[发明专利]一种具有快速停机功能的燃料电池系统及停机控制方法

说明书

本发明涉及一种具有快速停机功能的燃料电池系统及停机控制方法，系统包括燃料电池电堆、空压机、储氢罐、单体电池电压采集单元和N个放电电路；燃料电池电堆被划分为N个电池单元，每个电池单元至少包括一片单体电池，每个电池单元与一个放电电路连接；放电电路包括控制开关和负温度系数热敏电阻，负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而降低。由于电堆卸载后，燃料电池内部的反应气体逐渐减少，对放电负载的需求也逐渐减少，本发明利用负温度系数热敏电阻随着温度升高电阻值降低的特性，实现了燃料电池停机过程中的自然变阻放电，在加快放电速度的前提下，防止了电堆反极，保护了电堆。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种具有快速停机功能的燃料电池系统及停机控制方法。

背景技术

燃料电池可以把燃料的化学能直接转化为电能，清洁高效，被认为是终极清洁能源。目前质子交换膜燃料电池已经商业化应用，但是成本高、寿命短、安全管理要求高等因素阻碍了质子交换膜燃料电池的大规模推广与应用。特别是应用于交通运输领域的燃料电池，燃料电池汽车运行工况复杂，需要频繁停开机，对燃料电池的启停寿命要求高，因此，如何对燃料电池进行合理管理，实现其高启停寿命是目前面临的一大难题。

燃料电池以氢气为燃料，空气为氧化剂，在系统停止运行后，阳极管道内会残留一定量的氢气，阴极管道内会残留一定量的空气。因此，即使不再向电堆内供应燃料气体，电堆两端也还存在高电位。同时，长时间存放时，由于存在浓度差，空气会从阴极透过膜达到阳极，也会通过管道渗入，从而在阳极管道内形成氢-氧的混合气体，产生氢空界面的现象。氢氧混合气体在达到爆炸限后不仅存在爆炸的风险，并且会对燃料电池电堆内部组件的寿命产生很大的影响。

现有的燃料电池停机控制方法主要分为以下几类：第一类是在停机后，使用直流变换装置控制电堆的输出电流，并向母线上的锂电池充电。这个方法的不足之处在于停机状态下电堆内部的气体分布状态不均匀，电堆电压下降速度快、幅度大，在拉载末期容易引起电堆反极的现象；直流变换装置过高的升压比也对其内部电路元器件有损伤。第二类是使用定值电阻放电，如中国专利CN103259031A中公开的一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法，将整个燃料电池电堆分成若干电池模块，每个电池模块包括一个或多个单体电池，在每一个电池模块上连接一个模块化放电电路，模块化放电电路由一个控制开关，一个辅助负载和一个晶体二极管相互串联组成，在放电时接通放电电路，利用纯阻性的辅助负载消耗燃料电池内部的剩余气体。

对于定值电阻放电的方式而言，当定值电阻阻值过大时，会导致放电时间长，停机速度慢，而在定值电阻阻值过小的情况下，放电电流大，电压下降速度快，虽然加快了停机速度，但是由于电池内部组分分布不均匀导致的反极现象将会发生。

发明内容

发明人研究发现，使用定值电阻作为放电负载对电池电堆放电存在以下不足：

1)、理想情况下，为电堆中的每个单体电池并联一个定值电阻，各个单体电池的放电电路单独控制，分别对每一个单体电池进行放电，定值电阻的阻值可以较小，能够快速放电，加快停机速度，但是由于单体电池数量非常多，考虑到成本、体积和实现难度，难以集成化布置，因此这种放电方式难以实车应用；

2)、将电堆划分为多个模块，每个模块包括多个单体电池，每个模块上并联一个定值电阻，分别对每一个模块进行放电，降低了控制难度。但是，一方面，在阻值较小的情况下，放电速度快，如果不及时断开放电电路，由于模块内部每个单体电池内的气体分布是不均匀的，气体分布较少的单体电池会迅速耗尽气体，气体分布较多的单体电池仍在放电，这些气体分布较少的单体电池的电压会迅速下降至负压，造成单体电池反极化现象的发生，损伤燃料电池，如果过早断开放电电路，则仍有部分单体电池的内部残留较多的气体；另一方面，如果定值电阻的阻值较大，那么放电过程中的电流较小，放电过程慢，导致燃料电池的停机速度较慢，不满足要求。

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有快速停机功能的燃料电池系统及停机控制方法。