一种燃料电池的停机控制方法及系统与流程

本技术涉及燃料电池，具体而言，涉及一种燃料电池的停机控制方法及系统。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是一种直接将燃料(如氢气)的化学能转化为电能的发电装置。只要不断供应燃料和氧化剂，燃料电池就能源源不断地输出电能和热能。其具有发电效率高，低噪音，零排放等优点。

2、质子交换膜燃料电池运行需要适当的含水量以保证质子交换膜的质子传导性能和电化学反应的高效运行，而在停机状态下需要最低含水量，因此从运行到停机的状态切换，需要将电堆中的水排出。

3、现有技术的燃料电池系统在停机时，采用怠速工况控制策略，电堆温度较低，仅通过大气流量带走电堆中的水，并采用恒定电压的形式进行电堆内部剩余气体的反应消耗，该方法限制了电堆气体消耗速率，限制了电堆快速停机。若按照一定的速率逐渐降低电堆输出电压，由于燃料电池系统运行环境和电堆内部运行状态的不同，存在电堆输出电流过大的风险，也会影响最佳的电压下降速率。若为避免输出电流过大和电堆发热量激增、产水量激增等问题而限制电压下降速率，也会限制电堆快速停机。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的在于提供一种燃料电池的停机控制方法及系统，用以解决现有技术的燃料电池系统在停机时，控制输出电压下降速率过快可能导致输出电流过大，从而无法实现电堆快速停机的问题。

2、本技术实施例提供的一种燃料电池的停机控制方法，包括：

3、根据停机指令，控制停机过程中燃料电池的输出电压和输出电流变化在预设的停机特性曲线上；其中，停机特性曲线为获取停机指令时的坐标点到原点的单调曲线；

4、将电堆阴极产生的富氮废气和空气混合后，直接将混合气体送入电堆阴极进行反应，得到氧气浓度更低的富氮废气，将氧气浓度更低的富氮废气和空气混合后再送入电堆阴极继续反应，重复该过程，直到燃料电池的输出电压和输出电流均降低到对应的阈值。

5、上述技术方案中，电堆阴极产生的富氮气体又通过废气循环系统回到电堆阴极，使得该富氮废气能够进一步消耗其中的氧气，多次循环该过程，能够得到氧气浓度足够低的富氮废气，在富氮废气的氧气浓度足够低时，燃料电池的输出电压和输出电流均降低到对应的阈值，燃料电池无法输出电能，则认为停机控制过程结束，达到电堆阳极充满氢气且电堆阴极充满氮气的停机状态。上述过程中，电堆阴极排出的高温干燥的富氮废气不经过冷却和增湿步骤，直接送入电堆阴极进行反应，能够快速降低电堆含水量，实现输出电压的快速下降，同时，在停机过程中控制燃料电池的输出电压和输出电流变化在预设的停机特性曲线上，随着输出电压降低，输出电流也随之降低，从而避免在输出电压快速下降的过程中出现输出电流过大的风险情况。

6、在一些可选的实施方式中，控制停机过程中燃料电池的输出电压和输出电流变化在预设的停机特性曲线上，包括：

7、若输出电压和输出电流的实际值偏离停机特性曲线，则根据偏离方向和偏离大小，对控制变量进行负反馈控制，使输出电压和输出电流回到停机特性曲线上；

8、其中，控制变量用于控制输出电压和输出电流的变化。

9、上述技术方案中，不同于一般的恒压控制策略或恒流控制策略，而是控制输出电压和输出电流的对应关系在设定的停机特性曲线上，使得燃料电池保持停机过程中随着输出电压下降，输出电流也相应减小的输出特性，该过程中通过输出控制电路实现毫秒级响应时间，并由于输出控制电路响应速度远高于氢气回路和空气回路的组件，提升了燃料电池的稳定性和使用寿命。

10、在一些可选的实施方式中，其中，控制变量包括直流变压器的输出占空比。

11、上述技术方案中，通过直流变压器输出占空比的自动反馈控制，实现燃料电池输出电流和输出电压的伏安特性曲线为预设的停机特性曲线。

12、本技术实施例提供的一种燃料电池的停机控制系统，包括：

13、输出控制电路，用于根据停机指令，控制停机过程中燃料电池的输出电压和输出电流变化在预设的停机特性曲线上；其中，停机特性曲线为获取停机指令时的坐标点到原点的单调曲线；

