一种燃料电池系统及其停机吹扫方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统及其停机吹扫方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是一种将燃料(如氢气)的化学能直接转化为电能的发电装置。当连续不断地供应燃料和氧化剂时，燃料电池便可以源源不断地输出电能和热能。具有发电效率高，低噪音，动态响应快，零排放等优点，也被认为是最清洁和高效的新能源发电装置之一，可被广泛应用于汽车动力系统。
3.质子交换膜燃料电池电化学反应产生电，热和水，常温运行后应对燃料电池内部进行相应吹扫以排出内部多余残余水和杂质。在低温下，燃料电池生成的水可能会结冰，导致覆盖膜电极，阻碍反应物传输，膜内质子传导能力差，进而影响电堆低温下的启动能力，故停机之后对残余水进行吹扫解除，进而降低质子交换膜内水含量对于燃料电池的低温冷启动具有重要意义。常规的吹扫方法是在停机后采用高纯氮进行吹扫，该方法影响燃料电池的低温启动能力，且会在电堆内部参与水分和杂质，进而影响燃料电池寿命。目前采用多种方式对燃料电池进行停机吹扫，比如，中国专利cn 103915642a采用制氮机的方式从空气中提纯n2，中国cn111029620a外加储存氮罐，存储电堆阴极出口的高纯氮气，用以吹扫保护停机后的电堆，但针对于车用燃料电池系统，体积较为复杂，空间布局困难，不利于实际利用。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池系统及其停机吹扫方法，能够在常温停机吹扫残余在电堆内部的水分和杂质，提高燃料电池寿命，针对于燃料电池低温启动，提升吹扫能力以增强其低温冷启动能力，减少低温冷启动对电堆带来的损害。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种燃料电池系统，包括电堆，连接电堆阴极的空气供应子系统，连接电堆阳极的氢气供应子系统，还包括与电堆连接的冷却循环子系统，分别与空气供应子系统、氢气供应子系统连接的氢/空混合箱以及用以控制各子系统的控制器，所述电堆的输出端通过连接dc/dc转换器连接驱动电机，所述控制器接收到停机命令后，燃料电池系统停机过程中，控制器根据冷却循环子系统控制电堆温度，控制执行器对电堆内部进行相应吹扫。
7.燃料电池系统的空气供应子系统包括空气过滤器，该空气过滤器的空气进气管路与空气质量流量计、空气压缩机、中冷器依次连接，所述中冷器的输出管路连接有三通阀，所述三通阀的另外两端分别连接加湿器的输入端管道和加湿器的输出端管道，所述加湿器的输出端管道连接电堆的阴极进口，所述加湿器通过背压阀连接氢/空混合箱。
8.进一步地，空气供应子系统里加湿器的输出端管道上设有入堆截止阀和进堆温压
一体传感器，电堆出口管路上设置有出堆截止阀。
9.燃料电池系统的氢气供应子系统包括高压氢气罐，该高压氢气罐的氢气进气管道依次安装有入口减压阀、氢气过滤器、比例阀、氢气压力传感器后接入电堆的阳极入口。
10.对于氢气供应子系统侧，所述电堆的阳极出口设有一管路，该管路设有气液分离器，一处连接氢气循环泵，用于循环氢气，增加氢气利用率，另一处通过排氢/水电磁阀连接氢/空混合箱，气液分离器液化的冷凝水和杂质气体通过支流排入氢/空混合箱里。
11.燃料电池系统的冷却循环子系统包括循环水泵，去离子装置，散热器总成，节温器，ptc加热器，截止阀，入堆温压一体传感器和出堆温度传感器。
12.燃料电池冷却循环系统里的ptc加热器在停机阶段既起到放电电阻消耗电能的作用，又在低温启动阶段ptc产热以加热冷却液。ptc加热器与截止阀并联。去离子装置与ptc加热器并联在冷却循环回路中，降低整个回路中的离子浓度，保证系统长时间的正常运行。正常运行下，开启截止阀，旁通ptc加热器以降低回路阻力，在低温启动阶段，控制ptc加热器产热以加热冷却液，关闭截止阀。
13.一种燃料电池系统的停机吹扫方法，该方法包括常温停机吹扫步骤和针对燃料电池系统低温启动停机的吹扫步骤，所述常温停机吹扫步骤具体包括下列步骤：
14.1)当控制器接收到系统常温停机命令后，准备执行针对常温停机的操作步骤；
15.2)控制电堆输出低电流为i0，电堆输出的功率为空气压缩机提供电能，控制鼓风机流量m0和周期性的开启氢气侧的排氢/水电磁阀，开启频率为f0，对燃料电池系统进行常温停机吹扫，设置吹扫时间为t1；
16.3)控制冷却循环子系统的节温器开度，使冷却液在大循环里流动，经过散热器总成，同时开启风扇，对电堆进行降温，将电堆温度降至目标温度t1；
17.4)当电堆温度达到t1或吹扫时间达到t1时，燃料电池系统完全停机，关闭空气进出口截止阀，接通ptc加热器，达到消耗阴极内部的氧气，留下氮气且起到保护膜电极的作用；
18.5)针对燃料电池系统常温启动的停机阶段结束。
19.针对低温启动停机吹扫步骤具体包括下列步骤：
20.1)当燃料电池控制器接收到针对于燃料电池系统低温启动的停机命令后，准备执行对应停机操作步骤；
21.2)控制电堆的输出电流为i1，输出的功率为空气压缩机、ptc加热器提供电能，控制空气进气管路的三通阀，使空气全部经过加湿器，开启大流量m1对加湿器进行吹扫，排出加湿器里面的液态水，设置吹扫时间为t2；保持阳极和阴极压差为δp1，周期性的开启氢气侧的排氢/水电磁阀，开启频率为f1；
22.3)控制冷却循环子系统的节温器开度，关闭冷却回路的电磁阀，使冷却液经过ptc加热器在小循环里流动，保持吹扫过程中电堆处于较高温度t2；
23.4)达到时间t2后，空气进气管路的三通阀旁通加湿器，进一步降低电堆电流到i2，对燃料电池内部进行吹扫，保持空气大流量m2且低湿度进气，同时保持电堆处于较高温度t2，对电堆内部进行相应吹扫，阴极排气进一步对加湿器进行排水干燥吹扫，保持阳极和阴极压差为δp2，周期性地开启氢气侧的排氢/水电磁阀，开启频率为f2，通过单电池电压巡检方式检测燃料电池单电池电压，当平均单电池电压降低v1时，停止吹扫，ptc加热器停止对冷却循环加热；
24.5)控制节温器开度，冷却液在大循环里流动，经过散热器总成，同时开启风扇，对电堆进行降温，将电堆温度降至目标温度t1；
25.6)关闭空气进出口截止阀，接通ptc加热器，达到消耗阴极内部的氧气，留下氮气且起到保护膜电极的作用；
26.7)针对燃料电池低温启动停机吹扫完毕。
27.对于上述燃料电池系统的停机吹扫方法，i1>i2>i0，空气进气流量m1>m2>m0，排氢电磁阀的开启频率f2>f1>f0，同时δp2>δp1，目标温度t1为室温，温度t2为电堆正常运行温度。i1,i2,i0,m1,m2,m0,f2,f1,f0,δp2,δp1,t1,t2和v1均为试验标定值。
28.进一步地，目标温度t1为室温，大约25℃。温度t2为电堆正常运行温度。
