一種質(zhì)子交換膜燃料電池停機(jī)控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池停機(jī)控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)把反應(yīng)物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，由于其能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、功率密度和能量密度較高和功率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的清潔、高效地發(fā)電技術(shù)，受到各國政府和大公司的重視。隨著研宄的深入，質(zhì)子交換膜燃料電池在便攜式移動電源、分布式電站和水下機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。質(zhì)子交換膜燃料電池由于電流密度高、結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行過程中沒有電解液的滲漏，而且具有啟動速度快、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)，適用于便攜式電源和運(yùn)輸工具。然而質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性和壽命一直是制約其商業(yè)化發(fā)展的重要因素。車載燃料電池不可避免的要經(jīng)歷頻繁啟停的工況，因此，在燃料電池停機(jī)過程中電池性能的衰減問題更加突出。
[0003]引起PEMFC經(jīng)歷頻繁啟停循環(huán)后性能衰減的根本原因是燃料電池停機(jī)后由于反向電流所形成的氫氣/空氣界面和陰極高電位。在燃料電池停機(jī)瞬間，燃料電池處于開路狀態(tài)，由于陽極流道內(nèi)殘留有氫氣，會迫使電堆長時(shí)間處于開路電壓狀態(tài)，這容易引起催化劑碳載體發(fā)生氧化腐蝕，造成電池性能衰減和壽命縮短等。由此可見，加快消耗PEMFC系統(tǒng)停機(jī)后陽極殘留的氫氣和縮短停機(jī)后開路高電壓的時(shí)間是提高燃料電池壽命的關(guān)鍵因素。
[0004]為此，國內(nèi)外科學(xué)家進(jìn)行了大量的研宄，這些研宄主要集中在催化劑載體材料的改進(jìn)和系統(tǒng)控制策略改進(jìn)兩個(gè)方面。其中利用抗腐蝕能力更強(qiáng)的催化劑載體材料替代傳統(tǒng)的碳載體是一種重要的解決方法。Yu等報(bào)道了利用石墨化的碳材料來替代傳統(tǒng)的碳載體，能夠使得燃料電池經(jīng)歷1000次啟停循環(huán)后電堆性能衰減速率減小5倍。然而，這些材料的高成本卻大大阻礙了燃料電池的商業(yè)化發(fā)展。因此，就目前的催化劑載體材料的發(fā)展形式而言，系統(tǒng)控制策略是更為現(xiàn)實(shí)的能夠運(yùn)用于實(shí)際燃料電池系統(tǒng)中的解決方法。其中目前的系統(tǒng)控制策略主要有:(I)停機(jī)過程中采用氣體吹掃陽極；(2)外部的氣體循環(huán)來作為吹掃氣體；(3)輔助負(fù)載的使用從而消耗殘留在電池內(nèi)部的氣體。氣體吹掃是一種非常有效的辦法，能防止電堆陽極形成氫-空界面，同樣也能減少氫-空界面存在于陽極的時(shí)間，但是在質(zhì)子交換膜燃料電池的實(shí)際運(yùn)行中吹掃氣體不容易得到。此外氣體吹掃雖然能使PEMFC在停機(jī)過程中氫-空界面難以存在于電堆陽極，然而，燃料電池停機(jī)后殘留在流場內(nèi)和氣體擴(kuò)散層內(nèi)以及催化層內(nèi)的氣體，卻并不容易被排出。因此，另外一種有效消耗殘留在流場內(nèi)和氣體擴(kuò)散層以及催化層內(nèi)的氣體的方法是利用輔助負(fù)載。Jae Hong Kim等研宄了輔助負(fù)載的存在與否對燃料電池經(jīng)歷頻繁啟停后性能衰減速率的重要影響。他們的研宄結(jié)果表明利用輔助負(fù)載能夠較大程度的減少PEMFC停機(jī)過程中性能的衰減和電化學(xué)活性面積的減小。除了上述解決方法外，其它的方法也應(yīng)用于燃料電池停機(jī)過程中，它們包括催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、利用階梯型的燃料進(jìn)口設(shè)計(jì)從而優(yōu)化燃料電池內(nèi)部氣體的分配等。然而相比之下，利用輔助負(fù)載是相對比較簡單和廉價(jià)，且更能實(shí)際應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)中的控制策略。但是由于燃料電池停機(jī)后殘留在電堆內(nèi)部各片的氣體濃度不一樣，導(dǎo)致了在使用輔助負(fù)載放電時(shí)每一片單體電池電壓下降的速率也不一致。但是，將輔助負(fù)載應(yīng)用于整個(gè)燃料電池電堆上并不實(shí)際，因?yàn)闀斐赡承┢瑔误w電池電壓下降過快而導(dǎo)致電池反極現(xiàn)象的發(fā)生。因此，研宄和開發(fā)出一種可靠和實(shí)用的停機(jī)控制裝置成為燃料電池停機(jī)控制策略亟待解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池停機(jī)控制裝置及方法，旨在縮短燃料電池系統(tǒng)停機(jī)后電堆維持在開路高電壓的時(shí)間，抑制單體電池反極現(xiàn)象的發(fā)生，提高燃料電池的壽命。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種質(zhì)子交換膜燃料電池停機(jī)控制裝置包括儲氫罐、減壓閥、穩(wěn)壓球閥、氫氣進(jìn)氣電磁閥、主負(fù)載控制開關(guān)、主負(fù)載、陽極排氣閥、晶體二極管、停機(jī)電阻、控制開關(guān)、端板、絕緣板、電極、單體電池；
