CN110492136A - 一种质子交换膜燃料电池吹扫装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，包括燃料电池堆(1)、空气单元和氢气单元，所述空气单元与燃料电池堆(1)的阴极(10)连接，所述氢气单元与电池堆的阳极(11)连接，所述空气单元与氢气单元连接。与现有技术相比，结构简单，利用已有的设备减少碳氧化的发生，对于燃料电池发动机汽车来说，燃料电池系统不增加任何附属设备，电池系统体积和质量无需增大。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池吹扫装置及方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池以氢气和空气为反应物，生成电与水。其转换效率高且完全无污染、零排放，是未来车载能源的发展方向。目前，世界各大汽车公司及科研机构正致力于开发质子交换膜燃料电池汽车，所以能否解决其耐久性的问题，对燃料电池汽车能否产业化有着至关重要的意义。质子交换膜燃料电池的关键材料—膜电极组件的寿命越长，燃料电池的耐久性越好。但是，当燃料电池启机吹扫时，阴极氧气的电极电势较高，易与碳载体形成微回路，在燃料电池阴极建立电化学电池，使阴极侧的碳载体发生氧化，导致阴极催化剂结构的永久退化。所以，必须采取其他方法减少碳的腐蚀，提升燃料电池的耐久性。
为了提升燃料电池的耐久性，通常采用优化设计膜电极内部三相反应界面，常用的设计方案有Pt合金化处理，Pt表面修饰处理，以碳纳米材料、导电陶瓷为催化剂载体，在催化剂中间层加入碳化钨等方法。但是，以上方法不仅大幅提高了燃料电池系统的成本，而且无法避免燃料电池在启机过程的碳损伤。目前，为了在燃料电池系统中保护膜电极组件在启机过程不被腐蚀，通常使用氮气吹扫燃料电池，但是该方法需要额外增加附件，存在燃料电池系统体积和质量增大的问题，影响了其移动性能，提高了燃料电池系统的附加费用。
发明内容
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质子交换膜燃料电池吹扫装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，包括燃料电池堆、空气单元和氢气单元，所述空气单元与燃料电池堆的阴极连接，所述氢气单元与电池堆的阳极连接，所述空气单元与氢气单元连接。
所述的空气单元与氢气单元通过第一单向阀连接，所述第一单向阀出口连接空气单元。
所述的第一单向阀为直通式第一单向阀或直角式第一单向阀。
所述的第一单向阀的出口通过第一质量流量控制器连接空气单元。
所述的空气单元包括空气进入子单元，所述空气进入子单元包括依次连接的空气过滤器、空气泵、第二单向阀和第二质量流量控制器，所述第二质量流量控制器与阴极的入口连接，所述氢气单元连接于阴极的入口与第二质量流量控制器之间。
所述的空气进入子单元包括第一压力传感器，所述第一压力传感器连接于空压机与第二单向阀之间。
所述的氢气单元包括氢气进入子单元，所述氢气进入子单元包括依次连接的储氢罐、减压阀、第三单向阀和第三质量流量控制器，所述第三质量流量控制器与阳极的入口连接。
所述的氢气单元包括氢气排出子单元，氢气排出子单元包括与阳极的出口连接的氢气循环泵，所述的氢气循环泵连接于第三单向阀与减压阀之间的第一连接点，所述空气单元连接于第三单向阀与连接点之间的第二连接点。
所述的氢气进入子单元包括第二压力传感器，所述第二压力传感器连接于第一连接点与二连接点之间。
一种使用所述的质子交换膜燃料电池吹扫装置的吹扫方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：氢空混合气体通入燃料电池堆的阴极，氢气通入燃料电池堆的阳极；
步骤S2：燃料电池堆连接负载并对燃料电池堆进行拉载操作，使燃料电池堆的单板电压下降至0.8V；
步骤S3：关闭单向阀，停止向燃料电池堆的阴极通入氢空混合气体；
步骤S4：氢气通入燃料电池堆的阳极，空气通入燃料电池堆的阴极。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)结构简单，空气单元与氢气单元连接，可向阴极通入氢空混合气体，利用已有的设备减少碳氧化的发生，对于燃料电池发动机汽车来说，燃料电池系统不增加任何附属设备，电池系统体积和质量无需增大。
(2)成本低，利用氢空混合气体在燃料电池的阴极催化反应来减少膜电极组件的碳腐蚀，使用少量的氢气和空气就可以提高燃料电池的耐久性，所需成本低。
(3)氢空混合气体通入燃料电池堆的阴极后，氢气可以缓解碳的腐蚀，同时，一部分氢气和氧气发生催化反应生成水和热，这一部分的热量可以为燃料电池低温冷启动提供热量，从而可以兼容应用于燃料电池在零度以下环境的启动，辅助燃料电池快速冷启动成功。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
附图标记：
1为燃料电池堆；2为第一单向阀；3为第一质量流量控制器；4为空气过滤器；5为空气泵；6为第二单向阀；7为第二质量流量控制器；8为储氢罐；9为减压阀；10为阴极；11为阳极；12为第三单向阀；13为第三质量流量控制器；14为氢气循环泵；15为第一压力传感器；16为第二压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例提供一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，包括燃料电池堆1、空气单元和氢气单元，空气单元与燃料电池堆1的阴极10连接，氢气单元与电池堆的阳极11连接，空气单元与氢气单元连接；该结构较简单，利用已有的设备减少碳氧化的发生，对于燃料电池发动机汽车来说，燃料电池系统不增加任何附属设备，电池系统体积和质量无需增大。
空气单元与氢气单元通过第一单向阀2连接，所述第一单向阀2出口连接空气单元。
第一单向阀2为直通式第一单向阀或直角式第一单向阀。