29.本发明提供的燃料电池系统及其停机吹扫方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
30.一、本发明不需要提供额外的储气瓶装置，不增大系统布置复杂度，针对不同情景对燃料电池电堆进行停机吹扫，既对常温停机吹扫残余在电堆内部的水分和杂质，提高燃料电池寿命，又提升吹扫能力以增强其低温冷启动能力。
31.二、控制器可根据冷却液温度传感器检测冷却液温度和电堆的输出性能控制各执行器的执行，来保证电堆正常的运行；阴极进、出口分别设有截止阀可以增强停机后对燃料电池系统的保护，不会影响燃料电池的正常运行。
32.三、利用氢气循环泵循环未消耗的氢气和降低氢气的损耗，并周期性地控制排水/气电磁阀，能够排出气液分离器的冷凝水和杂质气体。吹扫策略停机后不仅对燃料电池内部进行吹扫后，电堆残余水较少，还对系统零部件进行相应吹扫，降低系统零部件被冻住的风险，有利于气体供应和下一次的启动，提高低温下燃料电池电堆的冷启动能力，有效延长燃料电池电堆的寿命。
33.四、停机过程中，通过关闭空气进出口截止阀，接通ptc加热器，能够达到消耗阴极内部的氧气，留下氮气，进而起到保护燃料电池膜电极的作用。
附图说明
34.图1为实施例中本发明燃料电池系统的结构示意图；
35.图2为实施例中本发明燃料电池系统常温停机吹扫方法的流程示意图；
36.图3为实施例中本发明燃料电池系统针对低温启动的停机吹扫流程示意图；
37.图中标号所示：
38.氢气供应子系统：
39.1.高压氢气罐；2.入口减压阀；3.氢气过滤器；4.氢气压力传感器；5.比例阀；6.氢气循环泵；7.阳极入口压力传感器；8.气液分离器；9.排氢/水电磁阀；
40.空气供应子系统：
41.a.空气过滤器；b.空气质量流量计；c.空气压缩机；d.中冷器；e.三通阀；f.加湿器；g.入堆截止阀；h.进堆温压一体传感器；i.出堆截止阀；j.背压阀；
42.冷却循环子系统：
43.α.散热器总成(包含散热器和风扇)；β.节温器；γ.截止阀；ω.循环水泵；μ.ptc加热器；θ.进堆温压一体传感器；υ.去离子装置；ζ.出堆温度传感器；
44.其它：
[0045]ⅰ.氢/空混合箱；ⅱ.电堆；ⅲ.dc/dc转换器；ⅳ.蓄电池；
ⅴ
.驱动电机。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0047]
实施例
[0048]
如图1所示，本发明涉及一种燃料电池系统，包括空气供应子系统，氢气供应子系统，冷却循环子系统，电堆(带cvm(单电池电压巡检))ⅱ，氢/空混合箱ⅰ，dc/dc转换器ⅲ，蓄电池ⅳ、驱动电机
ⅴ
和控制器(未在图中示出)。空气供应子系统、氢气供应子系统、冷却循环子系统分别与电堆ⅱ连接，电堆ⅱ的输出端通过连接dc/dc转换器ⅲ连接驱动电机
ⅴ
，dc/dc转换器ⅲ连接驱动电机
ⅴ
之间还连接有蓄电池ⅳ。电堆ⅱ发出的电经过dc/dc转换器ⅲ和蓄电池一起为驱动电机
ⅴ
提供能量。
[0049]
空气供应子系统包括空气过滤器a，空气质量流量计b，空气压缩机c，中冷器d，三通阀e，加湿器f，进堆温压一体传感器h，背压阀j，入堆截止阀g和出堆截止阀i。
[0050]
