一种燃料电池系统及其停机控制方法与流程

本发明涉及一种车载燃料电池技术，尤其涉及一种燃料电池系统 及停机控制方法。

背景技术：

车用燃料电池系统包括：分别连接电堆的氢气管道和空气管道， 进入电堆的氢气和空气在电堆内进行反应，提供能量。然而车用燃料 电池在停机后，电堆内氢气侧压力通常是大于空气侧压力的。由于渗 漏作用导致在电堆的空气侧空腔内能检测到微量氢气含量。为此，空 气侧空腔内的微量氢气与腔内空气中的氧气在电堆催化剂表面反应， 导致电堆内催化剂载体碳损失，致使电堆内催化剂聚集，比表面积下 降。最终导致电堆性能下降。燃料电池的寿命也随之下降。

为解决上述问题，现有技术中提供多种消除氢空界面的方法，例 如，一种方案是在燃料电池停止工作后短路正负极消耗反应气体，进 而减少和消除反应源；另一种方案是为燃料电池停机后创造一个密封 没有氧气或氢气的密封环境。

而上述的第一种方案中通过正负极短路消耗反应气体的过程中忽 略了在存放过程中，氢气通过膜电极向空气侧缓慢渗漏，并在阴极催 化剂表面直接反应的事实。特别是对于大功率燃料电池电堆。由于电 堆片数多，且阳极和阴极腔内的其他含量非常大，直接短接正负极可 以使瞬间电流非常大，而且会持续一段时间直至腔内气体耗尽。在这 过程中燃料电池处于停机状态，其电堆内温度上升非常快甚至可能损 坏膜电极。且在开始的瞬间大电流放电可以导致其中欠气的膜电极直 接反极变为电解工作方式，而对于执行器件开关也可能会引来拉弧等 问题。电堆内两腔压力在停机后长时间内无法维持平衡对膜电极也会 造成损伤。

上述第二种方案使用空气或氢气氛围保护电堆的方式在再一次开 机时，无法避免其瞬间阴极或阳极同时存在氢、氧气的状态，无法根 本性避免氢空界面对催化剂的损坏。

为此，如何消除燃料电池停机后，电堆内氢气向空气侧空腔渗漏 成为当前亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种燃料电池系统及停机控 制方法，能够解决燃料电池停机后，电堆内氢气向空气侧空腔渗漏的 问题，进而保证电堆的性能，延长燃料电池的使用寿命。

