燃料电池系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统及其控制方法。


背景技术：

2.在相关技术中，燃料电池系统在设计的时候通常没有考虑到在长时间停机的过程中，燃料电池阴极腔体及阳极腔体内部气体成分的变化，没有对阴极腔体做任何机械上的装置及控制，导致在长时间停机的过程中，环境中的空气可以源源不断的进入阴极腔体中，从而消耗掉原本在阳极腔体中的氢气。而随着时间的变化，阴极中空气浓度梯度高于阳极后，阳极腔体内的氢气会渗透到阴极腔体内，造成在下次开机过程中，阳极腔体内部欠氢。从而在催化剂层产生副反应，腐蚀催化剂层，长此以往造成燃料电池整体的性能发生不可逆的性能衰退，影响燃料电池的使用寿命。
3.目前，有一些燃料电池阴极腔体的进气口处设置一个阀门，关机时直接锁死该阀门，利用过量的阳极氢气反应掉阴极腔中的空气，从而造成阴极腔内形成较大负压，在长时间关机过程中，由于和外界大气压有压差，使得外界环境中的空气较容易的渗透到阴极腔体中，与原本在阳极腔体中的氢气继续发生氧化还原反应，使得阳极腔体中的氢气含量下降，并且再次地造成阴极腔中的空气浓度梯度高于阳极腔侧，形成上述的过程，影响燃料电池的使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种燃料电池系统及其控制方法，以解决相关技术中的燃料电池系统结构不合理以及关机控制过程不合理影响燃料电池的使用寿命的问题。
5.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括：电堆，包括阴极腔体和阳极腔体；空气系统，包括第一进气通道和第一排气通道，第一进气通道与阴极腔体的进气口连通，第一排气通道与阴极腔体的出气口连通，空气系统包括设置于阴极腔体的进气口处的第一阀门、设置于阴极腔体的出气口处的第二阀门以及与设置在第二阀门下游的尾排阀；氢气系统，包括第二进气通道和第二排气通道，第二进气通道与阳极腔体的进气口连通，第二排气通道与阳极腔体的出气口连通，氢气系统包括设置于阳极腔体的进气口处的第三阀门以及设置于阳极腔体的出气口处的第四阀门，第二排气通道的远离阳极腔体的出气口的一端与尾排阀远离第二阀门的一端连通。
6.应用本发明的技术方案，燃料电池系统包括：电堆、空气系统以及氢气系统。空气系统能够向电堆的阴极腔体内通入空气，氢气系统能够向电堆的阳极腔体内通入氢气，氢气能够被阳极腔体内的催化剂分解成电子和氢质子，氢质子通过质子交换膜到达负极腔体内与空气中的氧气反应变成水，电子从电堆的阳极流向负极产生电能。空气系统包括设置在阴极腔体的进气口处的第一阀门和设置在阴极腔体的出气口处的第二阀门。当进行燃料电池系统的关机控制时，可以分别锁死第一阀门和第二阀门，这样在燃料电池系统关机之后，外界的空气无法进入到阴极腔体内部，使得燃料电池系统的电堆内的成分相较于关机
时不会发生变化。这样能够避免在长时间关机过程中空气进入到阴极腔体内部反应掉部分阳极腔体内的氢气，使得阳极腔体内欠氢，在下一次开机过程中造成催化剂被腐蚀，进而影响燃料电池的使用寿命。因此，本技术的技术方案能够有效地解决相关技术中的燃料电池系统结构不合理以及关机控制过程不合理影响燃料电池的使用寿命的问题。
7.进一步地，空气系统还包括连通第一进气通道和第一排气通道的连通通道，连通通道的第一端连通于第一阀门远离阴极腔体的进气口的一端，连通通道的第二端连通于第二阀门和尾排阀之间，连通通道上设置有第五阀门。
8.进一步地，空气系统还包括依次设置在第一进气通道上的空气滤清器、空气压缩机、中冷器以及增湿器，连通通道的第一端连通于增湿器和第一阀门之间。
9.进一步地，空气系统还包括设置在阴极腔体的进气口和第一阀门之间的第一压力传感器；
10.空气系统还包括设置在阴极腔体的出气口和第二阀门之间的第二压力传感器。
11.进一步地，氢气系统还包括设置在阳极腔体的进气口和第三阀门之间的第三压力传感器。
