CN112751058A - 一种性能恢复装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种性能恢复装置及其控制方法，涉及燃料电池领域。该性能恢复装置与燃料电池堆连接，性能恢复装置包括：供氢系统，包括氢气存储件、进气管路和出气管路，氢气存储件与进气管路连接，进气管路和燃料电池堆的阴极入口连接，出气管路与燃料电池堆的阴极出口连接，出气管路上设有两通阀和氢气浓度传感器，氢气浓度传感器位于燃料电池堆和两通阀之间；循环系统，包括循环泵和循环管路，循环管路与两通阀和进气管路均连接，循环泵设置于出气管路上，且位于燃料电池堆和两通阀之间。本发明能够节省氢气；能够通过氢气浓度传感器的数值变化表征催化剂发生还原反应的程度，简单可靠；减少阀门设置，简化装置。

Description

一种性能恢复装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种性能恢复装置及其控制方法。
背景技术
燃料电池因能量密度较高，燃料加注时间短，生成产物对环境没有污染，因此成为未来动力系统的发展方向之一。燃料电池堆反应时氢气在阳极催化剂的作用下发生氧化反应，产生质子和电子，质子经过质子交换膜传递到阴极与氧气和外部传导来的电子在阴极催化剂的作用下生成水。随着燃料电池堆运行时间的不断增加，催化剂的劣化会导致燃料电池堆性能的下降，影响寿命。
研究表明，可以设置性能恢复装置向电堆的阴极供给氢气，通过提供的氢气将阴极中被氧化的催化剂还原，恢复其催化能力，从而恢复燃料电池堆的性能。但是现有的性能恢复装置缺乏对于催化剂发生还原反应程度的判断，即无法判断是否性能恢复完成，会出现氢供给不足或造成氢浪费的情况。
基于此，亟需一种性能恢复装置及其控制方法，用以解决如上提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性能恢复装置及其控制方法，节省氢气；能够通过氢气浓度传感器的数值变化表征催化剂发生还原反应的程度，简单可靠；减少阀门设置，简化装置。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种性能恢复装置，与燃料电池堆连接，所述性能恢复装置包括：
供氢系统，包括氢气存储件、进气管路和出气管路，所述氢气存储件与所述进气管路连接，所述进气管路和所述燃料电池堆的阴极入口连接，所述出气管路与所述燃料电池堆的阴极出口连接，所述出气管路上设有两通阀和氢气浓度传感器，所述氢气浓度传感器位于所述燃料电池堆和所述两通阀之间；
循环系统，包括循环泵和循环管路，所述循环管路与所述两通阀和所述进气管路均连接，所述循环泵设置于所述出气管路上，且位于所述燃料电池堆和所述两通阀之间。
可选地，所述性能恢复装置还包括温度调节系统，所述温度调节系统包括温度传感器和加热器，所述温度传感器和所述加热器均设置于所述进气管路上，且所述温度传感器位于所述燃料电池堆和所述加热器之间。
可选地，所述性能恢复装置还包括湿度调节系统，所述湿度调节系统包括湿度传感器和加湿器，所述湿度传感器和所述加湿器均设置于所述进气管路上，且所述湿度传感器位于所述燃料电池堆和所述加湿器之间。
可选地，所述进气管路上设有减压阀，所述减压阀位于所述加热器和所述加湿器的上游。
可选地，所述进气管路上还设有第一手动安全截止阀，所述第一手动安全截止阀设于所述减压阀与所述氢气存储件之间。
可选地，所述进气管路上还设有氢气瓶阀，所述氢气瓶阀设于所述第一手动安全截止阀与所述氢气存储件之间。
可选地，所述性能恢复装置还包括扫气系统，所述扫气系统与所述燃料电池堆连接，用于在所述供氢系统工作停止后将所述燃料电池堆内残留的氢气吹出。
