CN114243053B - 一种延长燃料电池寿命的测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种延长燃料电池寿命的装置，包括：燃料电池电堆、控制器ECU、电压巡检装置、电流切换器、以及多个预设的阀；所述电压巡检装置设置在所述燃料电池电堆的两端板之间的表面；所述燃料电池电堆发出的电力经所述电流切换器后再对外部负载供电。本发明通过燃料电池正接与反接切换，使燃料电池阴阳极位置交替变更，利用电池电极电位变化清除存在的杂物，从而恢复电极性能，延长电池寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的技术领域，具体而言，尤其涉及一种延长燃料电池寿命的测试方法及装置。
背景技术
燃料电池作为一种电化学电源，能够直接将燃料和氧化剂中的化学能转为电能。与传统内燃机相比，燃料电池具有效率高、运行安静、对环境友好等特点。2014年12月，日本丰田Mirai燃料电池汽车正式上市，极大推进了燃料电池的商业化进程。目前，燃料电池若要全面实现商业化，仍需突破“成本”与“寿命”两大难关。
为解决燃料电池的寿命问题，通常从两方面入手：一方面在燃料电池材料方面，研发长寿命、耐腐蚀材料，如高强度质子交换膜、高稳定性催化剂等，从根本上提高电池部件的寿命；另一方面通过对控制策略进行优化设计，给予燃料电池合适的运行环境，延缓电池性能衰减，比如优化启停操作、限制电极高电位、减少氢空界面等。尽管目前已经存在上述多种方法，来延长燃料电池寿命，但与成熟的内燃机技术相比燃料电池寿命仍然存在差距。
发明内容
根据上述提出与成熟的内燃机技术相比燃料电池寿命仍然存在差距的技术问题，而提供一种延长燃料电池寿命的测试方法及装置。本发明主要利用一种延长燃料电池寿命的装置，包括：
燃料电池电堆、控制器ECU、电压巡检装置、电流切换器、以及多个预设的阀；其中，阀I的一端与燃料气源连接、另一端与电堆燃料入口连接；阀II的一端与燃料气源连接、另一端与所述燃料电池电堆的氧化剂入口连接；阀IV的一端与氧化剂气源连接、另一端与所述燃料电池电堆的燃料入口连接；阀V一端与氧化剂气源连接、另一端与电堆氧化剂入口连接；电堆反应后的燃料与氧化剂尾气分别经阀III、阀VI排出系统；所述电压巡检装置设置在所述燃料电池电堆的两端板之间的表面；所述燃料电池电堆发出的电力经所述电流切换器后再对外部负载供电。
进一步地，所述燃料电池运行时，既可以正常模式运行，也可以反接模式运行；当正常模式运行时，燃料经阀I、氧化剂经阀V分别进入所述燃料电池电堆；当反接模式运行时，燃料经阀II、氧化剂经阀IV分别进入所述燃料电池电堆；当正接模式与反接模式同时运行时，电堆电路输出端的正极与负极互为相反，但经电流切换器后对外部负载输出电路端正负极不变。
更进一步地，所述燃料电池电堆处于反接模式运行时，电路反接通过所述电流切换器在ECU控制下自动完成。
进一步地，所述燃料电池电堆反接模式时运行时间不低于5分钟。
进一步地，所述电压巡检装置实时检测所述燃料电池电堆内各单电池电压数据，所能检测的电压范围为-1.5V～1.5V。
更进一步地，所述电压巡检装置检测的电压范围为-1.5V～1.5V。
更进一步地，所述燃料电池电堆的反接操作通过所述控制器ECU控制所述多个阀与电流切换器配合完成。
进一步地，所述多个阀为具备双向截至功能的独立阀件，或者为具有单向截至功能的阀与单向阀的组合。
更进一步地，所述燃料电池电堆反接之前，通过惰性气体吹扫或通过放电电阻消耗将所述燃料电池内的燃料与氧化剂彻底排出。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明燃料电池既可以正常模式运行，也可以反接模式运行，正常模式与反接模式切换由系统ECU控制反应气供应管路的阀件与电流切换器自动完成，控制简便、集成度高；