12.根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统的控制方法，控制方法对上述的燃料电池系统的关机过程进行控制，控制方法包括：停止向阴极腔体内供应空气；向阳极腔体内充入氢气以消耗阴极腔体内的氧气；监测阴极腔体的进气口处的压力p1、阴极腔体的出气口处的压力p2以及电堆的电压u，当阴极腔体的进气口处的压力p1和阴极腔体的出气口处的压力p2在0.95个大气压至1.05个大气压之间且电压u在0v至0.1v之间时，执行关闭阀门步骤，关闭阀门步骤包括关闭位于阴极腔体的出气口处的第二阀门、位于阳极腔体的进气口处的第三阀门、位于阳极腔体的出气口处的第四阀门和连接在第一阀门的进口端和第二阀门的出口端之间的第五阀门，其中，第一阀门位于阴极腔体的进气口处。
13.应用本发明的技术方案，接收到关闭燃料电池系统的指令之后，依次执行上述步骤。首先，停止向阴极腔体内供应空气(即停止向阴极腔体内充入氧气)；然后持续向阳极腔体内充入氢气，使得充入的氢气能够反应掉阴极腔体内剩余的氧气。当检测到电堆的电压u在0v至0.1v之间时，说明阴极腔体内的氧气已经基本反应完了；当阴极腔体的进气口处的压力p1和阴极腔体的出气口处的压力p2在0.95个大气压至1.05个大气压之间时则说明阴极腔体内部的压力与电堆外部的气体压力值近似。当满足上述两个条件时，关闭第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门，能够使得阴极腔体内部的压力保持在与大气压近似的程度，与外界几乎没有压差，这样在长时间停机过程中电堆内只能能进行阴极腔体和阳极腔体之间的气体交换，外界空气不会渗透至电堆内部，保证电堆内的成分不会发生变化，同时保证下次开机时阳极腔体内不会存在氧气与阳极腔体内部的催化剂发生副反应。因此，本技术的技术方案能够有效地解决相关技术中的燃料电池系统结构不合理以及关机控制过程不合理影响燃料电池的使用寿命的问题。
14.进一步地，执行关闭阀门步骤之后，监测阴极腔体的进气口处的压力p1和阴极腔体的出气口处的压力p2，当阴极腔体的进气口的压力p1和阴极腔体的出气口的压力p2小于0.95个大气压时，打开第二阀门和第三阀门并向阳极腔体内充入氢气以消耗阴极腔体内的氧气。
15.进一步地，停止向阴极腔体内供应空气的步骤包括：关闭第一阀门。
16.进一步地，向阳极腔体内充入氢气以消耗阴极腔体内的氧气的步骤包括：使得第三阀门保持开启状态以向阳极腔体内持续充入氢气；使得第四阀门间歇性开启以排出阳极腔体内部的氮气；使得第二阀门保持在开启状态，使得第五阀门间歇性开启以稀释第二排气通道内排出的氢气。
17.根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，程序执行上述的控制方法。
18.根据本发明的另一方面，提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述的控制方法。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1示出了根据本发明的燃料电池系统的实施例的结构简图；
21.图2示出了根据本发明的燃料电池系统的控制方法的实施例的流程图；以及
22.图3示出了图2的控制方法的控制流程图。
23.其中，上述附图包括以下附图标记：
24.10、电堆；20、空气系统；21、第一进气通道；211、第一阀门；212、空气滤清器；213、空气压缩机；214、中冷器；215、增湿器；216、第一压力传感器；22、第一排气通道；221、第二阀门；222、尾排阀；223、第二压力传感器；23、连通通道；231、第五阀门；30、氢气系统；31、第二进气通道；311、第三阀门；312、第三压力传感器；32、第二排气通道；321、第四阀门。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
27.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
28.如图1所示，本实施例的燃料电池系统包括：电堆10、空气系统20以及氢气系统30。其中，电堆10包括阴极腔体和阳极腔体；空气系统20包括第一进气通道21和第一排气通道22，第一进气通道21与阴极腔体的进气口连通，第一排气通道22与阴极腔体的出气口连通，空气系统20包括设置在阴极腔体的进气口处的第一阀门211、设置在阴极腔体的出气口处的第二阀门221以及与设置在第二阀门221下游的尾排阀222；氢气系统30包括第二进气通道31和第二排气通道32，第二进气通道31与阳极腔体的进气口连通，第二排气通道32与阳极腔体的出气口连通，氢气系统30包括设置于阳极腔体的进气口处的第三阀门311以及设置于阳极腔体的出气口处的第四阀门321，第二排气通道32的远离阳极腔体的出气口的一端与尾排阀222远离第二阀门221的一端连通。