可选地，所述扫气系统包括氮气存储瓶和扫气管路，所述氮气存储瓶通过所述扫气管路与所述进气管路连通，所述扫气管路上设有氮气瓶阀。
可选地，所述扫气管路上还设有第二手动安全截止阀，所述第二手动安全截止阀设置于所述氮气瓶阀的下游。
本发明还提供了一种如上所述的性能恢复装置的控制方法，包括如下步骤：
S1、调节两通阀将循环管路和出气管路断开、将所述出气管路与外界连通；
S2、打开氢气存储件，启动循环泵，当观测到氢气浓度传感器的数值超出预设值时，调节所述两通阀将所述出气管路与所述外界断开；
S3、调节所述两通阀将所述循环管路与所述出气管路连通，并观测所述氢气浓度传感器的数值变化，计算氢气消耗速率，当氢气消耗速率低于规定值时，关闭供氢系统；
S4、调节所述两通阀将所述循环管路与所述出气管路断开、将所述出气管路与所述外界连通；
S5、打开扫气系统，以将燃料电池堆内残留的氢气扫出。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种性能恢复装置及其控制方法，准备阶段，调节两通阀将循环管路和出气管路断开、将出气管路与外界连通，启动循环泵，氢气从氢气存储件内流向燃料电池堆以将燃料电池堆内的其余气体扫除，当观察到氢气浓度传感器的数值超出预设值时，调节两通阀将出气管路与外界断开，进入性能恢复阶段；
性能恢复阶段，调节两通阀将循环管路与出气管路连通，氢气从氢气存储件内流出经进气管路依次流向燃料电池堆、出气管路、循环管路最后流回进气管路，从而使氢气在燃料电池堆中循环反应，并观测氢气浓度传感器的数值变化，计算氢气消耗速率，当氢气消耗速率低于规定值时，性能恢复完成。
本发明具备以下优点：1、通过设置循环系统能够对氢气进行循环反应，节约气体；2、反应时先用氢气将其余气体扫除，且使氢气始终在管路中循环，有利于通过氢气浓度传感器的数值变化表征阴极被氧化的催化剂发生还原反应的程度，简单可靠；3、通过两通阀实现对循环管路和出气管路的同时控制减少阀门设置，简化装置。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的一种性能恢复装置的整体结构示意图。
图中：
10、燃料电池堆；
1、供氢系统；11、氢气存储件；12、进气管路；121、第一手动安全截止阀；122、氢气瓶阀；123、减压阀；13、出气管路；131、两通阀；132、氢气浓度传感器；2、循环系统；21、循环泵；22、循环管路；3、温度调节系统；31、温度传感器；32、加热器；4、湿度调节系统；41、湿度传感器；42、加湿器；5、扫气系统；51、氮气存储瓶；52、扫气管路；521、氮气瓶阀；522、第二手动安全截止阀。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明实施例公开了一种性能恢复装置，如图1所示，该性能恢复装置与燃料电池堆10连接，上述性能恢复装置包括供氢系统1和循环系统2，供氢系统1和循环系统2连接。具体地，供氢系统1包括氢气存储件11、进气管路12和出气管路13，氢气存储件11与进气管路12连接，进气管路12和燃料电池堆10的阴极入口连接，出气管路13与燃料电池堆10的阴极出口连接，出气管路13上设有两通阀131和氢气浓度传感器132，氢气浓度传感器132位于燃料电池堆10和两通阀131之间，以对出气管路13内的氢气浓度进行监测。循环系统2包括循环泵21和循环管路22，循环管路22与两通阀131和进气管路12均连接，循环泵21设置于出气管路13上，且位于燃料电池堆10和两通阀131之间。
准备阶段，调节两通阀131将循环管路22和出气管路13断开、将出气管路13与外界连通，启动循环泵21，氢气从氢气存储件11内流向燃料电池堆10以将燃料电池堆10内的其余气体扫除，当观察到氢气浓度传感器132的数值超出预设值时，调节两通阀131将出气管路13与外界断开，进入性能恢复阶段；