第一单向阀2的出口通过第一质量流量控制器3连接空气单元。
空气单元包括空气进入子单元，空气进入子单元包括依次连接的空气过滤器4、空气泵5、第二单向阀6和第二质量流量控制器7，第二质量流量控制器7与阴极10的入口连接，氢气单元连接于阴极10的入口与第二质量流量控制器7之间。
空气进入子单元包括第一压力传感器15，第一压力传感器15连接于空压机与第二单向阀6之间。
氢气单元包括氢气进入子单元，氢气进入子单元包括依次连接的储氢罐8、减压阀9、第三单向阀12和第三质量流量控制器13，第三质量流量控制器13与阳极11的入口连接。
氢气单元包括氢气排出子单元，氢气排出子单元包括与阳极11的出口连接的氢气循环泵14，氢气循环泵14连接于第三单向阀12与减压阀9之间的第一连接点，空气单元连接于第三单向阀12与连接点之间的第二连接点。
氢气进入子单元包括第二压力传感器16，第二压力传感器16连接于第一连接点与二连接点之间。
工作时，执行以下步骤：
步骤S1：氢空混合气体通入燃料电池堆1的阴极10，氢气通入燃料电池堆1的阳极11；
步骤S2：燃料电池堆1连接负载并对燃料电池堆1进行拉载操作，使燃料电池堆1的单板电压下降至0.8V，(单板电压下降至0.8V后，阴极10的碳腐蚀会减弱)；
步骤S3：关闭单向阀2，停止向燃料电池堆1的阴极10通入氢空混合气体；
步骤S4：将反应气体正常通入燃料电池堆1，使燃料电池堆1正常工作，即氢气通入燃料电池堆1的阳极11，空气通入燃料电池堆1的阴极10。
本实施例氢空混合气体在燃料电池堆1连接负载前维持通入30s，在燃料电池堆1连接负载并使单板电压下降至0.8V后，关闭单向阀2，将反应气体正常通入燃料电池堆1中。
在阴极10，由于氢气的氧化电位比碳低，氢气在膜电极催化剂上率先参与氧化，减少碳的腐蚀，有效提升了燃料电池堆1的耐久性；氢气的体积含量可以为氢空混合气体的4％，空气的体积含量可以为氢空混合气体的96％，氢气的燃烧极限为4.0％～75.6％(体积浓度)，基于此考虑，在体积浓度低于4％时氢气不会与氧气发生燃烧；氢空混合气体的流量根据燃料电池堆1的功率决定；利用氢空混合气体在燃料电池堆1的阴极10催化反应来减少膜电极组件的碳腐蚀，使用少量的氢气和空气就可以提高燃料电池的耐久性，所需成本低。
本实施例可使质子交换膜燃料电池的使用寿命大大延长，在不增加燃料电池系统的体积和质量的前提下，使膜电极组件的耐久性得到了提升，既提高了燃料电池系统的移动性能，又降低了成本及附加费用，对于促进燃料电池产业化发展具有重要的意义。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，包括燃料电池堆(1)、空气单元和氢气单元，所述空气单元与燃料电池堆(1)的阴极(10)连接，所述氢气单元与电池堆的阳极(11)连接，其特征在于，所述空气单元与氢气单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，其特征在于，所述的空气单元与氢气单元通过第一单向阀(2)连接，所述第一单向阀(2)出口连接空气单元。
3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，其特征在于，所述的第一单向阀(2)为直通式第一单向阀或直角式第一单向阀。
4.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，其特征在于，所述的第一单向阀(2)的出口通过第一质量流量控制器(3)连接空气单元。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，其特征在于，所述的空气单元包括空气进入子单元，所述空气进入子单元包括依次连接的空气过滤器(4)、空气泵(5)、第二单向阀(6)和第二质量流量控制器(7)，所述第二质量流量控制器(7)与阴极(10)的入口连接，所述氢气单元连接于阴极(10)的入口与第二质量流量控制器(7)之间。
6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，其特征在于，所述的空气进入子单元包括第一压力传感器(15)，所述第一压力传感器(15)连接于空压机与第二单向阀(6)之间。
7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，其特征在于，所述的氢气单元包括氢气进入子单元，所述氢气进入子单元包括依次连接的储氢罐(8)、减压阀(9)、第三单向阀(12)和第三质量流量控制器(13)，所述第三质量流量控制器(13)与阳极(11)的入口连接。
8.根据权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，其特征在于，所述的氢气单元包括氢气排出子单元，氢气排出子单元包括与阳极(11)的出口连接的氢气循环泵(14)，所述的氢气循环泵(14)连接于第三单向阀(12)与减压阀(9)之间的第一连接点，所述空气单元连接于第三单向阀(12)与连接点之间的第二连接点。
9.根据权利要求8所述的一种质子交换膜燃料电池吹扫装置，其特征在于，所述的氢气进入子单元包括第二压力传感器(16)，所述第二压力传感器(16)连接于第一连接点与二连接点之间。
10.一种使用权利要求1-9任一所述的质子交换膜燃料电池吹扫装置的吹扫方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：氢空混合气体通入燃料电池堆(1)的阴极(10)，氢气通入燃料电池堆(1)的阳极(11)；
步骤S2：燃料电池堆(1)连接负载并对燃料电池堆(1)进行拉载操作，使燃料电池堆(1)的单板电压下降至0.8V；
步骤S3：关闭单向阀(2)，停止向燃料电池堆(1)的阴极(10)通入氢空混合气体；
步骤S4：氢气通入燃料电池堆(1)的阳极(11)，空气通入燃料电池堆(1)的阴极(10)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |