一种燃料电池系统停车控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种燃料电池系统停车放电的控制方法，用以缓解或避免质子交换膜燃料电池停车过程中由于残余氢气在电池阳极长期留存所造成的燃料电池性能衰减，延长车用燃料电池使用寿命。该方法所涉及的燃料电池系统在氢气管路中包含一个与燃料电池电池相邻的缓冲空间，在燃料电池系统准备停车时，关闭氢气管路中特定的开关阀将电池氢气腔及缓冲空间整体封闭，随后通过外电路的联通消耗电池氢气腔及缓冲空间内的残余氢气，使其内部达到一定真空度，达到后，断开外电路并打开电池氢气出口管路的开关阀，使残余氢气在压差作用下快速进入缓冲空间，避免系统停车后残余氢气在氢气腔内长期留存而引起电池衰减。
【专利说明】一种燃料电池系统停车控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于缓解燃料电池系统停车过程中发生的性能衰减的控制方法，所述系统和方法包括消除或减少停车后电池氢气腔内残余氢气的留存，以降低由此形成的氢空界面所造成的燃料电池性能衰减。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。它不受卡诺循环的限制，可以高效地将化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有可快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出优点，特别适合作为移动动力源，是未来电动汽车的理想能源之一。
[0003]车用燃料电池的使用过程中，存在频繁的启动和停车过程。燃料电池在停车之后，电池氢气腔内的残余氢气会逐渐被环境中的空气所取代，在空气缓慢渗入燃料电池氢气腔的过程中，燃料电池电堆中每节单池阳极侧都将于较长时间内形成氢空界面，导致阴极侧局部高电位的产生，一般可以达到1.5V以上，该阴极高电位持续存在，将引起碳载体氧化及Pt催化剂的流失。研究表明，燃料电池停车后，尽快地消除阳极侧氢空界面，减少由此所造成的阴极催化剂及载体腐蚀，进而能够缓解电池衰减。
[0004]本领域提出的停车后快速吹扫阳极的方法(ZL 200480044755.6)，在燃料电池系统中增加额外的惰性气体储罐，停车后采用储存的惰性气体(如氮气)对电池阳极进行吹扫，以快速消除单堆阳极侧的氢气，可避免长期氢空界面的形成。本领域的另一种方法(ZL200380104251.4)提出直接用空气对电堆阳极进行吹扫，在电池系统中配置由空气供气装置(如空压机)至电池阳极入口的吹扫管路，该管路在电池正常运行时需要完全截止，在电池停车后通过该管路对电池氢气腔进行吹扫。在本领域也曾提出封闭阳极的方法，提高燃料电池的系统密封性能，在燃料电池停车后，彻底封闭阴极和阳极的尾排出口，阻止空气进入阳极腔内，使燃料电池停车之后不易形成氢空界面。
[0005]本领域提出在停车后利用辅助负载放电限电位(ZL 200480026899.9)的方法，在系统阴极侧增加辅助循环管路，同时使用辅助负载消耗停车后燃料电池腔内残余气体，使残余在燃料电池阴极腔内主要的气体为保护性气体氮气，氢空界面效应减小，抑制了阴极高电位的产生，从而有效延缓燃料电的衰减。
【发明内容】
[0006]根据本发明的方案，公开提出了一种可以避免或显著缓解质子交换膜燃料电池停车过程中由于残余氢气在电池氢气腔长期留存而形成的氢空界面所造成性能衰减的燃料电池控制方法。
[0007]本发明利用氢气进气管路中入口阀至电池氢气入口段的空间作为缓冲区域，该缓冲区域的空间体积(Vl)大小可选择性的通过改变该段管路的管内径大小、管长度大小或添加缓冲容器的一种或两种以上的方式进行调节。该缓冲区域设有压力传感器，即时测量空间内压力(P)并将压力信号反馈给控制器，以作为控制器选择控制指令的依据。本发明所涉及的燃料电池系统需含有额外的辅助负载电路，可实现在燃料电池停车过程中的可控制的辅助放电功能。该系统的空气供应，氢气入口阀、氢气出口阀的打开与关闭，辅助负载的放电开始与停止均通过控制器根据设计的控制策略进行控制。