性能恢复阶段，调节两通阀131将循环管路22与出气管路13连通，氢气从氢气存储件11内流出经进气管路12依次流向燃料电池堆10、出气管路13、循环管路22最后流回进气管路12，从而使氢气在燃料电池堆10中循环反应，并观测氢气浓度传感器132的数值变化，计算氢气消耗速率，当氢气消耗速率低于规定值时，性能恢复完成。
本发明具备以下优点：1、通过设置循环系统2能够对氢气进行循环反应，节约气体；2、反应时先用氢气将其余气体扫除，且使氢气始终在管路中循环，有利于通过氢气浓度传感器132的数值变化表征阴极被氧化的催化剂发生还原反应的程度，简单可靠；3、通过两通阀131实现对循环管路22和出气管路13的同时控制减少阀门设置，简化装置。
需要说明的是，在其他实施例中，也可分别在循环管路22和出气管路13上均设置一个阀门来实现本申请中两通阀131的作用，以此控制循环管路22与进气管路12的通断，出气管路13与外界的通断。
可选地，进气管路12上设有减压阀123，减压阀123用于将来自氢气存储件11内氢气减压以及稳压，以使氢气以合适的压力(根据需要设置)稳定输送至燃料电池堆10内。
进一步地，进气管路12上还设有第一手动安全截止阀121，第一手动安全截止阀121设于减压阀123与氢气存储件11之间，以在紧急情况下及在性能恢复装置长时间不使用时，通过该第一手动安全截止阀121手动切断进气管路12，提高系统使用安全性。
可选地，进气管路12上还设有氢气瓶阀122，氢气瓶阀122设于第一手动安全截止阀121与氢气存储件11之间，通过调节氢气瓶阀122的开度能够起到调节氢气通过量的作用。
作为一种性能恢复装置优选的技术方案，上述性能恢复装置还包括温度调节系统3，温度调节系统3包括温度传感器31和加热器32，温度传感器31和加热器32均设置于进气管路12上，且温度传感器31位于燃料电池堆10和加热器32之间。加热器32在温度传感器31检测到进气管路12内氢气的温度低于预设温度值时启动，以将进气管路12内的氢气温度加热至预设温度值，以满足燃料电池堆10的反应需求。优选地，循环管路22与进气管路12的连接位置位于加热器32和减压阀123之间，以便于循环管路22内的气体循环进入加热器32内加热至预设温度值。
进一步优选地，上述性能恢复装置还包括湿度调节系统4，湿度调节系统4包括湿度传感器41和加湿器42，湿度传感器41和加湿器42均设置于进气管路12上，且湿度传感器41位于燃料电池堆10和加湿器42之间。加湿器42在湿度传感器41检测到进气管路12内氢气的湿度低于预设湿度值时启动，以将进气管路12内的氢气湿度加湿至预设湿度值，以满足燃料电池堆10的反应需求。示例性地，加湿器42位于加热器32和燃料电池堆10之间，以将自加热器32流出的气体加湿至预设湿度值。
作为一种性能恢复装置优选的技术方案，上述性能恢复装置还包括扫气系统5，扫气系统5与燃料电池堆10连接，用于在供氢系统1工作停止后将燃料电池堆10内残留的氢气吹出，以保护燃料电池堆10。
进一步地，上述扫气系统5包括氮气存储瓶51和扫气管路52，氮气存储瓶51通过扫气管路52与进气管路12连通，扫气管路52上设有氮气瓶阀521，既能避免对供气系统工作的干扰，又便于调节氮气通过量。本实施例中，扫气管路52与进气管路12的连通位置位于第一手动安全截止阀121和减压阀123之间，当然在其他实施例中，连通位置可设置于其他位置，也可用其他惰性气体代替氮气对燃料电池堆10进行吹扫，不以本实施例为限。
相应地，扫气管路52上还设有第二手动安全截止阀522，第二手动安全截止阀522设置于氮气瓶阀521的下游，以在紧急情况下以及在扫气系统长时间不使用时，通过该第二手动安全截止阀522手动切断扫气管路52，进一步提高系统使用安全性。
