CN112864415A - 一种消除燃料电池冷却液污染的方法 - Google Patents

一种消除燃料电池冷却液污染的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种消除燃料电池冷却液污染的方法，包括以下步骤：(1)将被冷却液污染的燃料电池堆置于测试台上，设置燃料电池堆工作温度为50～65℃，采用一定流量湿化的氧化性气体对燃料电池阴极和阳极同时吹扫，吹扫气体进气方向与燃料电池堆正常工作相反；(2)上述吹扫结束后采用氮气对阴极和阳极进行吹扫，采用一定流量湿化的还原性气体对燃料电池堆的阴极和阳极同时吹扫；(3)上述吹扫结束后采用氮气对阴极和阳极进行吹扫，设置燃料电池电堆温度50～65℃，将燃料电池堆阴极通入空气、阳极通入氢气，接通负载，连续地增加燃料电池堆的电流密度完成污染消除以及再活化。与现有技术相比，本发明具有消除效果好，成本低等优点。

Description

一种消除燃料电池冷却液污染的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种消除燃料电池冷却液污染的方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池作为燃料电池发动机的核心部件，维系着整个燃料电池系统的能力输出过程。由于燃料电池能量转化效率高，突破了传统内燃机的效率限制， 燃料电池发动机正在成为未来最重要的动力车辆装置的发展方向。膜电极 (MembraneElectrode Assembly，MEA)与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本 单元—单体电池，若干这样的单体电池根据实际应用需要组合成为燃料电池电堆以 满足不同功率输出。在燃料电池单体内部最重要的部件就是MEA，它可以把燃料 中的化学能催化转化为电能。高性能MEA决定了燃料电池的工作能力，可以称为 燃料电池的心脏。
燃料电池在工作时除了将燃料中的化学能转变为电能，还有大量的热能释放 (热量功率约40～60％)，对于大功率电堆如果这部分热量不能良好排出，将导致 严重的安全事故，因此燃料电池必须具有良好的热管理系统，燃料电池系统配有专 门的冷却系统。为同时满足燃料电池的低温运行以及热能释放，一般将乙二醇与去 离子水混合作为冷却介质，也称为冷却液。然而燃料电池电堆在不当操作或者长期 使用过程，燃料电池冷却系统配件(如中冷器)故障，造成冷却液回路中的冷却液 进入燃料电池电堆内部产生羧酸根等阴离子，对MEA的铂基催化剂或者质子交换 膜造成污染，影响燃料电池电堆性能输出。
中国专利201210090009.7采用空气吹扫、再用水冲洗、再用空气吹扫消除燃 料电池内的阴离子、硫酸盐和乙二醇污染物，但是采用水冲洗不能彻底清洗进入电 堆内部的乙二醇，且能够让未被污染的MEA也受乙二醇污染；目前关于清理燃料 电池电堆中冷却液污染的方法报道还较少，为了不影响电堆的使用，将电堆内部冷 却液去除是非常有必要的。对于因燃料电池电堆在不当操作或者长期使用过程冷却 系统配件(如中冷器)故障造成冷却液进入燃料电池电堆内部的情况，最彻底的方 法为确定受污染的MEA片号，将燃料电池进行拆解，更换受污染MEA及对应双 极板进行清理。但是该处理方法存在以下缺点：(1)清洗过程工程量巨大；(2)清 洗过程易造成电堆结构件污染或破坏；(3)电堆经过拆解后结构完全破坏，易造成 新组装电堆电压一致性变差；(4)MEA等材料及人工浪费。
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在不拆解燃 料电池电堆、不破坏燃料电池电堆及MEA结构的情况下消除燃料电池冷却液污染 的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种消除燃料电池冷却液污染的方法，包括以下步骤：
(1)将被冷却液污染的燃料电池堆置于测试台上，设置燃料电池堆工作温度 为50～65℃，采用一定流量湿化的氧化性气体对燃料电池阴极和阳极同时吹扫，吹 扫气体进气方向与燃料电池堆正常工作相反；
(2)上述吹扫结束后采用氮气对阴极和阳极进行吹扫，以减少氢空界面；采 用一定流量湿化的还原性气体对燃料电池堆的阴极和阳极同时吹扫；
(3)上述吹扫结束后采用氮气对阴极和阳极进行吹扫，以减少氢空界面；设 置燃料电池电堆温度50～65℃，将燃料电池堆阴极通入空气、阳极通入氢气，接通 负载，连续地增加燃料电池堆的电流密度至1000～1500mA/cm2，并在此电流密度 下平衡一定时间，直至燃料电池的输出电压不再上升，燃料电池完成污染消除以及 再活化。
所述的冷却液为乙二醇和去离子水的混合物，乙二醇浓度约为30％～60％。
步骤(1)所述的氧化性气体为纯氧气或者空气，其工作压力为0～80kPa，优 选5～50kPa，流量为1～2*n slpm，n为燃料电池电堆节数，n≥1，湿度为30～100％， 优选50～80％，吹扫时间为30～60min。适当的压力能够让吹扫及污染消除更加有效； 理论上气体流量越高越好，但会导致其他附加功率损耗；湿度设置为保护燃料电池 质子交换膜在吹扫过程不会过干，过干会导致其寿命下降。
步骤(2)所述的还原性气体为纯氢气，其工作压力为0～80kPa，优选30～60kPa，流量为0.5～1*n slpm，n为燃料电池电堆节数，n≥1，湿度为30～100％，优选60～100％，吹扫时间为30～60min。适当的压力能够让燃料电池催化剂还原更加充 分；理论上气体流量越高越好，但会导致其他附加功率损耗；湿度设置为保护燃料 电池质子交换膜在吹扫过程不会过干，过干会导致其寿命下降。
步骤(3)燃料电池堆活化时通入的阴极的空气和阳极的氢气采用计量比模式， 阴极计量比为1.8～2.5，阳极计量比为1.1～1.5。计量比为燃料电池供应气体流量与 燃料电池实际消耗气体流量之比，理论上说气体流量越高越好，但会导致其他附加 功率损耗。步骤(3)连续地增加燃料电池堆的电流密度至1200～1300mA/cm2。
