一种模拟燃料电池系统关机装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种模拟燃料电池系统关机装置及方法，装置包括：电堆模块，分别用于向电堆模块的空腔、氧腔提供空气、氢气的空气输入模块与氢气输入模块，与电堆模块中的水腔循环连通的水热循环模块，用于检测电堆模块电压的电池测试模块，以及包括电连接于电堆模块正负极之间的放电电阻与开关断电器的氧气消耗模块。与现有技术相比，本发明专利技术通过调节相应参数模拟系统关机过程，检测氢空压力等参数实时变化情况，达到规避氧气消耗不彻底、调节合适氢空压差等效果。差等效果。差等效果。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟燃料电池系统关机装置及方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，涉及一种模拟燃料电池系统关机装置及方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是一种使氢气和氧气发生电化学反应并将化学能转化为电能的装置，在交通、便携式电源、发电站等领域得到广泛的应用。实际应用中需将燃料电池堆匹配相应的辅助系统构成燃料电池系统进行运行，运行后的关机操作合理性，会直接影响系统后期的性能输出及运行寿命。
[0003]燃料电池系统关机时会进行氧气消耗处理操作，阴极氧气消耗不彻底渗透到阳极或者由于密封原因从外界渗入的氧气无法持续消耗，会导致阳极出现氧气，下次启动时阳极通入氢气后形成氢空界面，当阳极发生氢氧反应时，在此区域出现与正常燃料电池模式相反的电流流动，阴极界面形成高电位，导致阴极催化层发生碳腐蚀，影响电堆性能及寿命。其次，燃料电池系统关机放置一段时间后可能会出现氢空负压较严重的现象，导致下次正常开机氢气入堆时氢空压差过大，对膜电极造成损伤。
[0004]中国专利CN113130946A公开了一种关闭燃料电池的控制方法及系统，即在燃料电池关机程序中停止提供反应物后，利用可调变负载消耗剩余反应物，并利用检测氢气压力和燃料电池电压来判断反应物的消耗状况，但该技术的判断方法受到氢气流量、初始压力、氢空串漏等的影响，判断偏差较大，无法充分消耗氧气。
[0005]中国专利CN113809366A提及了一种燃料电池系统停机控制方法，其
技术实现思路
主要为通过氢气累积流量与预设阈值的关系确定是否关闭燃料电池系统，预设阈值等于空气侧容腔的氢气量减去氢气侧容腔的氢气量，氢气量通过关机时容腔的压力、体积及温度，开机时氢气预设浓度等参数计算，由于计算所需参数较多，且关机时压力、温度变化或开机氢气浓度状态受停机时长、密封、串漏等因素影响，预设阈值可能受到干扰或需要持续调整，增加了系统程序复杂度。
[0006]上述技术方案均直接通过燃料电池系统端的辅助系统控制摸索关机过程，判断方法存在多因素干扰，导致设计偏差或增加复杂程度，无法精确匹配燃料电池堆特性；且由于辅助系统的耦合作用无法准确判断燃料电池堆在关机后实际内部状态。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是提供一种模拟燃料电池系统关机装置及方法，通过调节相应参数模拟系统关机，检测氢空压力等参数实时变化情况，达到规避氧气消耗不彻底、调节合适氢空压差等效果，匹配适合该燃料电池堆及对应系统的关机控制方法，并应用于系统控制中，简化系统调节复杂度，提高关机判断程序可靠性；且该装置可针对不同电堆不同辅助系统进行相应调整，适用性广。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009]一种燃料电池系统关机过程模拟装置，包括
[0010]电堆模块；
[0011]空气输入模块与氢气输入模块，分别用于向电堆模块的空腔、氧腔提供空气、氢气；
[0012]水热循环模块，与电堆模块中的水腔循环连通；
[0013]电池测试模块，用于检测电堆模块电压；以及
[0014]氧气消耗模块，包括电连接于电堆模块正负极之间的放电电阻与开关断电器。
[0015]进一步地，所述的电堆模块包括燃料电池电堆，所述的水热循环模块包括循环恒温水浴箱，所述的电池测试模块包括电池测试仪。
[0016]进一步地，所述的空气输入模块包括空气出口控制阀，以及沿空气流动方向依次连通的空气储气罐、空气进气减压阀、空气路入口控制阀；
[0017]所述的空气出口控制阀与空腔出口相连通，所述的空气路入口控制阀与空腔入口相连通。
[0018]进一步地，所述的空气入口控制阀与空腔入口之间设有空气压力表。
[0019]进一步地，所述的空气进气减压阀与空气路入口控制阀之间设有空气压力传感器。
[0020]进一步地，所述的氢气输入模块包括氢气路出口控制阀，以及沿空气流动方向依次连通的氢气储气罐、氢气进气减压阀、氢气路入口控制阀；
[0021]所述的氢气路出口控制阀与氢腔出口相连通，所述的氢气路入口控制阀与氢腔入口相连通。
[0022]进一步地，所述的氢气路出口控制阀后还设有氢气稀释装置。
[0023]一种基于上述装置的燃料电池系统关机过程模拟方法，包括以下步骤：
[0024]S1：启动水热循环模块，将电堆模块加热至设定温度；启动电池测试模块检测电堆模块电压；
[0025]S2：通过空气输入模块向电堆模块的空腔通入设定压力P0的空气，通过氢气输入模块向电堆模块的氢腔通入设定压力P
H
的氢气；
[0026]S3：停止通入空气，并关闭空腔进出口；持续通入氢气，并关闭氢腔出口；
[0027]S4：接通开关断电器，通过阻值为R的放电电阻进行放电；氢气通入时间控制在t1，之后关闭氢腔进口；
[0028]S5：当电池测试模块检测电堆模块电压低于阈值电压U时，断开开关断电器；
[0029]S6：记录步骤S1
‑
S5氢腔压力及空腔压力随时间的变化，以及氢腔压力及空腔压力与电压变化的对应关系，并判断氧气消耗情况及不同时刻电堆内部状态。
[0030]进一步地，步骤S5中，所述的阈值电压U为0.001n V，其中n为电堆包含的单电池数量。
[0031]进一步地，步骤S6中，氧气消耗情况判断：通过氢空腔压力差变化及电压的变化判断，当P
空腔
‑
P
氢腔
达到最大时认为氧气基本已消耗完全，电堆内部为氢氮混合环境，此时可确认总电压＜0.01nV；
[0032]电堆内部状态判断：根据空腔压力随时间变化判断，记录空腔负压持续时间段，避免开机时造成氢空压差过大情况；根据氢腔压力随时间变化判断，记录氢腔最小压力及负压持续时间，可用于下一次开机时氢气压力及时长判断，避免开机氢气局部压力分布过度
不均匀。
[0033]进一步地，本方法还包括，在步骤S6后，分别调整空气压力P0、氢气压力P
H
、放电电阻阻值R、氢气通入时间t1，并重复步骤S1
‑
S5以获得优化关机操作条件。
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：
[0035]1)本专利技术通过控制水热循环模块，模拟系统关机时燃料电池堆温；通过改变空气输入模块和氢气输入模块的管路容腔体积，模拟不同系统气体腔容积；通过控制气体进出口阀的开关，模拟系统关机吹扫及停气情况；通过切换不同内阻值的放电电阻，模拟系统关机过程消耗反应物的速率；通过电压检测装置判断电堆电压大小，模拟系统监测关机过程电压变化；
[0036]通过调节相应参数模拟系统关机过程，检测氢空压力等参数实时变化情况，达到规避氧气消耗不彻底、调节合适氢空压差等效果；
[0037]2)本专利技术可针对不同特性的燃料电池进行模拟关机操作，匹配合适的关机控制方法，适用范围广；
[0038]3)本专利技术可通过不同辅助系统做出对应调整，普适本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，包括电堆模块(300)；空气输入模块(500)与氢气输入模块(600)，分别用于向电堆模块(300)的空腔、氧腔提供空气、氢气；水热循环模块(100)，与电堆模块(300)中的水腔循环连通；电池测试模块(200)，用于检测电堆模块(300)电压；以及氧气消耗模块(400)，包括电连接于电堆模块(300)正负极之间的放电电阻(10)与开关断电器(11)。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的电堆模块(300)包括燃料电池电堆(9)，所述的水热循环模块(100)包括循环恒温水浴箱(7)，所述的电池测试模块(200)包括电池测试仪(8)。3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的空气输入模块(500)包括空气出口控制阀(6)，以及沿空气流动方向依次连通的空气储气罐(1)、空气进气减压阀(2)、空气路入口控制阀(4)；所述的空气出口控制阀(6)与空腔出口相连通，所述的空气路入口控制阀(4)与空腔入口相连通。4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的空气路入口控制阀(4)与空腔入口之间设有空气压力表(5)。5.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的空气进气减压阀(2)与空气路入口控制阀(4)之间设有空气压力传感器(3)。6.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的氢气输入模块(600)包括氢气路出口控制阀(12)，以及沿空气流动方向依次连通的氢气储气罐(17)、氢气进气减压阀(16)、氢气路入口控制阀(14)；所述的氢气路出口控制阀(12)与氢腔出口相连通，所述的氢气路入口控制阀(14)与氢腔入口相连通。7.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统关机过程模拟装置，其特征在于，所述的氢气路出口控制阀(12)后还设有氢气稀释装置。8.一种基于如权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹晓兰，陈广明，李笑晖，甘全全，戴威，
申请(专利权)人：上海神力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：