[0007]儲氫罐、減壓閥、穩(wěn)壓球閥、氫氣進(jìn)氣電磁閥、端板、絕緣板依次連接，電極設(shè)置在端板和絕緣板之間，單體電池安裝在兩端的絕緣板之間，陽極排氣閥與陽極一側(cè)的端板連接，主負(fù)載控制開關(guān)和主負(fù)載與兩端的電極串聯(lián)；
[0008]各個(gè)單體電池中嵌入安裝有放電電路控制裝置，該放電電路控制裝置由一個(gè)控制開關(guān)、一個(gè)停機(jī)電阻和一個(gè)晶體二極管相互串聯(lián)組成，每個(gè)單體電池放電電路并聯(lián)連接在單體電池的陰陽極兩端，控制開關(guān)控制停機(jī)電阻的切入或斷開，晶體二極管限制放電電路的導(dǎo)通電壓。
[0009]進(jìn)一步，所采用的停機(jī)電阻為純阻性，停機(jī)電阻大小要求保證單體電池電壓由開路電壓下降到0.2V所需時(shí)間為15S到30S之間。
[0010]進(jìn)一步，電堆中各個(gè)單體電池單獨(dú)進(jìn)行放電。
[0011]進(jìn)一步，在燃料電池制造過程中將放電電路控制裝置嵌入各個(gè)單體電池中。
[0012]進(jìn)一步，所述的的晶體二極管的導(dǎo)通電壓為0.1V?0.2V。
[0013]進(jìn)一步，該質(zhì)子交換膜燃料電池停機(jī)控制裝置不設(shè)置晶體二極管。
[0014]本發(fā)明的另一目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池停機(jī)控制方法為:
[0015]步驟一、打開主輔助電路開關(guān)以斷開主負(fù)載的連接；
[0016]步驟二、關(guān)閉氫氣進(jìn)氣電磁閥；
[0017]步驟三、打開陽極排氣閥，設(shè)置排氣間隔、排氣時(shí)間和排氣次數(shù)；
[0018]步驟四、電堆風(fēng)扇繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直至電堆溫度下降至電堆空載時(shí)的最佳工作溫度；
[0019]步驟五、合上控制開關(guān)，以連接停機(jī)電阻和晶體二極管，對電堆中各個(gè)單體電池進(jìn)行放電；
[0020]步驟六、當(dāng)電堆中單體電池電壓低于0.1V或0.2V時(shí)，斷開放電控制電路。
[0021]本發(fā)明的的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022](I)使用停機(jī)電阻快速消耗燃料電池系統(tǒng)停機(jī)后殘留在陽極側(cè)的氫氣，限制了停機(jī)后的電壓，縮短了燃料電池停機(jī)時(shí)間，進(jìn)而減弱了陰極側(cè)催化劑碳載體的被腐蝕。
[0023](2)由于燃料電池停機(jī)后殘留在每一片單體電池的反應(yīng)氣體濃度不一致，單體電池電壓下降速率也不一樣，且燃料電池每一次停機(jī)，電壓下降最快的那片單體電池不固定，若采用停機(jī)電阻對整個(gè)電堆或?qū)﹄姸涯K化放電，容易導(dǎo)致單體電池反極化或者放電不徹底。本發(fā)明采用對各個(gè)單體電池進(jìn)行單獨(dú)放電，能夠使單體電池停機(jī)的放電更加充分，能夠極大程度消耗電堆停機(jī)后殘留在陽極側(cè)的氫氣。
[0024]采用晶體二極管控制單體電池放電，能夠防止單體電池反極對電堆造成的負(fù)面影響。
[0025](4)本發(fā)明將單體電池放電裝置集成為一個(gè)很小的停機(jī)控制裝置在燃料電池制造過程中就鑲嵌入各個(gè)單體電池中，能夠使燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜程度得到大大降低，操作更加方便。
[0026](5)停機(jī)后，關(guān)閉氫氣進(jìn)氣閥和立即進(jìn)行陽極排氣，能夠減弱電堆停機(jī)瞬間，氫氣壓力的激增對質(zhì)子交換膜造成的沖擊，同時(shí)也能縮短停機(jī)后氫氣壓力從峰值下降至Obar需要的時(shí)間。
[0027](6)燃料電池系統(tǒng)大負(fù)載電流下直接停機(jī)，其電堆溫度會超過PEMFC空載條件下的最大工作溫度，過高的電堆溫度會加速質(zhì)子交換膜的降解，因此，停機(jī)后電堆風(fēng)扇繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅能加快氫氣反應(yīng)消耗的速度，同時(shí)對電堆散熱也能減緩質(zhì)子交換膜的降解。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的空冷型陰極開放式質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的放電電路控制裝置的電路圖；
[0030]圖中:1-儲氫罐，2-減壓閥，3-穩(wěn)壓球閥，4-氫氣進(jìn)氣電磁閥，5-主負(fù)載控制開關(guān)，6-主負(fù)載，7-陽極排氣閥，8-晶體二極管，9-停機(jī)電阻