1.本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种提升质子交换膜燃料电池低温启动过程中电压一致性及启动性能的方法。
背景技术：2.质子交换膜燃料电池的低温启动性能现已成为燃料电池应用的一项基本性能指标。在低温环境下，快速且安全的启动燃料电池不仅影响着电堆的整体使用寿命同时也严重影响着乘用人的驾驶体验。而低温启动的核心问题就是启动过程中电池内部水热管理问题。目前，绝大多数专利都是从提高燃料电池产热或额外提供热量的角度来提升燃料电池的低温启动性能，例如，中国专利cn109904488a、cn111180758a、cn111987336a公开了采用电加热端板或冷却剂的方法向电堆提供热量；中国专利cn113675442a、cn108832158a、cn106558713b公开了采用氢气氧气催化燃烧的方法向电堆输入热量的方法；中国专利cn105702979a、cn109921066a、cn111740132a公开了多种控制加载电流的启动方法。虽然上述方法在提升燃料电池低温启动能力上是非常有帮助的。但是，在电堆内部由于初始条件不同，靠近端板的部位或电堆中的某些电池内部水汽分布不均，启动初期电堆中极易出现单节电压过低的情况，电压一致性差，造成电堆报警直接导致启动失败，严重时出现反极。针对这个问题，本发明从实验结合实际应用，提出了一种提升质子交换膜燃料电池低温启动过程中电压一致性及启动性能的方法，该方法在启动初期施加一段时间极低的电流负载，用于平衡电堆内部的水汽分布，可以有效避免加载初始阶段出现电压过低的情况，提升电堆电压一致性和启动性能。
技术实现要素：3.本发明的目的就是为了弥补现有技术不足而提供一种提升质子交换膜燃料电池低温启动过程中电压一致性及启动性能的方法。
4.本发明的具体技术方案是：一种提升质子交换膜燃料电池低温启动过程中电压一致性及启动性能的方法，包括在电堆低温启动加载前建立稳定ocv后，控制负载使电堆输出一段时间5-10ma/cm2的电流，当检测电堆电压连续上升3-10s后再运行后续启动程序。
5.所述燃料电池堆启动前建立ocv的过程是指从开始通入反应气到电堆电压达到稳定开路电压的过程；
6.优选地，所述极低的电流负载电流范围为5-10ma/cm2；
7.进一步地，在上述技术方案中，所述施加一段时间极低的负载电流的持续施加时间由电堆电压的检测结果而定，具体是当检测到电堆电压连续3-10s时停止；
8.进一步地，在上述技术方案中，所述低温启动方法适用于低温启动的低温环境为-5～-40℃；
9.进一步地，在上述技术方案中，所述燃料电池堆上设有测量每节单电池电压的电
压传感器；
10.进一步地，在上述技术方案中，所述燃料电池控制系统采集电压数据的同时下发后续启动操作指令；
11.进一步地，在上述技术方案中，所述后续启动程序包含但不局限于使电堆按照特定加载程序进行加载；
12.进一步地，在上述技术方案中，所述启动启动程序启动过程中还包括向电堆提供热量，此时低温启动温度可进一步降低至-20～-70℃。
13.进一步地，在上述技术方案中，所述的方法，还应包括电池电推停车后进行吹扫除水处理。
14.本发明的有益效果在于：
15.(1)在燃料电池电堆正式加载启动之前施加一段时间极低的负载电流使电极内部离聚物预润湿，并根据电堆电压连续上升一段时间(3-10s)判断电池内部达到适宜启动的状态，避免由于电池内部初始水含量分布不均导致的电压一致性差出现单低的现象而导致启动失败，提升燃料电池低温启动过程中的电压一致性和启动成功的几率；
16.(2)加载电流极低，产生的极少量水被电极内离聚物吸收，不会发生冻结引起电极性能衰减，同时由于加载时间短，不影响整体启动速度；
17.(3)适用性强，适合于所有低温启动的加载过程，特别是当启动温度较低时，如低于-20℃；
18.(4)操作简单，依据现有燃料电池系统即可完成相关操作，无需对已有燃料电池系统进行任何修改。
附图说明
19.图1为在-15℃条件下启动加载前施加一段时间极低电流负载的启动过程。
20.图2为在-15℃条件下启动直接加载的启动过程。
21.图3为在-20℃条件下启动加载前施加一段时间极低电流负载启动过程中的电堆电压。
22.图4为在-20℃条件下启动直接加载启动过程中的电堆电压。
23.图5为在-20℃条件下是否在启动前施加一段时间极低电流负载启动过程中电堆电压一致性的对比。
具体实施方式
24.实施例1
25.下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。实验对象为一个由46节单电池组成的金属双极板质子交换膜燃料电池电堆，燃料电池堆上设有电压巡检。电堆停车后经过预定吹扫程序进行吹扫除水，并静置于环境仓中12h以上。环境温度为-15℃，启动时的具体做法是：向电堆阴阳极分别通入空气和氢气，待电堆建立起稳定的ocv(指从开始通入反应气到电堆电压达到稳定开路电压的过程)后控制负载使电堆以5ma/cm^2的输出电流工作，加载电流时间达到5s秒后停止，此时已经检测到电堆电压连续上升3s，后按照预设加载程序(先以10-20ma/(s
·
cm2)的加载速率加载8s，再以30-50ma/(s
·
cm2)的加载速率加载至启
动结束)进行正常加载启动，直至启动结束。
26.如图1所示，电堆建立起稳定ocv之后加载5ma/cm^2的电流，此时电堆电压出现阶梯式降低，随后开始趋于平稳并开始增长，整个启动过程中单节电池的最低电压出现在靠近阳极端板的第46节上，最低值高于0.2v，靠近阴极端板的第1节电池最低电压高于0.3v，整个启动过程电压安全，健康。
27.对比例1
28.对比例1的电堆和环境温度与实施例1中完全相同，启动方法的区别在于对比例1在电堆建立稳定ocv之后没有施加一段极低的负载电流，而是直接按照预设加载程序进行正常加载启动，具体过程为：先以10-20ma/(s
·
cm2)的加载速率加载8s，再以30-50ma/(s
·
cm2)的加载速率加载至启动结束，从图2可以看出，随着建立ocv之后直接开始加载，电池电压迅速降低，第46节电池在7s时直接降低至0v，导致电堆报警，启动失败，值得注意的是，虽然平均电压与实施例1接近，但由于出现单低的情况，电堆不得不停车，否则可能引起反极烧堆的严重后果。
29.实施例2
30.实施例2是电堆(与实施例1中电堆相同)从-20℃条件下启动的过程。在电堆启动前建立起稳定的ocv之后施加了6s 5ma/cm^2的负载电流，从图3中可以看出施加5ma/cm^2负载电流后，电堆各节电压迅速降低并在3s时趋于平稳，并在后续的3s内连续上升。随后按照设定加载程序进行低温启动。具体过程为：先以10-20ma/(s
·
cm2)的加载速率加载8s，再以30-50ma/(s
·
cm2)的加载速率加载至启动结束，从图3中也可以看出，在随后的加载过程中电堆各节电池电压较为一致，整个启动过程中没有出现任何一节电池电压过低的情况，启动安全且稳定。
31.对比例2
32.对比例2是实施例2的对比例，与实施例2的区别在于在启动初期就直接进行加载，即在电堆建立稳定ocv之后没有施加一段极低的负载电流，而是直接按照预设加载程序进行正常加载启动，具体过程为：先以10-20ma/(s
·
cm2)的加载速率加载8s，再以30-50ma/(s
·
cm2)的加载速率加载至启动结束，可以明显看出，在图4中电堆电压一致性明显差于实施例3，最低电压降低至0.2v以下。图5展示的是以电压方差表示的实施例2和对比例2中启动过程中电堆电压的一致性，可以明显看出在加载的初始阶段，电堆电压会出现明显的波动，直接加载极易导致某节电池电压过低，而采用本发明所述的方法后，可以完美避开这个阶段，使得电堆电压分布更加一致，波动性更小，有利于提高燃料电池堆的低温启动性能。
技术特征：1.一种提升质子交换膜燃料电池低温启动过程中电压一致性及启动性能的方法，其特征在于，电堆低温启动加载前，当建立稳定ocv后，控制负载使电堆输出一段时间5-10ma/cm2的电流，当检测电堆电压连续上升3-10s后再运行后续启动程序。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制电堆输出5-10ma/cm2电流的时间由电堆电压的检测结果而定，具体是当检测到电堆电压连续上升3-10s时停止。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，低温启动的低温环境为-5～-40℃。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料电池堆上设有测量每节单电池电压的电压传感器。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，燃料电池控制系统采集电压数据的同时下发后续启动操作指令。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当检测电堆电压连续上升3～10s后再运行后续启动程序。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，后续启动程序包含但不局限于使电堆按照特定加载程序进行加载。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，启动过程中还包括向电堆提供热量，此时低温启动温度可进一步降低至-20～-70℃。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电池电推停车后进行吹扫除水处理。
技术总结本发明公开了一种提升质子交换膜燃料电池低温启动过程中电压一致性及启动性能的方法，所述方法是在电堆低温启动加载前建立稳定OCV之后施加一段时间极低的负载电流，当检测电堆电压连续上升大于等于3-10s后再进行后续加载。所述方法的有益之处在于：施加电流时间短，不影响整体低温启动速度；加载电流极低，不会对电极造成损伤；避免加载初期电堆内部由于初始水汽分布不均导致单节电压过低的现象，提升燃料电池电堆低温启动过程中的电压一致性以及低温启动性能。该方法适用于所有燃料电池低温启动过程，并且操作简单，无需对燃料电池系统进行任何修改。系统进行任何修改。
技术研发人员：邵志刚 杨小康 孙嘉琦 孙树成
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
