燃料电池零下启动的气体控制方法和系统

1.本公开涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池零下启动的气体控制方法和系统。


背景技术：

2.燃料电池作为氢能社会中承担由化学能到电能的能量转化载体，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，具有广阔的应用前景。其中质子交换膜燃料电池凭借其功率密度高、对负载变化响应快等优势，成为燃料电池汽车的车载动力的首要选择。燃料电池汽车向商用车发展以及使用场景向温寒带推广，对质子交换膜燃料电池的零下启动能力提出了更为严苛的要求。
3.满足要求的零下启动方法，在能够实现成功启动的前提下，还需要具有高能量效率、不造成严重老化和不更改电堆与系统结构等特点。丰田汽车公司采用自启动的方法，将电压控制在0.1v附近并通入不足量的空气，在其燃料电池乘用车fchv-adv上成功实现野外-37℃启动(kojima k,morita t.development of fuel cell hybrid vehicle in toyota[j].ecs transactions,2008,16(2):185-198.)。然而该方法存在产热上限，在燃料电池商用车上难以实现-30℃启动。这是由于商用车的寿命要求高于乘用车，常采用耐久性更好但热容更高的石墨基双极板，而非广泛用于乘用车的金属基双极板。
[0004]
已有技术(cn201811347849.0)，公布了一种燃料零下启动方法与装置，包括为燃料电池阴阳两个电极提供含氢气的氛围，然后对燃料电池施加交互电流或电压控制，利用交互式氢泵反应的产热来实现电池温度的快速提升。该方法适用温度范围广，可成功实现-50℃-0℃温度的零下启动；不需要加热媒介，能量效率高；同时，交互式氢泵反应不产生水，避免了生成水结冰导致的老化问题。因此该方法具有广阔的应用前景。然而，交互式氢泵方法需要在阴阳两极都维持氢气氛围，与零下启动前的空置气体氛围和燃料电池常规运行中的氢空氛围均不同，需要开发气体控制方法来实现交互式氢泵零下启动过程的气体氛围切换和维持。


技术实现要素：

[0005]
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0006]
为此，本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的气体控制方法，旨在克服交互式氢泵零下启动方法在燃料电池汽车上的应用中面临气体氛围的切换与保持问题，本公开第一方面实施例可以基于现有车载气体控制系统，实现高效的交互式氢泵零下启动方法的气体氛围切换与保持。
[0007]
本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的气体控制方法，包括：
[0008]
1)在使用交互式氢泵进行零下启动的开始时刻，将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围；
[0009]
2)在交互式氢泵运行过程中，保持燃料电池阴阳两极的气体氛围为氢氢氛围，并
进行交互式氢泵反应使燃料电池升温；
[0010]
3)在交互式氢泵结束运行时刻，将燃料电池阴阳两极的气体氛围从氢氢氛围切换为阳极氢气、阴极空气的氛围。
[0011]
进一步地，所述步骤1)中，所述将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围，是先将燃料电池阳极的气体氛围由空置状态切换为氢气氛围，然后将燃料电池阴极的气体氛围由空置状态切换为氢气氛围。
[0012]
进一步地，根据所述空置状态的时间长短制定将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围的策略。
[0013]
进一步地，所述空置时期长短的判断方法为根据指标判断空置状态为短期空置或长期空置；所述指标为开路电压或者阳极内的氢气含量。
[0014]
进一步地，如果判断为所述短期空置，则制定的将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围的策略为：直接在燃料电池阳极通入氢气，排出燃料电池阴阳极流道内的初始残留气体，从而将燃料电池阳极的气体氛围切换为氢气氛围，随后，在燃料电池阳极维持氢气气氛的前提下，将燃料电池阴极的气体氛围切换为氢气氛围。
[0015]
