CN113991147B - 一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法 - Google Patents
一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113991147B CN113991147B CN202111266805.7A CN202111266805A CN113991147B CN 113991147 B CN113991147 B CN 113991147B CN 202111266805 A CN202111266805 A CN 202111266805A CN 113991147 B CN113991147 B CN 113991147B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- hydrogen
- fuel cell
- exchange membrane
- proton exchange
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 111
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 106
- 230000004913 activation Effects 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 200
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 131
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 131
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 101
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 24
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 claims description 18
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 12
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 5
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims description 4
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 45
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04126—Humidifying
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
- H01M8/04216—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes characterised by the choice for a specific material, e.g. carbon, hydride, absorbent
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法，包括：外接直流电源、气体源、三通电磁阀、气体加湿器、气体排出控制装置、温度传感器与压力传感器、氢气循环泵及气体管路。使用加湿器、外加直流电源、氢气循环泵及对应气体管路即可将一定量的氢气在质子交换膜燃料电池内形成过饱和湿度条件下的循环，在较小气耗和能耗的条件下完成活化，大大缩短了质子交换膜燃料电池的活化时间，节约活化成本。使用该快速活化系统通过多种气体及连接方法，在活化系统中加入一系列的三通电磁阀来进行连接，通过三通电磁阀的自动操作达到质子交换膜燃料电池的快速活化目的，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是将燃料具有的化学能直接转化为电能的绿色化学电源，使用过程中几乎不排放NOx、SOx等污染物，因此对质子交换膜燃料电池的研究符合当今全球发展新能源的要求。未使用过或长时间放置的质子交换膜燃料电池在使用前需要进行活化来使膜电极组件中的电解质薄膜水合以及冲刷催化剂上残留的化学品，使燃料电池的性能稳定在最优状态。
现有的活化技术一般为放电活化，即在通入氢气和空气的条件下对质子交换膜燃料电池进行大功率放电，通过电化学反应所产生的水进行质子交换膜水合以及冲刷催化剂过程。如一篇公开号为CN110690482A的中国发明专利申请公开一种质子交换膜燃料电池的活化方法，包括以下步骤：1）将预处理的质子交换膜燃料电池阳极侧通入加湿氢气，阴极侧通入加湿空气，而后设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行；2）设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行，将阳极侧施加背压，而后将阳极侧背压降低为0，并将阴极侧施加背压，再将阴极背压降低为0；3）设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行，将阳极侧施加背压，而后将阳极侧背压降低为0，并将阴极侧施加背压，再将阴极背压降低为0；4）设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行，将阳极侧施加背压，而后将阳极侧背压降低为0，并将阴极侧施加背压，再将阴极背压降低为0；5）设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行，从而完成质子交换膜燃料电池的单轮活化过程；6）按照步骤2）-5）重复5-10次，从而完成所述质子交换膜燃料电池的活化。
上述发明专利申请中，通过在质子交换膜燃料电池的阳极侧和阴极侧交替施加背压，使阳极侧和阴极侧形成压差，从而完成质子交换膜燃料电池的活化过程。 但该活化过程用时较长，一般为几个小时甚至十几个小时，消耗的气体及电能较多，增加了质子交换膜燃料电池的使用成本。
因此，改进质子交换膜燃料电池的活化技术，减少活化时间，降低能耗，提高使用效率，对质子交换膜燃料电池领域具有十分重要的研究意义和实用价值。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种活化用时更少、并能降低能耗的质子交换膜燃料电池的快速活化系统。
为实现上述发明目的，本发明采取了如下技术方案。
一种质子交换膜燃料电池的快速活化系统，包括：质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池具有阳极区、阴极区、以及将所述阳极区和所述阴极区隔开的膜电极；外接直流电源，用来对质子交换膜燃料电池的阳极区和阴极区交替施加背压；第一气体源，用来对质子交换膜燃料电池的阳极区通入加湿气体；第二气体源，用来对质子交换膜燃料电池的阴极区通入加湿气体；第一气体排出控制装置，连接在阳极区的气体出口上；第二气体排出控制装置，连接在阴极区的气体出口上；其特征在于，所述阳极区的气体出口处还通过第一管道、第一加湿器与所述阴极区的气体入口处连接，所述阴极区的气体出口处还通过第二管道、第二加湿器与所述阳极区的气体入口处连接；在所述第一管道或所述第二管道上连接有氢气循环泵；在对所述阳极区、所述阴极区进行活化时，通过所述氢气循环泵使氢气在所述阳极区和所述阴极区循环流动，并通过所述外接直流电源对质子交换膜燃料电池的阳极区和阴极区交替施加背压。
更为优选的是，所述第一气体源包括第一惰性气体源和氢气源，所述第一惰性气体源和所述氢气源输出的气体经相应的加湿器后分别进入第一三通阀的两个进气口，所述第一三通阀的出气口连接至所述阳极区的入口处。
更为优选的是，在所述第一三通阀的出气口上连接有第一压力传感器和第一温度传感器。
更为优选的是，所述第二管道的出气口通过第五三通阀连接至与所述氢气源对应的所述加湿器上。
更为优选的是，所述第二气体源包括第二惰性气体源，所述第二惰性气体源输出的气体经相应的加湿器后进入第二三通阀的一个入气口，所述第二三通阀的另一个入气口与所述第一管道的出气口连接，所述第二三通阀的出气口连接至所述阴极区的入口处。
更为优选的是，在所述第二三通阀的出气口上连接有第二压力传感器和第二温度传感器。
更为优选的是，在所述阳极区的气体出口上连接有第三三通阀，所述第三三通阀的一个入气口与所述阳极区的气体出口连接，所述第三三通阀的两个出气口分别与所述第一气体排出控制装置和所述第一管道连接。
更为优选的是，在所述阴极区的气体出口上连接有第四三通阀，所述第四三通阀的一个入气口与所述阴极区的气体出口连接，所述第四三通阀的两个出气口分别与所述第二气体排出控制装置和所述第二管道连接。
更为优选的是，所述快速活化系统包括以下快速活化步骤：1）通过第一气体源和第二气体源分别将新鲜过量过饱和湿度惰性气体通入质子交换膜燃料电池阳极区和阴极区进行惰性气体吹扫，将气体管路内空气替换为惰性气体；2）通过第一气体源将新鲜过量过饱和湿度氢气通入质子交换膜燃料电池的阳极区，通过第二气体源将新鲜过量过饱和湿度惰性气体通入质子交换膜燃料电池的阴极区，将从阳极区渗透到阴极区的氢气在外加电压的作用下全部氧化后形成氢离子通过质子交换膜返回阳极区形成氢气，采用极限电流法测量所能达到最大值的氧化电流，通过该最大值的氧化电流确定质子交换膜燃料电池的氢气最大渗透率；3）通过第一气体源将新鲜过量过饱和湿度氢气通入质子交换膜燃料电池的阳极区，通过第一管道将阳极区出口处剩余过量氢气连接到阴极区入口处，将阴极区出口处过量氢气通过第二管道、氢气循环泵返回阳极区入口处形成循环；阳极区的氢气在外加电压的作用下被氧化后形成氢离子并携带大量的水分到达阴极区被还原成氢气，实现对阳极区的活化；4）通过第一气体源将新鲜过量过饱和湿度氢气通入质子交换膜燃料电池的阳极区，通过第一管道将阳极区出口处剩余过量氢气连接到阴极区入口处，将阴极区出口处过量氢气通过第二管道、氢气循环泵返回阳极区入口处形成循环；阴极区的氢气在外加电压的作用下被氧化后形成氢离子并携带大量的水分到达阳极区被还原成氢气，实现对阴极区的活化。
在步骤2）和步骤4）中，质子交换膜燃料电池的阳极区连接外接直流电源的负极，质子交换膜燃料电池的阴极区连接外接直接电源的正极。
在步骤3）中，质子交换膜燃料电池的阳极区连接外接直流电源的正极，质子交换膜燃料电池的阴极区连接外接直流电源的负极。
更为优选的是，在氢气循环过程中，通过第一气体排出控制装置和/或第二气体排出控制装置进行间歇式排气，以保持循环氢气的纯度与湿度。
所述第一气体源和所述第二气体源的加湿器均包括：加湿模块和质量流量控制器，所述加湿模块为湿膜加湿器或鼓泡加湿器，气体相对湿度控制范围为50%至过饱和，所述质量流量控制器连接在各气体源的气体出口和相应的所述加湿模块的气体入口之间、用来控制气体的通入流量，所述气体的通入流量调节范围在50~10000 SLPM，所述加湿模块输出的气体温度控制范围为60至90摄氏度，压力范围为10至200千帕表压。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果。
1）使用加湿器、外加直流电源及第一管路、第二管路将一定量的氢气在质子交换膜燃料电池内循环，在较小气耗和能耗的条件下完成活化，大大缩短了质子交换膜燃料电池的活化时间，节约活化成本。以150kW质子交换膜燃料电池电堆为例，现有的放电活化时长一般在6-8小时，活化过程消耗氢气超过1000000升。而采用我们的方案后可以将活化时间缩短至1小时以内，使用氢气的体积也大幅度减少至40000升以内。
2）本发明设计的一种质子交换膜燃料电池的快速活化系统使用不同的气体以及不同的连接方法，在活化系统中加入一系列的三通阀（电磁阀）来进行连接控制，能够实现自动操作，适合推广应用。
附图说明
图1所示为本发明一个实施例的结构示意图。
图2所示为本发明一个实施例的快速活化步骤1）结构示意图。
图3所示为本发明一个实施例的快速活化步骤2）结构示意图。
图4所示为本发明一个实施例的快速活化步骤3）结构示意图。
图5所示为本发明一个实施例的快速活化步骤4）结构示意图。
附图标记说明。
1-阳极区，2-阴极区，3-膜电极，4-第一三通阀，5-加湿器，6-第一惰性气体源，7-加湿器，8-第五三通阀，9-氢气源，10-第二三通阀，11-加湿器，12-加湿器，13-第二惰性气体源，14-第三三通阀，15-第一气体排出控制装置，16-第四三通阀，17-第二气体排出控制装置，18-外接直流电源，19-氢气循环泵，20-第一压力传感器，21-第一温度传感器，22-第二压力传感器，23-第二温度传感器。
实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，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，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
一种质子交换膜燃料电池的快速活化系统，包括：外接直流电源，与被活化物质子交换膜燃料电池阴极/阳极气体流道连接的气体源，连接在所述气体源与所述质子交换膜燃料电池之间、用来控制进气气体种类和湿度的三通电磁阀及气体加湿器，连接在所述燃料电池气体出口的气体排出控制装置，分别连接在燃料电池阳极与阴极入口端的温度传感器与压力传感器，连接在阴极出口端与阳极入口端之间的氢气循环泵。
其中，所述质子交换膜燃料电池气体入口处接有三通电磁阀和气体加湿器的多种气体源，所述质子交换膜燃料电池气体出口处接有三通电磁阀及气体处理装置，所述三通电磁阀用来调整使用气体种类达到活化各步骤不同的连接方法，通过三通电磁阀的程控操作达到质子交换膜燃料电池的快速活化目的。
如图1所述，该快速活化系统的构造如下。
质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池具有阳极区1、阴极区2、以及将所述阳极区1和所述阴极区2隔开的膜电极3。
外接直流电源18，所述外接直流电源18具有极性切换装置，可以实现正负电源的转换功能，用来对质子交换膜燃料电池的阳极1区和阴极区2交替施加背压。在极限电流法测量膜电极的氢气渗透率及对阴极区进行活化时，质子交换膜燃料电池阳极区1连接外接直流电源18的负极，质子交换膜燃料电池阴极区2连接外接直流电源18的正极；在对阳极区1进行活化时，质子交换膜燃料电池阳极区1连接外接直流电源18的正极，燃料电池阴极区2连接外接直流电源18的负极。
第一气体源，用来对质子交换膜燃料电池的阳极区1通入加湿气体。该第一气体源包括：第一惰性气体源6和氢气源9，所述第一惰性气体源6和所述氢气源9输出的气体经相应的加湿器5和加湿器7后分别进入第一三通阀4的两个进气口，所述第一三通阀4的出气口连接至所述阳极区1的入口处。在所述第一三通阀4的出气口上连接有第一压力传感器20和第一温度传感器21。
第二气体源，用来对质子交换膜燃料电池的阴极区2通入加湿气体。所述第二气体源包括第二惰性气体源13，所述第二惰性气体源13输出的气体经相应的加湿器12后进入第二三通阀10的一个入气口，所述第二三通阀10的出气口连接至所述阴极区2的入口处。在所述第二三通阀10的出气口上连接有第二压力传感器22和第二温度传感器23。
第一气体排出控制装置15，连接在阳极区1的气体出口上。
第二气体排出控制装置17，连接在阴极区2的气体出口上。
与现有技术的主要不同之处在于，所述阳极区1的气体出口处还通过第一管道、第一加湿器11与所述阴极区2的气体入口处连接，所述阴极区2的气体出口处还通过第二管道、第二加湿器与所述阳极区1的气体入口处连接；在所述第一管道或所述第二管道上连接有氢气循环泵19。
本实施例中，优选所述第一管道的出气口连接至所述第二三通阀10的入气口。优选所述氢气循环泵19安装在所述第二管道上。优选利用所述加湿器7来充当第二加湿器，所述第二管道的出气口通过第五三通阀8连接至与所述加湿器7上，结构更加简单。
本实施例中，优选在所述阳极区1的气体出口上连接有第三三通阀14，所述第三三通阀14的一个入气口与所述阳极区1的气体出口连接，所述第三三通阀14的两个出气口分别与所述第一气体排出控制装置15和所述第一管道连接。
本实施例中，优选在所述阴极区2的气体出口上连接有第四三通阀16，所述第四三通阀16的一个入气口与所述阴极区2的气体出口连接，所述第四三通阀16的两个出气口分别与所述第二气体排出控制装置17和所述第二管道连接。
在这里，通过设置多个三通阀（电磁阀），方便进行气体的流向控制与选择，能够实现自动操作，适合推广应用。为确保气体管路的密封性能，本实施例中，优选所述质子交换膜燃料电池气体管路的各连接处均设有密封结构。
实施例1
一种质子交换膜燃料电池的快速活化系统，其快速活化包括以下步骤：1）如图2所示，通过第一惰性气体源6将新鲜氮气通入加湿器5，以10SLPM的气体流量将过饱和湿度氮气通入质子交换膜燃料电池阳极区1；通过第二惰性气体源13将新鲜氮气通入加湿器12，以10SLPM的气体流量将过饱和湿度氮气通入质子交换膜燃料电池阴极区2；进行氮气吹扫。气体温度控制在60摄氏度，气体压力控制在20千帕表压，将气体管路内空气替换为氮气。
2）如图3所示，通过氢气源9将新鲜氢气通入加湿器7，以10SLPM的气体流量将过饱和湿度氢气通入质子交换膜燃料电池的阳极区1；通过第二惰性气体源13将新鲜氮气通入加湿器12，以10SLPM的气体流量将过饱和湿度氮气通入质子交换膜燃料电池的阴极区2，气体温度控制在60摄氏度，气体压力控制在20千帕表压。将从阳极区1渗透到阴极区2的氢气在外加电压的作用下全部氧化后形成氢离子通过质子交换膜返回阳极区1形成氢气，采用极限电流法测量所能达到最大值的氧化电流，即可确定质子交换膜燃料电池氢气的最大渗透率。
3）如图4所示，通过氢气源9将新鲜氢气通入加湿器7，以10SLPM的气体流量将过饱和湿度氢气通入质子交换膜燃料电池的阳极区1，气体温度控制在60摄氏度，气体压力控制在20千帕表压。通过第一管路及加湿器11将阳极区1出口处剩余过量氢气作为阴极氢气源，将阴极区2出口处过量氢气与阳极区1的加湿器7相连，作为阳极氢气源，阳极区1的氢气在外加电压（阳极区接电源的正极端，阴极区接电源的负极端）的作用下全部氧化后形成氢离子返回阴极区2形成氢气，形成质子交换膜燃料电池内部氢气循环，实现对阳极区1的活化。
4）如图5所示，通过氢气源9将新鲜氢气通入加湿器7，以10SLPM的气体流量将过饱和湿度氢气通入质子交换膜燃料电池的阳极区1，气体温度控制在60摄氏度，气体压力控制在20千帕表压。通过第一管路及加湿器11将阳极区1出口处剩余过量氢气作为阴极氢气源，将阴极区2出口处过量氢气与阳极区1的加湿器7相连，作为阳极氢气源，形成循环使用氢气节省氢气使用量。阴极区2的氢气在外加电压（阳极区接电源的负极端，阴极区接电源的正极端）的作用下被氧化后形成氢离子并携带大量的水分到达阳极区1被还原成氢气，实现对阴极区的活化。
本实施例中，在对阳极区1和阴极区2进行活化时，根据循环回路中杂质含量以及冷凝液态水的含量情况，通过第一气体排出控制装置15或第二气体排出控制装置17进行间歇式的排气，以保持循环氢气的纯度与适当的湿度。
本实施例中，所述气体加湿器包括：加湿模块和质量流量控制器，所述加湿模块为湿膜加湿器或鼓泡加湿器，气体相对湿度控制范围为50%至过饱和，所述质量流量控制器连接在气体源的气体出口和所述加湿模块的气体入口之间、用来控制气体的通入流量。
在一些实施方式中，所述气体的通入流量可进行适当调整，调节范围在50~10000SLPM，所述加湿模块的输出的气体温度及压力也可进行适当调整，温度控制范围为60至90摄氏度，压力范围为10至200千帕表压。
本实施例中活化时间约为50min，对氢气的需求量约为22000L。
实施例2
一种质子交换膜燃料电池的快速活化包括以下步骤：1）将过饱和湿度的氩气以30SLPM的气体流量通入质子交换膜燃料电池阳极区1和阴极区2进行氩气吹扫，气体温度控制在80摄氏度，气体压力控制在40千帕表压，将气体管路内空气替换为氩气。
2）将过饱和湿度氢气以30SLPM的气体流量通入质子交换膜燃料电池阳极区1，将过饱和湿度的氩气以30SLPM的气体流量通入质子交换膜燃料电池阴极区2，气体温度控制在80摄氏度，气体压力控制在40千帕表压。将从阳极区1渗透到阴极区2的氢气在外加电压的作用下全部氧化后形成氢离子通过质子交换膜返回阳极区1形成氢气，采用极限电流法测量所能达到最大值的氧化电流，即可确定质子交换膜燃料电池氢气的最大渗透率。
3）将过饱和湿度氢气以30SLPM的气体流量=通入质子交换膜燃料电池阳极区1，气体温度控制在80摄氏度，气体压力控制在40千帕表压。通过气体管路及加湿器将阳极出口处剩余过量氢气作为阴极区2的氢气源，将阴极区2出口处过量氢气与阳极区加湿器相连，作为阳极氢气源，阳极区的氢气在外加电压的作用下全部氧化后形成氢离子返回阴极区形成氢气，形成质子交换膜燃料电池内部氢气循环，实现对阳极区的活化。
4）将过饱和湿度氢气以30SLPM的气体流量=通入质子交换膜燃料电池阳极区1，气体温度控制在80摄氏度，气体压力控制在40千帕表压。通过气体管路及加湿器将阳极出口处剩余过量氢气作为阴极区2的氢气源，将阴极区2出口处过量氢气与阳极区加湿器相连，作为阳极氢气源，形成循环使用氢气、节省氢气使用量。阴极区的氢气在外加电压（阳极区接电源的负极端，阴极区接电源的正极端）的作用下被氧化后形成氢离子并携带大量的水分到达阳极被还原成氢气，实现对阴极区的活化。
本实施例中活化时间约为45min，对氢气的需求量约为28000L。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
名词解释：SLPM，标准升每分钟；英文名Standard Liters Per Minute。
Claims (7)
1.一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法，该快速活化方法采用以下快速活化系统来实现，所述快速活化系统包括：
质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池具有阳极区、阴极区、以及将所述阳极区和所述阴极区隔开的膜电极；
外接直流电源，用来对质子交换膜燃料电池的阳极区和阴极区交替施加背压；
第一气体源，用来对质子交换膜燃料电池的阳极区通入加湿气体；
第二气体源，用来对质子交换膜燃料电池的阴极区通入加湿气体；
第一气体排出控制装置，连接在阳极区的气体出口上；
第二气体排出控制装置，连接在阴极区的气体出口上；
其特征在于，
所述阳极区的气体出口处还通过第一管道、第一加湿器与所述阴极区的气体入口处连接，所述阴极区的气体出口处还通过第二管道、第二加湿器与所述阳极区的气体入口处连接；在所述第一管道或所述第二管道上连接有氢气循环泵；
在对所述阳极区、所述阴极区进行活化时，通过所述氢气循环泵使氢气在所述阳极区和所述阴极区循环流动，并通过所述外接直流电源对质子交换膜燃料电池的阳极区和阴极区交替施加背压；所述第一气体源包括第一惰性气体源和氢气源，所述第一惰性气体源和所述氢气源输出的气体经相应的加湿器后分别进入第一三通阀的两个进气口，所述第一三通阀的出气口连接至所述阳极区的入口处；
活化时包括以下快速活化步骤：
1）通过第一气体源和第二气体源分别将新鲜过量过饱和湿度惰性气体通入质子交换膜燃料电池阳极区和阴极区进行惰性气体吹扫，将气体管路内空气替换为惰性气体；
2）通过第一气体源将新鲜过量过饱和湿度氢气通入质子交换膜燃料电池的阳极区，通过第二气体源将新鲜过量过饱和湿度惰性气体通入质子交换膜燃料电池的阴极区，将从阳极区渗透到阴极区的氢气在外加电压的作用下全部氧化后形成氢离子通过质子交换膜返回阳极区形成氢气，采用极限电流法测量所能达到最大值的氧化电流，通过该最大值的氧化电流确定质子交换膜燃料电池的氢气最大渗透率；
3）通过第一气体源将新鲜过量过饱和湿度氢气通入质子交换膜燃料电池的阳极区，通过第一管道将阳极区出口处剩余过量氢气连接到阴极区入口处，将阴极区出口处过量氢气通过第二管道、氢气循环泵返回阳极区入口处形成循环；阳极区的氢气在外加电压的作用下被氧化后形成氢离子并携带大量的水分到达阴极区被还原成氢气，实现对阳极区的活化；
4）通过第一气体源将新鲜过量过饱和湿度氢气通入质子交换膜燃料电池的阳极区，通过第一管道将阳极区出口处剩余过量氢气连接到阴极区入口处，将阴极区出口处过量氢气通过第二管道、氢气循环泵返回阳极区入口处形成循环；阴极区的氢气在外加电压的作用下被氧化后形成氢离子并携带大量的水分到达阳极区被还原成氢气，实现对阴极区的活化；
在步骤2）和步骤4）中，质子交换膜燃料电池的阳极区连接外接直流电源的负极，质子交换膜燃料电池的阴极区连接外接直接电源的正极；
在步骤3）中，质子交换膜燃料电池的阳极区连接外接直流电源的正极，质子交换膜燃料电池的阴极区连接外接直流电源的负极；
在氢气循环过程中，通过第一气体排出控制装置和/或第二气体排出控制装置进行间歇式排气，以保持循环氢气的纯度与湿度；
所述第一气体源和所述第二气体源的加湿器均包括：加湿模块和质量流量控制器，所述加湿模块为湿膜加湿器或鼓泡加湿器，气体相对湿度控制范围为50%至过饱和，所述质量流量控制器连接在各气体源的气体出口和相应的所述加湿模块的气体入口之间、用来控制气体的通入流量，所述气体的通入流量调节范围在50~10000 SLPM，所述加湿模块输出的气体温度控制范围为60至90摄氏度，压力范围为10至200千帕表压。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法，其特征在于，在所述第一三通阀的出气口上连接有第一压力传感器和第一温度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法，其特征在于，所述第二管道的出气口通过第五三通阀连接至与所述氢气源对应的所述加湿器上。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法，其特征在于，所述第二气体源包括第二惰性气体源，所述第二惰性气体源输出的气体经相应的加湿器后进入第二三通阀的一个入气口，所述第二三通阀的另一个入气口与所述第一管道的出气口连接，所述第二三通阀的出气口连接至所述阴极区的入口处。
5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法，其特征在于，在所述第二三通阀的出气口上连接有第二压力传感器和第二温度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法，其特征在于，在所述阳极区的气体出口上连接有第三三通阀，所述第三三通阀的一个入气口与所述阳极区的气体出口连接，所述第三三通阀的两个出气口分别与所述第一气体排出控制装置和所述第一管道连接。
7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法，其特征在于，在所述阴极区的气体出口上连接有第四三通阀，所述第四三通阀的一个入气口与所述阴极区的气体出口连接，所述第四三通阀的两个出气口分别与所述第二气体排出控制装置和所述第二管道连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111266805.7A CN113991147B (zh) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | 一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111266805.7A CN113991147B (zh) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | 一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113991147A CN113991147A (zh) | 2022-01-28 |
| CN113991147B true CN113991147B (zh) | 2023-12-05 |
Family
ID=79743912
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111266805.7A Active CN113991147B (zh) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | 一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113991147B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117673409B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-06-25 | 杭州质子动力有限公司 | 一种氢能燃料电池快速活化的方法 |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003331892A (ja) * | 2002-05-13 | 2003-11-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法 |
| WO2008141711A2 (en) * | 2007-05-24 | 2008-11-27 | Daimler Ag | Fuel cell device |
| CN201238067Y (zh) * | 2008-06-23 | 2009-05-13 | 汉能科技有限公司 | 一种燃料电池电堆活化系统 |
| WO2010065017A1 (en) * | 2008-12-04 | 2010-06-10 | Utc Power Corporation | Determining duration of fuel cell shutdown hydrogen stabilization by counting coulombs |
| KR20140076255A (ko) * | 2012-12-12 | 2014-06-20 | 자동차부품연구원 | 연료전지 스택 활성화장치 |
| CN106960970A (zh) * | 2017-02-23 | 2017-07-18 | 天津大学 | 质子交换膜燃料电池内部水分布预测方法 |
| CN109728331A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-05-07 | 北京建筑大学 | 一种质子交换膜燃料电池动态性能测试系统及其工作方法 |
| JP2019175815A (ja) * | 2018-03-29 | 2019-10-10 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池の活性化方法 |
| CN110611114A (zh) * | 2019-10-11 | 2019-12-24 | 上海唐锋能源科技有限公司 | 燃料电池膜电极快速测试设备 |
| CN110690482A (zh) * | 2019-09-20 | 2020-01-14 | 一汽解放汽车有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池的活化方法 |
| KR20200074541A (ko) * | 2018-12-17 | 2020-06-25 | 주식회사 엘지화학 | 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치 |
| CN113178598A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-07-27 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | 一种氢氧燃料电池活化测试的辅助启停装置和启停方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8101307B2 (en) * | 2005-07-25 | 2012-01-24 | Bloom Energy Corporation | Fuel cell system with electrochemical anode exhaust recycling |
| DE102016110451A1 (de) * | 2016-06-07 | 2017-12-07 | Volkswagen Ag | Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem |
-
2021
- 2021-10-27 CN CN202111266805.7A patent/CN113991147B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003331892A (ja) * | 2002-05-13 | 2003-11-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法 |
| WO2008141711A2 (en) * | 2007-05-24 | 2008-11-27 | Daimler Ag | Fuel cell device |
| CN201238067Y (zh) * | 2008-06-23 | 2009-05-13 | 汉能科技有限公司 | 一种燃料电池电堆活化系统 |
| WO2010065017A1 (en) * | 2008-12-04 | 2010-06-10 | Utc Power Corporation | Determining duration of fuel cell shutdown hydrogen stabilization by counting coulombs |
| KR20140076255A (ko) * | 2012-12-12 | 2014-06-20 | 자동차부품연구원 | 연료전지 스택 활성화장치 |
| CN106960970A (zh) * | 2017-02-23 | 2017-07-18 | 天津大学 | 质子交换膜燃料电池内部水分布预测方法 |
| JP2019175815A (ja) * | 2018-03-29 | 2019-10-10 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池の活性化方法 |
