一種燃料電池系統(tǒng)及停車控制方法與應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及其采用的停車放電控制方法，用以緩解或避免質子交換膜燃料電池停車過程中由于空氣進入陽極腔形成的氫空界面所造成的燃料電池性能衰減，延長車用燃料電池的使用壽命，是一種無需惰性氣體吹掃的可行的用于減少或消除系統(tǒng)停車過程衰減的燃料電池系統(tǒng)及控制方法。在燃料電池系統(tǒng)準備停車時，氫氣進出口開關閥將陽極腔整體封閉，在維持陰極空氣繼續(xù)流動的條件下，通過閉合外電流回路開關將陽極腔內氫氣充分反應掉，同時在陽極腔內形成一定真空度。此時，斷開外電流回路開關并打開氫氣出口開關閥，使外界空氣迅速沖入陽極腔，避免系統(tǒng)停車后空氣在陽極腔緩慢擴散而引起的氫空界面長期存在，從而減少或避免電池的停車衰減。
【專利說明】一種燃料電池系統(tǒng)及停車控制方法與應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于緩解燃料電池系統(tǒng)停車過程中發(fā)生的性能衰減的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法包括消除或減少停車過程中氫空界面于陽極側存在時間以降低由此造成的燃料電池性能衰減。
【背景技術】
[0002]燃料電池是一種將燃料與氧化劑中的化學能通過電極上的電催化反應直接轉化為電能的發(fā)電裝置。它不受卡諾循環(huán)的限制，可以高效地將化學能轉化為電能。質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有可快速啟動、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與比能量高等突出優(yōu)點，特別適合作為移動動力源，是混合動力電動汽車和燃料電池汽車的理想能源之一。
[0003]車用燃料電池的使用過程中，存在頻繁的啟動和停車過程。燃料電池在停車之后，電池陽極腔內的殘余氫氣會逐漸被環(huán)境中的空氣所取代，在空氣緩慢滲入燃料電池陽極腔的過程中，燃料電池電堆中每節(jié)單池陽極側都將于較長時間內形成氫空界面，導致陰極側局部高電位的產生，一般可以達到1.5V以上，該陰極高電位持續(xù)存在，將引起碳載體氧化及Pt催化劑的流失。研究表明，燃料電池停車后，盡快地消除陽極側氫空界面，減少由此所造成的陰極催化劑及載體腐蝕，進而能夠緩解電池衰減。
[0004]本領域提出的停車后快速吹掃陽極的方法(ZL 200480044755.6)，在燃料電池系統(tǒng)停車后采用惰性氣體(如氮氣)對電池陽極進行吹掃，以快速消除電堆陽極腔的氫氣，避免長期氫空界面的形成，但該方法需要在燃料電池系統(tǒng)中額外配置惰性氣體儲罐及吹掃管路，增加了系統(tǒng)負擔。雖然也有方法(ZL 200380104251.4)提出直接用空氣對電堆陽極進行吹掃，從而無需額外配置惰性氣體儲罐，但也必須配置由空氣供氣裝置(如空壓機)至電池陽極入口的吹掃管路，該管路在電池正常運行時需要完全截止，以避免氫氣與空氣的互相滲透，因而該管路的存在也增加了系統(tǒng)的風險。在本領域同樣也提出封閉陽極的方法，在燃料電池停車后，封閉陰極和陽極的尾排出口，阻止空氣進入陽極腔內，使燃料電池停車之后不易形成氫空界面，但該方法并未徹底解決電堆陽極腔內殘余氫氣的存在問題，在長期停車過程中，微量的空氣滲透將不可避免，一旦空氣進入陽極腔，該方法反而將延長氫空界面的存在時間，加劇電池的衰減。
[0005]本領域提出在停車后利用輔助負載放電限電位(ZL 200480026899.9)的方法，使用輔助負載消耗停車后燃料電池腔內殘余氣體，使殘余在燃料電池陰極腔內主要的氣體為保護性氣體氮氣，氫空界面效應減小，抑制了陰極高電位的產生，從而有效延緩燃料電的衰減。此類方法需要額外增加陰極側輔助循環(huán)管路，增加了系統(tǒng)負擔，且旨在于消耗燃料電池陰極腔內的殘余氣體，而不能將陽極腔內的氫氣完全消耗掉，電堆陽極側形成氫空界面的潛在隱患仍然存在，仍有引發(fā)陰極高電勢并導致MEA衰減的可能。
【發(fā)明內容】
[0006]根據(jù)本發(fā)明的方案，公開提出了一種可以避免或顯著緩解質子交換膜燃料電池停車過程中由于空氣進入陽極腔內形成的氫空界面所造成性能衰減的燃料電池系統(tǒng)及控制方法。
[0007]燃料電池系統(tǒng)由η節(jié)燃料電池單池串聯(lián)構成的燃料電池堆，n ^ 2正整數(shù)，包括陽極和陰極端板以及用于與外電路實現(xiàn)電連接的正端子和負端子所構成，陽極和陰極端板上設有氫氣入口、空氣入口、氫氣出口、空氣出口，氫氣入口、和氫氣出口處設有氫氣入口閥及氫氣出口閥，分別用于控制燃料電池堆氫氣入口處及出口處流體流動通道的接通及截斷。
[0008]氫氣入口通過管路與氫氣氣源相連，空氣入口通過管路與空氣壓縮機或鼓風機的出口相連，壓縮機或鼓風機給燃料電池堆陰極提供空氣。
[0009]燃料電池堆的正端子和負端子用于與外電路進行電連接，另外，于正端子和負端子之間連接一條電流回路，電流回路由用電負載和開關構成；所述電流回路的開關可選擇性的閉合和斷開，以提供或解除連接燃料電池堆的電流回路；所述電流回路串聯(lián)的用電負載包括但不限于惰性電阻、風扇、電機，其功率依據(jù)所述的燃料電池堆額定功率進行選擇，以調節(jié)所述回路開關閉合階段的回路電流。
[0010]控制器通過導線分別與空氣壓縮機或鼓風機，氫氣入口閥及氫氣出口閥及所述電流回路開關、直流電壓變送器相連；控制器用以控制所述空氣壓縮機或鼓風機的運行或停止，控制氫氣入口閥及氫氣出口閥的接通與截斷，及所述電流回路開關的閉合和斷開。
[0011]在系統(tǒng)準備停車時，維持空氣供應，同時關閉電堆氫氣入口閥及出口閥，封閉陽極腔，并同步采用負載對電堆進行放電，充分消耗掉電堆陽極腔內殘余氫氣，隨后再開啟氫氣出口閥，利用陽極腔形成的真空度使空氣由陽極腔出口迅速進入并充滿陽極腔，這樣便避免了電堆在系統(tǒng)停車后由于空氣緩慢擴散進入陽極腔所形成的長時間氫空界面而造成的燃料電池性能衰減。
【專利附圖】
【附圖說明】
`[0012]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例所采用的燃料電池系統(tǒng)概要示意圖。
[0013]圖2是未采用本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)停車后其單池電壓及陰極局部界面電勢情況。
[0014]圖3是采用本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)停車后其單池電壓及陰極局部界面電勢情況?！揪唧w實施方式】
[0015]以下涉及用于避免或有效緩解燃料電池系統(tǒng)停車后由陽極腔內形成的氫空界面所造成性能衰減的燃料電池系統(tǒng)及控制策略的本發(fā)明的實施例的相關闡述，本質上僅是示例性的且不旨在以任何方式限制本發(fā)明或其應用及使用。