29.应用本实施例的技术方案，燃料电池系统包括：电堆10、空气系统20以及氢气系统30。空气系统20能够向电堆10的阴极腔体内通入空气，氢气系统30能够向电堆10的阳极腔体内通入氢气，氢气能够被阳极腔体内的催化剂分解成电子和氢质子，氢质子通过质子交换膜到达负极腔体内与空气中的氧气反应变成水，电子从电堆10的阳极流向负极产生电能。空气系统20包括设置在阴极腔体的进气口处的第一阀门211和设置在阴极腔体的出气口处的第二阀门221。当进行燃料电池系统的关机控制时，可以分别锁死第一阀门211和第二阀门221，这样在燃料电池系统关机之后，外界的空气无法进入到阴极腔体内部，使得燃料电池系统的电堆内的成分相较于关机时不会发生变化。这样能够避免在长时间关机过程中空气进入到阴极腔体内部反应掉部分阳极腔体内的氢气，使得阳极腔体内欠氢，在下一次开机过程中造成催化剂被腐蚀，进而影响燃料电池的使用寿命。因此，本实施例的技术方案能够有效地解决相关技术中的燃料电池系统结构不合理以及关机控制过程不合理影响燃料电池的使用寿命的问题。
30.在燃料电池系统发电过程中，空气中的氮气会渗透到阳极腔体内，在阳极腔体的出气口处设置第四阀门并且间歇性开启第四阀门能够定期排出渗透到阳极腔体内部的氮气。在排出氮气的过程中，也会排出氢气，第二排气通道32的远离阳极腔体的出气口的一端与尾排阀222远离第二阀门221的一端连通，这样经由第二排气通道32排出的氢气能够被第一排气通道22内排出的气体稀释，避免排出气体中氢气浓度过高产生爆炸。
31.如图1所示，在本实施例中，空气系统20还包括连通第一进气通道21和第一排气通道22的连通通道23，连通通道23的第一端连通于第一阀门211远离阴极腔体的进气口的一端，连通通道23的第二端连通于第二阀门221和尾排阀222之间，连通通道23上设置有第五阀门231。在关机过程中，停止向阴极腔体通入空气之后经由第二阀门221排出的气体的量减少，无法有效地稀释经第二排气通道32排出的氢气，此时可以将第五阀门231开启，向连通通道23内充入空气并从尾排阀222中排出，能够有效地稀释第二排气通道32中排出的氢气，避免产生爆炸。
32.在本实施例中，空气系统20还包括依次设置在第一进气通道21上的空气滤清器212、空气压缩机213、中冷器214以及增湿器215，连通通道23的第一端连通于增湿器215与第一阀门211之间。上述装置能够对空气进行过滤、压缩、降温以及加湿，使得充入至阴极腔体内的空气满足反应要求。同时，连通通道23的第一端连通于增湿器215与第一阀门211之间，这样在关机过程中关闭第一阀门211之后，能够通过连通通道23向第一排气通道22内充入空气并稀释第二排气通道32中排出的氢气，避免发生爆炸。
33.如图1所示，在本实施例中，空气系统20还包括设置在阴极腔体的进气口和第一阀门211之间的第一压力传感器216；空气系统20还包括设置在阴极腔体的出气口和第二阀门221之间的第二压力传感器223。第一压力传感器216和第二压力传感器223能够分别检测阴极腔体的进气口处和出气口处的压力，进而能够判断出阴极腔体内部的压力，便于对燃料电池系统的关机过程进行控制。
34.如图1所示，在本实施例中，氢气系统30还包括设置在阳极腔体的进气口和第三阀门311之间的第三压力传感器312。第三压力传感器312能够检测阳极腔体的进气口处的气体压力，进而便于对燃料电池发电过程中以及燃料电池关机过程中充入氢气的量和压力进行控制。
35.在本实施例中，在燃料电池系统发电以及关机过程中，通过第三压力传感器312控制向阳极腔体内充入氢气的量和压力，使得阳极腔体内的气压略高于阴极腔体内的气压，保证有充足的氢气与阴极腔体内的氧气进行反应，保证反应的正常进行，同时能够避免阴极腔体和阳极腔体之间的压差过大破坏质子交换膜。
