CN108232236A - 在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化装置。本发明在线式钝化，可以不拆除电堆的情况下对电堆的冷却腔进行钝化，简化电堆维护工序，降低维护成本，有利于商业化，2)不影响金属双极板焊接处的导电性，既不影响电堆的性能输出，3)降低冷却液对电堆对双极板的腐蚀，4)方法易于实现，5)对酸性钝化液进行中和处理，环境友好。

Description

在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法及装置
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法及装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种清洁的能量转换装置，将储存在氢气和氧气中的化学能转化为电能，产物只有水，并伴随热量。质子交换膜燃料电池因为其环境友好性、高的能量转化效率和低噪音而备受关注。是碳素能源社会向清洁能源社会转变的有效途径。在汽车工业、备用应急电源、分散电站及军事等领域具有广阔的应用前景。
双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一，具有连接单池、支撑电堆、提供气体流场、收集电流、散热、排水等作用，由阳极流场、阴极流场和冷却腔组成。双极板的材质主要是石墨和金属，为提高双极板的防腐和导电性，阴极和阳极流场表面需要经过表面处理，尤其是金属双极板阴极和阳极流场，例如，贵金属镀层、金属碳化物、金属氮化物，或者复合镀层等等。目前，很多的研究是关于阳极板的阳极流场面112和阴极板的阴极流场面114的表面改性，在这些双极板的表面工艺中，大部分没有包含，针对阳极板的113面和阴极板的115面的表面改性，也既是没有对冷却腔进行表面改性。有些复合镀层双极板的表面改性工艺中，含有钝化处理，如中国专利CN 105047975 A及CN 101510611 B所述，但这只是在组堆前对双极板的表面改性，并不是在燃料电池电堆的层面，对其冷却腔表面的钝化处理。
虽然，金属双极板会在自然条件下形成氧化膜，但是该氧化膜不够致密，当冷却液的电导率达到一定的程度时，会影响电堆的性能输出，甚至造成电池短路，为防止发生电池短路现象，对冷却液的电导率有极高的要求，通常要求小于10μS·cm-1。目前，采取更换冷却液的方式或者采用在燃料电池动力系统的冷却回路增加去离子过滤器，来维持燃料电池供电系统的运行，但是，1)频繁的更换冷却液会降低终端用户的体验，2)去离子过滤器是易耗品，不仅会增加维护成本，也会降低用户体验，3)系统的输出性能有所降低。
综上所述，1)对金属双极板冷却腔的表面改性，以降低对冷却液的电导率的要求，2)在线式燃料电池电堆冷却腔的表面改性，对于燃料电池的商业化，十分必要。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法及装置。
本发明为达到上述技术目的所采用的技术方案是：一种在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：吹扫除水、除杂，用压缩空气吹扫冷却腔；
步骤二：钝化处理，关闭开关阀32、33，打开开关阀30、31，向耐酸储液箱40加入硝酸作为钝化剂，接通耐酸泵20电源，运行20-40分钟后，切断耐酸泵电源，关闭开关阀30、31；
步骤三：中和冷却腔内钝化液，向耐碱储液箱内加入希碱性溶液；
步骤四：吹扫冷却腔残留水份，从装置上卸下电堆，用压缩空气吹扫冷却腔。
在一些实施例中，所述步骤一中调节压力至吹扫入口压力为40-70kPa，出口与大气相通，吹扫10min。
在一些实施例中，所述步骤二中硝酸浓度为25-50％。
在一些实施例中，所述步骤三中希碱性溶液为NaOH溶液或Na2HPO4溶液，打开开关阀32、33，接通耐碱泵21电源，运行，观察酸度计值，当PH在6.0-8.5区间时关闭耐碱泵21电源，停止运行，关闭开关阀32、33。
在一些实施例中，所述步骤四中调节压力至吹扫入口压力为40-70kPa，出口与大气相通，吹扫10min。
本发明还提出了一种用于表面钝化方法的装置，其特征在于，所述装置包括：
钝化液管道回路Ⅰ；以及
与所述钝化液管道回路Ⅰ相连接的碱液管道回路Ⅱ。
在一些实施例中，所述钝化液管道回路Ⅰ：燃料电池冷却腔出口14经共用管道60、管道61与开关阀31入口相连，开关阀31出口经管道62与耐酸储液箱40入口相连，耐酸储液箱40出口经管道63与耐酸泵20入口相连，耐酸泵20出口经管道64与开关阀30入口相连，开关阀30出口经管道65与燃料电池冷却腔入口13相连。
在一些实施例中，所述碱液管道回路Ⅱ：燃料电池冷却腔出口14经共用管道60、管道66与开关阀33入口相连，开关阀33出口经管道67与耐酸储液箱41入口相连，耐酸储液箱41出口经管道68与耐碱泵21入口相连，耐碱泵21出口经管道69与开关阀32入口相连，开关阀32出口经管道70、共用管道65与燃料电池冷却腔入口13相连。
本发明的有益效果是：本发明在线式钝化，可以不拆除电堆的情况下对电堆的冷却腔进行钝化，简化电堆维护工序，降低维护成本，有利于商业化，2)不影响金属双极板焊接处的导电性，既不影响电堆的性能输出，3)降低冷却液对电堆对双极板的腐蚀，4)方法易于实现，5)对酸性钝化液进行中和处理，环境友好。
附图说明
图一为钝化装置的管路管件流程图；
图二为双极板的结构示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
