本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池停机控制装置及方法，将电堆中各个单电池单独进行放电，在每个放电电路上都连接一个控制开关、一个晶体二极管和一个可变的停机电阻相互串联并联到各个单电池阴阳极两端；停机控制采用先关闭氢气进气阀，同时风扇持续给电堆供氧和散热，直至电堆温度下降到燃料电池空载时的最佳工作温度；电堆停机的同时立即进行阳极排气。本发明专利技术能够缩短燃料电池系统停机后电堆维持在开路高电压的时间，抑制单电池反极现象的发生；停机后风扇运转给电堆提供空气，加快反应的速度，减缓质子交换膜的降解；停机后立即进行排气，能够减弱电堆停机瞬间氢气压力的激增对质子交换膜造成的冲击。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池停机控制装置及方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应把反应物质的化学能转换成电能的发电装置，由于其能量转换效率高、环境友好、功率密度和能量密度较高和功率范围广等优点，被认为是21世纪首选的清洁、高效地发电技术，受到各国政府和大公司的重视。随着研究的深入，质子交换膜燃料电池在便携式移动电源、分布式电站和水下机器人等领域有着广泛的应用前景。质子交换膜燃料电池由于电流密度高、结构简单，运行过程中没有电解液的渗漏，而且具有启动速度快、工作温度低等优点，适用于便携式电源和运输工具。然而质子交换膜燃料电池的耐久性和寿命一直是制约其商业化发展的重要因素。车载燃料电池不可避免的要经历频繁启停的工况，因此，在燃料电池停机过程中电池性能的衰减问题更加突出。引起PEMFC经历频繁启停循环后性能衰减的根本原因是燃料电池停机后由于反向电流所形成的氢气/空气界面和阴极高电位。在燃料电池停机瞬间，燃料电池处于开路状态，由于阳极流道内残留有氢气，会迫使电堆长时间处于开路电压状态，这容易引起催化剂碳载体发生氧化腐蚀，造成电池性能衰减和寿命缩短等。由此可见，加快消耗PEMFC系统停机后阳极残留的氢气和缩短停机后开路高电压的时间是提高燃料电池寿命的关键因素。为此，国内外科学家进行了大量的研究，这些研究主要集中在催化剂载体材料的改进和系统控制策略改进两个方面。其中利用抗腐蚀能力更强的催化剂载体材料替代传统的碳载体是一种重要的解决方法。Yu等报道了利用石墨化的碳材料来替代传统的碳载体，能够使得燃料电池经历1000次启停循环后电堆性能衰减速率减小5倍。然而，这些材料的高成本却大大阻碍了燃料电池的商业化发展。因此，就目前的催化剂载体材料的发展形式而言，系统控制策略是更为现实的能够运用于实际燃料电池系统中的解决方法。其中目前的系统控制策略主要有：(1)停机过程中采用气体吹扫阳极；(2)外部的气体循环来作为吹扫气体；(3)辅助负载的使用从而消耗残留在电池内部的气体。气体吹扫是一种非常有效的办法，能防止电堆阳极形成氢-空界面，同样也能减少氢-空界面存在于阳极的时间，但是在质子交换膜燃料电池的实际运行中吹扫气体不容易得到。此外气体吹扫虽然能使PEMFC在停机过程中氢-空界面难以存在于电堆阳极，然而，燃料电池停机后残留在流场内和气体扩散层内以及催化层内的气体，却并不容易被排出。因此，另外一种有效消耗残留在流场内和气体扩散层以及催化层内的气体的方法是利用辅助负载。JaeHongKim等研究了辅助负载的存在与否对燃料电池经历频繁启停后性能衰减速率的重要影响。他们的研究结果表明利用辅助负载能够较大程度的减少PEMFC停机过程中性能的衰减和电化学活性面积的减小。除了上述解决方法外，其它的方法也应用于燃料电池停机过程中，它们包括催化剂结构设计的优化、利用阶梯型的燃料进口设计从而优化燃料电池内部气体的分配等。然而相比之下，利用辅助负载是相对比较简单和廉价，且更能实际应用于燃料电池系统中的控制策略。但是由于燃料电池停机后残留在电堆内部各片的气体浓度不一样，导致了在使用辅助负载放电时每一片单体电池电压下降的速率也不一致。但是，将辅助负载应用于整个燃料电池电堆上并不实际，因为会造成某些片单体电池电压下降过快而导致电池反极现象的发生。因此，研究和开发出一种可靠和实用的停机控制装置成为燃料电池停机控制策略亟待解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池停机控制装置及方法，旨在缩短燃料电池系统停机后电堆维持在开路高电压的时间，抑制单体电池反极现象的发生，提高燃料电池的寿命。本专利技术是这样实现的，一种质子交换膜燃料电池停机控制装置包括储氢罐、减压阀、稳压球阀、氢气进气电磁阀、主负载控制开关、主负载、阳极排气阀、晶体二极管、停机电阻、控制开关、端板、绝缘板、电极、单体电池；储氢罐、减压阀、稳压球阀、氢气进气电磁阀、端板、绝缘板依次连接，电极设置在端板和绝缘板之间，单体电池安装在两端的绝缘板之间，阳极排气阀与阳极一侧的端板连接，主负载控制开关和主负载与两端的电极串联；各个单体电池中嵌入安装有放电电路控制装置，该放电电路控制装置由一个控制开关、一个停机电阻和一个晶体二极管相互串联组成，每个单体电池放电电路并联连接在单体电池的阴阳极两端，控制开关控制停机电阻的切入或断开，晶体二极管限制放电电路的导通电压。