一种燃料电池低温启动时的压力控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池启动方法，具体涉及一种燃料电池低温启动时的压力控制方法。

背景技术

为了能让燃料电池在一个高效、安全的范围内持续工作，燃料电池系统中各零部件的可靠性和安全性便显得尤为重要。燃料电池在使用过程中会经受各种运行工况，其中也包括复杂的低温运行工况。

燃料电池低温(低于5℃)启动和运行过程中，为了尽快的使电堆的温度提升，常用的低温启动方法有：一、通过PTC外加热启动；二、电堆自启动。在低温启动过程中，为了避免热量分布引起的不可靠，需要在初期的运行阶段开启冷却循环系统。尤其是通过PTC外加热启动方式，冷启动过程中采用PTC进行辅助加热，是一种实车运行中常见的控制方式，由于本身的加热速度较慢，又需要在加热的过程中开启冷却循环，此时由于冷却液在低温下的粘度明显增加，会造成冷却腔内的压力急剧增加，进而会造成气体腔与冷却腔形成长时间的大压差，从而增加极板和电堆密封的失效风险，降低电堆的可靠性；即由于压力控制在低温启动时的失效或者延迟，可能会造成燃料电池的压力控制偏差过大，长期使用中反复出现该情况会导致电堆可靠性的下降，影响使用可靠性和安全性。

如中国专利CN202110855893.8，公开了一种燃料电池系统及其低温启动控制方法，低温启动过程中，通过电子负载阶段性控制电堆电压，分阶段控制电堆的输出电流，有利于干燥膜吸收生成的水，电堆性能得到提升，进而进一步通过控制电堆电压，增加电堆的产热量，对电堆进行升温，也充分利用催化层和扩散层的孔隙空间；此外，产生的电能直接给PTC加热冷却液，为了防止PTC过热，间断开启水泵，控制节温器开度使燃料电池系统工作在小循环里，PTC直接给冷却液加热。虽然其提供了一种低温启动的控制方法，但仅考虑了温度的影响，而忽略了压力的影响，仍然会出现压差过大，长期使用会影响电堆可靠性和安全性的情况。

因此，需要从整体角度来平衡电堆设计需求和BoP能力的控制策略，进而提高燃料电池的可靠性。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种燃料电池低温启动时的压力控制方法，以解决现有技术中通过PTC外加热启动时由于压力控制的失效或者延迟，造成燃料电池的压力控制偏差过大，会导致电堆可靠性的下降，影响使用可靠性和安全性的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种燃料电池低温启动时的压力控制方法，该燃料电池包括电堆以及与电堆分别相连的氧化剂系统、燃料剂系统和冷却循环系统，所述的压力控制方法包括如下过程：

S1：检测冷却液入口温度T

S2：通过氧化剂系统和燃料剂系统分别向电堆内通入氧化剂和燃料，并控制氧化剂入口压力为P

S3：开启冷却循环系统，控制冷却液入口压力为P

S4：当T

S5：持续加载电流至氧化剂出口温度T

其中，P

优选地，所述的氧化剂包括空气；所述的燃料包括氢气；所述的冷却液包括乙二醇和去离子水中的一种或两种。

优选地，所述的T

优选地，所述的T

优选地，所述的P

优选地，所述的P

优选地，所述的冷却循环系统中通过冷却循环泵对冷却液加压；所述的冷却循环泵采取间歇式或连续式。

优选地，所述的氧化剂系统向电堆内通入氧化剂之前，先进行吹扫；所述的燃料剂系统向电堆内通入燃料之前，先进行吹扫。

优选地，所述的吹扫不少于10s。

优选地，所述的低电流加载工作中的电流范围为30-500A。

本发明的工作原理为：

在燃料电池运行过程中，氢气的运行压力需要大于空气，这样能够从安全和稳定性两方面保护电堆。

安全方面：电堆中，若氢气渗透到空气侧，能够很快被稀释和排出；靠近催化层的氢气被快速反应，保证氢气浓度低于爆炸浓度。由于P

稳定性方面：阳极侧的气体腔中气体流量和进出口压差比较小，排水能力有限，可以通过与冷却腔之间形成压差以抑制过多的冷却液渗透到阳极，降低发生淹没的几率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、在燃料电池运行过程中，氢气的运行压力需要大于空气，这样能够从安全和稳定性两方面保护电堆。

安全方面：电堆中，若氢气渗透到空气侧，能够很快被稀释和排出；靠近催化层的氢气被快速反应，保证氢气浓度低于爆炸浓度。

稳定性方面：阳极侧的气体腔中气体流量和进出口压差比较小，排液能力有限，可以通过与冷却腔之间形成压差以抑制过多的冷却液渗透到阳极，降低发生淹没的几率。

2、在电堆组装力的作用下，极板上的气体腔流道被紧密的压缩在一起，在保证氢、空两侧压差的情况下，气体腔可以承受比较大的压力。相对而言，冷却腔内是通过自身强度和间接接触作用，将压力分布到整个面上，因而形成的支点较少。因此，在运行过程中，尽可能的保证气体腔压力高于冷却腔，避免冷却液压力大于气腔，防止冷却液渗漏，有利于整体的可靠性。

附图说明

图1为燃料电池中电堆部分的结构示意图；

图中：1-电堆；2-燃料入口；3-燃料出口；4-氧化剂入口；5-氧化剂出口；6-冷却液入口；7-冷却液出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

图1示出了燃料电池中电堆1部分的结构示意图。

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，该燃料电池系统至少包括：空气压缩机、氢气源、增湿器、燃料电池电堆1、氢气排放装置、节温器、散热器、多个电磁阀等。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，且并非本实施例的研究对象，本实施例中不对其进行详细。

本实施例中选用氢气作为燃料，空气作为氧化剂，乙二醇和去离子水的混合液作为冷却液。

本实施例的电堆1结构如图1示意，燃料入口2设于左上方，燃料出口3设于右下方；氧化剂入口4设于右上方，氧化剂出口5设于左下方；冷却液入口6设于右中部，冷却液出口7设于左中部。

当检测到电堆1的冷却液入口6温度T

(1)调整氢气减压阀，通过燃料入口2持续补入60kPag(P

(2)调整空压机和减压阀，通过氧化剂入口4持续补入50kPag(P

(3)开启PTC加热，同时开启冷却循环系统的冷却循环泵，可以采取间歇式或连续式，控制冷却液入口6压力不高于50kPag(P

(4)等待PTC加热使冷却液入口6和冷却液出口7温度升至5℃(T

(5)通过负载控制器，设定加载电流速率为15A/s对电堆1进行加载，加载运行至氧化剂出口5温度达到20℃(T

实施例2

整体步骤同实施例1，区别在于：

T

氢气压力(P

加载电流为80A。

实施例3

整体步骤同实施例1，区别在于：

T

氢气压力(P

加载电流为325A。

实施例4

整体步骤同实施例1，区别在于：

T

氢气压力(P

加载电流为500A。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。