[发明专利]一种燃料电池发动机快速低温关机方法

说明书

本发明提出了一种燃料电池发动机快速低温关机方法，提出了等效膜电阻增加值作为燃料电池发动机低温关机吹扫的指标，相比于现有基于交流阻抗法获取的高频阻抗方式更容易实施且无需添加更多的设备成本更低，相比于流道内气体流阻判断法精度更高，相比现有其他基于电压下降法的衍生方法可以适用于吹扫过程中的变电流工况，可以适用于更加灵活的吹扫策略；系统的提出了一种快速低温吹扫的方法，通过控制温度的变化和运行电流的变化，在避免高电势等造成电堆退化的操作条件下极大的提升了低温吹扫的速度。

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机操作技术领域，特别涉及一种燃料电池发动机快速低温关机方法。

背景技术

随着燃料电池技术的逐渐成熟，燃料电池汽车的应用越来越广泛。相比于锂电池车，燃料电池车除了在续航里程和能源补充速度外，其在低温适应性上的优势使其更适用于冰点以下环境温度的运行。然而，由于燃料电池运行过程中会产生大量的液态水，在冰点温度之下关机之前需要若干分钟进行一定的技术手段进行干燥处理，既要防止因液态水在冰点以下结冰体积膨胀破坏膜电极的机械结构，也要防止将膜电极内的水过度干燥导致下次启动失败。同时，为了更好的用户体验，尽量减少关机干燥处理的时间也成为了急需解决的关键技术之一。

燃料电池在运行过程中，电堆内部、管路内气体拥有较高湿度，在低温状态停机时会有较多冷凝水析出，凝结在电堆内部，而电堆内部由于流道较小且结构紧密，冷凝水在低温状态结冰膨胀会对其结构状态产生较大的破坏风险，同时由于电堆内部质子交换膜需要保持一定湿度方可进行工作，故系统在低温状态下需要执行低温吹扫操作，降低电堆内部的湿度到一定范围，在尽量减少电堆内部的冷凝状态的同时，保证后续系统启动过程中，质子交换膜足够湿润，可正常进行电化学反应。

目前燃料电池的现有吹扫方案主要由以下三种：外接空气吹扫、外接氮气吹扫、阴阳极分别使用反应气体吹扫三种方案。电堆使用空气吹扫时，将空气直接通入系统回路中进行气体置换，从而完成吹扫过程；使用氮气吹扫可避免阳极回路内与空气中的氧气接触，形成氢空界面，进而对电堆的寿命与性能造成影响，成为替代空气吹扫的方案；反应气体吹扫适用于低温环境车辆运营过程中，车辆待机状态的应急存储，不需要额外在车辆上配置氮气供应装置，控制方便，成为在低温车辆运营过程中较为优选的吹扫方案。

阻抗、欧姆内阻等参数的判断为设定停机吹扫时间的主要依据，一些专利中还伴随有温度的变化。阻抗判断是利用系统内安装的阻抗测试仪，通过小幅度的电流规律变化，测得电势随时间的变化，从而获取电堆内的阻抗参数，由于电堆内部膜电极湿润程度会有不同的阻抗参数变化，可通过侧的交流阻抗间接反应电堆内的含水量，如专利CN202110105861.6、CN202011102665.5等。专利CN201911251811.8也提出过使用欧姆内阻进行吹扫时间判定的方式，通过在线检测欧姆内阻预设阈值进行判定，确认吹扫的时长。在吹扫过程中，如专利202011593225.4所述还会伴随有温度的阶段性下降，进一步提升吹扫的效率。

以上技术在实施过程中有较多的不足之处可以进行优化。如使用交流阻抗进行在线检测，作为低温吹扫的判断依据时，需要在系统中增加交流阻抗相关硬件予以支持方可实施，增加了成本需求以及结构、电气、控制方面的复杂性。

使用氢气进行吹扫的过程中，由于氢气本身的成本以及安全风险性较高，系统吹扫需要尽量提升吹扫效率，降低吹扫时间，防止造成氢气的过度浪费，以及提升整体系统关机状态下安全风险。较多专利在进行低温吹扫过程种仅使用单一电流工况点执行吹扫命令，设置电流过高时反应会有水分生成，从而增加吹扫的时间；设置较低电流则会形成偏高的电势，有造成电堆性能、寿命退化的风险。通过阶段性降低温度配合吹扫的状态虽然可以一定程度上辅助系统内部湿度的排出，但系统从较高湿度运行状态通过降温的方式进行湿度调节仍需要较长时间，产生较多的氢气浪费，在低工况点的状态下也会有安全隐患。

发明内容