进一步，所采用的停机电阻为纯阻性，停机电阻大小要求保证单体电池电压由开路电压下降到0.2V所需时间为15S到30S之间。进一步，电堆中各个单体电池单独进行放电。进一步，在燃料电池制造过程中将放电电路控制装置嵌入各个单体电池中。进一步，所述的的晶体二极管的导通电压为0.1V～0.2V。进一步，该质子交换膜燃料电池停机控制装置不设置晶体二极管。本专利技术的另一目的在于提供一种质子交换膜燃料电池停机控制方法为：步骤一、打开主辅助电路开关以断开主负载的连接；步骤二、关闭氢气进气电磁阀；步骤三、打开阳极排气阀，设置排气间隔、排气时间和排气次数；步骤四、电堆风扇继续运转，直至电堆温度下降至电堆空载时的最佳工作温度；步骤五、合上控制开关，以连接停机电阻和晶体二极管，对电堆中各个单体电池进行放电；步骤六、当电堆中单体电池电压低于0.1V或0.2V时，断开放电控制电路。本专利技术的的优点在于：(1)使用停机电阻快速消耗燃料电池系统停机后残留在阳极侧的氢气，限制了停机后的电压，缩短了燃料电池停机时间，进而减弱了阴极侧催化剂碳载体的被腐蚀。(2)由于燃料电池停机后残留在每一片单体电池的反应气体浓度不一致，单体电池电压下降速率也不一样，且燃料电池每一次停机，电压下降最快的那片单体电池不固定，若采用停机电阻对整个电堆或对电堆模块化放电，容易导致单体电池反极化或者放电不彻底。本专利技术采用对各个单体电池进行单独放电，能够使单体电池停机的放电更加充分，能够极大程度消耗电堆停机后残留在阳极侧的氢气。采用晶体二极管控制单体电池放电，能够防止单体电池反极对电堆造成的负面影响。(4)本专利技术将单体电池放电装置集成为一个很小的停机控制装置在燃料电池制造过程中就镶嵌入各个单体电池中，能够使燃料电池系统的复杂程度得到大大降低，操作更加方便。(5)停机后，关闭氢气进气阀和立即进行阳极排气，能够减弱电堆停机瞬间，氢气压力的激增对质子交换膜造成的冲击，同时也能缩短停机后氢气压力从峰值下降至0bar需要的时间。(6)燃料电池系统大负载电流下直接停机，其电堆温度会超过PEMFC空载条件下的最大工作温度，过高的电堆温度会加速质子交换膜的降解，因此，停机后电堆风扇继续运转，不仅能加快氢气反应消耗的速度，同时对电堆散热也能减缓质子交换膜的降解。附图说明图1是本专利技术实施例提供的空冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池系统整体结构图；图2是本专利技术实施例提供的放电电路控制装置的电路图；图中：1-储氢罐，2-减压阀，3-稳压球阀，4-氢气进气电磁阀，5-主负载控制开关，6-主负载，7-阳极排气阀，8-晶体二极管，9-停机电阻，10-控制开关，11-端板，12-绝缘板，13-电极，14-单体...
【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池停机控制装置，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池停机控制装置包括储氢罐、减压阀、稳压球阀、氢气进气电磁阀、主负载控制开关、主负载、阳极排气阀、晶体二极管、停机电阻、控制开关、端板、绝缘板、电极、单体电池；储氢罐、减压阀、稳压球阀、氢气进气电磁阀、端板、绝缘板依次连接，电极设置在端板和绝缘板之间，单体电池安装在两端的绝缘板之间，阳极排气阀与阳极一侧的端板连接，主负载控制开关和主负载与两端的电极串联；各个单体电池中嵌入安装有放电电路控制装置，该放电电路控制装置由一个控制开关、一个停机电阻和一个晶体二极管相互串联组成，每个单体电池放电电路并联连接在单体电池的阴阳极两端，控制开关控制停机电阻的切入或断开，晶体二极管限制放电电路的导通电压。
【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池停机控制装置，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池停机控制装置包括储氢罐、减压阀、稳压球阀、氢气进气电磁阀、主负载控制开关、主负载、阳极排气阀、晶体二极管、停机电阻、控制开关、端板、绝缘板、电极、单体电池；储氢罐、减压阀、稳压球阀、氢气进气电磁阀、端板、绝缘板依次连接，电极设置在端板和绝缘板之间，单体电池安装在两端的绝缘板之间，阳极排气阀与阳极一侧的端板连接，主负载控制开关和主负载与两端的电极串联；各个单体电池中嵌入安装有放电电路控制装置，该放电电路控制装置由一个控制开关、一个停机电阻和一个晶体二极管相互串联组成，每个单体电池放电电路并联连接在单体电池的阴阳极两端，控制开关控制停机电阻的切入或断开，晶体二极管限制放电电路的导通电压。2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池停机控制装置，其特征在于，所采用的停机电阻为纯阻性，停机电阻大小要求保证单体电池电压由开路电压下降到0.2V所需时间为15S-30S。3.如权利要求1所述的质子交...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭跃进，刘志祥，王勇，李伦，黄明，陈维荣，李奇，戴朝华，张雪霞，张国瑞，杨寒卿，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。