第一方面，本发明提供一种燃料电池系统，包括：

电堆，该电堆的阴极连通空气输送管路的一端，所述电堆的空气 出口连通空气排放管路的一端；以及燃料电池系统还包括：设置在所 述空气输送管路上的第一空气阀门；

设置在所述空气排放管路上的第二空气阀门；

氢空压力平衡罐的A端连通燃料电池系统的电堆中空气出口，所 述氢空压力平衡罐的B端连通燃料电池系统的电堆中氢气出口；

所述氢空压力平衡罐中A端和B端通过活动挡板密封隔开；

所述电堆的阳极和阴极之间串接一放电电阻。

可选地，所述氢空压力平衡罐为椭球形的盲管。

可选地，所述电堆的阳极连通氢气输送管路的一端；

所述氢气输送管路的另一端连通氢气源，且在氢气输送管路上还 连通有氢气罐；所述氢气罐和所述氢气源之间的部分氢气输送管路上 设置有用于截断氢气供给的第一电磁阀；

所述氢气罐和所述电堆的阳极之间的部分氢气输送管路上依次设 置有氢气减压器、第二电磁阀。

可选地，所述电堆的氢气出口连通氢气排放管路的一端，且所述 氢气排放管路上设置有用于截断氢气排放的第三电磁阀。

可选地，所述燃料电池系统还包括：控制器；

所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和所述第一空气阀门、 第二空气阀门均连接所述控制器；

所述控制器根据预设控制策略控制所述第一电磁阀、第二电磁阀、 第三电磁阀和所述第一空气阀门、第二空气阀门各自的开关。

第二方面，本发明还提供一种基于上述任一所述的燃料电池系统 的停机控制方法，包括：

在燃料电池系统正常停机后，截断燃料电池系统的空气输送管路 和空气排放管路、氢气排放管路；以及

燃料电池的氢气输送管路持续向电堆阳极供给氢气，所述电堆的 阳极腔内的氢气和所述阴极腔体的空气进行反应，以消耗所述电堆的 阴极空气侧空腔中的氧气。

可选地，所述方法还包括：

检测所述氢空压力平衡罐的活动挡板在预设时间段内是否移动， 若未移动，则截断燃料电池系统的氢气输送管路。

可选地，所述截断燃料电池系统的空气输送管路和空气排放管路、 氢气排放管路，包括：

所述燃料电池系统的控制器关闭第一空气阀门、关闭所述燃料电 池系统的第二空气阀门、关闭第三电磁阀；

相应地，所述燃料电池的氢气输送管路持续向电堆阳极供给氢气， 包括：

所述控制器关闭所述第一电磁阀，使燃料电池系统的氢气罐通过 氢气输送管路持续向电堆阳极供给氢气；

所述截断燃料电池系统的氢气输送管路，包括：关闭第二电磁阀。

第三方面，本发明还提供一种燃料电池发动机或燃料电池电源， 包括上述任一所述的燃料电池系统。

第四方面，本发明还提供一种汽车，包括上述的燃料电池发动机。

由上述技术方案可知，本发明的一种燃料电池系统及停机控制方 法，通过在燃料电池系统中增加用于截断空气输送管路的第一空气阀 门，以及用于截断空气排放管路的第二空气阀门，实现在燃料电池系 统停机时立即阶段空气输送管路和空气排放管路；进一步地在电堆的 阴极和阳极之间串接放电电阻，进而在电堆内的氢气和氧气反应时， 可限制电堆所通的电流值，降低反应速度，可较好控制电堆温度，减 少局部高温对电堆中质子交换膜电极的损坏，同时设置氢空压力平衡 罐和较好的获知电堆内的氢气和氧气是否反应完成，可实现氢气输送 管路和空气输送管路的压力平衡，保证质子交换膜电极的两侧压力平 衡。由此，可有效解决燃料电池停机后，电堆内氢气向空气侧空腔渗 漏的问题。由于燃料电池系统的电堆内所密封的氢气相对于氧气是过 量的，最终阴极侧氧气将被消耗殆尽，使电堆处于无氧环境。由于压 力平衡罐的存在，使电堆和系统处于正压状态，有效防止氧气从大气 缓慢进入阴极侧的可能。进而，电堆从根本上解决了产生氢空界面的 可能。由于阴极和阳极一直处于压力平衡状态，避免氢气向阴极侧的 扩散，在燃料电池启动时也不会导致阴极侧的氢空界面形成。进而保 证电堆的性能，延长燃料电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的燃料电池系统的停机控制方法的 流程示意图。

附图中：

空气压缩机11、氢气源12、电堆13、空气排放装置14、氢气排 放装置15、空气输送管路11a、氢气输送管路12a、空气排放管路14a、 氢气排放管路15a、增湿器16、空气滤清器17、空气流量计18、节温 器19、散热器20、第一空气阀门21、第二空气阀门22、氢空压力平 衡罐23、放电电阻24、氢气罐25、第一电磁阀26、第二电磁阀27、 第三电磁阀28、氢气减压器29、活动挡板231。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的燃料电池系统的结构示意图， 如图1所示，燃料电池系统包括：

本实施例的燃料电池系统可为现有技术中的燃料电池系统，该燃 料电池系统包括：空气压缩机11、氢气源12、电堆13、空气排放装置 14、氢气排放装置15；

其中，空气压缩机11通过空气输送管路11a连通电堆13的阴极， 氢气源12通过氢气输送管路12a连通电堆13的阳极、空气排放装置 14通过空气排放管路14a连通电堆13的空气出口(即空气排放口)， 氢气排放装置15通过氢气排放管路15a连通电堆13的氢气出口(即 氢气排放口)；

