一种燃料电池系统低温储存停机吹扫方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统低温储存停机吹扫方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池在其工作的温度区间内，由于氢氧的电化学反应和化学反应，会导致在反应区存在气态水和液态水。在质子交换膜燃料电池实际应用中，0℃以下的启动过程称为“低温冷启动”。冷启动过程中，由于电池温度低于水的冰点，故而上一次停机后电池内残留的水和启动运行过程中电化学反应生成的水都存在结冰的可能。而电池堆内水结冰后，会有四大危害：第一、结冰阻止反应气体传输、覆盖膜电极活性表面，减弱或阻止反应气到达反应界面。第二、结冰形成的冰碴等容易损伤膜结构：造成膜鼓胀、穿孔或破裂，最终形成膜电极窜气、缺气、缺氢等情况，损坏电池。第三、结冰导致反应速率减弱：低温启动时产热小，更加促进电化学反应后的产水结冰，如此恶性循环，最终导致低温启动失败，大大限制燃料电池堆及系统在低温环境下的正常使用。第四、结冰后体积膨胀，还会在电池堆内产生应力，不仅损伤催化剂界面、多孔电极的基体材料，还会影响电池堆的流道，以及相应管道、密封结构等。

因此，在寒冷条件下，若膜电极表面及内部储水未能有效排出，水含量过高，低温下结冰会影响膜电极表面反应区域，极易导致冷启动失败，且在多次启停后将会对电池堆和膜电极产生永久性的损坏。

而如果膜电极表面及内部储水含量过低，又会削弱质子膜在下次启动期间的质子传导特性，导致冷启动时间变长、启动性能恶化等情况。

为保证电池堆和燃料电池系统在低温环境下的顺利、无损启动，则需在低温储存前开展吹扫，将多孔电极内的水含量控制到合理的范围。控制水含量的方法，主要是通过一些停机吹扫的方法来除去碳纸、催化层和膜内的水。

以往的低温无损储存停机吹扫方法，如：

发明专利申请202010586864.1中提到的：燃料电池控制器控制负载电流为燃料电池堆额定输出电流的25％～30％，控制加热器和散热器使燃料电池堆的入口冷却水温度维持在60℃～65℃，控制空压机的转速使得空气流量为输出该负载电流条件下所需空气流量的10倍以上，通过单片电压巡检单元检测燃料电池堆各个单片电池电压直至各个单片电池电压的最低电压小于0.75V。此方案虽然考虑了吹扫气量，然而未考虑：第一、吹扫结束，冷却水温低于60℃后，电池堆内水蒸气会继续冷凝产水，将膜电极重新变湿润。第二、控制空压机的转速使得空气流量为输出该负载电流条件下所需空气流量的10倍以上，这一气量要求太高，在增加空压机能耗的同时，还可能由于空压机性能限制无法达到这一气量，影响吹扫效果。同时，由于没有考虑实际的环境温湿度，过高的吹扫气量可能还会将膜电极吹到得过干，影响膜的启动性能。

在发明专利申请202010779071.1中，提到的方案：接收到低温停机命令后，将电堆电流降至I1，进入第一阶段吹扫过程；当电堆总电压≤U1，或者吹扫时长达到T5，或者单体电压≤U3，进入第二阶段吹扫过程；设定电堆电流及空压机转速为0，氢气压力为P2。此方案虽然考虑了停机吹扫各阶段特点，但并未提及所需吹扫气量的计算和控制方法。