(2)燃料电池运行一段时间后，不可避免均会存在性能衰减，通过正接与反接模式的切换，燃料电池电极电位交替变化，能够清除存在的杂物，从而恢复电极性能，有利于延长电池寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明燃料电池测试装置实际测试结果。
其中，1为具有反接功能的燃料电池测试装置，2为燃料电池电堆，3为控制器ECU，4为电压巡检装置，5为电流切换器，6为负载，21为燃料电池电堆2的燃料与氧化剂接口I，22为燃料电池电堆2的燃料与氧化剂接口II，23为燃料电池电堆2的燃料与氧化剂接口III，24为燃料电池电堆2的燃料与氧化剂接口IV，31为阀I，32为阀II，33为阀III，34为阀IV，35为阀V，36为阀VI。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-2所示，本发明提供了一种延长燃料电池寿命的装置，包括：燃料电池电堆2，由单节或多节单电池组成，是系统发电的核心，A、B分别为其集流板输出端子，可对外输出电力。控制器ECU3，控制燃料电池测试装置启动、运行、停车等动作，同时能够监测燃料电池测试装置中温度、压力、电流、电压等参数变化情况。电压巡检装置4可以检测电堆单池电压的高低，其电压信号可传输至ECU，本实施例中电压巡检装置可检测的电压范围为-1.5～1.5V，因此无论电堆处于正接或反接状态，其电压均能够被正常检测。、电流切换器5，无论燃料电池电堆2正接或反接，其产生的电力进入电流切换器5后，均能够输出正负极确定的直流电流、以及多个预设的阀。6为负载，为用电设备，可消耗燃料电池产生的电力。其中，阀I31的一端与燃料气源连接、另一端与电堆燃料入口连接；阀II32的一端与燃料气源连接、另一端与所述燃料电池电堆的氧化剂入口连接；阀IV34的一端与氧化剂气源连接、另一端与所述燃料电池电堆的燃料入口连接；阀V35一端与氧化剂气源连接、另一端与电堆氧化剂入口连接；电堆反应后的燃料与氧化剂尾气分别经阀III33、阀VI36排出系统；所述电压巡检装置设置在所述燃料电池电堆的两端板之间的表面；所述燃料电池电堆发出的电力经所述电流切换器后再对外部负载供电。
在本实施方式中，所述燃料电池运行时，既可以正常模式运行，也可以反接模式运行；当正常模式运行时，燃料经阀I、氧化剂经阀V分别进入所述燃料电池电堆；当反接模式运行时，燃料经阀II、氧化剂经阀IV分别进入所述燃料电池电堆；当正接模式与反接模式同时运行时，电堆电路输出端的正极与负极互为相反，但经电流切换器后对外部负载输出电路端正负极不变。
作为一种优选的实施方式，所述燃料电池电堆处于反接模式运行时，电路反接通过所述电流切换器在ECU控制下自动完成。所述燃料电池电堆反接模式时运行时间不低于5分钟。
所述燃料电池电堆的反接操作通过所述控制器ECU控制所述多个阀与电流切换器配合完成。
作为一种优选的实施方式，在本申请中所述多个阀为具备双向截至功能的独立阀件，或者为具有单向截至功能的阀与单向阀的组合。所述燃料电池电堆反接之前，通过惰性气体吹扫或通过放电电阻消耗将所述燃料电池内的燃料与氧化剂彻底排出。
实施例1
燃料电池测试装置1正常运行时，燃料氢气通过阀31，自接口21进入电堆2，然后经接口22、从阀33排出；氧化剂空气通过阀35，自接口23进入电堆2，然后经接口24、从阀36排出。燃料电堆内燃料和氧化剂发生电化学反应，产生电能，集流板端子A为正极(电位高)，B为负极(电位低)，经电流切换器5后对负载6输出电力。此过程中，阀32、34始终关闭状态。