[0016]圖1顯示的是燃料電池系統(tǒng)17的示意性構成及流程圖。燃料電池系統(tǒng)17包括具有正極接線端子10及負極接線端子11的燃料電池電堆9?？諝鈮嚎s機I將空氣經燃料電池堆陰極進氣管路3輸送至燃料電池電堆9的陰極腔，且過量空氣通過燃料電池堆陰極排氣管路5排出。儲存于氫氣儲罐2的氫氣經過氫氣進氣開關閥4及燃料電池電堆陽極進氣管路7進入燃料電池電堆9的陽極腔，且過量氫氣通過氫氣出口開關閥8及燃料電池電堆氫氣出口管路6排出。[0017]根據(jù)本發(fā)明，燃料電池系統(tǒng)17還包括連接于燃料電池電堆9的正極接線端子10及負極接線端子11之間的電流回路12，包括可以選擇性閉合或斷開的電流回路開關13以及惰性電阻14，以及連接于燃料電池電堆9的正極接線端子10及負極接線端子11之間的堆直流電壓變送器15，所測得的堆電壓信號直接傳輸?shù)娇刂破?6。控制器16可以同時或分別的控制空氣壓縮機I的運行或停止、氫氣進氣開關閥7及氫氣排氣開關閥8的開啟或關閉以及電流回路開關13的閉合或斷開。
[0018]根據(jù)本發(fā)明之前的闡述，在燃料電池系統(tǒng)17準備停車時，空氣壓縮機I繼續(xù)運轉，維持向燃料電池電堆9陰極腔的空氣供應，同時關閉氫氣入口閥7以及氫氣出口閥8，將燃料電池電堆9的陽極腔封閉，以隔絕隨后放電過程中空氣向陽極腔的擴散。之后，關閉電流回路開關13開始放電以消耗燃料電池電堆9陽極腔內封閉的殘余氫氣，同時測量電堆電壓，由于此時維持空氣壓縮機I對燃料電池電堆9的空氣供應，所以放電過程中燃料電池電堆9的電壓下降主要由于電堆陽極腔的氫氣消耗，當測得的電堆電壓低于設定值可認為殘余氫氣被充分消耗，此時斷開電流回路開關13停止放電，并開啟氫氣出口閥8。由于氫氣的充分消耗避免了或大幅緩解了開啟氫氣出口閥8之后空氣進入陽極腔對MEA造成的衰減。
[0019]本實施例中的燃料電池電堆9可以是120節(jié)電堆，此時電堆中每節(jié)單池的開路電壓通常在1.0V附近，燃料電池電堆9的堆電壓則為120V附近，如權利要求書中所述放電過程中堆電壓的設定值通常設置在電堆單池節(jié)數(shù)nX0.05V至電堆單池節(jié)數(shù)ηX0.5V之間，如本實施例中電堆電壓設定值可設置范圍為6V至60V之間。其內在規(guī)律在于所設置堆電壓設定值越低，進行操作之后，殘余氫氣消耗也越充分。
[0020]附圖2與圖3分別展示了不采用及采用本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)停車后其單池電壓a及陰極局部(靠近氫氣排氣口的一端)界面電勢b的響應情況。在圖2中，未采用本發(fā)明所述技術的燃料電池系統(tǒng)停車后，燃料電池電壓長期(約3000秒)維持于0.8V以上，陰極局部界面電勢明顯超過1.6V ;在圖3中，采用本發(fā)明所述技術的燃料電池系統(tǒng)停車后，燃料電池在經歷不超過60秒的上述控制策略執(zhí)行區(qū)間(堆電壓設定值為電堆節(jié)數(shù)ηX0.3V)后，電池電壓迅速降低至接近0V，同時未出現(xiàn)陰極局部界面電勢的升高。