所述的活化后的燃料电池电堆接入常规燃料电池系统中是指，将燃料供应系统与燃料电池电堆燃料腔相应管路相连，氧化剂供应系统与燃料电池氧化剂腔相应气 体管路相连，将燃料电池电压巡检系统与燃料电池电堆连接。
所述的氧化剂为空气或氧气。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明针对冷却液进堆对MEA造成的污染，采用分别湿化的氧化气体和还 原气体对电堆阴极和阳极同时吹扫以及升降载活化方法，首先采用一定流量湿化的 氧化性气体对燃料电池阴极和阳极同时吹扫，能够吹出大量冷却液及促使吸附在 MEA催化剂表面所吸附羧酸根等阴离子解吸附，吹扫结束后采用氮气对阴极和阳 极进行吹扫，以减少氢空界面；然后采用一定流量湿化的还原性气体对燃料电池阴 极和阳极同时吹扫，可以将MEA催化剂表面的氧化铂进行还原，增加催化剂中活性 位点；最后控制高电流密度通过高电密反应生成的水带走残留的冷却液，从而达到 消除冷却液污染、恢复MEA催化能力和电堆电能输出的目的。
2.本发明方法可以在不拆解燃料电池电堆、不破坏燃料电池电堆及MEA结构 的的情况下，通过对燃料电池电堆阴极和阳极同时进行湿化的氧化性气体和还原性 气体吹扫，最后采用大功率负载对电堆进行活化，可以完全消除冷却液对MEA的 污染，燃料电池电堆的性能在短时间内恢复到非常高的水平。采用本发明方案消除 冷却液污染后单片平均电压恢复至约0.95V，电堆性能提升约30～45％。
3.本发明可用于多功率级别的质子交换膜燃料电池电堆。
附图说明
图1为燃料电池受冷却液污染后各单节开路电压。
图2为采用本专利方法消除冷却液污染后各单节开路电压。
图3为燃料电池在活化过程的V-t图。
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。
实施例
如图1所示，当正常运行的燃料电池堆中发生冷却系统配件(如中冷器)故障， 造成冷却液回路中的防冻液进入燃料电池电堆内部及通过燃料电池电压巡检系统 检测出单片平均开路电压低于0.85V，则判定该燃料电池堆被冷却液污染，采用以 下方法消除燃料电池冷却液污染，具体步骤如下：
1.将被冷却液污染的质子交换膜燃料电池置于测试台上，设置燃料电池工作 温度为50～65℃。采用一定流量湿化的氧化性气体对燃料电池阴极和阳极同时吹 扫，上述步骤促使吸附在MEA催化剂表面所吸附羧酸根等阴离子解吸附，其中吹 扫气体进气方向与电堆正常工作相反；氧化性气体为纯氧气或者空气，其工作压力 为50kPa，流量为1.5*n slpm(n为燃料电池电堆节数，n≥1)，湿度为60％，吹扫 时间为45min。
2.上述吹扫结束后采用氮气对阴极和阳极进行吹扫，以减少氢空界面；采用 一定流量湿化的还原性气体对燃料电池阴极和阳极同时吹扫，上述步骤可以将 MEA催化剂表面的氧化铂进行还原，增加催化剂中活性位点；还原性气体为纯氢 气，其工作压力为50kPa，流量为0.8*n slpm(n为燃料电池电堆节数，n≥1)，湿 度为60％，吹扫时间为45min。
3.上述吹扫结束后采用氮气对阴极和阳极进行吹扫，以减少氢空界面；设置 燃料电池电堆温度50～65℃，将燃料电池阴极通入空气、阳极通入氢气，接通负载， 阴极计量比为2.5，阳极计量比为1.5，以10A/s的加载速率逐步加载至1300mA/cm2， 并在此电流密度下平衡一定时间，直至燃料电池的输出电压不再上升，所述燃料电 池完成污染消除以及再活化。活化过程如电堆在负载加载过程及在1300mA/cm2时 的平衡过程中电压和最低单片电压与平均单片电压差值与电流的关系如图3所示。 在1300mA/cm2下平衡约30min时，电堆电压基本稳定，最低单片电压与平均但片 电压差值缩小至30mV以下。说明MEA催化活性和电堆电能输出能力基本恢复。
4.将步骤3活化后的燃料电池堆接入常规燃料电池系统中，即燃料供应系统 与燃料电池电堆燃料腔相应管路相连，氧化剂供应系统与燃料电池氧化剂腔相应气 体管路相连，将燃料电池电压巡检系统与燃料电池电堆连接；测试采用上述方案消 除冷却液污染后单片平均电压，如图2所示恢复至约0.95V，电堆性能提升约 30～45％。
实施例2
步骤(1)所述的氧化性气体为纯氧气或者空气，其工作压力为1kPa，流量为 1*nslpm，n为燃料电池电堆节数，n≥1，湿度为30％，吹扫时间为60min。
步骤(2)所述的还原性气体为纯氢气，其工作压力为1kPa，流量为0.5*n slpm， n为燃料电池电堆节数，n≥1，湿度为30％，吹扫时间为60min。
步骤(3)燃料电池堆活化时通入的阴极的空气和阳极的氢气采用计量比模式， 阴极计量比为1.8，阳极计量比为1.5。
其余同实施例1。
采用上述方法处理后的燃料电池堆，单片平均电压恢复至约0.94V，电堆性能 提升约30～45％。
实施例3
步骤(1)所述的氧化性气体为纯氧气或者空气，其工作压力为80kPa，流量 为2*nslpm，n为燃料电池电堆节数，n≥1，湿度为100％，吹扫时间为30min。
步骤(2)所述的还原性气体为纯氢气，其工作压力为80kPa，流量为1*n slpm， n为燃料电池电堆节数，n≥1，湿度为100％，吹扫时间为30min。
步骤(3)燃料电池堆活化时通入的阴极的空气和阳极的氢气采用计量比模式， 阴极计量比为2.5，阳极计量比为1.5。
其余同实施例1。
采用上述方法处理后的燃料电池堆，单片平均电压恢复至约0.96V，电堆性能 提升约30～45％。
采用上述方法可以在不拆解燃料电池电堆、不破坏燃料电池电堆及MEA结构 的的情况下，通过对燃料电池电堆阴极和阳极同时进行湿化的氧化性气体和还原性 气体吹扫，最后采用大功率负载对电堆进行活化，可以完全消除冷却液对MEA的 污染，燃料电池电堆的性能在短时间内恢复到非常高的水平。本发明可用于多功率 级别的质子交换膜燃料电池电堆。

Claims (10)

1.一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将被冷却液污染的燃料电池堆置于测试台上，设置燃料电池堆工作温度为50～65℃，采用一定流量湿化的氧化性气体对燃料电池阴极和阳极同时吹扫，吹扫气体进气方向与燃料电池堆正常工作相反；
(2)上述吹扫结束后采用氮气对阴极和阳极进行吹扫，以减少氢空界面；采用一定流量湿化的还原性气体对燃料电池堆的阴极和阳极同时吹扫；
(3)上述吹扫结束后采用氮气对阴极和阳极进行吹扫，以减少氢空界面；设置燃料电池电堆温度50～65℃，将燃料电池堆阴极通入空气、阳极通入氢气，接通负载，连续地增加燃料电池堆的电流密度至1000～1500mA/cm2，并在此电流密度下平衡一定时间，直至燃料电池的输出电压不再上升，燃料电池完成污染消除以及再活化。
2.根据权利要求1所述的一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，所述的冷却液为乙二醇和去离子水的混合物，乙二醇浓度约为30％～60％。
3.根据权利要求1所述的一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，步骤(1)所述的氧化性气体为纯氧气或者空气，其工作压力为0～80kPa，流量为1～2*n slpm，n为燃料电池电堆节数，n≥1，湿度为30～100％。
4.根据权利要求3所述的一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，吹扫用氧化性气体的工作压力为5～50kPa，湿度为50～80％，吹扫时间为30～60min。
5.根据权利要求1所述的一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，步骤(2)所述的还原性气体为纯氢气，其工作压力为0～80kPa，流量为0.5～1*n slpm，n为燃料电池电堆节数，n≥1，湿度为30～100％。
6.根据权利要求5所述的一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，吹扫用还原性气体的工作压力为30～60kPa，湿度为60～100％，吹扫时间为30～60min。
7.根据权利要求1所述的一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，步骤(3)燃料电池堆活化时通入的阴极的空气和阳极的氢气采用计量比模式，阴极计量比为1.8～2.5，阳极计量比为1.1～1.5。
8.根据权利要求1所述的一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，步骤(3)连续地增加燃料电池堆的电流密度至1200～1300mA/cm2。
9.根据权利要求1所述的一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，所述的活化后的燃料电池电堆接入常规燃料电池系统中，即将燃料供应系统与燃料电池电堆燃料腔相应管路相连，氧化剂供应系统与燃料电池氧化剂腔相应气体管路相连，将燃料电池电压巡检系统与燃料电池电堆连接。
10.根据权利要求9所述的一种消除燃料电池冷却液污染的方法，其特征在于，所述的氧化剂为空气或氧气。
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