36.如图2和图3所示，本技术还提供了一种燃料电池系统的控制方法，控制方法对上述的燃料电池系统的关机过程进行控制，控制方法包括：步骤s10：停止向阴极腔体内供应空气；步骤s20：向阳极腔体内充入氢气以消耗阴极腔体内的氧气；步骤s30：监测阴极腔体的进气口处的压力p1、阴极腔体的出气口处的压力p2以及电堆10的电压u，当阴极腔体的进气口处的压力p1和阴极腔体的出气口处的压力p2在0.95个大气压至1.05个大气压之间且电压u在0v至0.1v之间时，执行关闭阀门步骤，关闭阀门步骤包括关闭位于阴极腔体的出气口处的第二阀门221、位于阳极腔体的进气口处的第三阀门311、位于阳极腔体的出气口处的第四阀门321和连接在第一阀门211的进口端和第二阀门221的出口端之间的第五阀门231，其中，第一阀门211位于阴极腔体的进气口处。
37.应用本实施例的技术方案，接收到关闭燃料电池系统的指令之后，依次执行步骤s10至步骤s30。首先，停止向阴极腔体内供应空气(即停止向阴极腔体内充入氧气)；然后持续向阳极腔体内充入氢气，使得充入的氢气能够反应掉阴极腔体内剩余的氧气。再此过程中，dc-dc持续拉载，消耗电堆产生的电能。当检测到电堆10的电压u在0v至0.1v之间时，说明阴极腔体内的氧气已经基本反应完了；当阴极腔体的进气口处的压力p1和阴极腔体的出气口处的压力p2在0.95个大气压至1.05个大气压之间时则说明阴极腔体内部的压力与电堆10外部的气体压力值近似。当满足上述两个条件时，关闭第二阀门221、第三阀门311、第四阀门321和第五阀门231，能够使得阴极腔体内部的压力保持在与大气压近似的程度，与外界几乎没有压差，这样在长时间停机过程中电堆10内只能进行阴极腔体和阳极腔体之间的气体交换，外界空气不会渗透至电堆10内部，保证电堆10内的成分不会发生变化，同时保证下次开机时阳极腔体内不会存在氧气与阳极腔体内部的催化剂发生副反应。因此，本实施例的技术方案能够有效地解决相关技术中的燃料电池系统结构不合理以及关机控制过程不合理影响燃料电池的使用寿命的问题。
38.在本实施例中，执行关闭阀门步骤之后，监测阴极腔体的进气口处的压力p1和阴极腔体的出气口处的压力p2，当阴极腔体的进气口的压力p1和阴极腔体的出气口的压力p2小于0.95个大气压时，打开第二阀门221和第三阀门311并向阳极腔体内充入氢气以消耗阴极腔体内的氧气。由于电压检测装置的精度问题，即使检测到电堆10的电压u在0v至0.1v之
间，也不能说明阴极腔体内的氧气已经全反应掉了，也有可能残留了少部分氧气，由于剩余氧气量较少，与氢气反应产生的电能很少，电压检测装置无法检测出来。因此，在关闭阀门步骤之后，残留的少部分氧气与氢气反应之后会使得阴极腔体内产生负压(即阴极腔体内部的气体压力小于大气压)，此时再次打开第二阀门221和第三阀门311并向阳极腔体内充入氢气以消耗阴极腔体内的氧气。在使得阴极腔体内的气体压力再次与大气压相等时(在0.95至1.05个大气压之间)时，再次执行关闭阀门步骤，能够尽可能反应掉阴极腔体内的氧气，并使得阴极腔体内部和外界几乎没有压差，保证电堆10内的成分不会发生变化，同时保证下次开机时不会有氧气渗透至阳极腔体内与催化剂进行反应影响燃料电池系统的使用寿命。
39.具体地，在本实施例中，停止向阴极腔体内供应空气的步骤包括：关闭第一阀门211。
40.在本实施例中，向阳极腔体内充入氢气以消耗阴极腔体内的氧气的步骤包括：使得第三阀门311保持开启状态以向阳极腔体内持续充入氢气；使得第四阀门321间歇性开启以排出阳极腔体内部的氮气；使得第二阀门221保持在开启状态，使得第五阀门231间歇性开启状态以稀释第二排气通道32内排出的氢气。这样能够充分反应掉阴极腔体内残留的氧气并排出渗入至阳极腔体内部的氮气，保证关机过程的正常进行。
41.应用本技术的燃料电池系统及其控制方法，能够有效地解决燃料电池在开机阶段欠氢的问题，使得燃料电池的使用寿命更长。
42.本技术还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，程序执行上述的控制方法。
43.本技术还提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述的控制方法。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
45.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
46.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
47.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。