本发明还提供了一种如上所述的性能恢复装置的控制方法，包括如下步骤：
S1、调节两通阀131将循环管路22和出气管路13断开、将出气管路13与外界连通；
S2、打开氢气存储件11，启动循环泵21，当观测到氢气浓度传感器132的数值超出预设值时，调节两通阀131将出气管路13与外界断开；
S3、调节两通阀131将循环管路22与出气管路13连通，并观测氢气浓度传感器132的数值变化，计算氢气消耗速率，当氢气消耗速率低于规定值时，关闭供氢系统1；
S4、调节两通阀131将循环管路22与出气管路13断开、将出气管路13与外界连通；
S5、打开扫气系统5，以将燃料电池堆10内残留的氢气扫出，以对燃料电池堆10进行保护。
可选地，步骤S2具体包括：将第二手动安全截止阀522、氮气瓶阀521、加湿器42、加热器32均关闭，将第一手动安全截止阀121和氢气瓶阀122均开启。氢气自氢气存储件11流出流经进气管路12进入燃料电池堆10，将电堆内的其余气体扫除，经出气管路13排至外界，当观测到氢气浓度传感器132的数值超过预设值时，调节两通阀131将出气管路13与外界断开，完成阴极扫气。
进一步可选地，步骤S3具体包括：将第二手动安全截止阀522和氮气瓶阀521均关闭，将第一手动安全截止阀121、氢气瓶阀122、加湿器42、加热器32和循环泵21均开启，氢气自氢气存储件11流出流经进气管路12进入燃料电池堆10，再流经出气管路13、循环管路22流回进气管路12内，以将氢气始终保持在管路流道中循环，节省气体。观测湿度传感器41，温度传感器31，保证进气管路12内氢气湿度、温度维持在预设值，以满足燃料电池堆10的反应需求。在还原催化剂的过程中，循环的氢气逐渐消耗，通过观测氢气浓度传感器132的数值变化，计算氢气消耗速率，当氢气消耗速率低于规定值时，性能恢复完成，关闭供氢系统1。
进一步可选地，步骤S5具体包括：将第一手动安全截止阀121、氢气瓶阀122、加湿器42和加热器32均关闭，将第二手动安全截止阀522、氮气瓶阀521和循环泵21均开启，氮气自氮气瓶流出经扫气管路52、进气管路12流进燃料电池堆10，以将进气管路12及燃料电池堆10中的氢气扫出，保护燃料电池堆10。
综上，本发明提供的一种性能恢复装置及其控制方法，准备阶段，调节两通阀131将循环管路22和出气管路13断开、将出气管路13与外界连通，启动循环泵21，氢气从氢气存储件11内流向燃料电池堆10以将燃料电池堆10内的其余气体扫除，当观察到氢气浓度传感器132的数值超出预设值时，调节两通阀131将出气管路13与外界断开，进入性能恢复阶段；
性能恢复阶段，调节两通阀131将循环管路22与出气管路13连通，氢气从氢气存储件11内流出经进气管路12依次流向燃料电池堆10、出气管路13、循环管路22最后流回进气管路12，从而使氢气在燃料电池堆10中循环反应，并观测氢气浓度传感器132的数值变化，计算氢气消耗速率，当氢气消耗速率低于规定值时，性能恢复完成。
本发明具备以下优点：1、通过设置循环系统2能够对氢气进行循环反应，节约气体；2、反应时先用氢气将其余气体扫除，且使氢气始终在管路中循环，有利于通过氢气浓度传感器132的数值变化表征阴极被氧化的催化剂发生还原反应的程度，简单可靠；3、通过两通阀131实现对循环管路22和出气管路13的同时控制减少阀门设置，简化装置。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种性能恢复装置，与燃料电池堆(10)连接，其特征在于，所述性能恢复装置包括：