14、电磁阀用于在打开电磁阀时，电堆阴极产生的富氮废气和空气混合后的混合气体通过电磁阀直接送入电堆阴极进行反应，得到氧气浓度更低的富氮废气，氧气浓度更低的富氮废气和空气混合后再通过电磁阀送入电堆阴极继续反应，重复该过程，直到燃料电池的输出电压和输出电流均降低到对应的阈值。

15、上述技术方案中，电堆阴极产生的富氮气体又通过废气循环系统回到电堆阴极，使得该富氮废气能够进一步消耗其中的氧气，多次循环该过程，能够得到氧气浓度足够低的富氮废气，在富氮废气的氧气浓度足够低时，燃料电池的输出电压和输出电流均降低到对应的阈值，燃料电池无法输出电能，则认为停机控制过程结束，达到电堆阳极充满氢气且电堆阴极充满氮气的停机状态。上述过程中，电堆阴极排出的高温干燥的富氮废气不经过冷却和增湿步骤，通过电磁阀后直接送入电堆阴极进行反应，能够快速降低电堆含水量，实现输出电压的快速下降，同时，利用输出控制电路，在停机过程中控制燃料电池的输出电压和输出电流变化在预设的停机特性曲线上，随着输出电压降低，输出电流也随之降低，从而避免在输出电压快速下降的过程中出现输出电流过大的风险情况。

16、在一些可选的实施方式中，还包括过滤器和空压机；

17、外部空气经过滤器过滤后与电堆阴极产生的富氮废气一起被空压机吸入，空压机将过滤后的空气和富氮废气的混合气体通过电磁阀后送入电堆阴极。

18、上述技术方案中，空压机将电堆阴极产生的富氮废气和少量空气一起吸入，然后通过电磁阀所在的通道直接将富氮废气和少量空气的混合气体送至电堆阴极进行反应，跳过冷却和增湿的步骤。

19、在一些可选的实施方式中，还包括egr阀；

20、egr阀用于通过打开egr阀，将富氮废气通过egr阀送至空压机的进气口。

21、上述技术方案中，电堆阴极产生的富氮废气又通过废气循环系统的egr阀后又回到电堆阴极，使得该富氮废气能够进一步消耗其中的氧气，多次循环该过程，能够得到氧气浓度足够低的富氮废气，最后利用氧气浓度足够低的富氮废气作为填充电堆阳极惰性气体，以保护停机状态下的电堆。

22、在一些可选的实施方式中，还包括汽水分离装置、排水阀和排氮阀；汽水分离装置用于将电堆阳极产生的汽水混合物的水和气体分离；排水阀用于将分离出的水排出；排氮阀用于将分离出的气体中的氮气排出。

23、在一些可选的实施方式中，还包括单向阀：

24、单向阀用于将分离出的气体中的剩余氢气送入氢循环泵。

25、在一些可选的实施方式中，还包括氢循环泵和补氢阀；

26、补氢阀打开时，氢循环泵将通过补氢阀送入的氢气继续送至电堆阳极；

27、补氢阀关闭时，氢循环泵停止对电堆阳极供给氢气，使电堆阳极残余氢气继续反应直至消耗殆尽。

28、在一些可选的实施方式中，还包括补氮阀；

29、补氮阀打开时，氢循环泵将通过补氮阀送入的氮气继续送至电堆阳极。

30、上述技术方案中，为实现电堆阴极和电堆阳极都充满氮气的停机状态，增加额外的补氮设备。本实施例中，在停机开始时，关闭补氢阀，关闭排氮阀，在电堆阳极不断消耗剩余的氢气的过程中，通过打开补氮阀，将制得的氮气通过补氮阀送至氢循环泵，再由氢循环泵将氮气送至电堆阳极，最终使电堆阳极充满氮气，从而实现电堆阳极都充满氮气的停机状态。