请参阅图1所示，本发明一种在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法，所述方法包括：
步骤一：吹扫除水、除杂，用压缩空气吹扫冷却腔；
步骤二：钝化处理，关闭开关阀32、33，打开开关阀30、31，向耐酸储液箱40加入硝酸作为钝化剂，接通耐酸泵20电源，运行20-40分钟后，切断耐酸泵电源，关闭开关阀30、31；
步骤三：中和冷却腔内钝化液，向耐碱储液箱内加入希碱性溶液；
步骤四：吹扫冷却腔残留水份，从装置上卸下电堆，用压缩空气吹扫冷却腔。
在一些实施例中，所述步骤一中调节压力至吹扫入口压力为40-70kPa，出口与大气相通，吹扫10min。
在一些实施例中，所述步骤二中硝酸浓度为25-50％。
在一些实施例中，所述步骤三中希碱性溶液为NaOH溶液或Na2HPO4溶液，打开开关阀32、33，接通耐碱泵21电源，运行，观察酸度计值，当PH在6.0-8.5区间时关闭耐碱泵21电源，停止运行，关闭开关阀32、33。
在一些实施例中，所述步骤四中调节压力至吹扫入口压力为40-70kPa，出口与大气相通，吹扫10min。
本发明还提出了一种用于表面钝化方法的装置，其特征在于，所述装置包括：
钝化液管道回路Ⅰ；以及
与所述钝化液管道回路Ⅰ相连接的碱液管道回路Ⅱ。
在一些实施例中，所述钝化液管道回路Ⅰ：燃料电池冷却腔出口14经共用管道60、管道61与开关阀31入口相连，开关阀31出口经管道62与耐酸储液箱40入口相连，耐酸储液箱40出口经管道63与耐酸泵20入口相连，耐酸泵20出口经管道64与开关阀30入口相连，开关阀30出口经管道65与燃料电池冷却腔入口13相连。
在一些实施例中，所述碱液管道回路Ⅱ：燃料电池冷却腔出口14经共用管道60、管道66与开关阀33入口相连，开关阀33出口经管道67与耐酸储液箱41入口相连，耐酸储液箱41出口经管道68与耐碱泵21入口相连，耐碱泵21出口经管道69与开关阀32入口相连，开关阀32出口经管道70、共用管道65与燃料电池冷却腔入口13相连。
氢燃料电池电堆：将氢空(氧)反应化学能转变为电能输出，同时伴随热量和水的排放的装置。
如图2所示，双极板11由阳极板110和阴极板111焊接而成。阳极板流场面112与MEA密封构成阳极腔，阴极板流场面114与MEA密封构成阴极腔，阳极板面113与阴极板面115经焊接密封构成冷却腔。阳极腔、阴极腔、冷却腔互相隔离。
冷却腔：双极板的内腔，冷却液流经冷却腔，以维持燃料电池电堆的热平衡。
燃料电池冷却腔由多块双极板的冷却腔经公共通道相连而成。
综上所述，本发明在线式钝化，可以不拆除电堆的情况下对电堆的冷却腔进行钝化，简化电堆维护工序，降低维护成本，有利于商业化，2)不影响金属双极板焊接处的导电性，既不影响电堆的性能输出，3)降低冷却液对电堆对双极板的腐蚀，4)方法易于实现，5)对酸性钝化液进行中和处理，环境友好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：吹扫除水、除杂，用压缩空气吹扫冷却腔；
步骤二：钝化处理，关闭开关阀32、33，打开开关阀30、31，向耐酸储液箱40加入硝酸作为钝化剂，接通耐酸泵20电源，运行20-40分钟后，切断耐酸泵电源，关闭开关阀30、31；
步骤三：中和冷却腔内钝化液，向耐碱储液箱内加入希碱性溶液；
步骤四：吹扫冷却腔残留水份，从装置上卸下电堆，用压缩空气吹扫冷却腔。
2.根据权利要求1所述的在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法，其特征在于，所述步骤一中调节压力至吹扫入口压力为40-70kPa，出口与大气相通，吹扫10min。
3.根据权利要求1所述的在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法，其特征在于，所述步骤二中硝酸浓度为25-50％。
4.根据权利要求1所述的在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法，其特征在于，所述步骤三中希碱性溶液为NaOH溶液或Na2HPO4溶液，打开开关阀32、33，接通耐碱泵21电源，运行，观察酸度计值，当PH在6.0-8.5区间时关闭耐碱泵21电源，停止运行，关闭开关阀32、33。
5.根据权利要求1所述的在线式金属板燃料电池电堆冷却腔的表面钝化方法，其特征在于，所述步骤四中调节压力至吹扫入口压力为40-70kPa，出口与大气相通，吹扫10min。
6.一种用于权利要求1-5中任意一项所述表面钝化方法的装置，其特征在于，所述装置包括：
钝化液管道回路Ⅰ；以及
与所述钝化液管道回路Ⅰ相连接的碱液管道回路Ⅱ。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述钝化液管道回路Ⅰ：燃料电池冷却腔出口14经共用管道60、管道61与开关阀31入口相连，开关阀31出口经管道62与耐酸储液箱40入口相连，耐酸储液箱40出口经管道63与耐酸泵20入口相连，耐酸泵20出口经管道64与开关阀30入口相连，开关阀30出口经管道65与燃料电池冷却腔入口13相连。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述碱液管道回路Ⅱ：燃料电池冷却腔出口14经共用管道60、管道66与开关阀33入口相连，开关阀33出口经管道67与耐酸储液箱41入口相连，耐酸储液箱41出口经管道68与耐碱泵21入口相连，耐碱泵21出口经管道69与开关阀32入口相连，开关阀32出口经管道70、共用管道65与燃料电池冷却腔入口13相连。
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