空气过滤器a的空气进气管路与空气质量流量计b、空气压缩机c、中冷器d依次连接，空压机c用于为电堆提供空气质量流量，中冷器d可降低空压机出口的温度，防止进堆的空气温度太高，对电堆产生损坏，中冷器d的输出管路连接有三通阀e，三通阀e的另外两端分别连接加湿器f的输入端管道和加湿器f的输出端管道。加湿器f的输出端管道连接电堆ⅱ的阴极进口，加湿器f的输出端管道上设有入堆截止阀g和进堆温压一体传感器h，进堆温压一体传感器h用于检测阴极入堆温度和压力，防止进气对电堆的损伤。加湿器f通过背压阀j连接氢/空混合箱ⅰ。空气供应子系统的中冷器d与加湿器f中间通过设置三通阀e，可以有效控制常温运行下电堆ⅱ的进气湿度，防止电堆ⅱ的内部水淹和膜干，保证电堆ⅱ的正常运行。阴极出口接入加湿器f，且阴极出口设置有出堆截止阀i。阴极进、出口分别设有截止阀可以增强停机后对燃料电池电堆膜电极的保护。
[0051]
氢气供应子系统包括高压氢气罐1，减压阀2，氢气过滤器3，氢气压力传感器4，比例阀5，氢气循环泵6，阳极入口压力传感器7，气液分离器8和排氢/水电磁阀9。
[0052]
高压氢气罐1的氢气进气管路依次经过安装有减压阀2、氢气过滤器3、氢气压力传感4和比例阀5的管路后接入电堆ii的阳极入口，并在接入处设有阳极入口压力传感器7。电堆ⅱ的阳极出口管路设有气液分离器8，气液分离器8下设有排氢/水电磁阀9，气液分离器8为管路进行分流，一处连接氢气循环泵6，另一处通过排氢电磁阀9连接氢/空混合箱ⅰ。氢气循环泵6用于循环未消耗的氢气和降低氢气的损耗，此外，周期性地控制排水/气电磁阀9，以排出气液分离器8的冷凝水和杂质气体。
[0053]
冷却循环子系统包括循环水泵ω，去离子装置υ，散热器总成α(散热器和风扇)，节温器β，ptc加热器μ，截止阀γ，进堆温压一体传感器θ和出堆温度传感器ζ。
[0054]
冷却循环子系统与空气和氢气供应子系统一起为燃料电池提供合适的运行条件，此系统中设置有ptc加热器μ，ptc加热器μ与截止阀γ并联，正常运行下，开启截止阀γ，旁通ptc加热器μ，降低回路阻力。ptc加热器μ在停机阶段既起到放电电阻消耗电能的作用，又
在低温启动阶段ptc产热以加热冷却液(关闭截止阀γ)，加快低温下燃料电池的升温速率。去离子装置υ与ptc加热器μ并联在冷却回路(冷却回路为：电堆ⅱ的出口设有出堆温度传感器ζ，其与循环水泵ω相连，节温器β的一端通过管路与截止阀γ相连，另一端通过管路与散热器总成α相连，组成冷却回路的小/大循环，紧接着通过管路与进堆温压一体传感器θ连接，通过控制冷却回路中冷却液的温度，保证电堆的正常运行)中，降低整个回路中的离子浓度，保证系统长时间的正常运行。循环泵ω用于循环整个循环回路的冷却液，常温运行下带走电堆产生的热量。节温器β用于控制冷却液流经的大小循环，通过散热器总成α维持电堆的温度。进堆温压一体传感器θ和出堆温度传感器ζ用于测量进出堆的冷却液温度和入堆的压力，保证电堆的正常运行。
[0055]
随排氢电磁阀9排出的液态水的同时，可能会含杂着部分尾排氢气，空气尾排废气和氢气尾排废气流在氢/空混合箱ⅰ里充分混合，以保证氢气浓度低于4％，在安全范围之内进而排向大气。
[0056]
燃料电池系统里的传感器和系统中的各执行器皆连接燃料电池系统的控制器，且该控制器连接燃料电池系统的空气压缩机、三通阀、背压阀、所有截止阀、散热器总成、节温器、ptc加热器、比例阀、氢气循环泵，以及连接冷却液循环系统的循环水泵，控制器根据温度传感器、压力传感器、流量传感器及电堆的输出性能反馈控制各执行器的执行，保证电堆正常的运行。
[0057]
采用上述燃料电池系统的停机吹扫方法包括常温停机吹扫和针对燃料电池低温启动的停机吹扫方法。
[0058]