当燃料电池运行一段时间后，电池性能发生衰减，此时可将燃料电池切换为“反接”模式，阀31、35关闭，燃料氢气通过阀32、自接口23进入电堆2，然后自接口24、阀36排出；氧化剂空气通过阀34、自接口21进入电堆2，然后自接口22、阀33排出。电堆集流板端子A变为负极(电位低)、B变为正极(电位高)，但经过电流切换器5后，对负载6输出电力的正负极不变。通过电堆中电极电位的变化，可以使电极表面的杂物发生电化学变化，完成清理过程，从而实现电堆性能的部分恢复，有利于延长电堆寿命。
图2为应用本发明专利的燃料电池测试装置实际测试结果，燃料电池主要在恒电流模式工作，电流密度约500mA/cm2。从图2可以看到，燃料电池性能变化曲线大体分为两个阶段：S1与S2。S1阶段燃料电池工作在正常模式，可以看到刚开始时，电池性能较好，单池平均电压约为0.72V；随着运行时间的延长，电池性能衰减明显，电压越来越低，当运行至1985h时，单池平均电压降至0.50V左右，电池衰减幅度达到30％。S2阶段的a、b、c三段(分别对应1986-1988h、2004-2013h、2069-2075h)，燃料电池采取反接模式，可以看到电池性能明显提升，单池平均电压达到0.66V左右，即使再恢复正常模式，电池性能也较S1阶段结束时高。图2试验结果说明，通过应用本发明，可以有效延长燃料电池的实际使用寿命，充分体现了本发明的有益效果
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种延长燃料电池寿命的装置，其特征在于，包括：
燃料电池电堆、控制器ECU、电压巡检装置、电流切换器、以及多个预设的阀；其中，
阀I的一端与燃料气源连接、另一端与电堆燃料入口连接；阀II的一端与燃料气源连接、另一端与所述燃料电池电堆的氧化剂入口连接；阀IV的一端与氧化剂气源连接、另一端与所述燃料电池电堆的燃料入口连接；阀V一端与氧化剂气源连接、另一端与电堆氧化剂入口连接；电堆反应后的燃料与氧化剂尾气分别经阀III、阀VI排出系统；所述电压巡检装置设置在所述燃料电池电堆的两端板之间的表面；所述燃料电池电堆发出的电力经所述电流切换器后再对外部负载供电；
所述燃料电池运行时，既可以正常模式运行，也可以反接模式运行；
当正常模式运行时，燃料经阀I、氧化剂经阀V分别进入所述燃料电池电堆；
当反接模式运行时，燃料经阀II、氧化剂经阀IV分别进入所述燃料电池电堆；
当正接模式与反接模式同时运行时，电堆电路输出端的正极与负极互为相反，但经电流切换器后对外部负载输出电路端正负极不变。
2.根据权利要求1所述的一种延长燃料电池寿命的装置，其特征在于：
所述燃料电池电堆处于反接模式运行时，电路反接通过所述电流切换器在ECU控制下自动完成。
3.根据权利要求1所述的一种延长燃料电池寿命的装置，其特征在于：所述燃料电池电堆反接模式时运行时间不低于5分钟。
4.根据权利要求1所述的一种延长燃料电池寿命的装置，其特征在于：所述电压巡检装置检测的电压范围为-1.5V～1.5V。
5.根据权利要求1所述的一种延长燃料电池寿命的装置，其特征在于：所述燃料电池电堆的反接操作通过所述控制器ECU控制所述多个阀与电流切换器配合完成。
6.根据权利要求1所述的一种延长燃料电池寿命的装置，其特征在于所述多个阀为具备双向截至功能的独立阀件，或者为具有单向截至功能的阀与单向阀的组合。
7.根据权利要求1所述的一种延长燃料电池寿命的装置，其特征在于：所述燃料电池电堆反接之前，通过惰性气体吹扫或通过放电电阻消耗将所述燃料电池内的燃料与氧化剂彻底排出。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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