进一步地，如果判断为所述长期空置，则制定的将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围的策略为：使用启停工况下抗反极的方法，排出燃料电池阴阳极流道内的初始残留气体，从而将燃料电池阳极的气体氛围切换为氢气氛围。
[0016]
进一步地，步骤1)中，燃料电池阴极的气体氛围切换方法为：在燃料电池阳极维持氢气气氛前提下，将燃料电池阴极的气体氛围切换为氢气氛围；具体采用以下两种方式中的任一种：
[0017]
①
在燃料电池阳极持续通入氢气的前提下，保持燃料电池阴极的流道关闭，燃料电池阳极的氢气在浓度差的驱动下自发扩散到燃料电池阴极，从而将燃料电池阴极的气体氛围切换为氢气氛围；
[0018]
②
在燃料电池阳极持续通入氢气的前提下，保持燃料电池的阴极流道的入口关闭、保持燃料电池的阴极流道的出口开启，对燃料电池阳极施加高于燃料电池阴极的电压，在电压差的作用下，阳极内的氢气经过氢泵反应后在阴极析出，排出阴极流道内的初始残留气体，从而将燃料电池阴极的气体氛围切换为氢气氛围。
[0019]
进一步地，第
②
种方式中，施加于燃料电池阳极的电压高于施加于燃料电池阴极的电压的范围为0.01v-0.5v。
[0020]
进一步地，所述步骤2)中，在仅有燃料电池阳极有氢气来源的情况下，在燃料电池阴阳两极保持氢气氛围，为交互式氢泵提供足量的氢气。
[0021]
进一步地，采用以下两种方式中的任一种，以保持燃料电池阴阳两极的气体氛围为氢氢氛围：
[0022]
①
在燃料电池阳极持续通入氢气的前提下，保持燃料电池的阴极流道关闭，在交互氢泵运行开始、向燃料电池施加交互电时，先施加反向电压，进行反向半周期，将燃料电池阳极内的氢气泵向燃料电池阴极，为正向半周期储存足量的氢气，然后施加正向电压，进行正向半周期；
[0023]
②
燃料电池的阳极流道和阴极流道均关闭，在燃料电池的阳极流道和阴极流道内保持能够满足交互式氢泵反应的氢气气压。
[0024]
进一步地，所述步骤3)中，在交互氢泵结束运行时刻，首先将燃料电池阴极中的氢气尾气进行处理；随后根据电堆温度，在燃料电池阴极通入足量或不足量的空气，将燃料电池阴极的气体氛围从氢气氛围切换为空气氛围。
[0025]
进一步地，所述燃料电池阴极氢气尾气的处理方法，采用以下两种方式中的任一种：
[0026]
①
在交互氢泵结束运行时刻，在不施加电压和负载的情况下，向燃料电池阴极通入空气，以将燃料电池阴极的氢气氛围稀释至4％含量之下，从而将燃料电池阴极中的氢气尾气排出燃料电池电堆；
[0027]
②
在交互氢泵结束运行时刻，在燃料电池阴极施加高于燃料电池阳极的电压，电压范围为0.1v-0.4v，同时向燃料电池阴极通入空气，将燃料电池阴极的氢气用氢泵反应泵向燃料电池阳极，从而将燃料电池阴极中的氢气尾气排出燃料电池阴极。
[0028]
进一步地，所述步骤3)中，将燃料电池阴极的气体氛围从氢气氛围切换为空气氛围，采用以下两种方式中的任一种：
[0029]
①
当电堆温度≥-10℃时，在燃料电池阴极通入足量的空气，从而将燃料电池阴极的气体氛围从氢气氛围切换为空气氛围；
[0030]
②
在电堆温度≥-30℃时，在燃料电池阴极通入不足量的空气，从而将燃料电池阴极的气体氛围从氢气氛围切换为空气氛围。
[0031]
本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的气体控制方法，具有以下特点及有益效果：
[0032]
①
从空置状态气体氛围切换至氢氢氛围时，通过阳极内有无氢气残余来判定空置状态为短期空置或长期空置，以采取不同的气体控制策略来避免氢锋面带来的反极老化；
[0033]
②
在维持氢氢氛围时，通过气电协同控制或维持流道内高气压来为交互氢泵反应提供足量氢气；
[0034]
③
从氢氢氛围切换至氢空氛围时，先进行氢气的尾气处理，后通入足量或不足量的空气，便于衔接后续常规启动或冷启动的自启动。
[0035]
本公开基于目前的车载燃料电池气体管路和控制系统，实现交互式氢泵所需的氢氢氛围的获取、维持以及和其它气体氛围的切换，气体氛围的切换高效快捷且不会造成燃料电池老化。
[0036]
本公开第二方面实施例提出的一种基于上述气体控制方法的燃料电池零下启动的气体控制系统，包括：
[0037]
供电装置，所述供电装置与燃料电池的正负极连接，用于向燃料电池施加正向电压或者反向电压，且控制所述正向电压和所述反向电压的周期性切换，以实现交互氢泵反应；
[0038]
第一阳极管道和第二阳极管道，分别与燃料电池的阳极流道的入口端和出口端连接，所述第一阳极管道和所述第二阳极管道上分别设有阳极入口阀门和阳极出口阀门，通过所述第一阳极管道和所述第二阳极管道分别向燃料电池的阳极流道内供应或排出氢气；以及
[0039]
第一阴极管道和第二阴极管道，分别与燃料电池的阴极流道的入口端和出口端连接，所述第一阴极管道和所述第二阴极管道上分别设有阴极入口阀门和阴极出口阀门，通
过所述第一阴极管道和所述第二阴极管道分别向燃料电池的阴极流道内供应或排出空气。
[0040]
进一步地，位于阳极流道出口端处的所述第二阳极管道上和位于阴极流道出口端处的所述第二阴极管道上分别设有氢气探头，以测量流道内的氢气含量。
附图说明
[0041]
图1是本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的气体控制方法的流程图。
[0042]
图2是本公开第二方面实施例提供的燃料电池零下启动气体控制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
[0044]
相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
[0045]
参见图1，本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的气体控制方法，包括：
[0046]
1)在使用交互式氢泵进行零下启动的开始时刻，将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围；
[0047]
2)在交互式氢泵运行过程中，保持燃料电池阴阳两极的气体氛围为氢氢氛围，并进行交互式氢泵反应使燃料电池升温；
[0048]
3)在交互式氢泵结束运行时刻，将燃料电池阴阳两极的气体氛围从氢氢氛围切换为阳极氢气、阴极空气的氛围。
[0049]
在一些实施例中，步骤1)中，将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围，是先将燃料电池阳极的气体氛围由空置状态切换为氢气氛围，然后将燃料电池阴极的气体氛围由空置状态切换为氢气氛围。
[0050]
进一步地，步骤1)中，根据空置状态的时间长短制定将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围的策略。
[0051]
进一步地，步骤1)中，判断空置状态的时间长短的方法为根据指标判断空置状态为短期空置或长期空置；指标可以为开路电压或者阳极内的氢气含量。具体地，当开路电压大于0.1v为短期空置状态，当开路电压小于或者等于0.1v为长期空置状态；当阳极内氢气含量大于1％为短期空置状态，当阳极内氢气含量小于或者等于1％为长期空置状态。
[0052]
进一步地，步骤1)中，如果判定空置状态为短期空置，则制定的将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围的策略为：直接在燃料电池阳极通入氢气，排出燃料电池进出口管道和双极板流道内的初始残留气体，从而将燃料电池阳极的气体氛围切换为氢气氛围，随后，在燃料电池阳极维持氢气气氛的前提下，将燃料电池阴极的气体氛围
切换为氢气氛围。
[0053]
进一步地，步骤1)中，如果判断为长期空置，则制定的将燃料电池阴阳两极的气体氛围从空置状态切换为氢氢氛围的策略为：使用如旁路电阻、通入惰性气体等启停工况下抗反极的方法，排出燃料电池进出口管道和双极板流道内的初始残留气体，将燃料电池阳极的气体氛围切换为氢气氛围，随后，在燃料电池阳极维持氢气气氛的前提下，将燃料电池阴极的气体氛围切换为氢气氛围。
[0054]
进一步地，步骤1)中，在燃料电池阳极维持氢气气氛的前提下，将燃料电池阴极的气体氛围切换为氢气氛围，可以采用以下两种方式中的任一种：
[0055]
①
在燃料电池阳极持续通入氢气的前提下，保持燃料电池阴极的流道入口和出口处的阀门均关闭，燃料电池阳极的氢气在浓度差的驱动下自发扩散到燃料电池阴极，从而将燃料电池阴极的气体氛围切换为氢气氛围。
[0056]
②
在燃料电池阳极持续通入氢气的前提下，保持燃料电池阴极的流道入口处的阀门关闭、保持燃料电池阴极的流道出口处的阀门打开，对燃料电池阳极施加高于燃料电池阴极的电压，在电压差的作用下，阳极内的氢气经过氢泵反应后在阴极析出，排出阴极流道内的初始残留气体，将燃料电池阴极的气体氛围切换为氢气氛围。
[0057]
进一步地，上述第
②
种方式中，施加于燃料电池阳极的电压高于施加于燃料电池阴极的电压的范围为0.01v～0.5v。
[0058]
在一些实施例中，步骤2)中，在仅有燃料电池阳极有氢气来源的情况下，在燃料电池阴阳两极保持氢气氛围，为交互式氢泵反应提供足量的氢气。
[0059]
进一步地，步骤2)中，保持燃料电池阴阳两极的气体氛围为氢氢氛围，可以采用以下两种方式中的任一种：
[0060]
①
在燃料电池阳极持续通入氢气的前提下，保持燃料电池阴极的流道入口处阀门和出口处阀门均关闭，在交互氢泵运行开始、向燃料电池施加交互电时，先施加反向电压(阳极电位高于阴极)，进行反向半周期，将阳极内氢气泵向阴极，为正向半周期储存足量的氢气，后施加正向电压(阴极电位高于阳极)，进行正向半周期。
[0061]
②
阴阳两极流道的两个入口阀门和两个出口阀门均关闭，在燃料电池阴阳两极的流道内保持能够满足交互式氢泵反应的氢气气压。
[0062]
在一些实施例中，步骤3)中，在交互氢泵结束运行时刻，首先将燃料电池阴极中的氢气尾气进行处理；随后根据电堆温度，在燃料电池阴极通入足量或不足量的空气，将燃料电池阴极的气体氛围从氢气氛围切换为空气氛围。
[0063]
进一步地，步骤3)中，将燃料电池阴极中的氢气尾气进行处理，可以采用以下两种方式中的任一种：
[0064]
①
在交互氢泵结束运行时刻，在不施加电压和负载的情况下，向燃料电池阴极通入空气，以将燃料电池阴极的氢气氛围稀释至4％含量之下，从而将燃料电池阴极中的氢气尾气排出燃料电池电堆。
[0065]
②
在交互氢泵结束运行时刻，在燃料电池阴极施加高于燃料电池阳极的电压，电压范围为0.1v-0.4v，同时向燃料电池阴极通入空气，将燃料电池阴极的氢气用氢泵反应泵向燃料电池阳极，从而将燃料电池阴极中的氢气尾气排出燃料电池阴极。
[0066]
进一步地，步骤3)中，将燃料电池阴极的气体氛围从氢气氛围切换为空气氛围，可
以采用以下两种方式中的任一种：
[0067]
①
当电堆温度≥-10℃时，在燃料电池阴极通入足量的空气，从而将燃料电池阴极的气体氛围从氢气氛围切换为空气氛围，零下启动结束，切换为常规启动规程的气体控制方法。
[0068]
②
在电堆温度≥-30℃时，在燃料电池阴极通入不足量的空气，从而将燃料电池阴极的气体氛围从氢气氛围切换为空气氛围，切换为冷启动的自启动规程的气体控制方法，进行自启动直至零下启动结束，切换为常规启动规程的气体控制方法。
[0069]
本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的气体控制方法，工作原理如下：
[0070]
①
从空置状态气体氛围切换至氢氢氛围时，通过阳极内有无氢气残余来判定空置状态为短期空置或长期空置，以采取不同的气体控制策略来避免氢锋面带来的反极老化；
[0071]
②
在维持氢氢氛围时，通过气电协同控制或维持流道内高气压来为交互氢泵反应提供足量氢气；
[0072]
③
从氢氢氛围切换至氢空氛围时，先进行氢气的尾气处理，后通入足量或不足量的空气，便于衔接后续常规启动或冷启动的自启动。
[0073]
参见图2，本公开第二方面实施例提供的燃料电池零下启动气体控制系统，用于运行本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动气体控制方法，该控制系统包括：
[0074]
供电装置，与燃料电池的正负极连接，用于向燃料电池施加正向电压(阴极电位高于阳极电位)或者反向电压(阳极电位高于阴极电位)，且控制正向电压和反向电压的周期性切换，以实现交互氢泵反应；
[0075]
第一阳极管道和第二阳极管道，分别与燃料电池的阳极流道的入口端和出口端连接，第一阳极管道和第二阳极管道上分别设有阳极入口阀门和阳极出口阀门，通过第一阳极管道和第二阳极管道分别向燃料电池的阳极流道内供应或排出氢气；以及
[0076]
第一阴极管道和第二阴极管道，分别与燃料电池的阴极流道的入口端和出口端连接，第一阴极管道和第二阴极管道上分别设有阴极入口阀门和阴极出口阀门，通过第一阴极管道和第二阴极管道分别向燃料电池的阴极流道内供应或排出空气。
[0077]
进一步地，所有阀门的通断可以单独控制。
[0078]
进一步地，所有阀门可以在燃料电池流道内压力高于大气压的情况下保持气密性。
[0079]
进一步地，位于阳极流道出口端处的第二阳极管道上和位于阴极流道出口端处的第二阴极管道上分别设有氢气探头，用于测量流道内的氢气含量。
[0080]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0081]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。