与每个电池并联的电路中都包含继电器J和二极管D。通过该并联电路可以实现对该电池的短路动作。在燃料电池的主电路中，还有一个测量燃料电池堆电流数据的电流传感器2，该传感器用数据线与中央处理器连接。图2中，4为负载，5为开关。在该燃料电池堆实际运行过程中，开始电流为5A，经过燃料电池的电流和电压传感器检测其电流和电压数据，并将该数据传给中央处理器，经过中央处理器比较发现燃料电池的各单电池的电压与存储器中的电压数据接近，没有出现其电压比数据库中相应电流下的燃料电池平均电压要低，其差值大于0.1V的燃料电池。然后将燃料电池电流增加到7A，经过燃料电池电压传感器检测到，有一个燃料电池电压数据为0.68V，中央处理器将该数据和数据库中相应7A时的数据比较，燃料电池7A时相应的平均电压为0.70V，而此时电压为0.68V的电池已低于平均电压差过0.1V，应该从电路中断开。中央处理器将该电压为0.68V的电池的并联电路中的继电器闭合，从而使该性能恶化的燃料电池从主电路中断开，中央处理器随机地将一备用电池的并联电路中的继电器断开，使其和其它电池一样进行正常工作。同时上述性能恶化的电池变为备用电池，由于通过该电池的电流很小，其性能会逐渐恢复。切换过程为10ms，整个过程不影响燃料电池的正常工作。燃料电池堆稳定的在7A下工作2H，没有发现异常的燃料电池。最后燃料电池堆运行工况结束。
Claims (8)
1、一种燃料电池安全运行的控制方法，其特征在于，对运行中的燃料电池堆进行实时监控，将出现异常的燃料电池从运行的燃料电池堆主电路中自动断开，同时自动将备用电池接入主电路。
2、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a、在燃料电池堆向负载进行功率输出之前和运行时，对燃料电池堆中的各个燃料电池的即时电压、放电电流与预定电压、电流值进行比较，如果各燃料电池的电压不低于设定电压值，则进行设定电流的输出或保持燃料电池堆继续正常运行；
b、如果某个燃料电池的电压、放电电流低于预定电压、电流值一定范围时，则将该燃料电池从燃料电池堆的主电路中断开，并自动从备用电池中随机取出一个接入燃料电池堆主电路；
c、在燃料电池运行过程中，上述步骤(a)、(b)将反复进行，直到燃料电池停止工作。
3、如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤a中，由电流传感器和电压传感器对燃料电池的放电电流和各个电池的电压数据进行采集，并将数据传给中央处理器处理。
4、如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤a及步骤b中，由中央处理器对电流传感器和电压传感器采集到的燃料电池的放电电流和各个燃料电池的即时电压数据与已经事先设置在中央处理器的存储器中的数据进行对比判断，并进行相应的处理，将出现异常的燃料电池从燃料电池主电路中断开，并从备用电池中随机取出一个电池使其接入主电路，使燃料电池继续正常运行。
5、如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤b中，当中央处理器判断出某个燃料电池的即时电压值低于该电流下的标准电压值一定范围时，便将与该电池电路并联的继电器闭合，使得电池堆的主电流从含有继电器的旁路中通过，而使出现异常的燃料电池从燃料电池主电路中断开。
6、如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤b中，由中央处理器从备用电池中随机取出一个电池，并将与该电池电路并联的继电器断开，使燃料电池堆主电流从该电池通过，从而使燃料电池继续正常运行。
7、如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤a及步骤b中，当燃料电池在正常工作时，与其电路并联的继电器是断开的，当燃料电池处于备用状态时，与其电路并联的继电器是闭合的。
8、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述燃料电池堆中含有M+N个燃料电池，其中，M为正在工作电池的个数，M＞1；N为备用燃料电池的个数，N≥1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080319 |