【權利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池堆，所述燃料電池堆以η節(jié)燃料電池單池串聯(lián)所構成，η >2正整數(shù)，包括陽極和陰極端板以及用于與外電路實現(xiàn)電連接的正端子和負端子；于端板上設有氫氣入口、空氣入口、氫氣出口、空氣出口，于氫氣入口、和氫氣出口處設有氫氣入口閥及氫氣出口閥； 空氣入口通過管路與空氣壓縮機或鼓風機的出口相連，壓縮機或鼓風機用以提供空氣給燃料電池堆的陰極；氫氣入口通過管路與氫氣氣源相連； 氫氣入口閥及氫氣出口閥，分別用于控制燃料電池堆氫氣入口處及出口處氣體流動通道的接通及截斷； 所述燃料電池堆的正端子和負端子用于與外電路進行電連接，另額外，于正端子和負端子之間連接一條電流回路，所述電流回路包括串聯(lián)的用電負載和電流回路開關； 所述電流回路開關可選擇性的閉合和斷開，以提供或解除連接燃料電池堆的電流回路；所述電流回路串聯(lián)的用電負載，用以調節(jié)所述電流回路開關閉合階段的電流； 于燃料電池堆的正端子和負端子間設有直流電壓變送器，燃料電池堆直流電壓變送器用以測試燃料電池堆電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于: 控制器通過導線分別與空氣壓縮機或鼓風機，氫氣入口閥及氫氣出口閥及所述電流回路開關、直流電壓變送器相連；控制器用以控制所述空氣壓縮機或鼓風機的運行或停止，控制氫氣入口閥及氫氣出口閥的接通與截斷，及所述電流回路開關的閉合和斷開。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的 燃料電池系統(tǒng)，其特征在于: 所述氫氣入口閥及氫氣出口閥包括但不限于二通電磁閥、電流回路開關包括但不限于繼電器類開關，控制器包括但不限于ECU控制單元。
4.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于: 所述電流回路串聯(lián)的用電負載包括但不限于惰性電阻、風扇、電機中的一種或二種以上，其功率依據(jù)所述的燃料電池堆額定功率進行選擇。
5.一種權利要求1、2、3或4所述燃料電池系統(tǒng)的停車控制方法，其為消除或顯著減少燃料電池系統(tǒng)停車過程中，陽極腔氫空界面緩慢移動而造成MEA大幅衰減的控制方法，其特征在于: 系統(tǒng)停車時，關閉電堆氫氣入口閥并同時關閉氫氣出口閥；維持電堆陰極的空氣供應，閉合所述電流回路開關，連接電堆正端子和負端子之間包括負載的電流回路，用于充分消耗陽極腔內封閉空間氫氣；在封閉的陽極腔內部氫氣被絕大部分消耗掉后，斷開所述燃料電池系統(tǒng)的電流回路，開啟所述電堆氫氣出口閥，利用陽極腔形成的真空度使空氣由陽極腔出口迅速進入并充滿陽極腔；對電堆電壓進行檢測，并以電堆電壓值作為判斷陽極腔內部氫氣消耗程度的判斷依據(jù)。
6.根據(jù)權利要求5所述的停車控制方法，其特征在于:所述開關閉合時間由在所述燃料電池堆直流電壓變送器測得的堆電壓進行控制，當所述堆直流電壓變送器測得的堆電壓低于設定值時，所述開關斷開，并認為陽極腔內封閉氫氣基本被消耗。
7.根據(jù)權利要求5所述的燃料電池停車控制方法，其特征在于:所述的堆電壓設定值依據(jù)燃料電池堆單池節(jié)數(shù)η進行計算，所述設定值處于nX0.05V與nX0.5V之間。
8.根據(jù)權利要求5所述的停車控制方法，其特征在于:在閉合所述電流回路開關時，所述壓縮機或鼓風機繼續(xù)開啟維持陰極腔空氣供應。
9.一種權利要求1、2、·3或4所述的燃料電池系統(tǒng)用于燃料電池車上。
【文檔編號】H01M8/04GK103579643SQ201210260388
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月25日 優(yōu)先權日:2012年7月25日
【發(fā)明者】侯明, 梁棟, 鄭利民, 邵志剛, 衣寶廉 申請人:中國科學院大連化學物理研究所