具体地，在空气输送管路11a上还设置有增湿器16，且燃料电池 系统还包括依次连接空气压缩机的空气滤清器17、空气流量计18、节 温器19、散热器20等。燃料电池系统中各部件的连接关系和现有技术 中燃料电池系统中各部件的连接关系均相同，本实施例不对其进行详 细。

本实施例中，燃料电池系统还包括：第一空气阀门21、第二空气 阀门22、氢空压力平衡罐23、放电电阻24；如图1所示。

本实施例的第一空气阀门21设置在所述空气输送管路11a上，用于截断/关断空 气输送管路11a；第二空气阀门22设置在空气排放管路14a上，用于截断/关断空气排放 管路14a。

该氢空压力平衡罐23的A端连通燃料电池系统的电堆13中空气出口，所述氢空 压力平衡罐23的B端连通燃料电池系统的电堆13中氢气出口；所述氢空压力平衡罐23中 A端和B端通过活动挡板231密封隔开；

所述电堆13的阳极和阴极之间串接一放电电阻24，该放电电阻用于在电堆放电 消耗中限制电堆所通的电流值，降低反应速度，进而控制电堆中的反应温度，可有效减少电 堆中出现的局部高温对质子交换膜电极的损坏。

该放电电阻24的电阻值可根据实际需求设置，本实施例不对其进行限定。

进一步地，前述图1中所示的氢空压力平衡罐23可为椭球形的盲管。其中A端和 B端分别位于两端头位置。

此外，本实施例中，前述的电堆13的阳极连通氢气输送管路12a的一端；该氢气输 送管路12a的另一端连通氢气源12，且在氢气输送管路12a上还连通有氢气罐25；所述氢 气罐25和所述氢气源12之间的部分氢气输送管路上设置有用于截断氢气供给的第一电磁 阀26；

所述氢气罐25和所述电堆13的阳极之间的部分氢气输送管路t2a上依次设置有 氢气减压器、第二电磁阀27。

此外，本实施例中电堆13的氢气出口连通氢气排放管路15a的一端，且所述氢气 排放管路15a上设置有用于截断氢气排放的第三电磁阀28。

需要说明的是本实施例中的燃料电池系统还包括：图中未示出的控制器；该控制 器均连接第一电磁阀26、第二电磁阀27、第三电磁阀28和所述第一空气阀门21、第二空气 阀门22，用于根据燃料电池的停机控制策略控制上述各个电磁阀或空气阀门的闭合或断 开，实现各个输送管路的流通或截断；

所述控制器根据预设控制策略控制所述第一电磁阀26、第二电磁阀27、第三电磁 阀28和所述第一空气阀门21、第二空气阀门22各自的开关。

前述的第一空气阀门和第二空气阀门可为空气管路密封阀，保证空气输送管路和 空气排放管路的在燃料电池系统停机之后的密封。

上述实施例的燃料电池系统，可通过在燃料电池系统中增加用于截断空气输送管 路的第一空气阀门，以及用于截断空气排放管路的第二空气阀门，实现在燃料电池系统停 机时立即截断空气输送管路和空气排放管路；进一步地在电堆的阴极和阳极之间串接放电 电阻，进而在电堆内的氢气和氧气反应时，可限制电堆所通的电流值，降低反应速度，可较 好控制电堆温度，减少局部高温对电堆中质子交换膜电极的损坏，同时设置氢空压力平衡 罐和较好的获知电堆内的氢气和氧气是否反应完成，可实现氢气输送管路和空气输送管路 的压力平衡，保证质子交换膜电极的两侧压力平衡。由此，可有效解决燃料电池停机后，电 堆内氢气向空气侧空腔渗漏的问题。由于燃料电池系统的电堆内所密封的氢气相对于氧气 是过量的，最终阴极侧氧气将被消耗殆尽，使电堆处于无氧环境。由于压力平衡罐的存在， 使电堆和系统处于正压状态，有效防止氧气从大气缓慢进入阴极侧的可能。进而，电堆从根 本上解决了产生氢空界面的可能。由于阴极和阳极一直处于压力平衡状态，避免氢气向阴极侧的扩散，在燃料电池启动时也不会导致阴 极侧的氢空界面形成。进而保证电堆的性能，延长燃料电池的使用寿 命。

第二方面，本发明还提供一种基于上述任一燃料电池系统的停机 控制方法，如图2所示，该停机控制方法可包括下述的步骤：

201、在燃料电池系统完成正常停机后，截断燃料电池系统的空气 输送管路和空气排放管路、氢气排放管路。

在本实施例中，燃料电池系统正常停机可理解为，燃料电池系统 受到停机指令后，会执行一系列的停机过程动作，执行完毕后，可认 为完成正常停机。

举例来说，截断燃料电池系统的空气输送管路和空气排放管路、 氢气排放管路，对应上述图1的结构的动作为：燃料电池系统的控制 器可关闭第一空气阀门、关闭所述燃料电池系统的第二空气阀门、关 闭第三电磁阀实现截断空气输送管路和空气排放管路、氢气排放管路。

202、燃料电池的氢气输送管路持续向电堆阳极供给氢气，所述电 堆的阳极腔内的氢气和所述阴极腔体的空气进行反应，以消耗所述电 堆的阴极空气侧空腔中的氧气。

举例来说，控制器可关闭所述第一电磁阀，使燃料电池系统的氢 气罐通过氢气输送管路持续向电堆阳极供给氢气；由此，可保证燃料 电池系统的安全使用，且能够有效控制电堆反应温度。

进一步地，上述的停机控制方法还可包括下述的步骤203：

203、检测所述氢空压力平衡罐的活动挡板在预设时间段内是否移 动，若未移动，则截断燃料电池系统的氢气输送管路。

例如，控制器关闭第二电磁阀可实现截断氢气输送管路。

在具体应用中，前述步骤201和步骤203均可为控制器实现，例 如控制器检测燃料电池系统的电堆是否停止工作，控制器监测氢空压 力平衡罐的活动挡板是否在预设时间段内是否移动等。

如果氢空压力平衡罐的活动挡板在预设时间段内移动，则可理解 为电堆内的氢气和空气中的氧气还在发生反应，进而氢气侧压力和空 气侧压力还未实现平衡，进而不能截断氢气输送管路。

当然，若氢空压力平衡罐的活动挡板在预设时间段内不发生变化， 可认为氢气和空气中的氧气反应完全，即已经消耗掉电堆中空气中氧 气，进而电堆的阴极、阳极的压力保持平衡了，故，活动挡板不再移 动，由此，可有效保证电堆中质子交换膜电极受力均匀，且有效防止 氧气扩散进入电堆。

可理解的是，当然燃料电池系统工作时，氢空压力平衡罐的活动 挡板被推至A端，第一空气阀门和第二空气阀门均打开。当燃料电池 系统停止工作时，关闭第一空气阀门，第二空气阀门，第一电磁阀和 第三电磁阀。

此时，由于放电电阻的作用电堆阴极腔内的空气和阳极腔内的氢 气会同时被消耗继续放电。而由于阳极腔内氢气有压力较高的氢气罐 持续供气，最终阴极腔内的氧气被耗尽，剩余氮气。被密封的空气管 路的压力也随之下降，而氢气管路持续较高压力造成氢空压力平衡罐 内活动挡板向B端移动，重新建立平衡。该过程直至氧气被耗尽。

上述方法使用放电电阻放电消耗限制电堆所通的电流值，降低反 应速度，使电堆温度可控，减少局部高温对膜电极的损坏；此外，在 停机后的所有操作均为机械操作，可以在停机无人状态中完成；进一 步地，从停机到完成氧气消耗，电堆阴极和阳极压力一直维持在平衡 状态，电堆的质子交换膜电极不存在受力不均现象；且在完成残留氧 气消耗放电后，电堆处于正压状态，有效防止氧气扩散进入电堆。

第三方面，本发明还提供一种燃料电池发动机，包括上述任一所 述的燃料电池系统。另外，本发明还提供一种燃料电池电源，如手机 基站电源、岛屿供电电源等，该燃料电池电源还可包括上述任一所述 的燃料电池系统。

第四方面，本发明还提供一种汽车，包括上述任一所述的燃料电 池发动机。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载 的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权 利要求所限定的范围。