[0008]在本发明所设计的控制策略中，当系统准备停车时，维持空气供应，同时关闭系统氢气入口阀及出口阀，将缓冲空间(VI)及燃料电池氢气腔(V2)作为一个整体空间封闭，然后，采用负载对电池进行放电，消耗该整体空间内所残余的氢气，而此时该整体空间内压力(P)将随之下降，当该整体空间内实测压力值P低于设定值Ps时，断开电池外接负载，停止放电。在以上放电过程中，当该方法应用于采用由两节及以上燃料电池组成的电堆的系统时，由于缓冲空间的存在，可对电堆中不同节单池之间残余氢气量的不同引起到单池电压差异起到平衡作用，缓解其中某一节单池的电压反极。在放电结束后，开启氢气出口阀，由于电池内部具有一定的真空度与外界大气压之间存在一定的压差，外界的空气将迅速进入电池氢气腔，而由于缓冲空间的存在，电池氢气腔内残余氢气也将同时被排入缓冲空间，便避免了电池在系统停车后由于残余氢气在氢气腔内的长期留存所存在的形成的长时间氢空界面而造成的燃料电池性能衰减的风险。上述压力设定值Ps根据以下公式(I)进行计算，其中，PO为一个标准大气压，Vl为缓冲区体积，V2为电堆氢气腔内体积，η为调节参数，其设定范围为0〈η ( 1，η值设定的越小，越能保证残余氢气彻底进入缓冲区。上述所有压力均为绝对压力。
[0009]Ps=nXP0XVl/(Vl+V2)公式(I)
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是根据本发明的一个实施例所采用的燃料电池系统概要示意图。
【具体实施方式】
[0011]以下涉及用于避 免或有效缓解燃料电池系统停车后由阳极腔内形成的氢空界面所造成性能衰减的燃料电池系统控制策略的本发明的实施例的相关阐述，本质上仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用及使用。
[0012]图1显示的是燃料电池系统18的示意性构成及流程图。燃料电池系统18包括具有正极接线端子10及负极接线端子11的燃料电池9，该燃料电池为由120节电池组成的电堆。连接于燃料电池9的正极接线端子10及负极接线端子11之间的放电线路12，包括可以选择性闭合或断开的开关13以及惰性电阻14，以及连接于燃料电池9的正极接线端子10及负极接线端子11。
[0013]根据本发明，燃料电池系统18还包括空气压缩机I将空气经燃料电池堆阴极进气管路3输送至燃料电池9的空气腔，且过量空气通过燃料电池空气排气管路5排出。储存于氢气储罐2的氢气经过氢气进气管路4及燃料电池电堆氢气入口阀7进入燃料电池9的氢气腔，且过量氢气通过氢气出口阀8及燃料电池电堆阳极排气管路6排出，本实施例中的氢气入口阀及氢气出口阀均采用两通电磁阀。氢气管路于氢气入口阀7至电堆氢气入口段包含用于空间调节的缓冲罐15 ，同时该缓冲罐设置有测试气体压力的压力传感器16。压力传感器16所测试得到的压力信号经信号线传输至控制器17。控制器17根据该压力信号及控制策略逻辑可以同时或分别的控制空气压缩机I的运行或停止、氢气入口阀7及氢气出口阀8的开启或关闭以及开关13的闭合或断开。
[0014]根据本发明之前的阐述，在燃料电池系统18准备停车时，空气压缩机I继续运转，维持向燃料电池9空气侧的空气供应，同时关闭氢气入口阀7以及氢气出口阀8，将燃料电池9的氢气腔封闭，以将电池氢气腔及缓冲罐15作为整体空间完全封闭。之后，关闭开关阀13开始放电以消耗燃料电池9氢气腔及缓冲罐15内封闭的残余氢气，同时压力传感器16测量缓冲罐内压力P，当压力P低于设定值Ps时，断开开关阀13停止放电，并开启氢气出口阀8。此时，由于真空作用空气将迅速进入电堆氢气腔而残余氢气进入缓冲罐内，这样便避免了电堆氢气腔内残余氢气所潜在的形成氢空界面而造成电池衰减的危险。
[0015]本实施例中的燃料电池9为120节电堆，其氢气腔内空间体积V2为IOOOml左右，附加的缓冲罐15空间体积Vl为1000ml，根据本发明的设计思路，本实施例中控制压力设定值Ps可定为45kPa，即0.9 X PO X Vl/(V1+V2) =45kPa，其中0.9为满足要求所设定的缓冲空间余量系数。η值设定的越小，残余氢气进入缓冲区后的空间余量越大，但是η值太小会导致阳极压力过低，阴极与阳极间压差过大，膜电极等的受力过大，同样会引起电池性能衰减。实验结果表明，电池系统停车时，控制缓冲空间余量系数为0.9可以有效避免阳极形成氢空界面引起电池衰减，也避免了膜电极等受力过大引起衰减，为最优的缓冲空间余量系数。经过多次停车实验，电池性能衰减较小。