其中，燃料电池系统的常温停机策略包括如下步骤：
[0059]
1、当控制器接收到系统常温停机命令后，准备执行针对常温停机的操作步骤；
[0060]
2、控制电堆输出为低电流i0，电堆输出的功率为空气压缩机提供电能，控制鼓风机空气压缩机的进气流量m0和周期性的开启氢气侧的排氢/水电磁阀，开启频率为f0，对燃料电池系统进行常温停机吹扫，设置吹扫时间为t1；
[0061]
3、控制冷却循环子系统的节温器开度，使冷却液在大循环里流动，经过散热器总成，同时开启散热器总成的风扇，对电堆进行降温，将电堆温度降至目标温度t1；
[0062]
4、当电堆温度达到t1或吹扫时间达到t1时，燃料电池系统完全停机，关闭空气进出口截止阀，接通ptc加热器，达到消耗阴极内部的氧气，留下氮气且起到保护膜电极的作用；
[0063]
5、针对燃料电池系统常温启动的停机阶段结束。
[0064]
其中，燃料电池系统的低温停机策略，在常温吹扫策略前还包含进一步降低膜内部水含量和防止系统零部件结冰的吹扫策略，停机吹扫步骤包括：
[0065]
1、当燃料电池控制器接收到针对于系统低温启动的停机命令后，准备执行对应停机操作步骤。
[0066]
2、控制电堆的输出电流为i1，输出的功率为空气压缩机和ptc加热器提供电能，控制空气进气管路的三通阀让空气全经过加湿器，开启大流量m1对加湿器进行吹扫，排出加湿器里面的液态水，设置吹扫时间为t2；保持阳极和阴极压差为δp1，周期性的开启氢气侧的排氢/水电磁阀，开启频率为f1。
[0067]
3、控制冷却循环子系统的节温器开度，关闭冷却回路的电磁阀，让冷却液经过ptc加热器在小循环里流动，保持吹扫过程中电堆处于较高温度t2；
[0068]
4、达到时间t2后，空气进气管路的三通阀旁通掉加湿器，进一步降低电堆电流到i2，对燃料电池内部进行吹扫，保持空气大流量m2且低湿度进气，同时保持电堆处于较高温度t2，对电堆内部进行相应吹扫，阴极排气进一步对加湿器进行排水干燥吹扫，小电流同时又不会导致膜吹得太干，保持阳极和阴极压差为δp2，周期性的开启氢气侧的排氢/水电磁阀，开启频率为f2，通过电堆自带cvm(单电池电压巡检)检测燃料电池单电池电压，当平均单电池电压降低v1时，停止吹扫，ptc加热器停止对冷却循环加热；
[0069]
5、控制节温器开度，冷却液在大循环里流动，经过散热器总成，同时开启风扇，对电堆进行降温，将电堆温度降至目标温度t1；
[0070]
6、关闭空气进出口截止阀，接通ptc加热器，达到消耗阴极内部的氧气，留下氮气且起到保护膜电极的作用；
[0071]
7、针对燃料电池低温启动停机吹扫完毕。
[0072]
为了保证吹扫的正常进行，吹扫阶段的控制电流i1>i2>i0，空气进气流量m1>m2>m0，排氢电磁阀的开启频率f2>f1>f0，同时δp2>δp1，保证排氢电磁阀内水分被充分吹扫排出。
[0073]
目标温度t1为平常室温，大约25℃。温度t2为电堆正常运行温度。
[0074]
上述参数:i1,i2,i0,m1,m2,m0,f2,f1,f0,δp2,δp1,t1,t2和v1均为试验标定值。
[0075]
通过停机对燃料电池内部进行吹扫后，吹扫后的电堆残余水含量少，降低内部残余水对燃料电池的影响，增加其运行寿命，同时为下一次的启动做准备，特别是低温冷启动。
[0076]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。