在发明专利202010240734.2中，提到的方案：以第一初始流量和第一吹扫下降速率对所述燃料电池进行吹扫；测量所述燃料电池的交流阻抗值，判断所述交流阻抗值是否达到第一交流阻抗值；若是，则以第二初始流量和第二吹扫下降速率对所述燃料电池进行吹扫；测量所述燃料电池的交流阻抗值，判断所述交流阻抗值是否达到第二交流阻抗值；若是，则以第三恒定流量对所述燃料电池进行吹扫，直至所述燃料电池的交流阻抗值达到目标交流阻抗。此方案中，没有将环境温度、湿度作为吹扫气量的确定依据，会导致所使用的吹扫气量不合适或过大、过小，导致无法吹扫到所需的电堆水含量、或增加吹扫能耗或延长吹扫时间。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑环境温度和湿度精确控制吹扫气量的燃料电池系统低温储存停机吹扫方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种燃料电池系统低温储存停机吹扫方法，包括以下步骤：

S1：根据停机期间带载吹扫电流I计算电堆内产水量W

S2：根据出堆空气总量Q

S3：由水含量质量守恒W

S4：再根据入堆空气压力P

S5：控制器根据算出的吹扫气量Q

由法拉第定律，特定电流下，生成水的质量流量W

本发明内置到控制器中的程序：根据较低温度下膜电极水含量目标值λ

在计算出堆气体中的含水量W

根据吹扫的要求，吹扫后电堆内水含量需满足质量守恒，即出堆气体中的含水量W

再由准确的入堆所需总水量W

RH

以此吹扫气量Q

作为本发明的优选方案，步骤S1中的水含量目标值λ

T1：在控制器内预置不同低温环境的温度对应的膜电极低温无损储存所需水含量目标值λ

T2：控制器内预置往年当期或当月或季节的最低温度；

T3：在进行步骤S1时，识别实时日期，对比控制器内预置的日期或月份或季节，调用相应的最低温度，确定此最低温度对应的膜电极水含量目标值λ

在确定膜电极水含量目标值λ

在建立膜电极水含量目标值λ

作为本发明的优选方案，在步骤S2中，根据出堆空气压力P

作为本发明的优选方案，在步骤S2中，根据出堆空气压力P

作为本发明的优选方案，在步骤S2中，根据出堆空气压力P

作为本发明的优选方案，在步骤S4中，根据入堆空气压力P

作为本发明的优选方案，在步骤S4中，根据入堆空气压力P

作为本发明的优选方案，在步骤S4中，根据入堆空气压力P

本发明的有益效果为：

1.本发明内置到控制器中的程序：根据较低温度下膜电极水含量目标值λ

2.在计算出堆气体中的含水量W

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本实施例的燃料电池系统低温储存停机吹扫方法，包括以下步骤：

S1：根据停机期间带载吹扫电流I计算电堆内产水量W

S2：根据出堆空气压力P

S3：由水含量质量守恒W

S4：根据入堆空气压力P

S5：控制器根据算出的吹扫气量Q

本发明内置到控制器中的程序：根据较低温度下膜电极水含量目标值λ

在计算出堆气体中的含水量W

根据吹扫的要求，吹扫后电堆内水含量需满足质量守恒，即出堆气体中的含水量W

再由准确的入堆所需总水量W

以此吹扫气量Q

其中，步骤S1中的水含量目标值λ

T1：在控制器内预置不同低温环境的温度对应的膜电极低温无损储存所需水含量目标值λ

T2：控制器内预置往年当期或当月或季节的最低温度；

T3：在进行步骤S1时，识别实时日期，对比控制器内预置的日期或月份或季节，调用相应的最低温度，确定此最低温度对应的膜电极水含量目标值λ

在建立膜电极水含量目标值λ

实施例：

1、控制器内预置不同低温环境的温度对应的膜电极水含量目标值λ以及与存水量W

2、控制器内预置往年当期或当月或当季的最低温度；

3、停机吹扫时识别实时日期，对比控制器内预置的日期或月份或当季，调用相应的最低温度对应的膜电极水含量目标值λ：比如3～9月期间最低温度为5℃，对应λ

4、系统获取停机时燃料电池系统的入堆空气压力P

5、使用上述采集的数据，结合当前吹扫带载电流I对应的电堆内产水量W

6、控制器根据算出的吹扫气量，调用相应吹扫策略，开展吹扫。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。