[发明专利]质子交换膜燃料电池快速启动的控制方法、装置及系统

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，具体公开了一种质子交换膜燃料电池低温快速启动的控制方法，其中，包括：获取电堆的实时温度和电堆内的每节电压值；判断电堆的实时温度和电堆内的每节电压值是否满足第一控制条件；若满足，则对电堆的阴极反应物进行饥饿控制；判断电堆的实时温度和电堆内的每节电压值是否满足第二控制条件；若满足，则停止对电堆的阴极反应物进行饥饿控制；重复上述两个判断过程直到电堆的实时温度满足启动条件，则控制启动电池。本发明还公开了一种质子交换膜燃料电池低温快速启动的控制装置及系统。本发明提供的质子交换膜燃料电池低温快速启动的控制方法无需引入其他设备以及无需额外能量即可实现电池低温快速启动。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池低温快速启动的控制方法、一种质子交换膜燃料电池低温快速启动的控制装置及质子交换膜燃料电池低温快速启动的控制系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效率的装置，它不受内燃机卡诺循环的限制，直接将燃料氢气（纯氢气或重整气）和氧化剂（纯氧或者空气）中的化学能转化为电能，且它的产物仅有水，对环境十分友好，故质子交换膜燃料电池技术被认为是可替代未来交通技术中最具潜力的技术之一。它有助于我国实现节能减排、低碳环保的目标。质子交换膜燃料电池是极其复杂的系统，它在汽车领域的推广应用，面临快速冷启动的挑战，由于燃料电池升温速率远远低于传统的内燃机系统，这种挑战在零下环境的快速启动变得更加严峻。美国能源部在2010年针对燃料电池零下启动过程提出了具体的技术指标：在-20℃的条件下，燃料电池在启动30秒内达到额定功率的90%。

PEMFC的单电池结构一般包括阳极流场板（AFP）、阳极气体扩算层（AGDL）、阳极催化层（ACL）、质子交换膜（PEM）、阴极催化层（CCL）、阴极气体扩散层（CGDL）和阴极流场板（CFP），为了满足大功率的使用需求，将单电池串联堆叠组成电堆。其中，ACL和CCL均含有加速电极电化学反应的催化剂颗粒，催化剂颗粒通常是纳米尺寸的铂颗粒或者是铂合金颗粒，所述催化剂颗粒通常支撑在碳颗粒上，且与离子聚合物混合；CCL既是电池电化学反应的场所，亦是电化学反应生成物水产生场所。当质子交换膜燃料电池处于零下的环境中启动时，生成的水会在阴极催化层内结冰，且由于过冷水（-5℃，甚至-10℃水以液体形式存在）的流动，在GDL甚至流场中亦会有冰的产生，冰的生成会对电池内部结构造成损伤，具体可能造成的损害有：1）堵塞流道阻止反应气体传输，覆盖活性表面, 减弱或阻止反应气到达反应界面，导致无法启动电池；2) 损伤聚合物膜结构, 导致膜鼓胀、破裂、穿孔；3) 结冰后体积膨胀, 对电池内部施加有害压力, 有可能损伤电池组的内部结构——诸如膜 / 电催化剂界面、流道、管道与密封结构以及多孔电极基体材料，导致催化剂层起层开裂，扩散层力学剪伤等一系列负面后果；4)电化学反应速率显著降低，可能因为电化学反应产生的热量不足以使所形成的产物水维持液态而部分凝固，使燃料电池启动条件出现恶性循环，进而导致电池彻底无法启动，从而导致电池性能下降及寿命降低。

CN 101170187A采用将直流电源与燃料电池串联，利用氢泵作用加热电池，实现低温启动；US 006727013B2采用风扇向质子交换膜吹热风，以此来提高燃料电池的整体温度，达到启动的效果；德国西门子公司的专利DE 102008025966 A1中提出，通过在燃料电池系统中设置一个集成热敏元件作为加热元件，为每一块单池进行预热，防止电池系统的温度降至0℃之下。虽然上述方法均能使PEMFC在零度以下启动成功，但是都存在增加电池系统体积和质量的问题，使燃料电池系统结构复杂化，造价提高。CN 101170194A介绍了一种催化剂冷启动的方法，无需对电池结构作任何更改，也无需消耗其他能量，仅将氢氧混合气通入燃料电池阴极或者阳极，利用混合气在催化层上氧化放热提高电池温度达到冷启动的目的，解决了上述电池系统结构复杂和造价高的问题，但是由于混合气并不能完全反应，仅能够在一定低温范围实现PEMFC电池的启动，对更低温度的环境适应性差，且氢氧混合具有爆炸的潜在危险。

发明内容