[發明專利]一種質子交換膜燃料電池停機控制裝置及方法

在審

• 申請號: 201510040866.X
• 申請日: 2015-01-27
• 公開（公告）號: CN104577165A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 彭躍進;劉志祥;王勇;李倫;黃明;陳維榮;李奇;戴朝華;張雪霞;張國瑞
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 裴娜

技術領域

本發明屬于質子交換膜燃料電池領域，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池停機控制裝置及方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池是一種通過電化學反應把反應物質的化學能轉換成電能的發電裝置，由于其能量轉換效率高、環境友好、功率密度和能量密度較高和功率范圍廣等優點，被認為是21世紀首選的清潔、高效地發電技術，受到各國政府和大公司的重視。隨著研究的深入，質子交換膜燃料電池在便攜式移動電源、分布式電站和水下機器人等領域有著廣泛的應用前景。質子交換膜燃料電池由于電流密度高、結構簡單，運行過程中沒有電解液的滲漏，而且具有啟動速度快、工作溫度低等優點，適用于便攜式電源和運輸工具。然而質子交換膜燃料電池的耐久性和壽命一直是制約其商業化發展的重要因素。車載燃料電池不可避免的要經歷頻繁啟停的工況，因此，在燃料電池停機過程中電池性能的衰減問題更加突出。

引起PEMFC經歷頻繁啟停循環后性能衰減的根本原因是燃料電池停機后由于反向電流所形成的氫氣/空氣界面和陰極高電位。在燃料電池停機瞬間，燃料電池處于開路狀態，由于陽極流道內殘留有氫氣，會迫使電堆長時間處于開路電壓狀態，這容易引起催化劑碳載體發生氧化腐蝕，造成電池性能衰減和壽命縮短等。由此可見，加快消耗PEMFC系統停機后陽極殘留的氫氣和縮短停機后開路高電壓的時間是提高燃料電池壽命的關鍵因素。

為此，國內外科學家進行了大量的研究，這些研究主要集中在催化劑載體材料的改進和系統控制策略改進兩個方面。其中利用抗腐蝕能力更強的催化劑載體材料替代傳統的碳載體是一種重要的解決方法。Yu等報道了利用石墨化的碳材料來替代傳統的碳載體，能夠使得燃料電池經歷1000次啟停循環后電堆性能衰減速率減小5倍。然而，這些材料的高成本卻大大阻礙了燃料電池的商業化發展。因此，就目前的催化劑載體材料的發展形式而言，系統控制策略是更為現實的能夠運用于實際燃料電池系統中的解決方法。其中目前的系統控制策略主要有：(1)停機過程中采用氣體吹掃陽極；(2)外部的氣體循環來作為吹掃氣體；(3)輔助負載的使用從而消耗殘留在電池內部的氣體。氣體吹掃是一種非常有效的辦法，能防止電堆陽極形成氫-空界面，同樣也能減少氫-空界面存在于陽極的時間，但是在質子交換膜燃料電池的實際運行中吹掃氣體不容易得到。此外氣體吹掃雖然能使PEMFC在停機過程中氫-空界面難以存在于電堆陽極，然而，燃料電池停機后殘留在流場內和氣體擴散層內以及催化層內的氣體，卻并不容易被排出。因此，另外一種有效消耗殘留在流場內和氣體擴散層以及催化層內的氣體的方法是利用輔助負載。Jae Hong Kim等研究了輔助負載的存在與否對燃料電池經歷頻繁啟停后性能衰減速率的重要影響。他們的研究結果表明利用輔助負載能夠較大程度的減少PEMFC停機過程中性能的衰減和電化學活性面積的減小。除了上述解決方法外，其它的方法也應用于燃料電池停機過程中，它們包括催化劑結構設計的優化、利用階梯型的燃料進口設計從而優化燃料電池內部氣體的分配等。然而相比之下，利用輔助負載是相對比較簡單和廉價，且更能實際應用于燃料電池系統中的控制策略。但是由于燃料電池停機后殘留在電堆內部各片的氣體濃度不一樣，導致了在使用輔助負載放電時每一片單體電池電壓下降的速率也不一致。但是，將輔助負載應用于整個燃料電池電堆上并不實際，因為會造成某些片單體電池電壓下降過快而導致電池反極現象的發生。因此，研究和開發出一種可靠和實用的停機控制裝置成為燃料電池停機控制策略亟待解決的技術難題。

發明內容

本發明實施例的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池停機控制裝置及方法，旨在縮短燃料電池系統停機后電堆維持在開路高電壓的時間，抑制單體電池反極現象的發生，提高燃料電池的壽命。

本發明是這樣實現的，一種質子交換膜燃料電池停機控制裝置包括儲氫罐、減壓閥、穩壓球閥、氫氣進氣電磁閥、主負載控制開關、主負載、陽極排氣閥、晶體二極管、停機電阻、控制開關、端板、絕緣板、電極、單體電池；

儲氫罐、減壓閥、穩壓球閥、氫氣進氣電磁閥、端板、絕緣板依次連接，電極設置在端板和絕緣板之間，單體電池安裝在兩端的絕緣板之間，陽極排氣閥與陽極一側的端板連接，主負載控制開關和主負載與兩端的電極串聯；

各個單體電池中嵌入安裝有放電電路控制裝置，該放電電路控制裝置由一個控制開關、一個停機電阻和一個晶體二極管相互串聯組成，每個單體電池放電電路并聯連接在單體電池的陰陽極兩端，控制開關控制停機電阻的切入或斷開，晶體二極管限制放電電路的導通電壓。

進一步，所采用的停機電阻為純阻性，停機電阻大小要求保證單體電池電壓由開路電壓下降到0.2V所需時間為15S到30S之間。