供氢系统(1)，包括氢气存储件(11)、进气管路(12)和出气管路(13)，所述氢气存储件(11)与所述进气管路(12)连接，所述进气管路(12)和所述燃料电池堆(10)的阴极入口连接，所述出气管路(13)与所述燃料电池堆(10)的阴极出口连接，所述出气管路(13)上设有两通阀(131)和氢气浓度传感器(132)，所述氢气浓度传感器(132)位于所述燃料电池堆(10)和所述两通阀(131)之间；
循环系统(2)，包括循环泵(21)和循环管路(22)，所述循环管路(22)与所述两通阀(131)和所述进气管路(12)均连接，所述循环泵(21)设置于所述出气管路(13)上，且位于所述燃料电池堆(10)和所述两通阀(131)之间。
2.根据权利要求1所述的性能恢复装置，其特征在于，所述性能恢复装置还包括温度调节系统(3)，所述温度调节系统(3)包括温度传感器(31)和加热器(32)，所述温度传感器(31)和所述加热器(32)均设置于所述进气管路(12)上，且所述温度传感器(31)位于所述燃料电池堆(10)和所述加热器(32)之间。
3.根据权利要求2所述的性能恢复装置，其特征在于，所述性能恢复装置还包括湿度调节系统(4)，所述湿度调节系统(4)包括湿度传感器(41)和加湿器(42)，所述湿度传感器(41)和所述加湿器(42)均设置于所述进气管路(12)上，且所述湿度传感器(41)位于所述燃料电池堆(10)和所述加湿器(42)之间。
4.根据权利要求3所述的性能恢复装置，其特征在于，所述进气管路(12)上设有减压阀(123)，所述减压阀(123)位于所述加热器(32)和所述加湿器(42)的上游。
5.根据权利要求4所述的性能恢复装置，其特征在于，所述进气管路(12)上还设有第一手动安全截止阀(121)，所述第一手动安全截止阀(121)设于所述减压阀(123)与所述氢气存储件(11)之间。
6.根据权利要求5所述的性能恢复装置，其特征在于，所述进气管路(12)上还设有氢气瓶阀(122)，所述氢气瓶阀(122)设于所述第一手动安全截止阀(121)与所述氢气存储件(11)之间。
7.根据权利要求1所述的性能恢复装置，其特征在于，所述性能恢复装置还包括扫气系统(5)，所述扫气系统(5)与所述燃料电池堆(10)连接，用于在所述供氢系统(1)工作停止后将所述燃料电池堆(10)内残留的氢气吹出。
8.根据权利要求7所述的性能恢复装置，其特征在于，所述扫气系统(5)包括氮气存储瓶(51)和扫气管路(52)，所述氮气存储瓶(51)通过所述扫气管路(52)与所述进气管路(12)连通，所述扫气管路(52)上设有氮气瓶阀(521)。
9.根据权利要求8所述的性能恢复装置，其特征在于，所述扫气管路(52)上还设有第二手动安全截止阀(522)，所述第二手动安全截止阀(522)设置于所述氮气瓶阀(521)的下游。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的性能恢复装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、调节两通阀(131)将循环管路(22)和出气管路(13)断开、将所述出气管路(13)与外界连通；
S2、打开氢气存储件(11)，启动循环泵(21)，当观测到氢气浓度传感器(132)的数值超出预设值时，调节所述两通阀(131)将所述出气管路(13)与所述外界断开；
S3、调节所述两通阀(131)将所述循环管路(22)与所述出气管路(13)连通，并观测所述氢气浓度传感器(132)的数值变化，计算氢气消耗速率，当氢气消耗速率低于规定值时，关闭供氢系统(1)；
S4、调节所述两通阀(131)将所述循环管路(22)与所述出气管路(13)断开、将所述出气管路(13)与所述外界连通；
S5、打开扫气系统(5)，以将燃料电池堆(10)内残留的氢气扫出。
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