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统停车控制方法，适用于燃料电池系统停车时快速消除电池内残余氢气以避免由此造成的燃料电池衰减的停车控制方法，所述方法包括: 燃料电池系统包括燃料电池、氢气气源，于电池的氢气入口和氢气气源间的连接管路上设有氢气入口阀，电池的氢气出口管路上设有氢气出口阀； 燃料电池系统的氢气入口阀至电池入口段管路为储存残余氢气的缓冲区，该缓冲区的体积Vl大小可根据实际需要通过改变该段管路的管内径大小、管的长度大小、或在该段管路中增加额外缓冲容器中的一种或二种以上的方式进行调节，燃料电池系统提供连接于电池正端子和负端子之间的包括负载的电流回路； 系统停车时，关闭电池氢气入口阀并同时关闭氢气出口阀，使缓冲区与电池氢气腔形成一个内部联通的封闭空间；同时，维持电池空气供应，并接通所述的电流回路以消耗封闭空间内残余氢气。
2.根据权利要求1所述的方法，包括对电池氢气腔及缓冲区形成的联通空间压力进行检测，通过测得的压力值P与设定值Ps进行对比，当测得的压力值P低于设定值Ps时，断开所述电流回路，并开启所述电池氢气出口阀，利用形成的真空度使空气由氢气出口管路进入电池氢气腔，同时电池氢气腔内的残余氢气进入缓冲区。
3.根据权利要求2所述的方法，所述设定值Ps根据以下公式进行计算:Ps=nXP0XVl/(Vl+V2);其中，PO为一个标准大气压，Vl为缓冲区体积，V2为电堆氢气腔内体积，η为缓冲区空间余量系数，其设定范围为0〈n< 1，η值设定的越小，残余氢气进入缓冲区后的空间余量越大，所有压力均为绝对压力。
4.根据权利要求1所 述的方法，适用的燃料电池包括只有一节燃料电池组成的单池或由两节及以上燃料电池所组成的电堆。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于:缓冲区空间余量系数为0.9。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述燃料电池系统， 包括具有正极接线端子(10)及负极接线端子(11)的燃料电池(9)，连接于燃料电池(9)的正极接线端子(10)及负极接线端子(11)之间的放电线路(12)，放电线路(12)上包括可以选择性闭合或断开的开关(13)以及惰性电阻(14)； 还包括空气压缩机(I)将空气经燃料电池堆阴极进气管路(3)输送至燃料电池(9)的空气腔，且过量空气通过燃料电池堆空气排气管路(5)排出，储存于氢气储罐(2)的氢气经过氢气进气管路(4 )及燃料电池电堆氢气入口阀(7 )进入燃料电池(9 )的氢气腔，且过量氢气通过氢气出口阀(8 )及燃料电池电堆氢气出口管路(6 )排出，氢气管路于氢气入口阀(7 )至电池氢气入口段包含用于空间调节的缓冲罐(15)，同时该缓冲罐设置有测试气体压力的压力传感器(16)，压力传感器(16)所测试得到的压力信号经信号线传输至控制器(17)，控制器(17)根据该压力信号及控制策略逻辑可以同时或分别的控制空气压缩机(I)的运行或停止、氢气入口阀(7)及氢气出口阀(8)的开启或关闭以及开关(13)的闭合或断开。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在燃料电池系统(18)准备停车时，空气压缩机(I)继续运转，维持向燃料电池(9 )空气侧的空气供应，同时关闭氢气入口阀(7 )以及氢气出口阀(8)，将燃料电池(9)的氢气腔封闭，以将燃料电池(9)氢气腔及缓冲罐(15)作为整体空间完全封闭，之后，关闭开关阀(13)开始放电以消耗燃料电池(9)氢气腔及缓冲罐(15)内封闭的残余氢气，同时压力传感器(16)测量缓冲罐内压力P，当压力P低于设定值Ps时，断开开关阀(13)停止放电，并开启氢气出口阀(8)，此时，由于真空作用空气将迅速进入电堆氢气腔而残余氢气进入缓冲罐内，这样便避免了电堆氢气腔内残余氢气所潜在的形成氢空界面而造成电池衰减的危 险。
【文档编号】H01M8/04GK103887538SQ201210559320
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2012年12月20日
【发明者】郑利民, 梁栋, 侯明, 邵志刚, 衣宝廉 申请人:中国科学院大连化学物理研究所