| CN109728331A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-05-07 | 北京建筑大学 | 一种质子交换膜燃料电池动态性能测试系统及其工作方法 |
| KR20200074541A (ko) * | 2018-12-17 | 2020-06-25 | 주식회사 엘지화학 | 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치 |
| CN110690482A (zh) * | 2019-09-20 | 2020-01-14 | 一汽解放汽车有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池的活化方法 |
| CN110611114A (zh) * | 2019-10-11 | 2019-12-24 | 上海唐锋能源科技有限公司 | 燃料电池膜电极快速测试设备 |
| CN113178598A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-07-27 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | 一种氢氧燃料电池活化测试的辅助启停装置和启停方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113991147A (zh) | 2022-01-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3722019B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| US20130316199A1 (en) | Electrochemical balance in a vanadium flow battery | |
| KR100699371B1 (ko) | 직접 메탄올형 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 | |
| US6558827B1 (en) | High fuel utilization in a fuel cell | |
| US8062801B2 (en) | Avoiding coolant slump into reactant fields during PEM fuel cell shutdown | |
| CA2389197C (en) | Fuel cell and method of operating same | |
| JP2003331893A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2004303717A (ja) | 燃料電池システム | |
| CN113991147B (zh) | 一种质子交换膜燃料电池的快速活化方法 | |
| KR20110060035A (ko) | 연료전지 가속 활성화 방법 | |
| CN101416339B (zh) | 燃料电池系统及其控制方法 | |
| CN116344861A (zh) | 一种质子交换膜氢燃料电池热电联产系统 | |
| JPH07240220A (ja) | 燃料電池システム | |
| EP1284514B1 (en) | Anode stream recirculation system for a fuel cell | |
| JP2020092079A (ja) | 燃料電池用加湿器 | |
| US7833672B2 (en) | Modular direct fuel cell system with integrated processor | |
| CN208489292U (zh) | 一种燃料电池电堆氢气循环装置 | |
| KR101610063B1 (ko) | 연료 전지 시스템 | |
| JP5354942B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| US20100196769A1 (en) | Fuel cell system | |
| JPH11191422A (ja) | 固体高分子形燃料電池装置 | |
| CN216213587U (zh) | 一种质子交换膜燃料电池的快速活化系统 | |
| JPH02825B2 (zh) | ||
| JP2006066112A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2009054290A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |